开关电源中变压器的Saber仿真辅助设计一反激要点

1、经常在论坛上看到变压器设计求助，包括：计算公式，优化方法，变压器损耗，变压器饱和,多大的变压器合适啊？其实，只要我们学会了用Saber这个软件，上述问题多半能够获得相当满意的解决。一、Saber在变压器辅助设计中的优势：1由于Saber相当适合仿真电源，因此对电源中的变压器营造的工作环境相当真实，变压 器不是孤立地被防真，而是与整个电源主电路的联合运行防真。主要功率级指标是相当接近真实的，细节也可以被充分体现。2、Saber的磁性材料是建立在物理模型基础之上的，能够比较真实的反映材料在复杂电气 环境中的表现，从而可以使我们得到诸如气隙的精确开度、抗饱和安全余量、磁损这样一些用平常手段很难获得的

2、宝贵设计参数。3、 作为一种高性能通用仿真软件，Saber并不只是针对个别电路才奏效，实际上，电力电子领域所有电路拓扑中的变压器、电感元件，我们都可以把他们置于真实电路的仿真环境中来求解。从而放弃大部分繁杂的计算工作量，极大地加快设计进程， 并获得比手工计算更加合理的设计参数。4、由于变压器是置于真实电路的仿真环境中求解的，所有与变压器有关的电路和器件均能够被联合仿真，对变压器的仿真实际上成了对主电路的仿真，从而不仅能够获得变压器的设计参数，还同时获得整个电路的运行参数以及主要器件的最佳设计参数。Saber中的变压器我们用得上的Saber中的变压器是这些：（实际上是我只会用这些Browse S

3、earch Search DbiectString, ConhFdM Found: 5439T rnsformer, 2 Wind LinearT rnsformer, 2 Wind Nonlinear T ransformer, 3 Wind LinearT ransforHer, 3 Wind Nonlineaf Tranjformer, 4 Wind LinearTransformer, 4 Wind Nonlinear T ransfamer, 5 Wind LinearT r-ir-ffofmer. 5 Wind N 訥in諭 Trdn.=fornrL&r, 6 Wind Linea

4、rT ransformeL 6 Wind Nonlinear分别是:xfrl线性变压器模型，26绕组xfrnl非线性变压器模型，26绕组单绕组的就是电感模型：也分线性和非线性2种-Czi Iricfuubars & 匚ciupliiiciInductor -inductor 1Iricfuctou Coupling Coef. (I Inductou Nonlinear Inductor, Nonlinear (I)线性变压器参数设置（以 2绕组为例）t Attributes HlpNdmeValueQualifier|Any QualifierHelp: persisten1: librar

5、yOK1CancelApply其中:Ip初级电感量Is 次级电感量np、ns初级、次级匝数，只是显示用，不是真参数，可以不设置rp、rs初级、次级绕组直流电阻值，默认为 0，实际应该是该绕组导线的实测或者计算电阻值，在没有得到准确数据前，建议至少设置一个非0值，比如1p（ 1微微欧姆）k 偶合（互感）系数，建议开始设置为1，需要考虑漏感影响时再设置为低于1的值。需要注意的是，k为0。 99时，漏感并不等于Ip 或者Is 的1/100。漏感究竟是多少， 后述。其他设置项我没有用过，不懂的可以保持默认值。非线性变压器参数设置（以 2绕组为例）Edit Attributes KelpQualiher

6、:Any QualifierGKCancel其中：np、ns初级、次级匝数rp、rs 初级、次级绕组直流电阻值area 磁芯截面积，即Ae ,单位平方米，84.8u即84.8微平方米，也就是84.8平方毫 米。len_fe磁路长度，单位米，这里的 69.7m 是EE3528磁芯的数据len air气隙长度，单位米，这里的1.8m是最后获得的设计参数之一。matl磁芯材质，下一讲了其他参数我也不会用，特别是没有找到表达漏感的设置。有了 Saber中这两类变压器模型，基本上足以应付针对变压器的仿真了。他们的特点是，xfrl模型速度快，不会饱和，而且有漏感表达，xfrnl模型真实，最后得出设计数据主

7、要靠它了。应用这两个模型有几个小技巧需要掌握：1、 已知lp、Is 求匝比，或者已知lp、匝比求ls2、已知线径、股数、匝数、温度，计算绕组电阻值3、 已知磁芯型号，查磁芯手册获得area、len_fe 参数 附件:（磁芯手册）三、Saber中的磁性材料总共在Saber（2007）中找到9种材质的磁心，参数如下：测遐枚据1菲利普磁芯手册给出的数据材處导磁率B导磁率E说明3E51000034010000380适合在宽带或EMI滤液中使用高导材料。3E2A4500380无数据3F330004102000功奉或一般用途的中频 2-0. 5册幻材初3B726004.002300440低频（最高0. l

8、NHz）lSS材料。3C82400440无数据（可以代替PC40材匱）3C6A22004B0无数据3C852000440无数据3B91750410无数据3D37503S0750.380中频音频材料Q 2MHZ）4C41202S0无数据Saber的磁心采用的是飞利浦的材质系列， 但是不知道什么原因除了表中黄色部分的 4种材 质外，查不到其他材质的文档。 因此采用了类比法用仿真求出了其他材质的主要参数。 类比 法用的仿真电路实际上是个电桥，如图：20.010.00.0-2C.O-I-20 000 EOClj200 u 0u200 u4)0 u电路左右对称分流，左边是一线性（理想）电感做参照，右边是

9、需要检测的非线性电感或者变压器。当信号源很小时，比如 1mV特定已知的材质（比如“ 3D3）磁芯电感通过较大阻值的电 阻分压后可得到一基准端电压，不同材质可得到一系列相对端电压，并与其初始导磁率成比例关系，从而获得表中系列材质的测试初始导磁率数据。当信号源较大时，加大电流到适当的程度，被测试电感会出现临界饱和迹象（如图中右窗口波形刚开始变形），类比可得到各系列材质的测试B值。这个类比电桥也是以后要用到的线性变压器和非线性变压器的参数转换电路，附后，需要的可以下载。遗憾的是，可选择的材质实在太少，尽管Saber有专门针对磁性材料的建模工具， 但是工程 上常用的TDK系列，美芯、美磁等标准磁心都没

10、有开发对应的 Saber磁芯材质模型，这个重 要的工作有待有心人或者厂家跟进（我觉得起码厂家应该花钱完善自己的磁材模型）。所幸的是，我们做开关电源中的变压器使用得最多的锰锌铁氧体功率磁芯PC40材质，可以用“ 3C8材质完全代替，很多实例反复证明，用“ 3C8代替PC40材质仿真变压器或者 PFC 电感是非常准确的，仿真获得的各种参数误差已经小于PC4 0材料本身参数的离散性（几个百分点）。四、辅助设计的一般方法和步骤1、开环联合仿真 首先需要搭建在变压器所在拓扑的电路，在最不利设计工况下进行开环仿真。 为保证仿真成功，一般先省略次要电路结构，比如控制、保护环路以及输入输出滤波环节， 尽量保持

11、简洁的主电路结构。器件可以使用参数模型（ _sl 后缀 ） 甚至理想模型。变压器、电感一般先采用线性模型。此阶段仿真主要调整并获得变压器初、 次级最合适电感量， 或者电感量允许范围。 需要反复 调整，逐渐加上滤波和物理器件模型，最后获得如下参数：变压器初级最佳电感量 lp变压器次级电感量及大致的匝比变压器初级绕组上的电流波形，主要是峰值电流 Im电路中其他电感的 lp 、 Im 值。2、变压器仿真将上述仿真获得的 （参照） 变压器复制到 4 楼所述的类比仿真电桥中的一测， 另一侧用一个 对应的非线性（目标）变压器。注意： 所有变压器各绕组都要接地， 一次仿真只能针对一个对应的绕组， 且绕组电阻

12、 rx 不 能为 0。对称调整电路电流，使参照变压器初级上的峰值电流 = Im ，这里波形和频率不重要，可以 直接用工频正弦。对目标变压器设置和调整不同的参数， 包括：磁芯型号参数、 匝数、气隙开度，一般用“ 3C8” 材质。调整目标是使电桥平衡，即类比电桥两边获得同样幅度的不失真波形。调整中有个优化参数的问题， 由于 Im 是确定的， 在这个偏置电流下， 首先是要找到一款最 小的磁芯， 适当的匝数和气隙开度， 能够使其达到参照电感量。换句话说， 如果选用再小一 号的磁芯则不能达到此目的（要饱和）。其中，匝数和气隙开度有微妙之关系，一般方法应该首先求得（调试得）该磁芯在 Im 条 件下可能获得

13、的最大电感量的气隙开度， 保持该气隙开度不变， 再减少匝数直到需要的参照 的电感量。 这样的好处是：可以获得最大的抗饱和安全余量、 最少的匝数（最小的绕组电阻 和窗口占用）。其中：抗饱和安全系数 = 临界饱和电流 / Im 。3、再度联合仿真再行仿真。把类比得到的非线性（目标）变压器代替第一步骤联合仿真电路中的线性变压器， 其中，由于匝数已经求得，可通过简单计算可求得绕组电阻，应修改模型中这个参数。现在的仿真更接近真实的仿真，可以进一步观察变压器在电路中的表现，或许进一步调整优化之。采用同样的手段，其他电感也应该逐个非线性化，饱和电感、等效漏感等也应纳入联合仿真。其中：变压器损耗=变压器输入功

14、率-变压器输出功率电感损耗功率=（电感端电压波形 x电感电流波形）平均值电感、变压器绕组铜损 =（电感、变压器绕组端电压波形）有效值 /绕组欧姆电阻rx） 平均值磁损=总损耗-铜损，或者，磁损 =绕组电阻为0的变压器损耗。五、设计举例一：反激变压器1、开环联合仿真以100W2 4V全电压反激变换器为例，最简洁的开环仿真电路如图（仿真压缩文件FB1附后）： 注：这里采用无损吸收方式，以便更仔细的观察吸收的细节和效果。xfri2D1Iiyv26c厂+ 2Qu 0.2LR4Q0uQ110uEJ1spwi I nsossmuri520D3C2-Rz2200 li4 SPWM主要设计参数为: 输入电压

15、85265VAC对应最低 100VDC 最高375VDC直流电压(Volts Direct Current)输出电压24V 输出功率100W考虑过载20%即120W对应负载阻抗 4.8欧姆PWM频率 50KHZ先采用一个2绕组线性变压器仿真。先初步拟订的变压器参数如下:其中暂定的偶合系数 k=0.985，可表达约3%的典型漏感。先用极端高压（375VDC仿这个电路：占空设在0.2左右。调整变压器次级电感Is，使输出达到24V。观察Q1的电压波形，电压应力明显分为两部分，一部分是匝比引起的反射电压，最前端还 有个漏感引起的尖峰电压。D3的电压波形亦如此。400.0-200 0-200.0-19m

16、. 119-fVti1.92rn二tfsl增加Is 值可以降低Q1的反射电压，同时增加D3的反射电压。调整Is使Q1的反射电压 低于一个可以接受的值，D3选择范围较宽，可暂不仔细追究。增加吸收（即C1容量）可以降低漏感尖峰电压，同时调整L1电感量使C1电压刚好可以放电到0V,最终使尖峰电压低于一个可以接受的值。不同Ip的值对应一个恰当的Is 值，可以获得一个最大的占空比，足够的占空比才能保 证高压轻载的调节性能。以上调整应始终使输出保持在24V条件下进行。在C1=15nF, L仁470uH条件下，可以得到如下一组数据：占空比Ip(uH)Is(uH)尖峰电压反射电压0.2453524572491

17、0.22460265644780.2390265564670.1832530511456我们暂时按照占空比=0.22这一组数据进行下面的设计。再用极端低压（100VDC仿这个电路增加占空比，直到输出达到24V，此时占空比0.521 观察原边绕组电流波形，可以看出还有相当程度的电流连续（模式）。4032.00平均电流1.72A，峰值电流lm=4.17A附：联合仿真电路五、设计举例一：反激变压器（续）2、变压器仿真将上述线性变压器 B1复制到类比仿真电桥的左边，同时在右边放一个非线形变压器B2,初步拟订磁芯为EE2825,接线和初步设置的参数如图：330u14巧 IIsnismNameValueQ

18、ualifisr：Anjj QmlilHefac调整电源电压（41.8V），使B1初级回路的峰值电流刚好达到lm=4.17A 检测此时B1的pp脚电压。调整B2初级匝数使两边pp脚电压达到同样的值（即感抗相等 电桥平衡），得到初级 76匝。波形不失真，说明该型号磁芯够大。加大电压（也就是电流），直到右边波形失真，说明变压器B2进入饱和。临界失真的电压大致为 68V,与标准电流电压 41.8V之比为163%这就是抗饱和安全系数。 如果对上述结果满意，把两边接线改到sp脚调整B2次级匝数使两边sp脚电压达到同样的值，得到次级18匝。调整气隙，会得到不同绕组参数和安全系数。评估：对于有峰值电流控制的电路来说， 安全富裕很多，如果窗口允许的话，可以进一步减小磁芯。 对于没有峰值电流控制的电路来说， 由于闭环反馈响应的设计差异， 有可能在高压轻栽突然加载时，由于过补偿引起超过Im的峰