開關(guān)電源中變壓器的Saber仿真輔助設(shè)計(jì):反激

經(jīng)常在論壇上看到變壓器設(shè)計(jì)求助，包括：計(jì)算公式，優(yōu)化方法，變壓器損耗，變壓器飽和，多大的變壓器合適??？

其實(shí)，只要我們學(xué)會(huì)了用Saber這個(gè)軟件，上述問題多半能夠獲得相當(dāng)滿意的解決。

一、 Saber在變壓器輔助設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)：

1、由于Saber相當(dāng)適合仿真電源，因此對(duì)電源中的變壓器營造的工作環(huán)境相當(dāng)真實(shí)，變壓器不是孤立地被防真，而是與整個(gè)電源主電路的聯(lián)合運(yùn)行防真。主要功率級(jí)指標(biāo)是相當(dāng)接近真實(shí)的，細(xì)節(jié)也可以被充分體現(xiàn)。

2、Saber的磁性材料是建立在物理模型基礎(chǔ)之上的，能夠比較真實(shí)的反映材料在復(fù)雜電氣環(huán)境中的表現(xiàn)，從而可以使我們得到諸如氣隙的精確開度、抗飽和安全余量、磁損這樣一些用平常手段很難獲得的寶貴設(shè)計(jì)參數(shù)。

3、作為一種高性能通用仿真軟件，Saber并不只是針對(duì)個(gè)別電路才奏效，實(shí)際上，電力電子領(lǐng)域所有電路拓?fù)渲械淖儔浩鳌㈦姼性?，我們都可以把他們置于真?shí)電路的仿真環(huán)境中來求解。從而放棄大部分繁雜的計(jì)算工作量，極大地加快設(shè)計(jì)進(jìn)程，并獲得比手工計(jì)算更加合理的設(shè)計(jì)參數(shù)。

4、由于變壓器是置于真實(shí)電路的仿真環(huán)境中求解的，所有與變壓器有關(guān)的電路和器件均能夠被聯(lián)合仿真，對(duì)變壓器的仿真實(shí)際上成了對(duì)主電路的仿真，從而不僅能夠獲得變壓器的設(shè)計(jì)參數(shù)，還同時(shí)獲得整個(gè)電路的運(yùn)行參數(shù)以及主要器件的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。

二、 Saber 中的變壓器

我們用得上的 Saber 中的變壓器是這些：

分別是：

xfrl 線性變壓器模型，2~6繞組

xfrnl 非線性變壓器模型，2~6繞組

單繞組的就是電感模型： 也分線性和非線性2種

線性變壓器參數(shù)設(shè)置（以2繞組為例）：

其中：

lp 初級(jí)電感量

ls 次級(jí)電感量

np、ns 初級(jí)、次級(jí)匝數(shù)，只是顯示用，不是真參數(shù)，可以不設(shè)置

rp、rs 初級(jí)、次級(jí)繞組直流電阻值，默認(rèn)為0，實(shí)際應(yīng)該是該繞組導(dǎo)線的實(shí)測(cè)或者計(jì)算電阻值，在沒有得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)前，建議至少設(shè)置一個(gè)非0值，比如1p（1微微歐姆）

k 偶合（互感）系數(shù)，建議開始設(shè)置為1，需要考慮漏感影響時(shí)再設(shè)置為低于1的值。需要注意的是，k 為 0。99 時(shí)，漏感并不等于 lp 或者 ls 的 1/100。漏感究竟是多少，后述。

其他設(shè)置項(xiàng)我沒有用過，不懂的可以保持默認(rèn)值。

非線性變壓器參數(shù)設(shè)置（以2繞組為例）：

其中：

np、ns 初級(jí)、次級(jí)匝數(shù)

rp、rs 初級(jí)、次級(jí)繞組直流電阻值

area 磁芯截面積，即 Ae，單位平方米，84.8u 即 84.8 微平方米，也就是 84.8 平方毫米。

len_fe 磁路長(zhǎng)度，單位米，這里的 69.7m 是EE3528磁芯的數(shù)據(jù)

len_air 氣隙長(zhǎng)度，單位米，這里的 1.8m 是最后獲得的設(shè)計(jì)參數(shù)之一。

matl 磁芯材質(zhì)，下一講了

其他參數(shù)我也不會(huì)用，特別是沒有找到表達(dá)漏感的設(shè)置。

有了Saber 中這兩類變壓器模型，基本上足以應(yīng)付針對(duì)變壓器的仿真了。他們的特點(diǎn)是，xfrl 模型速度快，不會(huì)飽和，而且有漏感表達(dá)，xfrnl 模型真實(shí)，最后得出設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)主要靠它了。

應(yīng)用這兩個(gè)模型有幾個(gè)小技巧需要掌握：

1、已知 lp、ls 求匝比，或者已知 lp、匝比求 ls

2、已知線徑、股數(shù)、匝數(shù)、溫度，計(jì)算繞組電阻值

3、已知磁芯型號(hào)，查磁芯手冊(cè)獲得 area、len_fe 參數(shù) 附件:(磁芯手冊(cè))

三、 Saber中的磁性材料

總共在Saber(2007)中找到9種材質(zhì)的磁心，參數(shù)如下：

Saber的磁心采用的是飛利浦的材質(zhì)系列，但是不知道什么原因除了表中黃色部分的4種材質(zhì)外，查不到其他材質(zhì)的文檔。因此采用了類比法用仿真求出了其他材質(zhì)的主要參數(shù)。類比法用的仿真電路實(shí)際上是個(gè)電橋，如圖：

電路左右對(duì)稱分流，左邊是一線性（理想）電感做參照，右邊是需要檢測(cè)的非線性電感或者變壓器。

當(dāng)信號(hào)源很小時(shí)，比如1mV，特定已知的材質(zhì)（比如“3D3”）磁芯電感通過較大阻值的電阻分壓后可得到一基準(zhǔn)端電壓，不同材質(zhì)可得到一系列相對(duì)端電壓，并與其初始導(dǎo)磁率成比例關(guān)系，從而獲得表中系列材質(zhì)的測(cè)試初始導(dǎo)磁率數(shù)據(jù)。

當(dāng)信號(hào)源較大時(shí)， 加大電流到適當(dāng)?shù)某潭?，被測(cè)試電感會(huì)出現(xiàn)臨界飽和跡象（如圖中右窗口波形剛開始變形），類比可得到各系列材質(zhì)的測(cè)試B值。

這個(gè)類比電橋也是以后要用到的線性變壓器和非線性變壓器的參數(shù)轉(zhuǎn)換電路，附后，需要的可以下載。

遺憾的是，可選擇的材質(zhì)實(shí)在太少，盡管Saber有專門針對(duì)磁性材料的建模工具，但是工程上常用的TDK系列，美芯、美磁等標(biāo)準(zhǔn)磁心都沒有開發(fā)對(duì)應(yīng)的Saber磁芯材質(zhì)模型，這個(gè)重要的工作有待有心人或者廠家跟進(jìn)（我覺得起碼廠家應(yīng)該花錢完善自己的磁材模型）。

所幸的是，我們做開關(guān)電源中的變壓器使用得最多的錳鋅鐵氧體功率磁芯PC40材質(zhì)，可以用“3C8”材質(zhì)完全代替，很多實(shí)例反復(fù)證明，用“3C8”代替PC40材質(zhì)仿真變壓器或者PFC電感是非常準(zhǔn)確的，仿真獲得的各種參數(shù)誤差已經(jīng)小于PC40材料本身參數(shù)的離散性（幾個(gè)百分點(diǎn)）。

四、 輔助設(shè)計(jì)的一般方法和步驟

1、開環(huán)聯(lián)合仿真

首先需要搭建在變壓器所在拓?fù)涞碾娐罚谧畈焕O(shè)計(jì)工況下進(jìn)行開環(huán)仿真。

為保證仿真成功，一般先省略次要電路結(jié)構(gòu)，比如控制、保護(hù)環(huán)路以及輸入輸出濾波環(huán)節(jié)，盡量保持簡(jiǎn)潔的主電路結(jié)構(gòu)。

器件可以使用參數(shù)模型（_sl后綴)甚至理想模型。

變壓器、電感一般先采用線性模型。

此階段仿真主要調(diào)整并獲得變壓器初、次級(jí)最合適電感量，或者電感量允許范圍。需要反復(fù)調(diào)整，逐漸加上濾波和物理器件模型，最后獲得如下參數(shù)：

變壓器初級(jí)最佳電感量 lp

變壓器次級(jí)電感量及大致的匝比

變壓器初級(jí)繞組上的電流波形，主要是峰值電流 Im

電路中其他電感的 lp、Im 值。

2、變壓器仿真

將上述仿真獲得的（參照）變壓器復(fù)制到4樓所述的類比仿真電橋中的一測(cè)，另一側(cè)用一個(gè)對(duì)應(yīng)的非線性（目標(biāo)）變壓器。

注意：所有變壓器各繞組都要接地，一次仿真只能針對(duì)一個(gè)對(duì)應(yīng)的繞組，且繞組電阻 rx 不能為0。

對(duì)稱調(diào)整電路電流，使參照變壓器初級(jí)上的峰值電流 = Im，這里波形和頻率不重要，可以直接用工頻正弦。

對(duì)目標(biāo)變壓器設(shè)置和調(diào)整不同的參數(shù)，包括：磁芯型號(hào)參數(shù)、匝數(shù)、氣隙開度，一般用“3C8”材質(zhì)。

調(diào)整目標(biāo)是使電橋平衡，即類比電橋兩邊獲得同樣幅度的不失真波形。

調(diào)整中有個(gè)優(yōu)化參數(shù)的問題，由于 Im 是確定的，在這個(gè)偏置電流下，首先是要找到一款最小的磁芯，適當(dāng)?shù)脑褦?shù)和氣隙開度，能夠使其達(dá)到參照電感量。換句話說，如果選用再小一號(hào)的磁芯則不能達(dá)到此目的（要飽和）。

其中，匝數(shù)和氣隙開度有微妙之關(guān)系，一般方法應(yīng)該首先求得（調(diào)試得）該磁芯在 Im 條件下可能獲得的最大電感量的氣隙開度，保持該氣隙開度不變，再減