單端反激式開關(guān)電源中高頻變壓器的建模與仿真測試研究
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1引言
本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/231444.htm單端反激式開關(guān)電源的設(shè)計初步完成以后如果不進(jìn)行電路的仿真而是直接進(jìn)行制板和實驗調(diào)試，盡管最終可以得到實驗所要求的各項性能指標(biāo)，但是可能會花費大量的費用和時間[1]。而反激式高頻變壓器是反激開關(guān)電源的核心，它決定了反激變換器一系列的重要參數(shù)，所以對高頻變壓器進(jìn)行仿真測試是非常有必要的[2]。文獻(xiàn)[3]詳細(xì)介紹了單端反激式開關(guān)電源中高頻變壓器的設(shè)計方法和步驟；文獻(xiàn)[4]介紹了應(yīng)用軟件PITransformerDesigner6.5在高頻變壓器設(shè)計中參數(shù)的選擇以及注意事項；文獻(xiàn)[5]對高頻變壓器的設(shè)計進(jìn)行了分析，應(yīng)用PowerEsim軟件對變壓器參數(shù)進(jìn)行仿真優(yōu)化，提高了開關(guān)電源的效率。本文采用PExprt軟件建立高頻變壓器模型并運用PSPICE軟件進(jìn)行仿真。
2運用PExprt建立高頻變壓器的模型
運用PExprt建立高頻變壓器仿真模型的步驟如下：
(1)計算高頻變壓器建模所需要的相關(guān)參數(shù)，并填入相應(yīng)的表格內(nèi)，如圖1所示。本文需要設(shè)計一個具有多路輸出的單端反激式高頻變壓器，其設(shè)計要求為，在直流輸入170V到700V范圍內(nèi)，輸出1路5V/1A，1路24V/2A，1路15V/0.2A，1路-15V/0.2A，3路15V/0.15A，1路15V/0.3A的輸出電壓。總的輸出功率PO=70.25W，開關(guān)的頻率為100kHZ。
圖1設(shè)置高頻變壓器的參數(shù)
(2)設(shè)置高頻變壓器模型求解的相關(guān)參數(shù)。高頻變壓器模型求解的相關(guān)參數(shù)設(shè)置如圖2所示。本文所設(shè)計的高頻變壓器幾何形狀為同心的，工作于正常的環(huán)境溫度下，且允許不同的繞組纏繞在同一層。例如，兩個平行繞組可能被放置在同一層。在設(shè)計高頻變壓器時繞組的損耗包括諧波損耗和交流電阻的損耗，磁芯的損耗按Steinmetz的方法進(jìn)行計算。并且運用PExprt提供的優(yōu)化方法進(jìn)行優(yōu)化。
圖2設(shè)置高頻變壓器模型求解的相關(guān)參數(shù)
(3)模型的求解。在設(shè)計好模型求解的相關(guān)參數(shù)后就可以進(jìn)行模型的求解了。在計算機(jī)自動完成模型過程后可以很方便的查看所設(shè)計的高頻變壓器的模型。其中，可行性結(jié)果的窗口可以顯示磁芯的尺寸、繞組支架的尺寸、磁芯材料、磁芯所在的庫以及繞組的規(guī)格、繞組的匝數(shù)等。性能結(jié)果窗口包含兩個部分：輸入/輸出數(shù)據(jù)區(qū)域和圖形信息區(qū)域。其中輸入/輸出數(shù)據(jù)區(qū)域用于顯示性能測試結(jié)果的數(shù)值，包括磁芯損耗、繞組損耗、總的損耗、電流密度、磁通密度等。圖形信息區(qū)域用于以圖形方式表示以下參數(shù)：電源損耗分布、窗口的利用率等。結(jié)果列表窗口列出了所有滿足設(shè)計要求的磁芯的型號，以及相關(guān)的參數(shù)。并且運用圖表的方式清新地顯示它們的電源損耗，通過它可以很方便的查看并比較各個磁芯的性能。最后，可以通過模型窗口清楚地查看本設(shè)計的高頻變壓器模型的繞組排列情況。如圖3所示。
圖3模型窗口
(4)靜電場分析。運用靜電場求解器可以進(jìn)行靜電場的分析。靜電場求解器用于分析由直流電壓源、永磁材料、高電壓絕緣體中的電荷/密度套管、斷路器及其它靜態(tài)泄放裝置所引起的靜電場。材料類型包括各種絕緣體(各種異性及特性隨位置變化的材料)及理想導(dǎo)體。該模塊能自動計算力矩、轉(zhuǎn)矩、電能及儲能等參數(shù)。運用靜電場求解器求解，求解得到的能量分布圖如圖4所示。
(5)渦流場分析。對于工程電磁場問題，當(dāng)分析正弦激勵源下的物理現(xiàn)象時，如電機(jī)、變壓器的渦流損耗計算，如利用渦流效應(yīng)來產(chǎn)生力和熱的直線感應(yīng)電機(jī)、感應(yīng)加熱設(shè)備設(shè)計等，需要進(jìn)行渦流分析。在PExprt中可以運用渦流場求解器分析受渦流、趨膚效應(yīng)、臨近效應(yīng)影響的系統(tǒng)。它求解的頻率范圍可以從0到數(shù)百兆赫茲，應(yīng)用范圍覆蓋母線、電機(jī)、變壓器、繞組及無損系統(tǒng)。它能夠自動計算損耗、鐵損、不同頻率所所對應(yīng)的阻抗、力、轉(zhuǎn)矩電感和儲能。此外，還能以云圖或者矢量圖的形式給出整個相應(yīng)的磁力線、磁通密度和磁場強(qiáng)度的分布、電流的分布及能量密度等結(jié)果。運用渦流場求解器進(jìn)行求解，求解得到的損耗分布圖如圖5所示。
圖4運用靜電場求解器求解出的能量分布圖
仿真實驗證明運用PExprt設(shè)計的高頻變壓器是正確可用的。
4結(jié)束語
采用PExprt軟件對單端反激式開關(guān)電源中的高頻變壓器建立模型并運用ORCAD/PSPICE實現(xiàn)對高頻變壓器的仿真，可以驗證高頻變壓器設(shè)計的正確性和合理性，進(jìn)而可以提高開關(guān)電源設(shè)計的合理性和可靠性。但是，實際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)在仿真含高頻變壓器的電源電路時，計算機(jī)的運行速度比較慢，為了提高仿真速度，更進(jìn)一步確保高頻變壓器設(shè)計的合理性和可靠性，可以用數(shù)學(xué)方法實現(xiàn)高頻變壓器的建模,并應(yīng)用Matlab/simulink進(jìn)行仿真,將其仿真結(jié)果與實際電路進(jìn)行對比驗證，這有待進(jìn)一步的研究和探索。
參考文獻(xiàn)
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[3]孫海峰，蔣紅梅，崔玲玲．單端反激電路中高頻變壓器的設(shè)計[J].電源世界,2007,(10):66-68.
[4]沙占友，王彥朋，孟志勇.高頻變壓器設(shè)計軟件PITransformerDesigner6.5及其應(yīng)用[J].電源技術(shù)應(yīng)用.2007,10(11):358-64.
[5]楊文廣.基于PowerEsim的開關(guān)電源中的高頻變壓器設(shè)計[J].儀器儀表用戶.2009,16(2):69-71.
作者簡介
郭華旺(1986-)，男，碩士研究生，蘭州交通大學(xué)自動化與電氣工程學(xué)院控制理論與控制工程專業(yè)，研究方向為智能控制與智能系統(tǒng)。■
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