開(kāi)關(guān)電源中變壓器的Saber仿真輔助設計:反激

經(jīng)常在論壇上看到變壓器設計求助，包括：計算公式，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(wèn)題多半能夠獲得相當滿(mǎn)意的解決。

一、 Saber在變壓器輔助設計中的優(yōu)勢：

1、由于Saber相當適合仿真電源，因此對電源中的變壓器營(yíng)造的工作環(huán)境相當真實(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)合運行防真。主要功率級指標是相當接近真實(shí)的，細節也可以被充分體現。

2、Saber的磁性材料是建立在物理模型基礎之上的，能夠比較真實(shí)的反映材料在復雜電氣環(huán)境中的表現，從而可以使我們得到諸如氣隙的精確開(kāi)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計參數。

3、作為一種高性能通用仿真軟件，Saber并不只是針對個(gè)別電路才奏效，實(shí)際上，電力電子領(lǐng)域所有電路拓撲中的變壓器、電感元件，我們都可以把他們置于真實(shí)電路的仿真環(huán)境中來(lái)求解。從而放棄大部分繁雜的計算工作量，極大地加快設計進(jìn)程，并獲得比手工計算更加合理的設計參數。

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，對變壓器的仿真實(shí)際上成了對主電路的仿真，從而不僅能夠獲得變壓器的設計參數，還同時(shí)獲得整個(gè)電路的運行參數以及主要器件的最佳設計參數。

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(xiàn)性變壓器模型，2~6繞組

xfrnl 非線(xiàn)性變壓器模型，2~6繞組

單繞組的就是電感模型： 也分線(xiàn)性和非線(xiàn)性2種

線(xiàn)性變壓器參數設置（以2繞組為例）：

其中：

lp 初級電感量

ls 次級電感量

np、ns 初級、次級匝數，只是顯示用，不是真參數，可以不設置

rp、rs 初級、次級繞組直流電阻值，默認為0，實(shí)際應該是該繞組導線(xiàn)的實(shí)測或者計算電阻值，在沒(méi)有得到準確數據前，建議至少設置一個(gè)非0值，比如1p（1微微歐姆）

k 偶合（互感）系數，建議開(kāi)始設置為1，需要考慮漏感影響時(shí)再設置為低于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。

其他設置項我沒(méi)有用過(guò)，不懂的可以保持默認值。

非線(xiàn)性變壓器參數設置（以2繞組為例）：

其中：

np、ns 初級、次級匝數

rp、rs 初級、次級繞組直流電阻值

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(cháng)度，單位米，這里的 69.7m 是EE3528磁芯的數據

len_air 氣隙長(cháng)度，單位米，這里的 1.8m 是最后獲得的設計參數之一。

matl 磁芯材質(zhì)，下一講了

其他參數我也不會(huì )用，特別是沒(méi)有找到表達漏感的設置。

有了Saber 中這兩類(lèi)變壓器模型，基本上足以應付針對變壓器的仿真了。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，xfrnl 模型真實(shí)，最后得出設計數據主要靠它了。

應用這兩個(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(xiàn)徑、股數、匝數、溫度，計算繞組電阻值

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

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(lèi)比法用仿真求出了其他材質(zhì)的主要參數。類(lèi)比法用的仿真電路實(shí)際上是個(gè)電橋，如圖：

電路左右對稱(chēng)分流，左邊是一線(xiàn)性（理想）電感做參照，右邊是需要檢測的非線(xiàn)性電感或者變壓器。

當信號源很小時(shí)，比如1mV，特定已知的材質(zhì)（比如“3D3”）磁芯電感通過(guò)較大阻值的電阻分壓后可得到一基準端電壓，不同材質(zhì)可得到一系列相對端電壓，并與其初始導磁率成比例關(guān)系，從而獲得表中系列材質(zhì)的測試初始導磁率數據。

當信號源較大時(shí)， 加大電流到適當的程度，被測試電感會(huì )出現臨界飽和跡象（如圖中右窗口波形剛開(kāi)始變形），類(lèi)比可得到各系列材質(zhì)的測試B值。

這個(gè)類(lèi)比電橋也是以后要用到的線(xiàn)性變壓器和非線(xiàn)性變壓器的參數轉換電路，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(zhuān)門(mén)針對磁性材料的建模工具，但是工程上常用的TDK系列，美芯、美磁等標準磁心都沒(méi)有開(kāi)發(fā)對應的Saber磁芯材質(zhì)模型，這個(gè)重要的工作有待有心人或者廠(chǎng)家跟進(jìn)（我覺(jué)得起碼廠(chǎng)家應該花錢(qián)完善自己的磁材模型）。

所幸的是，我們做開(kāi)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)例反復證明，用“3C8”代替PC40材質(zhì)仿真變壓器或者PFC電感是非常準確的，仿真獲得的各種參數誤差已經(jīng)小于PC40材料本身參數的離散性（幾個(gè)百分點(diǎn)）。

四、 輔助設計的一般方法和步驟

1、開(kāi)環(huán)聯(lián)合仿真

首先需要搭建在變壓器所在拓撲的電路，在最不利設計工況下進(jìn)行開(kāi)環(huán)仿真。

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

器件可以使用參數模型（_sl后綴)甚至理想模型。

變壓器、電感一般先采用線(xiàn)性模型。

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

變壓器初級最佳電感量 lp

變壓器次級電感量及大致的匝比

變壓器初級繞組上的電流波形，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）變壓器復制到4樓所述的類(lèi)比仿真電橋中的一測，另一側用一個(gè)對應的非線(xiàn)性（目標）變壓器。

注意：所有變壓器各繞組都要接地，一次仿真只能針對一個(gè)對應的繞組，且繞組電阻 rx 不能為0。

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

對目標變壓器設置和調整不同的參數，包括：磁芯型號參數、匝數、氣隙開(kāi)度，一般用“3C8”材質(zhì)。

調整目標是使電橋平衡，即類(lèi)比電橋兩邊獲得同樣幅度的不失真波形。

調整中有個(gè)優(yōu)化參數的問(wèn)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，適當的匝數和氣隙開(kāi)度，能夠使其達到參照電感量。換句話(huà)說(shuō)，如果選用再小一號的磁芯則不能達到此目的（要飽和）。

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