开关电源中变压器的Saber仿真辅助设计一:反激.pdf

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M Properties of xfrl2 xfrl2-3X Edit Attributes Help Name value primitive 2 自 a pwr 300 n k 400 ns 60 23 nde ●●●●●●●●●●● area undef 099 New Property [New Valuel Any Qualifier] Help: persistent library 0 K Cancel Apply」 其中: 1p初级电感量 1s次级电感量 mp、ns初级、次级匝数,只是显示用,不是真参数,可以不设置 邛p、rs初级、次级绕组直流电阻值,默认为0,实祘应该是该绕组导线的实測或者计算 电阳值,在没有得到准确数据前,建议至少设冒一个非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0ε99时,漏感并不等,1p或者1s的1/100。漏感究竞是多少,后 述 其他设置項我没有用过,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): M Properties of xfrnI2 xfrn12 2 Edit Attributes Help Name value primitive ary 24 10m 1m n22 area 848u len_fe 597m llen air 18r m甜 3c8 unts ternpc undef b INew Property New valuel Qualifier: (AnyQuaffierl Help K Cancel Appiy 其屮 np、ns初级、次级匝数 Ip、rs初级、次级绕组直流电阻值 area磁芯截面积,即Ae,单半方米,84.8u即84.8微屮方米:也就是84.8半方毫 米 en fe礅路长度,单位米,这里的69.7n是EE3528磁心的数据 len air气隙长度,单位米,这里的1.8是最后获得的设计参数之。 mat1磁芯材质,下一讲了 其但参数我也不会用,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, rl模型速度快,不会饱和,而彐有漏感表达,κril模型貞实,最后得出设计数据主要 靠它了。 应用这两个模型有几个小技巧需要掌握: 、已知lp、1s求匝比,或者已知1p、匝比求ls 2、已知线径、股数、匝数、温度,计算绕组电阻值 3、已知磁芯型号,査磁芯手册获得area、 len fe参数附件:(磁芯手册) 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: 测试数据菲利普磁芯手册给出的数据 材质导磁率B导磁率B说明 3E51000034010000380适合在宽带或EI波中使用高导材料。 3E2A ±50380 无数据 33300040200040功率或一般用途的中频(0.20.5z)材料 3B726004002300440低频(最高0.1MHz)滤波材料 3C8 2400440 无数据可以代替PC40材质 3C6A 2200480 无数据 3C85 2000440 无数据 3E9 1750410 无数据 3D3750380750380中频[音频]材料(0,2z)。 4C4 120280 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: 200 200 10.0 10.0 J 10.0 10.0 20.0 2D.0 00 200u ou 600u 00 200u 40u 60u 1(s 11) 电路左右对称分流,左边是一线性(理想冫电感做参照,右边是需要检测的非线性电感或者 变压器。 当信号源很小时,比如lu,特定凵知的材质(比如“3D3”)磁芯屯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,从而获得表系列材质的测试初始寻磁率数据。 当信号源较大肘,加大电流到适当的程度,被测试电感会出临界饱和迹象(如图中右窗 口波形刚厂始变形),米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挨电路,附后,需要的 可以下载。 遗憾的是,可选拌的材质实在太少,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TK系列,美芯、美磁等标准磁心都没有开发应的 Saber磁芯村质模型,这个重 要的工作有待自心人或者厂家跟进(我觉得起码厂家应该忙钱宄善自己的磁材模型) 所幸的是,我们做开关电源中的变压尜使用得最多的锰锫铁氧体功夲磁芯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PC 电感是非常准确的,仿真获得的各种参数误差已经小于P40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过行开环仿真。 为俣证窃真成功,一般先省略次要电路结构,比如控、俣护环路以及输入输岀滤波环节, 尽量保持简洁的主电路结构。 器件可以使用参数模型(s1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、次级最合遹电感量,或者电感量允许范围。需要反复 调整,逐渐加上濡波和物理器件模型,最后获得如下参教: 变压器积级最佳电感量1p 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 申路中其他电感的1p、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 寸应的非线性(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、气隙天度,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杵幅度的不失真波形。 调整中有个优化参数的间题,由于Im是确定的,在这个偏置电流下,当先是要找到一款最 小的磁芯,适当旳匝数和气隙开度,能够使其达到参照电感量。换句话说,如果选用冉小 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,一殴方法应该首先求得〔调试得)该磁心在Im条件 下可能获得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:可以获得最大的抗和安全余量、最少的匝数(最小的绕组电阻和 窗山占用)。 其中:抗饱和安全系数=临界饱和电流/Im。 3、再度联合仿真 把类比得到的非线性(日标)变压器代替第一步骤联合仿真电路屮的线性变压器,再行仿真。 其中,由于匝数凵经求得,可通过简单计算可求得绕组电阻,应修改模型中这个参数 巩在的仿真更接近真实釣仿真,可以进一步观察交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,其他巨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-变压器输入功率-变压器输出功率 电感损耗功率≡(电感端电压波形ⅹ电惑电流波形冫平均佶 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=息损-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1∩w24V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,以便更仔细的观察呶收的纠书和效果。 qufu D1 mIura byY26cL1 C1 B1 D3 375 v dc D2 spw 1nEins5 C RZ 2200u 48 PwMI www.21gianyuan.com 世纪 主要设计参数为: 输入电E5265VAC,对应最低1WC,最高375ⅥC 输出电压24V 输出功率100,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 国 Properties of I12x1218 Edit At tributes Help N ame value primitive library al pwT L mps p 10u n间 e xfr_1 undef area undef 0985 INew Ponent INew Val el Qualifier [Any Qualifier] Help K Cancel 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1s,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,一部分是亚比引起的反射电压,最前端还 有个漏慼引起的尖峰电压。D3的电压波形亦如此。 600.0 4000 2000 00 2000 1 9m www.4119byuan.conm 192m 增加⊥s值可以降低Ql的反射电压,同吋增加υ3的反射电压。调整』s使ψ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Cl容量)可以聱低漏感尖峂电压,同时调整Ll电感量使CI电压刚好可以放 电到OV,最终使尖峰电压低」个可以接受的值。 不同1p的值对应一个恰当的1s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=15mF,L1=470u条件下,可以得到如下一组数据: 占空比 lp(ul) Is(uH) 尖峰电压 反尉电压 0.24 24 491 0.22 460 26 564 478 0.2 26 556 467 0.1S 30 我们暂时按照占室比=0.22这组数据进行下面的设计。 再用极端低压(100WDC)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(樸式)。 3.0 10 电减题 woN. 21dianyuan com 平均电流1.72A,峰值电流Im=4.17A 吓:联合仿真电路 五、设计举例一:反激变压器(续)

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