开关电源中变压器的Saber仿真辅助设计:反激
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(目标)变压器代替第一步骤联合仿真电路中的线性变压器,再行仿真。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100W24V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。
主要设计参数为:
输入电压85~265VAC,对应最低100VDC,最高375VDC
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 ls,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。
增加 ls 值可以降低Q1的反射电压,同时增加D3的反射电压。调整 ls 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 lp 的值对应一个恰当的 ls 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,L1=470uH条件下,可以得到如下一组数据:
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)。
平均电流1.72A,峰值电流 Im=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:
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 的峰值电流,适当富裕的安全系数是必要的。
如果觉得安全系数还不够,如果窗口允许的话,可以进一步优化气隙获得更大的安全系数,或者选用更大的磁芯。
漏感
可以放一个线性电感到类比电桥上,验证一下上阶段仿真的漏感:
所有绕组电阻设置为最小,比如1p,变压器副边短路,调整电感量,使电桥平衡,得到14uH,这就是漏感,与预计的3%差不多。
实际漏感与绕制工艺、绕组(短路)电阻值、气隙、测试方法都有关系,不能精确描述和仿真,这里用偶合系数或者附加等效电感模拟,需要有点经验成分,仿多了就有数了,我这里是瞎蒙的。
其他感性元件 电路中L1的电感量470uH,电流平均值0.36A,有效值0.54A,可直接选用0.3mm左右线径绕制的任何470uH的商品功率电感或者工字直插电感。也可以用附件《磁环电感精确计算电子表格》 计算一个磁环电感:
Saber中的非线性电感(变压器)是中间开气隙的EE磁芯模型,没有其他结构的开磁路电感模型,也缺少铁粉芯材质模型,因此此电感不能用非线性电感仿真,磁损就仿不出来了。
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