开关电源中变压器的Saber仿真辅助设计:反激

所幸的是，我们做开关电源中的变压器使用得最多的锰锌铁氧体功率磁芯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PFC电感是非常准确的，仿真获得的各种参数误差已经小于PC40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进行开环仿真。

为保证仿真成功，一般先省略次要电路结构，比如控制、保护环路以及输入输出滤波环节，尽量保持简洁的主电路结构。

器件可以使用参数模型（_sl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、次级最合适电感量，或者电感量允许范围。需要反复调整，逐渐加上滤波和物理器件模型，最后获得如下参数：

变压器初级最佳电感量 lp

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

电路中其他电感的 lp、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，另一侧用一个对应的非线性（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、气隙开度，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样幅度的不失真波形。

调整中有个优化参数的问题，由于 Im 是确定的，在这个偏置电流下，首先是要找到一款最小的磁芯，适当的匝数和气隙开度，能够使其达到参照电感量。换句话说，如果选用再小一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，一般方法应该首先求得（调试得）该磁芯在 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：可以获得最大的抗饱和安全余量、最少的匝数（最小的绕组电阻和窗口占用）。

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（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