单端反激式开关电源中高频变压器的建模与仿真测试研究

1引言

单端反激式开关电源的设计初步完成以后如果不进行电路的仿真而是直接进行制板和实验调试，尽管最终可以得到实验所要求的各项性能指标，但是可能会花费大量的费用和时间[1]。而反激式高频变压器是反激开关电源的核心，它决定了反激变换器一系列的重要参数，所以对高频变压器进行仿真测试是非常有必要的[2]。文献[3]详细介绍了单端反激式开关电源中高频变压器的设计方法和步骤；文献[4]介绍了应用软件PITransformerDesigner6.5在高频变压器设计中参数的选择以及注意事项；文献[5]对高频变压器的设计进行了分析，应用PowerEsim软件对变压器参数进行仿真优化，提高了开关电源的效率。本文采用PExprt软件建立高频变压器模型并运用PSPICE软件进行仿真。

2运用PExprt建立高频变压器的模型

运用PExprt建立高频变压器仿真模型的步骤如下：

(1)计算高频变压器建模所需要的相关参数，并填入相应的表格内，如图1所示。本文需要设计一个具有多路输出的单端反激式高频变压器，其设计要求为，在直流输入170V到700V范围内，输出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的输出电压。总的输出功率PO=70.25W，开关的频率为100kHZ。

图1设置高频变压器的参数

(2)设置高频变压器模型求解的相关参数。高频变压器模型求解的相关参数设置如图2所示。本文所设计的高频变压器几何形状为同心的，工作于正常的环境温度下，且允许不同的绕组缠绕在同一层。例如，两个平行绕组可能被放置在同一层。在设计高频变压器时绕组的损耗包括谐波损耗和交流电阻的损耗，磁芯的损耗按Steinmetz的方法进行计算。并且运用PExprt提供的优化方法进行优化。

图2设置高频变压器模型求解的相关参数

(3)模型的求解。在设计好模型求解的相关参数后就可以进行模型的求解了。在计算机自动完成模型过程后可以很方便的查看所设计的高频变压器的模型。其中，可行性结果的窗口可以显示磁芯的尺寸、绕组支架的尺寸、磁芯材料、磁芯所在的库以及绕组的规格、绕组的匝数等。性能结果窗口包含两个部分：输入/输出数据区域和图形信息区域。其中输入/输出数据区域用于显示性能测试结果的数值，包括磁芯损耗、绕组损耗、总的损耗、电流密度、磁通密度等。图形信息区域用于以图形方式表示以下参数：电源损耗分布、窗口的利用率等。结果列表窗口列出了所有满足设计要求的磁芯的型号，以及相关的参数。并且运用图表的方式清新地显示它们的电源损耗，通过它可以很方便的查看并比较各个磁芯的性能。最后，可以通过模型窗口清楚地查看本设计的高频变压器模型的绕组排列情况。如图3所示。

图3模型窗口

(4)静电场分析。运用静电场求解器可以进行静电场的分析。静电场求解器用于分析由直流电压源、永磁材料、高电压绝缘体中的电荷/密度套管、断路器及其它静态泄放装置所引起的静电场。材料类型包括各种绝缘体(各种异性及特性随位置变化的材料)及理想导体。该模块能自动计算力矩、转矩、电能及储能等参数。运用静电场求解器求解，求解得到的能量分布图如图4所示。

(5)涡流场分析。对于工程电磁场问题，当分析正弦激励源下的物理现象时，如电机、变压器的涡流损耗计算，如利用涡流效应来产生力和热的直线感应电机、感应加热设备设计等，需要进行涡流分析。在PExprt中可以运用涡流场求解器分析受涡流、趋肤效应、临近效应影响的系统。它求解的频率范围可以从0到数百兆赫兹，应用范围覆盖母线、电机、变压器、绕组及无损系统。它能够自动计算损耗、铁损、不同频率所所对应的阻抗、力、转矩电感和储能。此外，还能以云图或者矢量图的形式给出整个相应的磁力线、磁通密度和磁场强度的分布、电流的分布及能量密度等结果。运用涡流场求解器进行求解，求解得到的损耗分布图如图5所示。

图4运用静电场求解器求解出的能量分布图

图5运用涡流场求解器求解出的损耗分布图

3高频变压器的仿真测试

为了验证本文所设计的高频变压器的正确性，本文把运用PExprt建立的高频变压器模型导出到ORCAD/PSPICE进行测试。高频变压器的测试电路如图6所示。

图6高频变压器的测试电路

测试后的波形如图7所示。

图7高频变压器的测试波形图

仿真实验证明运用PExprt设计的高频变压器是正确可用的。

4结束语

采用PExprt软件对单端反激式开关电源中的高频变压器建立模型并运用ORCAD/PSPICE实现对高频变压器的仿真，可以验证高频变压器设计的正确性和合理性，进而可以提高开关电源设计的合理性和可靠性。但是，实际应用中发现在仿真含高频变压