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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)。

附1:几个已知的飞利浦的材质文档

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。

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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,

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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

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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

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