經(jīng)常在論壇上看到變壓器設(shè)計(jì)求助，包括：計(jì)算公式，優(yōu)化方法，變壓器損耗，變壓器飽和，多大的變壓器合適?。?/p>

其實(shí)，只要我們學(xué)會(huì)了用Saber這個(gè)軟件，上述問題多半能夠獲得相當(dāng)滿意的解決。

一、Saber在變壓器輔助設(shè)計(jì)中的優(yōu)勢(shì)：

1、由于Saber相當(dāng)適合仿真電源，因此對(duì)電源中的變壓器營(yíng)造的工作環(huán)境相當(dāng)真實(shí)，變壓器不是孤立地被防真，而是與整個(gè)電源主電路的聯(lián)合運(yùn)行防真。重要功率級(jí)指標(biāo)是相當(dāng)接近真實(shí)的，細(xì)節(jié)也可以被充分體現(xiàn)。

2、Saber的磁性材料是建立在物理模型基礎(chǔ)之上的，能夠比較真實(shí)的反映材料在復(fù)雜電氣環(huán)境中的表現(xiàn)，從而可以使我們得到諸如氣隙的精確開度、抗飽和安全余量、磁損這樣一些用平常手段很難獲得的寶貴設(shè)計(jì)參數(shù)。

3、作為一種高性能通用仿真軟件，Saber并不只是針對(duì)個(gè)別電路才奏效，實(shí)際上，電力電子領(lǐng)域所有電路拓?fù)渲械淖儔浩?、電感元件，我們都可以把他們置于真?shí)電路的仿真環(huán)境中來求解。從而放棄大部分繁雜的計(jì)算工作量，極大地加快設(shè)計(jì)進(jìn)程，并獲得比手工計(jì)算更加合理的設(shè)計(jì)參數(shù)。

4、由于變壓器是置于真實(shí)電路的仿真環(huán)境中求解的，所有與變壓器有關(guān)的電路和器件均能夠被聯(lián)合仿真，對(duì)變壓器的仿真實(shí)際上成了對(duì)主電路的仿真，從而不僅能夠獲得變壓器的設(shè)計(jì)參數(shù)，還同時(shí)獲得整個(gè)電路的運(yùn)行參數(shù)以及重要器件的最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。

二、Saber中的變壓器

我們用得上的Saber中的變壓器是這些：

分別是：

xfrl線性變壓器模型，2~6繞組

xfrnl非線性變壓器模型，2~6繞組

單繞組的就是電感模型：也分線性和非線性2種

線性變壓器參數(shù)設(shè)置（以2繞組為例）：

其中：

lp初級(jí)電感量

ls次級(jí)電感量

np、ns初級(jí)、次級(jí)匝數(shù)，只是顯示用，不是真參數(shù)，可以不設(shè)置

rp、rs初級(jí)、次級(jí)繞組直流電阻值，默認(rèn)為0，實(shí)際應(yīng)該是該繞組導(dǎo)線的實(shí)測(cè)或者計(jì)算電阻值，在沒有得到準(zhǔn)確數(shù)據(jù)前，建議至少設(shè)置一個(gè)非0值，比如1p（1微微歐姆）

k偶合（互感）系數(shù)，建議開始設(shè)置為1，要考慮漏感影響時(shí)再設(shè)置為低于1的值。要注意的是，k為0。99時(shí)，漏感并不等于lp或者ls的1/100。漏感究竟是多少，后述。

其他設(shè)置項(xiàng)我沒有用過，不懂的可以保持默認(rèn)值。

非線性變壓器參數(shù)設(shè)置（以2繞組為例）：

其中：

np、ns初級(jí)、次級(jí)匝數(shù)

rp、rs初級(jí)、次級(jí)繞組直流電阻值

area磁芯截面積，即Ae，單位平方米，84.8u即84.8微平方米，也就是84.8平方毫米。

len_fe磁路長(zhǎng)度，單位米，這里的69.7m是EE3528磁芯的數(shù)據(jù)

len_air氣隙長(zhǎng)度，單位米，這里的1.8m是最后獲得的設(shè)計(jì)參數(shù)之一。

matl磁芯材質(zhì)，下一講了

其他參數(shù)我也不會(huì)用，特別是沒有找到表達(dá)漏感的設(shè)置。

有了Saber中這兩類變壓器模型，基本上足以應(yīng)付針對(duì)變壓器的仿真了。他們的特點(diǎn)是，xfrl模型速度快，不會(huì)飽和，而且有漏感表達(dá)，xfrnl模型真實(shí)，最后得出設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)重要靠它了。

應(yīng)用這兩個(gè)模型有幾個(gè)小技巧要掌握：

1、已知lp、ls求匝比，或者已知lp、匝比求ls

2、已知線徑、股數(shù)、匝數(shù)、溫度，計(jì)算繞組電阻值

3、已知磁芯型號(hào)，查磁芯手冊(cè)獲得area、len_fe參數(shù)附件:(磁芯手冊(cè))

三、Saber中的磁性材料

總共在Saber(2007)中找到9種材質(zhì)的磁心，參數(shù)如下：

Saber的磁心采用的是飛利浦的材質(zhì)系列，但是不了解什么原因除了表中黃色部分的4種材質(zhì)外，查不到其他材質(zhì)的文檔。因此采用了類比法用仿真求出了其他材質(zhì)的重要參數(shù)。類比法用的仿真電路實(shí)際上是個(gè)電橋，如圖：

電路左右對(duì)稱分流，左邊是一線性（理想）電感做參照，右邊是要檢測(cè)的非線性電感或者變壓器。

當(dāng)信號(hào)源很小時(shí)，比如1mV，特定已知的材質(zhì)（比如“3D3”）磁芯電感通過較大阻值的電阻分壓后可得到一基準(zhǔn)端電壓，不同材質(zhì)可得到一系列相對(duì)端電壓，并與其初始導(dǎo)磁率成比例關(guān)系，從而獲得表中系列材質(zhì)的測(cè)試初始導(dǎo)磁率數(shù)據(jù)。

當(dāng)信號(hào)源較大時(shí)，加大電流到適當(dāng)?shù)某潭?，被測(cè)試電感會(huì)出現(xiàn)臨界飽和跡象（如圖中右窗口波形剛開始變形），類比可得到各系列材質(zhì)的測(cè)試B值。

這個(gè)類比電橋也是以后要用到的線性變壓器和非線性變壓器的參數(shù)轉(zhuǎn)換電路，附后，要的可以下載。

遺憾的是，可選擇的材質(zhì)實(shí)在太少，盡管Saber有專門針對(duì)磁性材料的建模工具，但是工程上常用的TDK系列，美芯、美磁等標(biāo)準(zhǔn)磁心都沒有開發(fā)對(duì)應(yīng)的Saber磁芯材質(zhì)模型，這個(gè)重要的工作有待有心人或者廠家跟進(jìn)（我覺得起碼廠家應(yīng)該花錢完善自己的磁材模型）。

所幸的是，我們做開關(guān)電源中的變壓器使用得最多的錳鋅鐵氧體功率磁芯pC40材質(zhì)，可以用“3C8”材質(zhì)完全代替，很多實(shí)例反復(fù)證明，用“3C8”代替pC40材質(zhì)仿真變壓器或者pFC電感是非常準(zhǔn)確的，仿真獲得的各種參數(shù)誤差已經(jīng)小于pC40材料本身參數(shù)的離散性（幾個(gè)百分點(diǎn)）。

四、輔助設(shè)計(jì)的一般方法和步驟

1、開環(huán)聯(lián)合仿真

首先要搭建在變壓器所在拓?fù)涞碾娐罚谧畈焕O(shè)計(jì)工況下進(jìn)行開環(huán)仿真。

為保證仿真成功，一般先省略次要電路結(jié)構(gòu)，比如控制、保護(hù)環(huán)路以及輸入輸出濾波環(huán)節(jié)，盡量保持簡(jiǎn)潔的主電路結(jié)構(gòu)。

器件可以使用參數(shù)模型（_sl后綴)甚至理想模型。

變壓器、電感一般先采用線性模型。

此階段仿真重要調(diào)整并獲得變壓器初、次級(jí)最合適電感量，或者電感量允許范圍。要反復(fù)調(diào)整，逐漸加上濾波和物理器件模型，最后獲得如下參數(shù)：

變壓器初級(jí)最佳電感量lp

變壓器次級(jí)電感量及大致的匝比

變壓器初級(jí)繞組上的電流波形，重要是峰值電流Im

電路中其他電感的lp、Im值。

2、變壓器仿真

將上述仿真獲得的（參照）變壓器復(fù)制到4樓所述的類比仿真電橋中的一測(cè)，另一側(cè)用一個(gè)對(duì)應(yīng)的非線性（目標(biāo)）變壓器。

注意：所有變壓器各繞組都要接地，一次仿真只能針對(duì)一個(gè)對(duì)應(yīng)的繞組，且繞組電阻rx不能為0。

對(duì)稱調(diào)整電路電流，使參照變壓器初級(jí)上的峰值電流=Im，這里波形和頻率不重要，可以直接用工頻正弦。

對(duì)目標(biāo)變壓器設(shè)置和調(diào)整不同的參數(shù)，包括：磁芯型號(hào)參數(shù)、匝數(shù)、氣隙開度，一般用“3C8”材質(zhì)。

調(diào)整目標(biāo)是使電橋平衡，即類比電橋兩邊獲得同樣幅度的不失真波形。

調(diào)整中有個(gè)優(yōu)化參數(shù)的問題，由于Im是確定的，在這個(gè)偏置電流下，首先是要找到一款最小的磁芯，適當(dāng)?shù)脑褦?shù)和氣隙開度，能夠使其達(dá)到參照電感量。換句話說，假如選用再小一號(hào)的磁芯則不能達(dá)到此目的（要飽和）。

其中，匝數(shù)和氣隙開度有微妙之關(guān)系，一般方法應(yīng)該首先求得（調(diào)試得）該磁芯在Im條件下可能獲得的最大電感量的氣隙開度，保持該氣隙開度不變，再減少匝數(shù)直到要的參照的電感量。這樣的好處是：可以獲得最大的抗飽和安全余量、最少的匝數(shù)（最小的繞組電阻和窗口占用）。

其中：抗飽和安全系數(shù)=臨界飽和電流/Im。

3、再度聯(lián)合仿真

把類比得到的非線性（目標(biāo)）變壓器代替第一步驟聯(lián)合仿真電路中的線性變壓器，再行仿真。其中，由于匝數(shù)已經(jīng)求得，可通過簡(jiǎn)單計(jì)算可求得繞組電阻，應(yīng)修改模型中這個(gè)參數(shù)。

現(xiàn)在的仿真更接近真實(shí)的仿真，可以進(jìn)一步觀察變壓器在電路中的表現(xiàn)，或許進(jìn)一步調(diào)整優(yōu)化之。

采用同樣的手段，其他電感也應(yīng)該逐個(gè)非線性化，飽和電感、等效漏感等也應(yīng)納入聯(lián)合仿真。

其中：

變壓器損耗=變壓器輸入功率-變壓器輸出功率

電感損耗功率=（電感端電壓波形x電感電流波形）平均值

電感、變壓器繞組銅損=（（電感、變壓器繞組端電壓波形）有效值/繞組歐姆電阻rx）平均值

磁損=總損耗-銅損，或者，磁損=繞組電阻為0的變壓器損耗。

五、設(shè)計(jì)舉例一：反激變壓器

1、開環(huán)聯(lián)合仿真

以100W24V全電壓反激變換器為例，最簡(jiǎn)潔的開環(huán)仿真電路如圖（仿真壓縮文件FB1附后）：

注：這里采用無損吸收方式，以便更仔細(xì)的觀察吸收的細(xì)節(jié)和效果。

重要設(shè)計(jì)參數(shù)為：

輸入電壓85~265VAC，對(duì)應(yīng)最低100VDC，最高375VDC

輸出電壓24V

輸出功率100W，考慮過載20%，即120W，對(duì)應(yīng)負(fù)載阻抗4.8歐姆

pWM頻率50KHz

先采用一個(gè)2繞組線性變壓器仿真。先初步擬訂的變壓器參數(shù)如下：

其中暫定的偶合系數(shù)k=0.985，可表達(dá)約3%的典型漏感。

先用極端高壓（375VDC）仿這個(gè)電路：

占空設(shè)在0.2左右。調(diào)整變壓器次級(jí)電感l(wèi)s，使輸出達(dá)到24V。

觀察Q1的電壓波形，電壓應(yīng)力明顯分為兩部分，一部分是匝比引起的反射電壓，最前端還有個(gè)漏感引起的尖峰電壓。D3的電壓波形亦如此。

新增ls值可以降低Q1的反射電壓，同時(shí)新增D3的反射電壓。調(diào)整ls使Q1的反射電壓低于一個(gè)可以接受的值，D3選擇范圍較寬，可暫不仔細(xì)追究。

新增吸收（即C1容量）可以降低漏感尖峰電壓，同時(shí)調(diào)整L1電感量使C1電壓剛好可以放電到0V，最終使尖峰電壓低于一個(gè)可以接受的值。

不同lp的值對(duì)應(yīng)一個(gè)恰當(dāng)?shù)膌s值，可以獲得一個(gè)最大的占空比，足夠的占空比才能保證高壓輕載的調(diào)節(jié)性能。

以上調(diào)整應(yīng)始終使輸出保持在24V條件下進(jìn)行。

在C1=15nF，L1=470uH條件下，可以得到如下一組數(shù)據(jù)：

我們暫時(shí)按照占空比=0.22這一組數(shù)據(jù)進(jìn)行下面的設(shè)計(jì)。

再用極端低壓（100VDC）仿這個(gè)電路

新增占空比，直到輸出達(dá)到24V，此時(shí)占空比0.521

觀察原邊繞組電流波形，可以看出還有相當(dāng)程度的電流持續(xù)（模式）。

平均電流1.72A，峰值電流Im=4.17A

附：聯(lián)合仿真電路

五、設(shè)計(jì)舉例一：反激變壓器（續(xù)）

2、變壓器仿真

將上述線性變壓器B1復(fù)制到類比仿真電橋的左邊，同時(shí)在右邊放一個(gè)非線形變壓器B2，初步擬訂磁芯為EE2825，接線和初步設(shè)置的參數(shù)如圖：

調(diào)整電源電壓（41.8V），使B1初級(jí)回路的峰值電流剛好達(dá)到lm=4.17A

檢測(cè)此時(shí)B1的pp腳電壓。調(diào)整B2初級(jí)匝數(shù)使兩邊pp腳電壓達(dá)到同樣的值（即感抗相等電橋平衡），得到初級(jí)76匝。波形不失真，說明該型號(hào)磁芯夠大。

加大電壓（也就是電流），直到右邊波形失真，說明變壓器B2進(jìn)入飽和。

臨界失真的電壓大致為68V，與標(biāo)準(zhǔn)電流電壓41.8V之比為163%，這就是抗飽和安全系數(shù)。

假如對(duì)上述結(jié)果滿意，把兩邊接線改到sp腳

調(diào)整B2次級(jí)匝數(shù)使兩邊sp腳電壓達(dá)到同樣的值，得到次級(jí)18匝。

調(diào)整氣隙，會(huì)得到不同繞組參數(shù)和安全系數(shù)。

評(píng)估：

關(guān)于有峰值電流控制的電路來說，安全富裕很多，假如窗口允許的話，可以進(jìn)一步減小磁芯。

關(guān)于沒有峰值電流控制的電路來說，由于閉環(huán)反饋響應(yīng)的設(shè)計(jì)差異，有可能在高壓輕栽突然加載時(shí)，由于過補(bǔ)償引起超過Im的峰值電流，適當(dāng)富裕的安全系數(shù)是必要的。

假如覺得安全系數(shù)還不夠，假如窗口允許的話，可以進(jìn)一步優(yōu)化氣隙獲得更大的安全系數(shù)，或者選用更大的磁芯。

漏感

可以放一個(gè)線性電感到類比電橋上，驗(yàn)證一下上階段仿真的漏感：

所有繞組電阻設(shè)置為最小，比如1p，變壓器副邊短路，調(diào)整電感量，使電橋平衡，得到14uH，這就是漏感，與預(yù)計(jì)的3%差不多。

實(shí)際漏感與繞制工藝、繞組（短路）電阻值、氣隙、測(cè)試方法都有關(guān)系，不能精確描述和仿真，這里用偶合系數(shù)或者附加等效電感模擬，要有點(diǎn)相關(guān)經(jīng)驗(yàn)成分，仿多了就有數(shù)了，我這里是瞎蒙的。

其他感性元件電路中L1的電感量470uH，電流平均值0.36A，有效值0.54A，可直接選用0.3mm左右線徑繞制的任何470uH的商品功率電感或者工字直插電感。也可以用附件《磁環(huán)電感精確計(jì)算電子表格》計(jì)算一個(gè)磁環(huán)電感：

Saber中的非線性電感（變壓器）是中間開氣隙的EE磁芯模型，沒有其他結(jié)構(gòu)的開磁路電感模型，也缺少鐵粉芯材質(zhì)模型，因此此電感不能用非線性電感仿真，磁損就仿不出來了。