Saber变压器设计参数

其中变压器设置情况如下：其中:电路、磁心型号EE3528、匝数24:2、气隙1.8mm等数据来源于控制芯片L6561数据手册磁心材质"3C8"(相当于PC40), 截面84.8u(平方米), 磁路长69.7m(米), 数据来源于EE3528磁心数据手册. 原边绕组电阻10m(欧姆), 副边绕组电阻1m(欧姆),是大致估计,完了修正.其中：变压器先采用3绕组线性模型，初步设置的参数如下：要同时得到电压电流波形数据，可以在这里选择：这样设置后，在波形管理器（Scope)里面所有元件的电流就有了，包括变压器各绕组的电流波形。

有关问题在这里统一讲一下：仿真中CPU是全力以赴的，CPU占用100%是正常的。

仿真中可以观察右上角这个部分知道当前状态：仿真会产生很多文件，并且很大。

除非想保存波形数据，否则可以不定期清理这些文件：File ----Clean Files... 想中断当前的仿真，按这个：想在知道仿到什么程度了，可以在仿真过程中拖动一下示波器箭头，查看当前波形。

画电路图可以采用复制方式，这样免得经常到库里面找元件。

也允许在目录里直接把那个唯一需要的电路图文件改名或者复制粘贴为拷贝。

上述几种操作容易引起网络错误，最好整理一下：Schematic-----Re-Reference仿真操作直接按这个就行：可以不先做DC分析。

其中除了这两栏外其他可以不设置：要同时得到电压电流波形数据，可以在这里选择：此外，你需要的Saber2007（含教材）压缩文件长期保存在这两个群的邮件里(安装中切记不能有任何中文路径和文件名)：调整B2副边绕组匝数，使电桥平衡。

这里，即使B2副边绕组只有1匝，电桥仍然不能平衡，可以选择的是采用半匝结构、或者增加气隙。

调整气隙到0.5mm，电桥平衡。

且B2波形无畸变，说明磁芯够大。

增加激励电流，直到波形畸变。

临界值170A，抗饱和安全系数=170/97=175%。

安全系数很大，说明磁芯偏大，可考虑减少一号磁芯。

改用EE42/21/15磁芯，重复上述仿真，得到：副边绕组匝数 n2=n3=1，允许最大气隙 0.345mm，抗饱和安全系数 130%。

评估：匝数，匝数不是连续分布，只能是1、2。

等自然数，特定情况半匝是可能的。

设计中一般总希望用最少的匝数达成拓扑需要，以便获得最少的铜损。

经仿真，半匝不能满足要求，最少是1匝。

气隙，气隙是客观存在的，即使磨成镜面的磁芯，仍然有um数量级的气隙存在，这里的345um是最大允许值，适当的气隙冗余量（这里是0~0.345mm)可保证规模生产时的安装容差。

气隙超出最大允许值意味着拓扑将退出电流连续模式。

抗饱和安全系数，常规设计方法不能明确得出这个参数，因此这个参数究竟多大合适我说了不算，需要工程进一步验证。

如果这个参数可以用完，那我们还可以再减少一号磁芯。

原边：全桥变换电压传输是比例关系，根据“感量比等于匝比的平方”的关系，对应400uH:640nH的感量比，可以算出匝比为25：1。

即：原边25匝。

原边仿真的任务是确定在不同气隙状态下变压器的绕组电感量。

将电桥改接到原边设置低频（50Hz)小电流(1V1KΩ）激励，使电桥阻抗远大于感抗。

保持气隙345um，调整B2原边匝数，使电桥平衡。

得到原边匝数25匝，与计算吻合。

将B2气隙设置为0，调整B1原边电感，使电桥平衡，得到变压器原边最大电感Lpm=3.7mH。

以及对应副边电感5.5uH。

不同的气隙宽度对应不同的电感量。

其中，漏感是按1%典型值计算的，原边副边各自0.5%。

单位为uH。

因为电压尖峰和吸收过程极为短暂，为尽可能精确地仿真尖峰及吸收过程的细节，我们将Saber的默认精度提高500倍：采用线性变压器以获得变压器内在的漏感，偶合系数k=0.995（对应1%的典型漏感），原边电感Lp=1mH，匝比1：1。

在变压器原边连接C3、R3，尽可能地去等效绕组分布电容和变压器磁损。

以步长1us仿真5ms，以最后1ms的数据为观测结果。

二、 Saber 中的变压器我们用得上的 Saber 中的变压器是这些：（实际上是我只会用这些）分别是：xfrl 线性变压器模型，2~6绕组xfrnl 非线性变压器模型，2~6绕组单绕组的就是电感模型：也分线性和非线性2种线性变压器参数设置（以2绕组为例）：其中：lp 初级电感量ls 次级电感量np、ns 初级、次级匝数，只是显示用，不是真参数，可以不设置rp、rs 初级、次级绕组直流电阻值，默认为0，实际应该是该绕组导线的实测或者计算电阻值，在没有得到准确数据前，建议至少设置一个非0值，比如1p（1微微欧姆）k 偶合（互感）系数，建议开始设置为1，需要考虑漏感影响时再设置为低于1的值。

需要注意的是，k 为 0。

99 时，漏感并不等于 lp 或者 ls 的 1/100。

漏感究竟是多少，后述。

其他设置项我没有用过，不懂的可以保持默认值。

非线性变压器参数设置（以2绕组为例）：其中：np、ns 初级、次级匝数rp、rs 初级、次级绕组直流电阻值area 磁芯截面积，即 Ae，单位平方米，84.8u 即 84.8 微平方米，也就是 84.8 平方毫米。

len_fe 磁路长度，单位米，这里的 69.7m 是EE3528磁芯的数据len_air 气隙长度，单位米，这里的 1.8m 是最后获得的设计参数之一。

matl 磁芯材质，下一讲了其他参数我也不会用，特别是没有找到表达漏感的设置。

有了Saber 中这两类变压器模型，基本上足以应付针对变压器的仿真了。

他们的特点是，xfrl 模型速度快，不会饱和，而且有漏感表达，xfrnl 模型真实，最后得出设计数据主要靠它了。

应用这两个模型有几个小技巧需要掌握：1、已知 lp、ls 求匝比，或者已知 lp、匝比求 ls2、已知线径、股数、匝数、温度，计算绕组电阻值3、已知磁芯型号，查磁芯手册获得 area、len_fe 参数Saber中的磁性材料总共在Saber(2007)中找到9种材质的磁心，参数如下：Saber的磁心采用的是飞利浦的材质系列，但是不知道什么原因除了表中黄色部分的4种材质外，查不到其他材质的文档。

因此采用了类比法用仿真求出了其他材质的主要参数。

类比法用的仿真电路实际上是个电桥，如图：电路左右对称分流，左边是一线性（理想）电感做参照，右边是需要检测的非线性电感或者变压器。

当信号源很小时，比如1mV，特定已知的材质（比如“3D3”）磁芯电感通过较大阻值的电阻分压后可得到一基准端电压，不同材质可得到一系列相对端电压，并与其初始导磁率成比例关系，从而获得表中系列材质的测试初始导磁率数据。

当信号源较大时，加大电流到适当的程度，被测试电感会出现临界饱和迹象（如图中右窗口波形刚开始变形），类比可得到各系列材质的测试B值。

这个类比电桥也是以后要用到的线性变压器和非线性变压器的参数转换电路，附后，需要的可以下载。

遗憾的是，可选择的材质实在太少，尽管Saber有专门针对磁性材料的建模工具，但是工程上常用的TDK系列，美芯、美磁等标准磁心都没有开发对应的Saber磁芯材质模型，这个重要的工作有待有心人或者厂家跟进（我觉得起码厂家应该花钱完善自己的磁材模型）。

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：占空比lp(uH)ls(uH)尖峰电压反射电压0.24535245724910.22460265644780.2390265564670.1832530511456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。