开关电源中变压器的Saber仿真辅助设计    2

一、 Saber在变压器辅助设计中的优势    2

二、 Saber 中的变压器    3

三、 Saber中的磁性材料    7

四、 辅助设计的一般方法和步骤    9

1、开环联合仿真    9

2、变压器仿真    10

3、再度联合仿真    11

五、设计举例一：反激变压器    12

五、设计举例一：反激变压器（续）    15

五、设计举例一：反激变压器（续二）    19

Saber仿真实例共享    25

6KW移相全桥准谐振软开关电焊电源    27

问答    27

开关电源中变压器的Saber仿真辅助设计

经常在论坛上看到变压器设计求助，包括：计算公式，优化方法，变压器损耗，变压器饱和，多大的变压器合适啊？

其实，只要我们学会了用Saber这个软件，上述问题多半能够获得相当满意的解决。

一、 Saber在变压器辅助设计中的优势

1、由于Saber相当适合仿真电源，因此对电源中的变压器营造的工作环境相当真实，变压器不是孤立地被防真，而是与整个电源主电路的联合运行防真。主要功率级指标是相当接近真实的，细节也可以被充分体现。

2、Saber的磁性材料是建立在物理模型基础之上的，能够比较真实的反映材料在复杂电气环境中的表现，从而可以使我们得到诸如气隙的精确开度、抗饱和安全余量、磁损这样一些用平常手段很难获得的宝贵设计参数。

3、作为一种高性能通用仿真软件，Saber并不只是针对个别电路才奏效，实际上，电力电子领域所有电路拓扑中的变压器、电感元件，我们都可以把他们置于真实电路的仿真环境中来求解。从而放弃大部分繁杂的计算工作量，极大地加快设计进程，并获得比手工计算更加合理的设计参数。

saber自带的磁性器件建模功能很强大的，可以随意调整磁化曲线。

但一般来说，用mast模型库里自带的模型就足够了。

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 ls

2、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

三、 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

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：

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 

李工，我看你的变压器原副边的GND是一样的，并没有实现隔离，这与实际不符？

仿真的时候尽量接地，容易成功，实际做你分开就是，又不影响啥

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。

漏感

可以放一个线性电感到类比电桥上，验证一下上阶段仿真的漏感：

所有绕组电阻设置为最小，比如1p，变压器副边短路，调整电感量，使电桥平衡，得到14uH，这就是漏感，与预计的3%差不多。

实际漏感与绕制工艺、绕组（短路）电阻值、气隙、测试方法都有关系，不能精确描述和仿真，这里用偶合系数或者附加等效电感模拟，需要有点经验成分，仿多了就有数了，我这里是瞎蒙的。

其他感性元件

电路中L1的电感量470uH，电流平均值0.36A，有效值0.54A，可直接选用0.3mm左右线径绕制的任何470uH的商品功率电感或者工字直插电感。也可以用附件《磁环电感精确计算电子表格》 计算一个磁环电感：

Saber中的非线性电感（变压器）是中间开气隙的EE磁芯模型，没有其他结构的开磁路电感模型，也缺少铁粉芯材质模型，因此此电感不能用非线性电感仿真，磁损就仿不出来了。

五、设计举例一：反激变压器（续二）

3、再次联合仿真

将变压器仿真获得的非线性变压器数据完善，添加绕组电阻值真实参数（rp=200mΩ、rs=25mΩ），置于主电路中。

在变压器两绕组边分别各放置1.5%的线性电感（r=0）去等效3%的漏感。

其他元件也尽量采用真实模型。

用极端高压仿，给占空0.22。调整原边匝数 np 使输出最接近24V，再观测副边匝数 ns 对输出的影响。

这些影响主要是匝数对调节性能（占空）、反压和输出的影响，要仔细调整 np、ns，直到任何1匝的改变都是不能接受的。必要时调整C1、L1与之配合。

最后得到：np=76， ns=17，D=0.222，Q1漏感尖峰电压<585V，C1=15nF，L1=510uH 这组最佳数据。

检测D3反压波形，漏感尖峰比较大，但没有超压，稍微吸收一下即可。增加R1、C3吸收。

C3大小决定吸收功率，采用330p，调整R1值，120Ω 时效果最好（反压最低），最大吸收功率<1/8W（使用1/2W电阻即可）。

最后的仿真电路如图（压缩文件FB2附后）：

再用极端低压仿，调整占空使输出达到额定值，此时的占空即调节范围的上限。

观察各部波形，如无意外，可以仿一个较长时间，取后面波形稳定后的时段（比如仿20ms的后8ms）做全面的数据收集分析。

仿真可获得如下设计参数：

变压器：

磁芯参数：型号EE2825，材质PC40，气隙2mm。

绕组参数：原边76匝，线径0.7mm，副边17匝，线径1.0mm

检测参数：原边电感460uH，电阻200mΩ，副边电感24.6uH，电阻25mΩ，漏感3%

运行参数：（极端低压120%超载）

原边：最大电流平均值1.68A，有效值2.27A（对应铜损2.27^2*0.2=1.03W），峰值4.0A，饱和电流6.8A，抗饱和安全系数170%，输入功率129.78W（电流波形*电压波形之平均值）

副边：最大电流平均值5.0A，有效值7.A（对应铜损7.^2*0.025=1.56W），输出功率125.95W

变压器最大损耗=输入功率-输出功率=3.83W，其中铜损2.6W，磁损1.23W

Q1：

工作波形

电流应力（极端低压120%超载）：

电流连续，最大电流平均值1.74A，峰值4.08A，损耗2.92W，开关损耗极低，导通损耗为主。

电压应力（极端高压120%超载）：

电流不连续。最高反压587V，硬关断，平均损耗1.62W，峰值损耗功率1550W。

L1

L1最大电流平均值0.4A，有效值0.55A，峰值1.1A，电感量510uH，据此设计电感如下：

得到电阻775mΩ，铜损0.23W。

 其他元件

D1：最大电流平均值0.341A，峰值4.28A，损耗0.877W，电压应力599V，建议型号BYV26C（需强化散热）

D2：最大电流平均值0.40A，峰值1.1A，损耗0.352W，电压应力637V，建议型号1N4007

D3：最大电流平均值5.0A，峰值18.33A，损耗5.31W，电压应力126V，建议型号MBR10200

R1：最大电压有效值3.55V，损耗0.105W，建议型号120Ω1/2W

 效率及损耗

总损耗和分类统计的损耗一般是不完全相等的，些许误差是由于仿真波形不稳定之故。

 纹波：

最大纹波发生在极端低压120%超载时，幅值26mVpp，改用1000uF滤波电容，幅值上升为57mVpp。

标准工况（300V100W）纹波幅值<20mVpp，波形如图：

附：最后仿真电路   “FB2”

1、发现Q的匝比反压正常，漏感反压超高，分析认为是模拟漏感两边都放置了1%，共2%了，去掉一边（或者减半）。。反激变压器的原变一般漏感还是比较大的，控制在3%都比较成功了，1%恐怕很难满足吧？

2、用整流管后，吸收反压尖峰消失。。这句话什么意思？开始不是用整流管吗？

感谢王总提醒，有印象说漏感以1%上下为宜，既然3%，就重新按照3%左右仿真，数据陆续刷新中。大家再看看还有哪些参数取值不合理，我好及早修改，尽量给此贴一个有典型意义的实例。

我一般把工频整流管叫整流管，这里是2只1N5406并的。之前仿真用的是MBR1090或者MUR1520，我一般不叫整流管，叫快恢复或者续流管。

注:数据刷新后这个验证相关内容没有保留.

1、3%这个我也是经常在论坛看到大家都这么提，具体多少我也不清楚，看看大家有没有不同的意见。

2、在高频整流输出中，怎么能采用工频的整流管呢？有没有看一下整流管中的电流时什么样子的？

是啊，用工频的整流管，吸收回路岂不是高频阻抗和损耗很大？

不是说验证反响恢复时间对尖峰电压的影响嘛，整流管和快恢复除了反向恢复时间上的区别外，还有什么呢？

顺便观测了此改变对于原边的影响，没感觉有多大影响。这个只是验证，并没有真的要这样用，电流就没注意了，也没有去测损耗

如果是想验证反向恢复时间对尖峰的影响，不能采用反向恢复时间不一样的快恢复吗？不知道仿真里面快恢复有没有反向恢复时间这项参数的设置

这项检测只能采用物理模型才能说明问题，物理模型元件的参数是结尺寸、渗杂浓度这样的参数，而且也不能修改。况且，就是实际元件，也不好找到同样情况只是反向恢复不同的二极管系列，你找200V10A的看看，有哪些型号？

Saber仿真实例共享 

Saber仿真软件作为一种设计工具对电源工程师是非常重要的，现在发起此帖，请大家把自己已经调试成功的Saber仿真实例放论坛让大家共享，相互学习提高。

每个实例请注明：仿真电路主题（电路来源）、Saber软件的版本号、仿真条件（时间End Time、步长Time Step等）

先放第一个实例：

PFC芯片L6561仿真实例，

Saber2007，L6561数据手册电路，End Time=20m、Time Step=1u

其中：一个周期内输入电压电流跟踪波形：

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.

L6561

6KW移相全桥准谐振软开关电焊电源

Saber2007，Time Step=1u

单管电压\电流\损耗波形 

问答

楼主：你上面的图有问题没有？地线为什么要接到二极管的阴极？与实际电路不符？何解？

地线是计算参考点，有时候所有算法失灵，仿真不收敛，改一下地线位置，以新的参考点开始计算就收敛了。经验吧

这招不错，

以前也仿真过L6561，没有找到仿真模型，就自己用元件搭了个..Saber工作起来还不错，就是比较费电脑，一仿真其它东西都得停下.

我是刚接触saber

我想问一个问题：

就是变压器的种类，1）DC 2）线性 3）非线性     那么我们通常用做的开关电源应该用哪一种变压器呢？

反激、正激、PFC等电路架构，改用哪一种呢？

谢谢知道的说一下

Saber中的DC变压器没有用过，线性变压器就是通常所说的理想变压器

非线性变压器是实际使用中的由非线磁性材料为磁芯的变压器，可以设置材质、磁路结构，绕组特性和气隙等参数。

在仿真中，如果当前对变压器不感兴趣，而是对电路的其他特性感兴趣，可以用线性变压器，这样速度快，

 如果对变压器特性感兴趣，或者直接用Saber辅助设计变压器，就必须用非线性变压器了。

在Saber中使用非线性变压器，可以比较真实地得到与实际运用类似的波形、包括气隙在内的磁路和绕组参数以及铜损和铁损。下载本文