單端反激式開關電源中高頻變壓器的建模與仿真測試研究
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1引言
本文引用地址：http://cafeforensic.com/article/231444.htm單端反激式開關電源的設計初步完成以后如果不進行電路的仿真而是直接進行制板和實驗調(diào)試，盡管最終可以得到實驗所要求的各項性能指標，但是可能會花費大量的費用和時間[1]。而反激式高頻變壓器是反激開關電源的核心，它決定了反激變換器一系列的重要參數(shù)，所以對高頻變壓器進行仿真測試是非常有必要的[2]。文獻[3]詳細介紹了單端反激式開關電源中高頻變壓器的設計方法和步驟；文獻[4]介紹了應用軟件PITransformerDesigner6.5在高頻變壓器設計中參數(shù)的選擇以及注意事項；文獻[5]對高頻變壓器的設計進行了分析，應用PowerEsim軟件對變壓器參數(shù)進行仿真優(yōu)化，提高了開關電源的效率。本文采用PExprt軟件建立高頻變壓器模型并運用PSPICE軟件進行仿真。
2運用PExprt建立高頻變壓器的模型
運用PExprt建立高頻變壓器仿真模型的步驟如下：
(1)計算高頻變壓器建模所需要的相關參數(shù)，并填入相應的表格內(nèi)，如圖1所示。本文需要設計一個具有多路輸出的單端反激式高頻變壓器，其設計要求為，在直流輸入170V到700V范圍內(nèi)，輸出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的輸出電壓?？偟妮敵龉β蔖O=70.25W，開關的頻率為100kHZ。
圖1設置高頻變壓器的參數(shù)
(2)設置高頻變壓器模型求解的相關參數(shù)。高頻變壓器模型求解的相關參數(shù)設置如圖2所示。本文所設計的高頻變壓器幾何形狀為同心的，工作于正常的環(huán)境溫度下，且允許不同的繞組纏繞在同一層。例如，兩個平行繞組可能被放置在同一層。在設計高頻變壓器時繞組的損耗包括諧波損耗和交流電阻的損耗，磁芯的損耗按Steinmetz的方法進行計算。并且運用PExprt提供的優(yōu)化方法進行優(yōu)化。
圖2設置高頻變壓器模型求解的相關參數(shù)
(3)模型的求解。在設計好模型求解的相關參數(shù)后就可以進行模型的求解了。在計算機自動完成模型過程后可以很方便的查看所設計的高頻變壓器的模型。其中，可行性結果的窗口可以顯示磁芯的尺寸、繞組支架的尺寸、磁芯材料、磁芯所在的庫以及繞組的規(guī)格、繞組的匝數(shù)等。性能結果窗口包含兩個部分：輸入/輸出數(shù)據(jù)區(qū)域和圖形信息區(qū)域。其中輸入/輸出數(shù)據(jù)區(qū)域用于顯示性能測試結果的數(shù)值，包括磁芯損耗、繞組損耗、總的損耗、電流密度、磁通密度等。圖形信息區(qū)域用于以圖形方式表示以下參數(shù)：電源損耗分布、窗口的利用率等。結果列表窗口列出了所有滿足設計要求的磁芯的型號，以及相關的參數(shù)。并且運用圖表的方式清新地顯示它們的電源損耗，通過它可以很方便的查看并比較各個磁芯的性能。最后，可以通過模型窗口清楚地查看本設計的高頻變壓器模型的繞組排列情況。如圖3所示。
圖3模型窗口
(4)靜電場分析。運用靜電場求解器可以進行靜電場的分析。靜電場求解器用于分析由直流電壓源、永磁材料、高電壓絕緣體中的電荷/密度套管、斷路器及其它靜態(tài)泄放裝置所引起的靜電場。材料類型包括各種絕緣體(各種異性及特性隨位置變化的材料)及理想導體。該模塊能自動計算力矩、轉(zhuǎn)矩、電能及儲能等參數(shù)。運用靜電場求解器求解，求解得到的能量分布圖如圖4所示。
(5)渦流場分析。對于工程電磁場問題，當分析正弦激勵源下的物理現(xiàn)象時，如電機、變壓器的渦流損耗計算，如利用渦流效應來產(chǎn)生力和熱的直線感應電機、感應加熱設備設計等，需要進行渦流分析。在PExprt中可以運用渦流場求解器分析受渦流、趨膚效應、臨近效應影響的系統(tǒng)。它求解的頻率范圍可以從0到數(shù)百兆赫茲，應用范圍覆蓋母線、電機、變壓器、繞組及無損系統(tǒng)。它能夠自動計算損耗、鐵損、不同頻率所所對應的阻抗、力、轉(zhuǎn)矩電感和儲能。此外，還能以云圖或者矢量圖的形式給出整個相應的磁力線、磁通密度和磁場強度的分布、電流的分布及能量密度等結果。運用渦流場求解器進行求解，求解得到的損耗分布圖如圖5所示。
圖4運用靜電場求解器求解出的能量分布圖
仿真實驗證明運用PExprt設計的高頻變壓器是正確可用的。
4結束語
采用PExprt軟件對單端反激式開關電源中的高頻變壓器建立模型并運用ORCAD/PSPICE實現(xiàn)對高頻變壓器的仿真，可以驗證高頻變壓器設計的正確性和合理性，進而可以提高開關電源設計的合理性和可靠性。但是，實際應用中發(fā)現(xiàn)在仿真含高頻變壓器的電源電路時，計算機的運行速度比較慢，為了提高仿真速度，更進一步確保高頻變壓器設計的合理性和可靠性，可以用數(shù)學方法實現(xiàn)高頻變壓器的建模,并應用Matlab/simulink進行仿真,將其仿真結果與實際電路進行對比驗證，這有待進一步的研究和探索。
參考文獻
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[3]孫海峰，蔣紅梅，崔玲玲．單端反激電路中高頻變壓器的設計[J].電源世界,2007,(10):66-68.
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[5]楊文廣.基于PowerEsim的開關電源中的高頻變壓器設計[J].儀器儀表用戶.2009,16(2):69-71.
作者簡介
郭華旺(1986-)，男，碩士研究生，蘭州交通大學自動化與電氣工程學院控制理論與控制工程專業(yè)，研究方向為智能控制與智能系統(tǒng)?！?/p>
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