全橋開關(guān)電源中變壓器的仿真

全橋是一種由四個(gè)三極管或著MOS管組成的振蕩，與全橋電路相比，半橋在進(jìn)行電路的振蕩轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)很容易產(chǎn)生干擾，容易使波形變壞。全橋雖然成本低，容易形成，但是相對(duì)的電路設(shè)計(jì)就較為復(fù)雜。在電子電力設(shè)計(jì)當(dāng)中，全橋經(jīng)常作為開關(guān)電源的搭配出現(xiàn)，這兩種高效率低成本設(shè)計(jì)的結(jié)合，極大的推動(dòng)了目前電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域的進(jìn)步。本篇文章將為大家介紹一種12V1000W的全橋開關(guān)電源中變壓器仿真設(shè)計(jì)。

以12V1000W全橋?yàn)槔?，介紹一下主要設(shè)計(jì)參數(shù)：

輸入電壓為前級(jí)PFC輸出的直流母線，最低波谷電壓為350VDC;

輸出電壓12VDC，輸出功率1000W;

PWM頻率 F=100KHz，即PWM周期10us;

最大占空4.5us，即最小死區(qū)500ns;

圖1

仿真電路如圖1所示。其中變壓器先采用3繞組線性模型，初步設(shè)置的參數(shù)如圖2所示：

圖2

第一步：調(diào)整變壓器及電路初步參數(shù)，將變壓器耦合系數(shù) k12=k13=k23=1(緊耦合，無漏感)。仿真調(diào)整副邊電感 l2、l3，使輸出為12V，得到 l2、l3=1.6uH。

觀察變壓器原邊電流：

圖4

在圖4中，電流表現(xiàn)出富裕且連續(xù)的特性，這就說明可以對(duì)原邊電感進(jìn)行減少。觀察輸出儲(chǔ)能電感L1電流波形。紋波很小，說明L1還可以減小。保持輸出12V，調(diào)整變壓器電感，直到原邊電感接近臨界模式，調(diào)整L1電感，直到電流紋波系數(shù)大致為30%。

最后得到變壓器l1=400uH、 l2、l3=640nH，L1=180nH。

校驗(yàn)一下各部電壓應(yīng)力，并沒有出現(xiàn)超壓的情況，最后校驗(yàn)一下死區(qū)。

圖5

如果遠(yuǎn)無直通可能，電流也是連續(xù)的，那么就意味著正常，可以開始下一階段的設(shè)計(jì)。

第二步：調(diào)整吸收參數(shù)

將變壓器耦合系數(shù)設(shè)定為 k=0.995，對(duì)應(yīng)1%典型漏感。調(diào)整副邊吸收RC，直到滿足二極管反壓要求。得到C=15nF、R=2.2Ω為最佳，二極管反壓<32.3V，吸收功率3.54W。

圖6

改變變壓器耦合系數(shù)：

圖7

這就意味著，只要漏感<2%，二極管反壓即可<35V。接下來檢測原邊開關(guān)管電壓沒有尖峰。采集變壓器副邊電流、原邊電流、電感L1電流波形參數(shù)：

圖8

即：副邊峰值電流 Ism=97A，平均電流 Isa=41.8A;原邊峰值電流 Ipm=5.84A，有效電流 Ipr=3.56A;儲(chǔ)能電感峰值電流 I1m=97A，平均電流 I1a=83.6A。

第三步：變壓器仿真

圖9

將上階段仿真的線性變壓器B1復(fù)制到電橋電路中。再放一個(gè)三繞組非線性變壓器B2，到電橋的另一臂，大致估計(jì)一個(gè)磁芯型號(hào)，比如EE42，設(shè)置好B2的磁芯參數(shù)。所有繞組電阻設(shè)為最小(1p)，每個(gè)繞組保持一端接地。如圖9所示。

采用一個(gè)與電路PWM同頻率(這里是100KHz)的正弦電壓源驅(qū)動(dòng)這個(gè)電橋。先仿副邊繞組，調(diào)整激勵(lì)源電壓(105V)或者分流電阻(1Ω)，使B1的副邊電流達(dá)到峰值電流 Ism=97A 。

圖10

調(diào)整B2副邊繞組匝數(shù)，使電橋平衡。這里，即使B2副邊繞組只有1匝 ，電橋仍然不能平衡，可以選擇的是采用半匝結(jié)構(gòu)、或者增加氣隙。調(diào)整氣隙到0.5mm，電橋平衡。且B2波形無畸變，說明磁芯夠大。增加激勵(lì)電流，直到波形畸變。臨界值170A，抗飽和安全系數(shù)=170/97=175%。

安全系數(shù)很大，說明磁芯偏大，可考慮減少一號(hào)磁芯。改用EE42/21/15磁芯，磁芯重復(fù)上述仿真，得到：副邊繞組匝數(shù)n2=n3=1，允許最大氣隙0.345mm，抗飽和安全系數(shù) 130%。

評(píng)估：

匝數(shù)，匝數(shù)不是連續(xù)分布，只能是1、2。等自然數(shù)，特定情況半匝是可能的。設(shè)計(jì)中一般總希望用最少的匝數(shù)達(dá)成拓?fù)湫枰?，以便獲得最少的銅損。經(jīng)過仿真，半匝不能滿足要求，必須最少是1匝。

氣隙，氣隙是客觀存在的，即使磨成鏡面的磁芯，仍然有um數(shù)量級(jí)的氣隙存在，這里的345um是最大允許值，適當(dāng)?shù)臍庀度哂嗔?這里是0~0.345mm)可保證規(guī)模生產(chǎn)時(shí)的安裝容差。氣隙超出最大允許值意味著拓?fù)鋵⑼顺鲭娏鬟B續(xù)模式。

抗飽和安全系數(shù)，常規(guī)設(shè)計(jì)方法不能明確得出這個(gè)參數(shù)，因此這個(gè)參數(shù)需要工程進(jìn)一步驗(yàn)證。如果這個(gè)參數(shù)可以用完，那我們還可以再減少一號(hào)磁芯。

原邊：

全橋變換電壓傳輸是比例關(guān)系，根據(jù) “感量比等于匝比的平方” 的關(guān)系，對(duì)應(yīng)400uH:640nH的感量比，可以算出匝比為25：1。即：原邊25匝。原邊仿真的任務(wù)是確定在不同氣隙狀態(tài)下變壓器的繞組電感量。

圖11

將電橋改接到原邊，設(shè)置低頻(50Hz)小電流(1V1KΩ)激勵(lì)，使電橋阻抗遠(yuǎn)大于感抗。保持氣隙345um，調(diào)整B2原邊匝數(shù)，使電橋平衡。得到原邊匝數(shù)25匝，與計(jì)算吻合。

表1

將B2氣隙設(shè)置為0，調(diào)整B1原邊電感，使電橋平衡，得到變壓器原邊最大電感Lpm=3.7mH。以及對(duì)應(yīng)副邊電感5.5uH。不同的氣隙寬度對(duì)應(yīng)不同的電感量，如表1所示。其中，漏感是按1%典型值計(jì)算的，原邊副邊各自0.5%。單位為uH。

第四步：變壓器設(shè)計(jì)

變壓器設(shè)計(jì)的任務(wù)是確定變壓器繞組結(jié)構(gòu)。EE42/21/15磁芯的窗口面積是 278mm2，非常富裕?？稍黾訉?dǎo)流截面以減少銅損。擬定載流密度3A/mm2。原邊電流3.56A，需要截面 A=3.56/3*25=30mm，副邊電流41.8A*2，需要截面差不多，A=41.8/3*2=28mm2。

兩項(xiàng)合計(jì)，窗口利用系數(shù)不到21%，已經(jīng)很單薄了。出現(xiàn)這種情況一般需要重新選磁芯(比如用兩只小磁芯疊繞)，另外一種選擇是將副邊繞組定為2匝(如果有其他理由的話)。

根據(jù)以上數(shù)據(jù)可計(jì)算出繞組大致電阻：原邊25mΩ，副邊0.1mΩ。

儲(chǔ)能電感設(shè)計(jì)：

表2

第五步：聯(lián)合仿真

將上述非線性變壓器B2和電感置于聯(lián)合仿真電路中。先按照氣隙為345um的數(shù)據(jù)設(shè)置漏感，調(diào)整占空，使輸出為12V，檢查各部波形無誤，電流連續(xù)，紋波合理，效率92.8%。

圖12

再將氣隙設(shè)置為0，漏感也對(duì)應(yīng)調(diào)整。但是此時(shí)會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)問題。一是副邊二極管反壓超標(biāo)，重新調(diào)整RC吸收參數(shù)，R1改為6.2Ω即達(dá)到最佳配合，反壓<35V。二是輸出電壓偏低，加占空無果。為增加輸出電壓，將原邊匝數(shù)減少1匝，即24匝。這樣一來就解決了。

然而，實(shí)際應(yīng)用中，氣隙寬度既不會(huì)等于0，也不應(yīng)該超過最大允許值，而是有一個(gè)比較適中的分布，這個(gè)值主要與工藝有關(guān)，是個(gè)統(tǒng)計(jì)數(shù)值。假設(shè)這個(gè)寬度為0.1mm，仿這個(gè)情況。副邊二極管反壓又超標(biāo)，需要調(diào)整吸收參數(shù)。

由于氣隙寬度(實(shí)際上是漏感相對(duì)值)顯著影響二極管反壓，為給安裝工藝誤差引起的反壓變化留夠余量，加大C2到22nF，并在此基礎(chǔ)上求得最佳配合為R=3.3Ω，二極管反壓<32.7V。

圖13

最后設(shè)計(jì)出的電路圖應(yīng)該像圖13一樣。

各部波形：

圖15

分別為：

輸入電流波形：平均值3.115A，紋波成分1.406A。

上管電壓波形：峰值350.7V。

上管電流波形：平均值1.56A，峰值4.81A。

上管損耗波形：5.41W，偏大。

下管電壓波形。

下管電流波形。

變壓器原邊電流波形：有效值3.45A，峰值4.68A。

變壓器副邊電流波形：平均值41.67A，峰值95.1A。

副邊二極管電壓波形：峰值32.64V。

副邊二極管電流波形：平均值41.67A，峰值95.25A。

儲(chǔ)能電感電流波形：平均值83.34A，紋波峰峰值24.76A。

輸出電壓波形：平均值12.01V，紋波峰峰值7.27mV(未計(jì)入ESR影響)。

本篇文章主要介紹了全橋開關(guān)電源中的變壓器仿真設(shè)計(jì)，對(duì)其中的每一個(gè)步驟都進(jìn)行了詳細(xì)的講解，并提供了較為具體的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算舉例，希望大家在閱讀過本篇文章之后，能夠掌握文章當(dāng)中所介紹的方法。