PSpice 21周仿真培训 I第17周：变压器模型的建立

变压器和磁性元件是电力电子电路中重要的组成部分，如何在电路仿真中使用它们往往决定了仿真结果对实际电路指导作用的正确与否。PSpice中包含有多种变压器，本期会介绍仿真中变压器模型的使用和注意事项，包括通用线性变压器模型、由线性磁芯模型构成的线性变压器模型、具有磁滞现象和饱和特性的非线性磁芯构成的非线性变压器模型等。另外还会介绍利用Model Editor工具建立非线性磁芯，并设计测试电路，对磁芯模型进行测试。

本周看点：

变压器分类和使用
非线性磁芯的建模
变压器模型在反激变换器中的应用

线性变压器的使用

线性变压器模型

线性变压器(XFRM_LINEAR)保存在analog.olb库中，如图17.1(a)所示。变压器变化由初级侧和次级侧的电感值确定，变比为:

Lp为变压器初级侧的电感值，即参数中的L1_VALUE值；Ls为变压器次级侧的电感值，即参数中L2_VALUE的值。变压器的耦合系数为K，即参数中Coupling的值，取值范围在-11之间。常规下线性变压器的K通常为1，仅在变压器绕组不完全耦合时采用小于1的值。中间抽头的线性变压器如图17.1(b)(c)(d)可以在ANL_MISC.olb中找到。

图17.1 线性变压器的模型

正弦信号源VSIN和ISIN

线性磁芯(K_Linear)保存在analog.olb库中，由线性磁芯和电感构成的线性变压器使用方法和线性变压器相似。如图17.2(a)所示，需要双击磁芯模型，在属性编辑器中将初级侧电感和次级侧电感输入至磁芯中的L1、L2参数中。同样也可以做成中间抽头的变压器，如图17.2（b）所示。

图17.2 由线性磁芯构成的线性变压器

受控源构成的理想变压器

为了更好地设计电力电子电路，需要对电路的稳态电路和小信号电路进行分析和仿真，此时将会用到直流变压器，然而在实际中直流变压器是不存在的。在PSpice仿真中，可以利用电压控制电压源构建理想变压器，使之符合初级侧电压和次级侧电压之比是初级侧的电流与次级侧电流之比的倒数。受控源的构成的线性变压器变比由受控元的连接方式和增益决定。受控电压源和受控电流源的增益互为倒数。如图17.3所示，参数ratio表示初级侧电压与次级侧电压之比。

图17.3 由受控源构成的线性变压器

仿真时一般需要在变压器的初级侧和次级分别串联一个小阻值电阻，以免仿真时出现不收敛现象。

如图17.4所示，对前面三种线性变压器进行仿真，输入激励源为正弦信号，幅值为100V，初级侧和次级侧电感同为10μH，受控源的增益设为1。使用线性变压器和由线性磁芯构成的线性变压器时需要注意励磁电感的影响，PSpice中线性变压器的励磁电感可以近似为初级侧电感。

图17.4 线性变压器构成变比为1的变压电路

瞬态分析得到的仿真波形如图17.5所示。由受控源构成的线性变压器的输出信号与输入信号完全一致，所以受控源组成的线性变压器可以看成是理想变压器。而线性变压器和线性磁芯构成的变压器的输出波形一致，但输出信号略微滞后于输入信号，跟实际非常相似，能够反映实际电路的工作情况。

图17.5 瞬态分析下电路的输出电压波形

若设定频率从1Hz变化到10MHz扫描，通过交流扫描分析得到仿真波形如图17.6所示，由受控源构成的线性变压器不受频率影响，而线性变压器和线性磁芯都成的线性变压器受频率影响非常严重，主要是由于励磁电感的影响，当频率很高时，励磁电感影响变小，线性变压器近似为理想变压器。

图17.6 三个电路的频率响应

利用变压器建模APP构建线性变压器

PSpice新版本中提供Modeling Application工具，可以构建特性功能的线性变压器模型。在这里可以选择适当的变压器类型，并相应地输入变压器参数，然后就可以直接将变压器放置到原理图中，其模型库文件将自动包含在放置变压器的仿真设置中。

打开方式是在原理图设计工具OrCAD^® Capture的绘图界面下执行 Place→PSpice component→Modeling Application，在Modeling Application中找到System Modules→Transformer，点击后打开如图17.7所示的界面。

图17.7 变压器建模工具

从图17.7可以看出，这里用户可以创建以下类型的变压器：

双绕组变压器(Two Winding)：构建简单的双绕组变压器模型。
自定义抽头变压器(Custom Tap)：为自定义抽头变压器建模。
中间抽头变压器(Centre Tap)：可以生成中心抽头变压器的模型。
反激式变压器(Flyback)：可以生成一个单端反激式变换器中的变压器模型。
正向变压器(Forward)：可以生成单端正向变换器中的变压器模型。
带复位绕组的正向变压器(Forward with reset winding)：为带有辅助复位绕组的单端正向变换器中的变压器生成仿真模型。

双绕组变压器(Two Winding)

设置界面如图17.7，用户需要设置以下参数：

输入初级绕组电感（LP）
初级侧的直流电阻(Rp1)
次级侧直流电阻(Rs1)
匝数比(Turn ratio)：注意匝数比定义为N2/N1，例如，升压比为10的升压变压器，匝数比应该是10，如果是降压比为10，那匝数比就应该是0.1
漏感(Leakage Inductance)：注意这里的漏电感指的是次级侧的漏感。对于绕组间理想耦合的变压器建模，漏电感值设为0

自定义抽头变压器(Custom Tap)

设置界面如图17.8：

图17.8 自定义抽头变压器的设置界面

用户需要设置以下参数：

输入初级绕组电感（LP）
初级侧的直流电阻(Rp1)，是指整个初级侧绕组的电阻
次级侧直流电阻(Rs1)
匝数比(Turn ratio)：注意这里仍然是N2/N1,输入的是整个绕组的匝数比
漏感(Leakage Inductance)：这里是指带抽头这端的漏感，因为这里可以生成初级侧抽头的变压器(Primary Tap%),也可以生成次级侧抽头变压器（Secondary Tap%）
抽头百分比(Tap%)：抽头处线圈匝数与该绕组总匝数之比

中间抽头变压器(Centre Tap)

相当于自定义抽头变压器(Custom Tap)中抽头百分比(Tap%)为50%，所以需要设置的参数和自定义抽头变压器一致。

图17.9 中间抽头变压器的设置界面

单端反激式变压器(Flyback)

参数如图17.10所示，它的设置参数含义与前面一致，不再赘述。正向变压器(Forward)也是相同，注意的是该模型初级和次级之间的相互耦合系数默认是1。

图17.10 单端反激式变压器的设置界面

带有辅助复位绕组的

单端正向转换器变压器

(Forward with reset winding)

同样需要定义初级绕组电感、初级和次级绕组电阻、漏电感和匝比。匝数比定义为N2/N1和NR/N1，其中NR是复位绕组的匝数。漏电感值是指次级侧的。初级和次级之间的相互耦合系数仍默认为1。

图17.11 带复位绕组的单端正向变压器的设置界面

非线性变压器的使用

非线性变压器的模型

非线性变压器特性主要是由非线性磁芯决定的。PSpice中包含四种非线性变压器，均保存在ANL_MISC.olb库中。如图17.12所示，通过修改变压器Implementation属性改变变压器非线性磁芯，从而改变变压器特性。如图17.14（a）所示。

图17.12 非线性变压器模型

和线性变压器一样，非线性变压器还可以由电感和非线性磁性组合构建变压器模型。PSpice的自带库中包含了2000多种磁芯，通过执行Place→PSpice Component→Search找到magnetics，如图17.13所示，这里按照磁芯的材料和几何形状进行分类，用户可以直接调用。

图17.13 PSpice模型库中自带的磁芯模型

选择图17.13中的Ferrite Core，找到子目录I下的I_28_16_3C85,放置绘图区，并与电感连接，得到图17.14(b)所示电路。如图17.14所示这两个电路图中的变压器是完全一致的。使用非线性变压器时要注意，耦合电感的单位是绕组匝数，而不是电感量了，其他和线性变压器的设置是一样的。

图17.14 变比为10的非线性变压器电路

图17.14所示设置变压器匝数比为10，磁芯均为I93_28_16_3C85，(a)图默认的耦合系数是0.99，(b)图将耦合系数修改为0.95，得到输出频率特性图可以看出不同的耦合系数决定了不同的传输特性，也符合实际的变压器特性。当选用符合型号的非线性磁芯构成变压器时，应该根据实际情况选定耦合系数以及绕组的匝数，以便仿真结果与实际更加接近。

图17.15 不同耦合系数下的输出频率特性

非线性磁芯建模

由于实际所用变压器器通常为磁芯变压器，因此必须选择合适的磁芯。我们先看一下磁芯的模型参数，点击图17.13中的非线性磁芯K1，右键快捷方式中选择View PSpice Model，可以看到如下模型文件：

.MODEL I93_28_16_3C85 CORE

+ MS=377.09E3

+ A=22.080

+ C=.14013

+ K=20.174

+ AREA=4.4700

+ PATH=25.800

磁芯模型文件中各参数代表的含义见表17.1.

表17.1 PSpice非线性磁芯模型参数的含义

通常情况下，变压器设计者通过B-H回线选择磁心，但是却很难靠B-H回线确定磁心参数。PSpice的模型编辑器Model Editor工具恰好提供了利用B-H回线提取参数构建非线性磁心的方法。下面介绍具体步骤：

在开始菜单中找到PSpice的组件PSpice Model Editor 17.4工具，打开后选择File→New,并对其进行保存，然后选择Model→New，弹出图17.16所示的对话框，可以看出这里提供了多种半导体器件的建模。选择Magnetic Core，输入将要建立的磁心模型的名称，单击OK进入模型编辑界面。

图17.16 新建模型对话框

在打开的图17.17界面中根据要求在Initial Permeability中输入初始磁导率。

图17.17 非线性磁芯编辑界面

输入B-H回线与B，H轴在第一象限的交点，比如（0,600）,(0.04,0)。

输入B-H回线的闭合点，比如(0.4,3000)。

在B-H回线第一象限的两个分支上分些输入坐标点，如(0.12,2200),(0.12,1600)。

设置坐标轴，Plot→Axis Setting，如设定X轴为-0.4到0.4。

最后进行参数提取，选择Tools→Extract Parameters。得到参数框中MS=3.36e+5，A=10.93，C=0.482，K=4.3。

图17.18参数提取法建立非线性磁芯

对于其他的参数，比如平均磁路长度PATH和平均磁心有效截面积AREA并不是从B-H回线中提取出来的，需要设计者确定。这里设定AREA=1.17，PATH=8.49，直接在参数窗口的Value列中输入即可。其他参数采用默认值。参数提取后如图17.18所示。

磁芯建立过程中注意

应在第一象限B-H回线的下方设置坐标点
模型编辑器将磁场的最大范围规定为X_Axis范围，所以设置坐标轴时X轴的设置非常关键；
许多手册中H的单位是A/m，但模型编辑器中H的单位是Oersteds，换算关系是：100A/m=1.25Oersteds;
磁芯建立过程中不要勾选参数窗口中Fixed列，按照默认方式，参数MS、A、C、K是通过曲线提取的，AREA和PATH是由用户根据实际情况设定的。

模型构建好后，保存，然后执行File→Export to Capture Part Library，为该磁芯设置对应的符号文件。这样core1.lib和core1.olb都生成了。后续就可以跟调用自带库中的元器件一样调用新建的磁芯了。比如将新建的磁芯应用在图17.14的电路中，同样仿真出输出频率特性。

图17.19 新建磁芯的验证电路和仿真结果

对图17.19电路进行瞬态分析，在PSpice窗口中选择Plot→Axis Setting,得到图17.20，将横坐标设置为磁场强度(H)，这里设置为B(K3)；纵坐标通过Trace→Add Trace选择磁通密度(B)，这里选择B（K3）。于是得到图17.21所示的新建的磁芯B-H回线。与输入的B-H回线还是非常接近的。

图17.20 将时间轴修改为磁场强度H

图17.21 新建磁芯的B-H回线测试波形

变压器模型在反激变换器中的应用

图17.22所示为PSpice中自带的反激变换器的应用电路，输入电压为100V，输出电压为浮动直流31V。这里开关的占空比为0.25，变压器由线性磁性K_Linear和电感L1、L2耦合而成。输出电压经过二极管D1整流后输出。

图17.22反激变换器的仿真电路

仿真结果如图17.23所示，电路稳定后输出电压约为31V。

图17.23 仿真波形

在PSpice仿真电路中使用线性变压器模型，由于存在励磁电感，使得变压器传输特性与工作频率有关，可以通过修改耦合电感值使变压器与激励源相匹配。

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