石家庄铁道大学四方学院毕业设计
4.4 高频变压器设计
本设计中的高频变压器预设变压器效率η=0.9，开关频率fs=69kHz，最大占空比Dmax=0.48，输入电压10~35V，输出电压360V，额定功率500W。采用面积乘积AP法来设计变压器，采用如下步骤进行设计：
(1)计算变压器的视在功率PT
在电工技术中，将单口网络端钮电压和电流有效值的乘积，称为视在功率（apparent power），记为S=UI。由于网络中既存在电阻这样的耗能元件，又存在电感、电容这样的储能元件，所以，外电路必须提供其正常工作所需的功率，即平均功率或有功功率，同时应有一部分能量被贮存在电感、电容等元件中。这就是视在功率大于平均功率的原因。只有这样网络或设备才能正常工作。若按平均功率给网络提供电能是不能保证其正常工作的。因此，在实际中，通常是用额定电压和额定电流来设计和使用用电设备的，用视在功率来标示它的容量。
PT?PIN?POUT?POUT??POUT?500/0.9?500?1055W (4-7)
(2)初步暂定磁心材料为MXO-2000型，其饱和磁通密度Bs=0.4T，为防止出现磁饱和现象而损坏功率开关管，暂取磁通密度Bw=0.3T。确定磁心截面积AP，根据AP值选择磁心尺寸。公式如下
11?xAP?AeAw?PT-变压器的视在功率 Ae-磁心有效截面积 Aw-磁心窗口面积
PT10BwK0KfKjfs4 (4-8)
Ko-磁心窗口利用系数，典型值为0.4 Kf-波形系数，方波为4，正弦波为4.44 Bw-磁心的工作磁通密度 fs-开关工作频率
Kj-电流密度系数，取433A/cm2 X-磁芯结构系数 将数据带入公式得
AP=4.2253cm4
通过查找磁心的尺寸规格表可以看出，EE42型磁心AP=4.9484cm4大于上述计算
19
石家庄铁道大学四方学院毕业设计
值4.2253cm4，故选用EE42型磁心。其Ae=178mm2，Wa=258mm2。
(3)计算原副边电感量及匝数
①计算原边绕组匝数的公式如下（中心抽头至两端）
UI?104 (4-9) Np?KffsBwAe其中UImin=10V，代入数据计算可得到Np=1.5,取整2匝。 ②计算匝比n
DUn?(max)?I?1 (4-10)
391?DmaxU0 ③计算原边峰值电流Ip
设定电路工作在连续模式，根据输入电压的范围取Krp为0.6
Ip? ④计算原边电感Lp
连续模式：LP?2PIN?168.66A (4-11)
UIDmax(2?Krp)UI?Dmax IP1?IP2(1?Krp) (4-12)
f?(IP2?IP1)代入数据计算可得，Lp=40.38μH ⑤计算副边电感Ls
LS? ⑥计算副边匝数Ns Ns=Np/n=78匝 计算空气隙的长度
LP?61mH (4-13) n?n为了避免磁心饱和，需要在磁心的两个侧面各留出一定的气隙δ。δ计算公式如下
0.4??NP2Ae?10?8???0.022mm (4-14)
LP(4)根据电流密度和原副边有效值电流求线径 ①原边线径
原边有效电流 ： Irms?IP?Dmax计算线径 电流密度J取4A/mm2
20
Krp23?Krp?1?33.72A (4-15)
石家庄铁道大学四方学院毕业设计
原边线径 ： DP?1.13?Irms?3.28mm (4-16) J为减小集肤效应的损耗，线径取直径0.45mm，54股绕制。 ②副边线径
DS?1.13?I0?0.52mm (4-17) J为减小集肤效应的损耗，线径取直径0.45mm，2股绕制。 最终设计出的总电路图见附录B。
21
石家庄铁道大学四方学院毕业设计
第5章 saber仿真验证
5.1 仿真软件介绍
Saber仿真软件是一款混合信号仿真软件，是由美国Synopsys公司研发，号称世界上最为先进的计算机仿真软件。其强大的功能，多领域，多应用平台的仿真能力，使之得到了各个应用领域设计工程师的认可。广泛应用于电力电子、机械自动化、光电信息、自动控制等领域，仿真精度高，分析信息全面，是一款不可多得的EDA软件。
其主要应用领域： (1)电源变换器设计
Saber最常见于电力电子仿真设计中，可以用于对DC/DC变换技术、DC/AC变换技术、AC/DC变换技术等，可以实现拓扑结构仿真验证，环路稳定性设计，磁性元件仿真分析等。还可以从仿真结果中得到电路各个部分的电流、电压、功率、温升等数据。
(2)伺服系统设计
Saber软件中集成了多种电机模型，同时还包括一些机械连接和液压模型等，可以方便地构成电机伺服系统。使用者可以在仿真电路中设计电机驱动、调速、控制环路等，方便地分析电机驱动等功率部件的工作状态，包括电压、电流、发热情况等，有效节约伺服系统调试成本和调试时间。
(3)电路仿真
和大多数EDA软件一样，Saber也具有模拟电路和数字电路等电路的仿真分析。Saber所提供的器件模型涵盖很广，模型可以自建和修改，方便设计者根据实际情况对器件参数进行修改，达到更加逼真的仿真效果。每个器件的参数完备，可以将模型尽可能模拟出真实器件的工作状态。
将我们设计好的电路图，用仿真软件中的仿真模型替换并建立仿真原理图。建立好仿真原理图后，还不能马上运行，必须对仿真原理图以及仿真软件的参数进行设置，包括仿真时间、仿真步长、仿真精度、收敛问题等进行合理设置，防止仿真过程中出现运算不收敛，导致仿真失败。参数设置好后就可以运行仿真软件，并等到计算完成，得出各个器件和网络的电压、电流等信息。选取我们需要分析的波形结果，分析电路的工作性能是否如设计的那样。
22
石家庄铁道大学四方学院毕业设计
5.2 系统仿真电路图
图5-1 SABER仿真平台原理图
如图5-1所示为SABER仿真平台下建立的原理图，图中为了方便仿真运行，用数控开关S1和S2代替开关管，输入电压用可编程的直流电源Vin，可以设定不同时间段输出不同电压值，这样可以在一次运行中模拟输入电压从10V到35V变化，观察电源的电源调整率和输出电压的稳定性和调节速度。控制SG3525输出频率的Rt和Ct分别为之前计算值2K、4.7nF，为了获得尽可能大的PWM占空比调节范围，将控制死区时间的Rd取最小，即为短路状态，这样可以得到最大的真空比调节范围。后级全桥整流所用的快速恢复二极管为FR307，具有1000的反向耐压和3A的工作电流能力，足够额定输出500W的工作要求。LC滤波器采用的是100uH的电感和10uF的电解电容。输出负载用电阻代替，由于要额定输出500W，输出电压稳压360V，所以输出负载电阻选为260欧。
5.3 仿真结果
设置好SABER软件的仿真参数，仿真时长为200ms，仿真步长为1us，仿真精度，可编程直流电源在0~100ms内输出10V，在100~200ms内输出35V，电压在100ms时突变。仿真结果如下图5-2、5-3、5-4、5-5所示。
23