【ANSYS仿真赛三等奖获奖帖】ANSYS的高频变压器仿真初探XIAOTU.doc

ANSYS中国电源仿真设计大赛 主题:  【仿真赛】ANSYS的高频变压器仿真初探一. 序（背景及学习目的）刚才在网上发现有这个活动，咱也积极参加， 准备先把软件下下来，然后学着仿真设计开关电源用的高频变压器 每天进行的内容都会写下来，希望大家多多关注和支持！ 初步感觉以下几个难点： 1.学会变压器的建模，并进行仿真，在这个过程中需要对很多设计参数有个了解； 2.如何让建模更贴近于实际用到的变压器； 3.变压器模型中纹波电流的选择，因为实际很少来用示波器探头来测量纹波电流，如果改成设置成纹波电压，我倒觉得更容易设计一些毕竟纹波电压更好测量一些； 4.在宽范围输入电压，以及其它一些条件下，可能要选择更大型号的变压器在作为最终方案； 5.对咱们工程师来说，设计的过程就是一个矛盾的过程，需要经常取折中 定下的方案，如何才能根据实际要求，来接近最优，并应用到实际产品中去； 6.借助这个软件，能否达到设计变压器的高境界： 即只需要在电脑上进行仿真操作，就能设计出实际产品用到的最优方案！ 二.软件的选用Ansoft PExprt V7 是关于变压器及电感计算、建模。

PExprt是一种新的软件工具，可帮助优化和加速汽车、飞机、个人通信设备中的电气系统所使用的变压器、电感器和磁性元件的设计PExprt据称是同类产品中第一款将设计解决方案、分析和仿真集成到单一环境的软件，并能够按照用户输入的规格要求，自动运行数百种“what-if”假定方案的软件这种软件可在数分钟内输出一个易于解读的设计选项表，而据称若使用其他方法，设计人员则需要数天甚至数周的时间PExprt是业界第一个允许工程师快速地评估上千种的可能性设计和精确的预测电磁元件的执行情况的建模与仿真工具Maxwell是电磁场工程师们首选的仿真软件，他们可以将其用于诸如马达、拖动装置、变压器、传感器、线圈等3D及2D的电磁和机电设备的设计和分析Maxwell采用精确的有限元分析法来分析静态的、频域的与时变的电场和电磁场Maxwell软件的一个主要的好处是用户只需对设计产品的几何形状、材料属性及期望输出的情况进行描述，软件即可对分析过程进行自动处理从而，Maxwell将自动产生一个适当的、高效率的、准确的网格来解决问题这种自适应网格技术经验证可有效降低分析过程的复杂程度，使得工程师可以从高效、易用的设计流中获益。

与 ANSYS DesignXplorer 协同实现优化设计对比选用Ansoft PExprt V7三.软件的下载安装安装Ansoft PExprt V7观看视频安装软件跟着进行操作安装完毕还要进行如下操作：安装完成，打开四.建立一个5V,6A的反激电源项目先打开软件对上图的说明补充如下：对应序号见上图序号1-基于波形的电感序号2-基于Buck拓扑的电感序号5-基于波形的变压器序号6-基于经典正激拓扑的变压器序号10-基于波形的耦合电感序号11-基于波形的反激拓扑变压器序号12-基于反激拓扑的变压器可以看出，这款软件可以设计电感，工频变压器以及不同拓扑结构的高频变压器接下来应该就是根据参数来设计电路和变压器了设计高频变压器如下： 输出5V,6A 输入最低电压90V，工作频率132KHZ； 原副边变比为20:1； 纹波电流不超过0.88A 软件得到如下截图： 需要填上5个参数项目设计过程如下图：磁材采用的是TDK系列的把需要的库拖进新建的工程库里软件仿真，选出了一些合适的设计结果为了兼顾宽范围输入电压、温升等指标，最终决定采用EER28L,而没有采用更小几号的磁材.EER28L的介绍如下：软件骨架参数在软件库里都能够找到。

自带的模型参数如上最后给出的设计参数情况两个 绕组的情况以上是变压器的利用率及2D图根据需要选取合适大小的磁材型号鼠标键就能够选择，其它也一样，选中了，执行后就只有PC40的磁材了可以去掉原先的分析结果，再选中PC40，只对PC40的磁材进行分析 显示结果不同方案的损耗分布图绕组一的绕组二的根据这个项目总结一下，PExprt设计高频变压器的大体步骤： 1.安装软件Ansoft PExprt（可以参照视频介绍的安装）； 2.建立一个电源拓扑的新项目； 3.根据需要修改“Modeling Option”栏和“Design Inputs”； 4.将需要磁材厂家的库拖进项目新库中，进一步可选磁心形状、磁心尺寸、骨架、线型、磁心材料等； 5.在“Waveform”栏中，将设计参数加进去； 6.开始设计过程； 7.观察结果（设计结果、性能结果和构造结果），查看报表，选择需要的最优方案 五.上传相关的软件再把需要的一些附件给传上来包括Ansoft PExprt安装介绍，Ansoft PExprt的软件，MAXWELL2d的软件，ANSOFTPEXPRT 软件-磁性元件的计算机设计流程， Ansoft12在工程电磁场中的应用，ANSYS入门及学习方法，Ansys电磁场分析经典教程，ANSYS实例教程，Ansys11.0基础教程PPT，等一些在网络搜集到的，用于学习用的软件及培训资料）六.设计一个5V,2.4A反激电源的高频变压器设计高频变压器如下： 输出5V,12W ；输入最低电压85V，工作频率35KHZ； 原副边变比为19:1； 纹波电流不超过0.7A。

软件得到如下截图：然后选择磁材等， 在这里选择EE型号的软件自动计算出，输出电流，最大负载还有2个设计时，大家非常关注的参数： 原边电感，141.18； 占空比40%. 还有原边电流等等，就不一一解释了 软件计算出很多结果，筛选出EE25系列的10种结果，见下图磁芯，都是EE2519此图中给出10种结果然后是漆包线采用的规格再是磁芯参数，有效体积； 圈数，温度，气隙等 这是10种变压器损耗的分布图 从左往右，损耗逐渐增加 从0.26到0.3W 只从损耗的角度来看，表格第一种结果相对来说是最优的 从上图中可以看出，采用的磁芯，骨架，磁材型号，气隙； 还有绕组一采用漆包线的规格，以及单股线绕的圈数等情况再发一遍，上面发错位置了从上图能看出，变压器的各种损耗都计算得很详细； 窗口的填充率，变压器工作估计温度等等 绕组2采用的漆包线规格见上图； 双线并绕6圈 窗口填充和损耗分布有人问：楼主，漏感是怎么确定，请赐教，能否详细些？答道：设计变压器的时候，主要确定匝数和初级电感量初级电感量确定后，为了得到这个电感量，就需要给变压器开气隙，当满足电感量后，漏感也就确定了 这个漏感没有具体很准确的值，根据变压器的设计工艺而定，越小越好。

当关断时，线圈会产生一个电压，这个电压是一个短时的，因此为尖峰电压漏感愈大，产生的短时电压也就越大补充下漆包线线径的资料：七．培训讲义中的MAXWELL设计步骤培训讲义中还提到了第2种方法，在这把截图和步骤发上来，给大家看看第一步：创建新的工程文件 这是用MAXWELL设计的，所以简单提一下 第二步：选择“Cores”栏第三步：选择“Bobbins”栏 第四步：选择“Windings”栏 第五步：选择“Wirs-Ins”栏 第六步：选择“Core Material”栏 第七步：连接绕组及引脚 第八步：单击“Design Status”栏 第九步 ：模型属性框设置   第十步 生成模型 第十一步 察看结果 八． PEXPRT培训讲义的应用介绍……九．4W升压LED驱动电路电感的设计现在参照例子,来设计这个升压LED驱动电路的电感.先将参数加进去如下图：电压电流波形图如下：运行后的几种结果如下：损耗分布图如下：其它参数如下：十．PExprt软件根据波形来设计变压器 1.建工程，将需要的库拖进去 2.电压波形和电流波形如下，实际波形可以是示波器抓到的 副边电压波形 如下：填写进参数，让波形达到跟示波器波形差不多的效果 副边电流波形 如下：3.通过给波形设置参数来设计变压器 4.仿真结果 4.仿真结果2 变压器参数1 变压器参数2 变压器参数3 6.绕组1 6.绕组2 7.磁材PC40的参数……8.导线的介绍，包括线径等信息9.窗口填充 10.绕组一的参数计算 可以根据实际需要，再进行调整 十一．用PExprt软件设计一个120W的正激变压器 设计参数为：输入电压 24V； 输出电压 48V，120W ；占空比设为0.5, 开关频率为100KHz 代入软件中如下图：非白框是自动计算出来的拓扑结构电压电流波形见下图：上万种分析结果，需要运行一段时间运行程序，自动筛选选择的范围越小，则仿真结果范围越小，速度越快从众多结果中，显示10种损耗最小的最优结果，如下图：10种结果，损耗由小到大排列，见上图磁芯都是一样的，RM12/I损耗分布图，比较形象，如上图：磁芯型号，磁材，库，漆包线径，圈数及几匝并绕等信息，见下图：磁材的电气参数值，有效横截面积、磁芯的尺寸等见下图：导线的详细介绍，如下图：磁材参数特性介绍，如下图：绕组一的各种损耗情况见上图窗口填充，见下图：损耗组成及分布情况等见下图：补充一下，磁芯资料：磁芯材质每个厂家因原材料配方不同所表现的特性不同国产的有：天通，东磁，金宁，北京七星飞行，风华高科等等好多好多！针对正激变压器，补充磁芯资料。

国外的有：TDK，西门子，非莉蒲等等颜色不同，颜色深者为锰锌（频率低），浅者为镍锌（高频）高频变压器常用的磁芯一般的材质是铁氧体，是氧化铁和氧化锰在一定的氛围中高温条件下的一种结合体补充对磁材PC30、PC40、PC50的说明：       PC30、PC40的烧结工艺相同，只不过配方不同       PC30的配方比较旧，原材料便宜，因此价格只有PC40的一半，一般认为PC30适合用于100KHz以下频率，而100-200KHz则用PC40，再高就要用PC44或PC50了       如果要求较高的话，几十KHz的频率也可以用PC40 补充一下，电磁元件设计的基本要求： 十二.PExprt设计软件归纳总结这是加入世纪电源网以来，最尽兴的发贴 这次仿真赛很给力，也学到了不少东西 PExprt设计软件，提供了多家国际大厂的磁心、骨架、绝缘材料和导线的标准库，方便用户设计使用.PExprt可以设计电感、多绕组变压器、耦合电感以及反激元件等多种磁性元件.PExprt对设计参数进行优化，包括磁心尺寸、磁心材料、绕组匝数、气隙长度、绕线规格、并绕线。