基于ansys的開關電源聯合仿真方法

基于ansys的開關電源聯合仿真方法

變壓器的模擬系統(tǒng)的驗證開關結構簡單，壓力面寬，輸出隔離，易于實現多輸出，在控制器領域得到廣泛應用。本文提出的一種以多路輸出的開關電源為建模仿真的模型,利用Ansys軟件的Simplorer和Pemag兩個軟件模塊,對開關電源進行模塊間聯合建模仿真方法,充分考慮元器件的動態(tài)參數和分布參數。為了驗證本文使用的建模方法的準確性,將開關電源的關鍵元器件和整個開關電源系統(tǒng)分別進行仿真結果和實際測試結果的對比。得到了仿真結果與實測結果吻合的結論,證明本文提出的方法準確可行。1高頻變壓器的特性圖1為一種多路輸出的開關電源電路。由于MOS-FET,二極管等半導體器件和高頻變壓器具有的寄生參數,導致的電路運行時在電路的開關管兩端生dv/dt和di/dt1.1功率器件模型建模MOSFET的各極之間存在寄生電容,會在開關電源電路中產生dv/d和di/dt。為了準確的模擬MOSFET在開關電源電路中的作用,需要考慮MOSFET的寄生電容等參數,MOSFET的寄生電容包括漏源極之間的電容Cds,柵源極之間的電容Cgs以及柵漏及之間的電容Cgd。根據這三個電容確定MOS的輸入電容Ciss和輸出電容Coss和反饋電容Crss,分別由以下公式表示:由于這些寄生電容的存在,當MOSFET開通和關斷瞬間產生較大的dv/dt和di/dt,使得MOSFET在開關電路中不只是起到開關作用,對輸出電壓的穩(wěn)定運行和電磁干擾都有很大影響。因此需要精確建立MOSFET模型且能夠模擬MOSFET的開通關斷過程,以確保仿真的準確性。在Simplorer環(huán)境下,將器件的輸入輸出曲線、阻抗轉移特性曲線以及一些器件的關鍵參數導入到模型中,進行功率器件的特征化建模。如圖2所示,將MOS的轉移特性曲線數據導入到Simplorer中,并設置相應邊界條件,對器件的轉移特性進行擬合,得到轉移特性曲線的擬合結果,圖3為同樣方法得到的輸出特性曲線數據及擬合結果。對于功率較大的開關器件還需要擬合其熱特性,以得到更為準確的功率器件的動態(tài)模型,從而能夠準確的模擬器件的導通、關斷特性。同MOSFET一樣,開關電源的輸出二極管兩端也存在著寄生電容,當開關頻率達到幾十kHz時,在二極管兩端也會產生較大的dv/dt,因此也需要準確建立輸出二極管的動態(tài)模型。二極管的建模除了靜態(tài)特性的通態(tài)電壓、電流、通態(tài)電阻還需要考慮結電容、擴散電容、放電效應等參數。1.2高頻變壓器建模高頻變壓器是在開關電源電路中,起到變壓,能量存儲與傳輸,隔離等作用,屬于開關電源的核心元器件。但是由于變壓器磁芯氣隙的存在,變壓器內存在漏感,且由于同側繞組之間以及原副邊繞組之間都存在著寄生電容,因此實際工作中的高頻變壓器與理想變壓器模型有很大差距。精確地建立高頻變壓器模型在整個開關電源電路的建模中是非常重要的環(huán)節(jié)。對于一個相對復雜的多路輸出高頻變壓器,最直接有效的建模方法是通過產品規(guī)格書獲取其磁芯、繞線、骨架等材質和規(guī)格,使用Pemag可以根據元件規(guī)格書來建立磁性元件模型,用Pemag建高頻變壓器模型。本文使用EE20-8PA高頻變壓器。其產品規(guī)格書中的規(guī)格參數如表1。根據規(guī)格書中各部分元件的要求,選擇相應或者近似的規(guī)格尺寸的元件以及對應的材料。完成骨架、磁芯元件的建模。繞組層數根據規(guī)格書繞組繞法,按照規(guī)格書連接繞組與引腳;抽頭在Pemag中無法設置,將各個抽頭繞組分別連接在不同引腳上,后續(xù)在聯合仿真時可以將抽頭的引腳連接起來。圖4為變壓器繞組連接圖。根據規(guī)格書中提供的繞線線材和絕緣材料,在Pemag中選擇相對應的繞線線材和絕緣材料,并根據繞組繞法設置線間距。并設置相應的擋墻材料尺寸。2模擬和驗證2.1實驗結果與分析為了驗證仿真的準確性,分別對部分繞組電感,寄生電容,初級繞組漏感進行實際測量值和仿真結果進行對比。使用LCR測試儀器,對繞組電感進行測試,同時將測試結果與仿真結果對比,對比結果如表2,可以看到仿真得到的繞組電感之和實際測試得到的繞組電感值非常接近。頻率為100kHz時,仿真得到的漏感為19.3uH。采用短路法測量漏感的方法,LCR測試得到的漏感值為19.63uH,測試結果比仿真結果高0.33uH,證明仿真結果比較相近實測值。通過使用Pemag建模,得到本文選用的高頻變壓器原副邊之間的寄生電容仿真結果,以AD兩繞組間的寄生電容為例,容值為4.81pF。為了驗證仿真得到的寄生電容是否準確,采用測試原副邊插入損耗的方法來驗證。實際測試繞組間寄生電容方法為:測量原副邊插入損耗,根據一下公式計算繞組之間的寄生電容本文使用網絡分析儀測試高頻變壓器繞組原副邊插入損耗,圖5為使用網絡分析儀測試原副邊繞組間插入損耗得到的測試結果,可以看到頻率在5MHz時,IL值為-36.2dB,根據測試得到的插入損耗計算得到Cps為4.93pF?？梢钥吹綔y試結果和仿真結果相差很小,證明高頻變壓器的建模方法和仿真參數設置都是準確的。2.2模擬參數的驗證為了驗證本文提出的建模方法的準確性,在Simplorer進行開關電源電路建模,如圖6,將高頻變壓器的模型導入Simplorer,進行聯合仿真。開關電源仿真電路使用的MOSFET型號為IRFBE30STRLPBF,直流輸入電壓為310V,三路輸出為+12V,+15V,+5V。圖7為MOS兩端電壓Vds的仿真波形和實測波形對比,Vds的峰值電壓,實測值和仿真值近似相等,漏感尖峰近似相等,均為23V。圖8是MOS兩端電流Ids仿真波形和實測波形對比,實際測試的Id峰值電流為250mA,仿真得到的Id峰值電流為235mA。可以看出仿真電流值Ids和實測電流值Ids比較接近。圖9為輸出的5V電壓電壓波形進行仿真波形和實測波形對比,可以看到仿真得到的輸出電壓波形與實際測試波形一樣,能夠在設定的5V輸出電壓值上穩(wěn)定運行。3仿真結果與測試結果對比本文提出的一種以多路輸出的開關電源為建模仿真的模型,利用A