为电路仿真创建线性变压器模型

三相配电变压器

我想每个工程师都希望他们的系统能像他们在电子学课上教的那样运行，但情况并非总是如此。真实的变压器就是一个很好的例子。尽管我们很想忽略电路模型中的寄生效应和非理想效应，但考虑到这些因素，您可以更准确地了解系统的行为，并帮助您做出正确的设计选择。

理想与非理想线性变压器模型

在开始为电路仿真建立线性变压器模型之前，我们需要考虑在真实的(即非理想的)变压器中会发生什么回扫变压器．在理想的变压器中，次级线圈中感应的电压/电流仅取决于初级线圈和次级线圈的匝数之比。在该模型中，没有磁化电感或电阻，磁通量被完美地限制在两个线圈之间。换句话说，初级线圈产生的通量等于次级线圈上看到的通量。因此，初级线圈的阻抗等于次级线圈的阻抗，乘以匝数比。

不幸的是，由初级线圈产生的磁场并没有完全限制在磁芯中，因此在次级线圈看到的磁通量略小于初级线圈产生的磁通量。此外，用于形成每个线圈的导体都有一些电阻，因此由于线圈中的电阻，在主线圈上下降的电压比电源电压略有降低。线性变压器模型在推导次级线圈中感应的电压/电流时解释了这种磁通减少。结果，有效的阻抗的副线圈略大于理想情况。

通过定义耦合系数k，这包括在电路模型中，其范围从0到1。k = 1表示完美耦合(即没有磁通损失)，而k = 0表示完美隔离(即没有磁通到达次级线圈)。直接从变压器的几何形状计算耦合系数可能很困难，但它在名义上定义为两个线圈之间的互感(M)，每个线圈的电感:

非理想线性变压器模型中的耦合系数

只要您能够根据变压器中线圈的几何形状正确地计算耦合系数，您就可以准确地了解电路中线性变压器模型的行为。这可能需要使用三维场求解器，或者可以使用实际变压器的测量结果来确定耦合系数。

线性变压器模型及等效电路

PSpice中的一个简单线性变压器模型如下图所示。输出侧负载为R1, R2和R3分别定义了一次线圈和二次线圈的有效串联电阻。每个线圈有自感L1和L2。请注意，SPICE模拟通常不允许用户定义k = 1，尽管您可以运行0 < k < 1的模拟，以检查在这个线性变压器模型中变压器的电压是如何上升/下降的。

线性变压器模型在PSpice

线性变压器模型的等效电路如下所示。该模型考虑了线圈中的有效串联电阻和来自线圈的泄漏磁通，包括初级线圈中的耦合系数。电路图右侧的变压器是一个理想的线性变压器，加上剩余的电路元件，使得这个线性变压器模型表现出非理想的行为。

非理想线性变压器模型电路图

线性变压器模型不能告诉你什么

线性变压器模型需要用户定义的耦合系数这一事实应该告诉您一些重要的事情。这个模型不能解释变压器中线圈的相对排列;它要求用户在建立线性变压器模型之前手动确定耦合系数。这说明了使用后布局仿真工具来解释变压器的几何形状及其在PCB中的位置。

当驱动电压足够大时，任何线性变压器都可以像非线性变压器一样工作。在非线性状态下，变压器的行为偏离线性模型，次级线圈上的感应电压和电流是初级线圈上输入电压/电流的非线性函数。例如，变压器的磁芯显示磁化饱和，这取决于输入信号的频率。由于变压器铁芯中的涡流和集肤效应(将部分输入和输出功率转化为热量)，初级线圈和次级线圈之间也会产生额外的损耗。

一旦磁芯饱和，它就会显现磁滞当输入电压和电流振荡时。磁饱和和磁滞都会使变压器输出端的电压/电流波形失真。这种失真是由变压器铁芯中产生的附加谐波造成的。解释这种行为需要定义一个基于磁芯磁化曲线的传递曲线(不是传递函数，它们不是一回事)。

任何电路模拟都可能很快变得复杂，但是当您使用正确的方法时，您可以解释许多组件的许多非理想方面，包括非线性或线性变压器模型PCB设计和分析软件包中。的仿真工具OrCAD PSpice模拟器和全套分析工具从节奏允许您用变压器和任何您能想象到的其他组件模拟电路的行为。

如果您想了解更多Cadence如何为您提供解决方案，跟我们和我们的专家团队谈谈吧．