電路仿真器中非線性磁芯變壓器的實現方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于邸A (電子設計自動化）領域。特別地，涉及一種非線性磁芯變壓器在 電路仿真器中的實現方法。
【背景技術】
[0002] 在當今快速發(fā)展的電子設計領域，電力電子系統(tǒng)不斷朝著更小體積、更高功率密 度和更高效率發(fā)展。如何正確處理PCB(印刷電路板）的信號完整性問題，已經成為電路設 計能否成功的關鍵因素之一。
[0003] 利用電子設計自動化工具來進行電力電子電路的設計，可W提高設計工作的效 率。在設計階段，利用仿真工具，可幫助設計者方便地對電子元件組成的系統(tǒng)進行分析， 可W精確地仿真諸如電流、電壓等電氣特性，W及它們的時間關系及頻率響應。從而可W減 少樣機的重復試制，縮短產品上市時間，提高產品的性能和降低產品的成本。
[0004] 在電力電子電路中，變壓器等磁性元件是其重要的組成部分，它一般采用帶磁芯 的電感結構，它的電磁特性影響著電力系統(tǒng)的性能和正常運行，因此如何在電路仿真中建 立準確和簡潔的變壓器模型就成了一件很重要的工作。
[0005] 然而當前，在主流的Spice電路仿真器中，磁性器件的仿真還不像仿真電學器件 那樣的成熟，該是由于Spice是主要面向電子電路仿真的，加上目前考慮磁芯非線性特性 且較成熟的變壓器模型還很少，Spice電路仿真器的模型庫中也就沒有提供準確的非線性 磁芯變壓器模型，大多數電路仿真器提供的是理想的線性變壓器模型。
[0006] 基于此，在實際的電路設計過程中，一般采用的還只能是電路仿真器提供的理想 線性變壓器模型，雖然線性變壓器模型當前的應用最為廣泛，但它只包含了磁性元件中的 電感，禪合系數，面數比等電路信息，而忽略了磁芯的飽和，磁滯效應等非線性特性。因此造 成的結果只能是仿真誤差很大。
[0007] 由于在實際電路中所使用的變壓器通常為磁芯變壓器，所W對于設計精 度要求高的電路就必須考慮變壓器磁化曲線的非線性。為了提高變壓器模型的準 確性，得到非線性的磁芯變壓器模型，當前另外一種做法是采用回轉器電容模型 (gyrator-capacitor-model)，就是根據磁學參數和電學參數的類比關系，用回轉器等效線 圈，用電容等效磁導，從而建立用回轉器和電容表征的磁性元件等效電路模型，即是用與 spice兼容的電學模型來對該個磁性器件進行等效。該種回轉器電容模型雖然能夠對磁芯 變壓器的一些非線性行為進行描述，但它沒有從本質上反映變壓器的磁學特性，該種模型 也不能對磁性元件的磁滯效應進行仿真。
[0008] 磁性材料的磁滯特性對電氣設備的運行性能具有重要的影響，因此，了解和分析 磁性材料的磁滯特性具有重要的意義。隨著工程和研究人員變壓器研究理論的成熟和完 善，目前相比較而言，J-A(Jiles-Atherton)模型能夠對變壓器磁芯的非線性行為和磁滯 效應進行很好的描述，該種模型W物理原理為基礎，而不是靠實驗數據的擬合，所采用的數 學方法也非常適合于數值計算，在電路仿真領域該種模型應能得到廣泛的應用。但是由于 J-A模型本身比較復雜，模型輸入參數的物理意義不明確，電力電子工程師很難將其與已知 的磁芯b-h (磁感應強度-磁場強度）曲線的物理參數相對應等原因，變壓器J-A模型在電 路仿真器中的實現方法還沒有見報道過。

【發(fā)明內容】

[0009]本發(fā)明的目的是在電路仿真器中建立基于J-A模型的非線性磁芯變壓器模型，該 種模型由于從最根本上反映了磁芯工作的物理機制，因此它能夠對變壓器磁芯的非線性行 為進行準確的描述，正確模擬變壓器磁芯的飽和，磁滯效應等非線性特性，從而提高整個電 路仿真的精度，減少仿真誤差。
[0010] 本發(fā)明的技術方案是： 在變壓器模型中，引入關于磁動勢MMF及磁通量CD的兩個磁學節(jié)點，在該兩個節(jié)點上 分別建立關于MMF和CD的磁學方程，在變壓器磁芯電感的電壓方程中，考慮磁通量變化引 起的磁感應電壓A V的影響。
[0011] 在上述的變壓器磁芯電感的電壓方程中，第i個電感線圈磁感應產生的電壓為 AK.二^，其中nti是第i個電感線圈的面數，t是時間。at
[0012] 上述的在磁動勢MMF節(jié)點上建立的關于MMF的方程為： MMF二nti' +……打f。. /。，其中nti......nt。分別是電感線圈L1......Ln的面數， II……In分別是電感線圈L1……Ln的電流。
[0013] 上述的在磁通量節(jié)點上建立的關于的方程為： 壟二(# + if) . ^0 .也es，其中M是磁化強度，H是磁場強度，y 0是真空磁導率，Area 是平均磁通截面積。
[0014] 在上述的磁通量節(jié)點上建立的關于的方程中，磁化強度M的計算方法為： 龍=C ' + (1 - ，其中C為磁疇壁彎曲常數，是非磁滯磁化強度，Mbt是 不可逆磁化強度。
[0015]在上述磁化強度M的計算方法中，非磁滯磁化強度的計算方法為：
，其中是飽和磁化強度，Y是形狀參數，Hwf是有 效磁場強度。
[0016]在上述磁化強度M的計算方法中，磁芯的不可逆磁化強度的計算方法為：
其中5是表征磁滯回線掃描方向的量，k是磁滯損 耗參數，a是平均磁場參數。
[0017]在上述非磁滯磁化強度心*的計算方法中，有效磁場強度Hwf的計算方法為： !!，" =E+a.M。
[0018]在電路仿真過程中，采用本發(fā)明所述的非線性的磁芯變壓器模型，能夠對磁芯變 壓器的飽和，磁滯效應等非線性特性進行正確的仿真，因為該種模型是從機理上反映了磁 芯變壓器工作中各種電學和磁學參數的關系，因此更精確，從而可w提高整個電路仿真的 精度。
【附圖說明】
[0019] 圖1是磁芯變壓器電學參數和磁學參數的關系。
[0020] 圖2是磁芯變壓器在電路仿真器中的實現方法。
[0021] 圖3是磁芯變壓器中電感磁感應電壓的計算流程。
[0022] 圖4是磁芯變壓器磁學關系在電路仿真器中的實現流程。
【具體實施方式】
[0023] 磁芯變壓器和別的電子器件的主要區(qū)別就在于它即包括有磁學特性也包括電學 特性。如圖1所示，它的線圈電流I和磁感應電壓AV構成了它的電學關系。磁芯的磁動 勢MMF (Magneto-motive f