[发明专利]电路仿真器中非线性磁芯变压器的实现方法

说明书

技术领域

本发明属于EDA（电子设计自动化）领域。特别地，涉及一种非线性磁芯变压器在电路仿真器中的实现方法。

背景技术

在当今快速发展的电子设计领域，电力电子系统不断朝着更小体积、更高功率密度和更高效率发展。如何正确处理PCB（印刷电路板）的信号完整性问题，已经成为电路设计能否成功的关键因素之一。

利用电子设计自动化工具来进行电力电子电路的设计，可以提高设计工作的效率。在设计阶段,利用仿真工具, 可帮助设计者方便地对电子元件组成的系统进行分析，可以精确地仿真诸如电流、电压等电气特性，以及它们的时间关系及频率响应。从而可以减少样机的重复试制，缩短产品上市时间，提高产品的性能和降低产品的成本。

在电力电子电路中，变压器等磁性元件是其重要的组成部分，它一般采用带磁芯的电感结构，它的电磁特性影响着电力系统的性能和正常运行，因此如何在电路仿真中建立准确和简洁的变压器模型就成了一件很重要的工作。

然而当前，在主流的Spice电路仿真器中，磁性器件的仿真还不像仿真电学器件那样的成熟，这是由于Spice是主要面向电子电路仿真的，加上目前考虑磁芯非线性特性且较成熟的变压器模型还很少，Spice电路仿真器的模型库中也就没有提供准确的非线性磁芯变压器模型，大多数电路仿真器提供的是理想的线性变压器模型。

基于此，在实际的电路设计过程中，一般采用的还只能是电路仿真器提供的理想线性变压器模型，虽然线性变压器模型当前的应用最为广泛，但它只包含了磁性元件中的电感，耦合系数，匝数比等电路信息，而忽略了磁芯的饱和，磁滞效应等非线性特性。因此造成的结果只能是仿真误差很大。

由于在实际电路中所使用的变压器通常为磁芯变压器，所以对于设计精度要求高的电路就必须考虑变压器磁化曲线的非线性。为了提高变压器模型的准确性，得到非线性的磁芯变压器模型，当前另外一种做法是采用回转器电容模型（gyrator-capacitor-model），就是根据磁学参数和电学参数的类比关系，用回转器等效线圈，用电容等效磁导，从而建立用回转器和电容表征的磁性元件等效电路模型，即是用与spice兼容的电学模型来对这个磁性器件进行等效。这种回转器电容模型虽然能够对磁芯变压器的一些非线性行为进行描述，但它没有从本质上反映变压器的磁学特性，这种模型也不能对磁性元件的磁滞效应进行仿真。

磁性材料的磁滞特性对电气设备的运行性能具有重要的影响，因此，了解和分析磁性材料的磁滞特性具有重要的意义。随着工程和研究人员变压器研究理论的成熟和完善，目前相比较而言，J-A（Jiles-Atherton）模型能够对变压器磁芯的非线性行为和磁滞效应进行很好的描述，这种模型以物理原理为基础，而不是靠实验数据的拟合，所采用的数学方法也非常适合于数值计算，在电路仿真领域这种模型应能得到广泛的应用。但是由于J-A模型本身比较复杂，模型输入参数的物理意义不明确，电力电子工程师很难将其与已知的磁芯b-h（磁感应强度-磁场强度）曲线的物理参数相对应等原因，变压器J-A模型在电路仿真器中的实现方法还没有见报道过。

发明内容

本发明的目的是在电路仿真器中建立基于J-A模型的非线性磁芯变压器模型，这种模型由于从最根本上反映了磁芯工作的物理机制，因此它能够对变压器磁芯的非线性行为进行准确的描述，正确模拟变压器磁芯的饱和，磁滞效应等非线性特性，从而提高整个电路仿真的精度，减少仿真误差。

    本发明的技术方案是：

    在变压器模型中，引入关于磁动势MMF及磁通量Ф的两个磁学节点，在这两个节点上分别建立关于MMF和Ф的磁学方程，在变压器磁芯电感的电压方程中，考虑磁通量变化引起的磁感应电压ΔV的影响。

    在上述的变压器磁芯电感的电压方程中，第i个电感线圈磁感应产生的电压为                                                ，其中nt_i是第i个电感线圈的匝数，t是时间。

上述的在磁动势MMF节点上建立的关于MMF的方程为：

，其中nt₁……nt_n分别是电感线圈L1……Ln的匝数，I1……In分别是电感线圈L1……Ln的电流。

上述的在磁通量Ф节点上建立的关于Ф的方程为：

，其中Ｍ是磁化强度，H是磁场强度，μ0是真空磁导率，Area是平均磁通截面积。

在上述的磁通量Ф节点上建立的关于Ф的方程中，磁化强度M的计算方法为：