如何在LTspice中模拟非线性变压器

本文展示了如何实现非线性模型以及如何将它们扩展到任何电路。模拟变压器的真实特性在开关模式电源 （SMPS） 的设计中至关重要。提供了实际示例，以及复制所有模拟的文件。

变形金刚

理想变压器由至少两个相互耦合的绕组组成。要在 LTpsice 中设置变压器，请放置两个电感 L1、L2，然后通过 Spice 指令定义互耦 （K）。

定义指令后，相位点将自动显示。理想变压器的互耦系数为 1，而真实变压器的互耦系数较低，稍后将对此进行解释。

图 1. LTspice 中的理想变压器

非线性变压器

一旦我们知道如何对理想变压器进行建模，我们就可以开始在仿真模型中包含复杂的参数，从而实现真实的行为。

滞后

磁性材料在经历场力后往往会保持磁化，即使在场力被移除后也是如此。磁通密度 （B） 和场强 （H） 之间的关系显示在磁滞回线中。磁滞回线最相关的点是饱和度（在两个方向上）、保持性、矫顽力。磁滞回线的大小和形状直接取决于磁性材料的类型。

图 2. 电感器的磁滞回线。图片由NDT 资源中心 和LTWiki 提供

寄生元件

真正的变压器具有限制其在现实生活中使用的寄生元件。寄生参数决定了物理形状或绕组方向等方面。此外，寄生元件会限制变压器的频率运行。我们可以使用以下电路对寄生元件进行建模：

图 3. 变压器的寄生元件

漏感L3、L4。初级 L1 和次级 L2 之间的不完美耦合转化为初级和次级绕组中的串联自感。

漏感可以用耦合系数 K 明确表示，它决定了两个电感的耦合程度：

绕组电容 C1、C2。这些来自绕组和磁芯之间的耦合以及来自连续匝的绕组。

耦合电容C3、C4。在这种情况下，它们出现是因为初级和次级绕组之间的物理接近。

线电阻R1、R2。通常由铜制成的电线具有非无限的电阻率，会引起欧姆损耗。

在设计变压器时，通常修改其中一个寄生元件会对另一个寄生元件产生影响。因此，在模拟寄生元件的影响时，研究它们对使它们可变的整个电路的影响是非常有趣的。可以通过将它们设置为参数并使用指令 STEP 来完成。

模拟非线性变压器

即使 LTspice 不允许模拟任意耦合电感器，也有一些变通方法可以模拟非线性变压器。最简单的方法是使用受控源对完美变压器进行建模，然后并联添加非理想电感器。以下电路可以封装在子电路 （subckt） 中，并用于需要变压器的任何其他仿真。

图 4. LTspice 中的非线性变压器电路

模拟理想与非理想变压器

包含理想变压器的简单电路如下：

图 5. 在 LTspice 中用理想变压器模拟电路

初级和次级绕组之间的耦合是完美的，并且两个绕组都是纯电感的。它们具有相同的电感值，因此次级绕组中感应的电流应具有与初级绕组循环的相同值。比较次级绕组和初级绕组中感应的电压，我们可以看到没有失真，幅度完全相同。

图 6. 具有理想变压器的电路中的初级和次级波形

此外，即使我们继续增加输入电流，我们也可以检查这种行为是否保持不变，因为理想的电感器永远不会达到饱和。

使用非线性变压器重复该过程，我们看到当我们不断增加电流时波形会失真。这些行为非常不同，因此花一些时间来模拟非理想条件确实值得付出努力。

图 7. 使用非理想变压器模拟电路

图 8. 具有非理想变压器的电路中的初级和次级波形