Uso de transformadores en LTspice/Switcher CAD III

Los transformadores son un componente clave en muchos diseños de reguladores de conmutación, brindan una barrera de aislamiento en sistemas peligrosos de alta potencia, permiten relaciones de reducción o elevación muy altas en diseños de alto voltaje y (con un devanado adicional) acomodan fácilmente salidas múltiples o inversoras. Los convertidores Flyback, Forward y SEPIC utilizan transformadores. Este artículo le dice lo que necesita saber para agregar transformadores a las simulaciones de LTspice/SwitcherCAD III.

Acerca de LTspice/SwitcherCAD III

LTspice/SwitcherCAD III es una potente herramienta de simulación SPICE con captura esquemática integrada. A diferencia de muchos otros simuladores gratuitos, LTSpice es una herramienta de propósito general y no limitada. LTspice incluye modelos para la mayoría de los convertidores CC/CC de modo conmutado de Linear Technology, así como una biblioteca de dispositivos para la simulación general de circuitos analógicos, incluidos amplificadores operacionales, comparadores, reguladores lineales y discretos. LTspice/SwitcherCAD III está disponible para su descarga gratuita aquí.

La Figura 1 muestra la técnica básica. Uno simplemente dibuja cada devanado del transformador como un inductor y acopla los inductores con una directiva SPICE llamada declaración K (p. ej., "K1 L1 L2 1”.)

Para agregar la directiva, elija Directiva SPICE en el menú Editar. Esto le permite colocar texto en el esquema que se incluye en la lista de conexiones de SPICE. Una vez que el inductor se menciona en una declaración K, LTspice usa un símbolo de inductor con un punto de fase visible para indicar la fase de cada devanado.

Establecer la relación de vueltas del transformador es simplemente una cuestión de elegir los valores correctos del inductor. Recuerde, la inductancia es proporcional al cuadrado de la relación de vueltas. En el ejemplo anterior, una relación de vueltas de 1:3 da una relación de inductancia de 1:9.

La última entrada de la declaración K es el coeficiente de acoplamiento mutuo. Esto está en una escala de 0 a 1, donde 1 significa acoplamiento perfecto entre los inductores (es decir, sin inductancia de fuga). La inductancia de fuga generalmente no se desea en un circuito práctico. Por ejemplo, en los transformadores destinados a almacenar energía, como un convertidor flyback, la inductancia de fuga evita que el secundario elimine toda la energía almacenada por el primario. En un transformador de almacenamiento que no es de energía, la impedancia de la inductancia de fuga puede limitar qué tan bien el secundario puede proteger el núcleo de la corriente primaria, lo que establece un límite estricto sobre la cantidad de energía que se puede transformar a través del transformador. De cualquier manera, la inductancia de fuga puede causar picos de voltaje o repiqueteo no deseados que pueden conducir a la necesidad de circuitos de amortiguación y sus pérdidas de energía asociadas. Volveremos a la inductancia de fuga más adelante, pero para una simulación inicial, es más fácil y, a menudo, suficiente ignorar la inductancia de fuga estableciendo el coeficiente de acoplamiento mutuo en 1.

Cuando tiene un transformador con más de un primario y un secundario, debe asegurarse de que se incluyan todas las inductancias mutuas. Considere un transformador con cuatro devanados; L1, L2, L3 y L4. Un error común es agregar solo tres acoplamientos mutuos con tres declaraciones K separadas para un transformador de este tipo con cuatro devanados:

K1 L1 L2 1
K2 L2 L3 1
K3 L3 L4 1

LTspice le dirá que este transformador es imposible ya que no es posible que L1 esté perfectamente acoplado a L2 y L2 perfectamente acoplado a L3 sin algún acoplamiento entre L1 y L3. Sí, es posible que dos inductores no tengan inductancia mutua pero tengan cierto acoplamiento con un tercero, pero existen límites sobre qué tan bien pueden acoplarse a ese tercero. LTspice analiza la matriz de coeficientes de acoplamiento mutuo y determina si sus coeficientes de acoplamiento son físicamente realizables.

Un transformador con cuatro devanados generalmente tiene seis inductancias mutuas distintas de cero:

K1 L1 L2 1
K2 L1 L3 1
K3 L1 L4 1
K4 L2 L3 1
K5 L2 L4 1
K6 L3 L4 1

En general, el número de inductancias mutuas en un transformador con N devanados es N • (N – 1)/2. Tenga en cuenta que el número crece como N al cuadrado, al igual que la inductancia de cada devanado individual es proporcional al cuadrado del número de vueltas.

Permutar a mano todos los nombres de los inductores para generar sentencias de acoplamiento mutuo individuales para cada inductancia mutua es, en el mejor de los casos, tedioso y tiende a ser propenso a errores. Un mejor enfoque es usar una sola declaración K que mencione todos los inductores que están enrollados en el mismo núcleo y dejar que LTspice haga el trabajo:

K1 L1 L2 L3 L4 1

LTspice entiende que esto significa que todos estos inductores están acoplados entre sí por el mismo coeficiente de acoplamiento mutuo. La Figura 2 muestra esta técnica utilizada en un transformador con cuatro devanados configurado como un autotransformador conectando los devanados en serie.

Es posible que desee simular los efectos de la inductancia de fuga para considerar diseños de amortiguadores o calcular el tiempo de conmutación de un convertidor de conmutación resonante. Hay dos formas de agregar inductancia de fuga a su modelo. Puede colocar inductores adicionales en serie con los conductores de los inductores del devanado (un enfoque muy directo) o usar un coeficiente de acoplamiento mutuo de menos de uno. La inductancia de fuga, L_FILTRACIÓNse puede relacionar con la inductancia del devanado, L, y el coeficiente de acoplamiento, K, mediante la ecuación:

Si K está cerca de 1, los dos métodos son eléctricamente equivalentes.

Una nota de precaución: el esfuerzo de modelado aumenta significativamente cuando se agrega la fuga, porque una vez que agrega la inductancia de fuga a una simulación, también necesita modelar las capacitancias que pueden sonar con ella y las pérdidas que limitan la Q del timbre, para poder para obtener cualquier acuerdo entre los efectos simulados y medidos. Por esta razón, generalmente recomiendo comenzar la simulación sin ninguna inductancia de fuga y luego agregarla más tarde si cree que necesita investigar el comportamiento no ideal debido a la inductancia de fuga en el transformador.

Para simular un transformador en sus simulaciones LTspice/SwitcherCAD III, simplemente dibuje cada devanado del transformador como un inductor individual. Luego agregue una directiva SPICE de la forma K1 L1 L2 L3 ... 1. al esquema. ¡Eso es básicamente!

Para ver un archivo de simulación de ejemplo que usa inductores acoplados en un convertidor SEPIC, visite la página del producto del controlador LTC1871 y haga clic en la pestaña Simular para obtener un circuito de demostración listo para ejecutar.