變壓器輸出電流與匝數之間的關系

今天看到一個短視頻， 視頻作者提出了一個有趣的問題，?對于一個高頻逆變器， 它的線圈匝數很少， 卻能夠輸出很大的電流。?作為對比，?他又找到了一個體積大體相當的工頻變壓器。?這個變壓器的輸入輸出線圈的匝數非常多。?但輸出的電流卻非常少。?UP主因此提出了一個問題，?這兩個變壓器體積差不多， 那么究竟是什么原因造成輸出電流相差這么大呢？?作者從變壓器的工作頻率，線圈匝數以及磁芯材料三個方面進行了分析。

01 高頻變壓器

一、問題提出

今天看到一個短視頻， 視頻作者提出了一個有趣的問題，?對于一個高頻逆變器， 它的線圈匝數很少， 卻能夠輸出很大的電流。?作為對比，?他又找到了一個體積大體相當的工頻變壓器。?這個變壓器的輸入輸出線圈的匝數非常多。?但輸出的電流卻非常少。?UP主因此提出了一個問題，?這兩個變壓器體積差不多， 那么究竟是什么原因造成輸出電流相差這么大呢？?作者從變壓器的工作頻率，線圈匝數以及磁芯材料三個方面進行了分析。

▲ 圖1.1 兩個變壓器對比

二、初步分析

的確上面三個因素是相互牽連的， 視頻作者最終將高頻變壓器在匝數少的情況下能夠輸出大電流的原因，歸結到磁性材料上。?他認為主要因為硅鋼片的磁導通率小于鐵氧體材料， 所以它輸出電流小。

但是如果查找一下硅鋼片和鐵氧體材料的導磁率，?它們的導磁率分布范圍比較大， 但這兩種材料的導磁率大體上在一個范圍內，?相對導磁率都可以達到10000 上下。?那么問題來了， 假設兩個變壓器磁芯尺寸相同，?只是繞制的匝數不同，?為什么匝數越小的高頻變壓器，?輸出的電流會更大呢？?這其中的原因還需要從磁芯飽和特性說起。

▲ 圖1.2 理想變壓器的結構示意圖

三、磁芯飽和

實際變壓器的磁芯?具有飽和特性，?反映在磁芯中的磁感應強度與輸入勵磁線圈中電流之間的關系上不是線性關系。?從而引起輸出電壓與勵磁電壓之間也不再是線性關系。?正如這張圖所示， 當磁感應強度超過一定數值之后，?對應的輸出電壓?就會出現飽和特征。?由此會使得變壓器不僅輸出電壓波形出現失真，而且勵磁電流增加，導致變壓器銅損增加。

▲ 圖1.3.1 磁飽和特性

對于一個線圈， ?它的長度為 L，?匝數為N，?通過電流為 I，? 那么線圈內的磁感應強度為?磁導率 μ 乘以N，除以L，再乘以電流 I。?如果因為變壓器飽和特性限制了磁感應強度， ?所以為了提高線圈的電流，? 只能減少線圈的匝數。

▲ 圖1.3.2 線圈中的磁場強度

在實際應用中，為了滿足變壓器電功率傳輸，?線圈不僅需要輸出電流，還需要輸出電壓。下面給出了變壓器線圈電壓公式， ?在飽和限制了磁芯的磁通量的情況下，?為了輸出額定電壓，?減少了線圈的匝數，?只能通過提高工作頻率來彌補。

四、總結

因此高頻變壓器能夠輸出大電流，?除了線圈粗細原因之外， ?正是因為它的匝數少才能夠輸出大電流。?同樣為了滿足輸出電壓的要求， 工作頻率必須是高頻，?在高頻下， 鐵氧體的損耗遠遠低于硅鋼片。?因此，只有在現代高頻大功率半導體器件加持下， 功率電路才能夠越來越小。