变压器输出电流与匝数之间的关系

今天看到一个短视频， 视频作者提出了一个有趣的问题， 对于一个高频逆变器， 它的线圈匝数很少， 却能够输出很大的电流。 作为对比， 他又找到了一个体积大体相当的工频变压器。 这个变压器的输入输出线圈的匝数非常多。 但输出的电流却非常少。 UP主因此提出了一个问题， 这两个变压器体积差不多， 那么究竟是什么原因造成输出电流相差这么大呢？ 作者从变压器的工作频率，线圈匝数以及磁芯材料三个方面进行了分析。

01 高频变压器

一、问题提出

今天看到一个短视频， 视频作者提出了一个有趣的问题， 对于一个高频逆变器， 它的线圈匝数很少， 却能够输出很大的电流。 作为对比， 他又找到了一个体积大体相当的工频变压器。 这个变压器的输入输出线圈的匝数非常多。 但输出的电流却非常少。 UP主因此提出了一个问题， 这两个变压器体积差不多， 那么究竟是什么原因造成输出电流相差这么大呢？ 作者从变压器的工作频率，线圈匝数以及磁芯材料三个方面进行了分析。

▲ 图1.1 两个变压器对比

二、初步分析

的确上面三个因素是相互牵连的， 视频作者最终将高频变压器在匝数少的情况下能够输出大电流的原因，归结到磁性材料上。 他认为主要因为硅钢片的磁导通率小于铁氧体材料， 所以它输出电流小。

但是如果查找一下硅钢片和铁氧体材料的导磁率， 它们的导磁率分布范围比较大， 但这两种材料的导磁率大体上在一个范围内， 相对导磁率都可以达到10000 上下。 那么问题来了， 假设两个变压器磁芯尺寸相同， 只是绕制的匝数不同， 为什么匝数越小的高频变压器， 输出的电流会更大呢？ 这其中的原因还需要从磁芯饱和特性说起。

▲ 图1.2 理想变压器的结构示意图

三、磁芯饱和

实际变压器的磁芯 具有饱和特性， 反映在磁芯中的磁感应强度与输入励磁线圈中电流之间的关系上不是线性关系。 从而引起输出电压与励磁电压之间也不再是线性关系。 正如这张图所示， 当磁感应强度超过一定数值之后， 对应的输出电压 就会出现饱和特征。 由此会使得变压器不仅输出电压波形出现失真，而且励磁电流增加，导致变压器铜损增加。

▲ 图1.3.1 磁饱和特性

对于一个线圈，  它的长度为 L， 匝数为N， 通过电流为 I，  那么线圈内的磁感应强度为 磁导率 μ 乘以N，除以L，再乘以电流 I。 如果因为变压器饱和特性限制了磁感应强度，  所以为了提高线圈的电流，  只能减少线圈的匝数。

▲ 图1.3.2 线圈中的磁场强度

在实际应用中，为了满足变压器电功率传输， 线圈不仅需要输出电流，还需要输出电压。下面给出了变压器线圈电压公式，  在饱和限制了磁芯的磁通量的情况下， 为了输出额定电压， 减少了线圈的匝数， 只能通过提高工作频率来弥补。

四、总结

因此高频变压器能够输出大电流， 除了线圈粗细原因之外，  正是因为它的匝数少才能够输出大电流。 同样为了满足输出电压的要求， 工作频率必须是高频， 在高频下， 铁氧体的损耗远远低于硅钢片。 因此，只有在现代高频大功率半导体器件加持下， 功率电路才能够越来越小。