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(shù)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?shù)墓ゎl變壓器。?這個變壓器的輸入輸出線圈的匝數(shù)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(shù)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(shù)少的情況下能夠輸出大電流的原因，歸結(jié)到磁性材料上。?他認為主要因為硅鋼片的磁導(dǎo)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(dǎo)磁率，?它們的導(dǎo)磁率分布范圍比較大， 但這兩種材料的導(dǎo)磁率大體上在一個范圍內(nèi)，?相對導(dǎo)磁率都可以達到10000 上下。?那么問題來了， 假設(shè)兩個變壓器磁芯尺寸相同，?只是繞制的匝數(shù)不同，?為什么匝數(shù)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(jié)構(gòu)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(yīng)強度與輸入勵磁線圈中電流之間的關(guān)系上不是線性關(guān)系。?從而引起輸出電壓與勵磁電壓之間也不再是線性關(guān)系。?正如這張圖所示， 當磁感應(yīng)強度超過一定數(shù)值之后，?對應(yīng)的輸出電壓?就會出現(xiàn)飽和特征。?由此會使得變壓器不僅輸出電壓波形出現(xiàn)失真，而且勵磁電流增加，導(dǎo)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(shù)為N，?通過電流為 I，? 那么線圈內(nèi)的磁感應(yīng)強度為?磁導(dǎo)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(yīng)強度， ?所以為了提高線圈的電流，? 只能減少線圈的匝數(shù)。

▲ 圖1.3.2 線圈中的磁場強度

在實際應(yīng)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(shù)，?只能通過提高工作頻率來彌補。

四、總結(jié)

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(shù)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(xiàn)代高頻大功率半導(dǎo)體器件加持下， 功率電路才能夠越來越小。

審核編輯：湯梓紅