副边两个以上线圈产生的电压和可能会超过原边电压，这就是升压器，这不会说明能量不守恒，能量还需要电流，是电压电流的乘积2023.11.13

变压器是电能转化为磁能，磁能再转电能，不是说磁能再变压器中是恒定不变的2023.11.13

Engineer Kang

电源工程师-分享IGBT及其驱动和磁性元器件知识

引言

以下讲解内容是作者在实际工作过程中，许多从事电源开发工作的工程师遇到的疑问进行梳理的内容，最容易混淆的是电感和变压器的区别，也就是究竟该怎样理解变压器工作原理的问题。耐心看一下，也许对变压器理解或重新认识有所帮助，有疑问或不准确的地方，也希望同行指正。

我们将变压器的磁芯等效为一个磁棒来分析变压器，也就是我们的“磁棒绕线分析法”，磁棒分析法由于标明了线圈绕制形式，这让我们对变压器的同名端和异名端的认识具有一目了然的效果，因为从绕线角度来看，两组及以上同类型的绕线端是互为同名端或异名端的，这里同类型绕线就是从绕线看，绕向都是从磁芯正面或者磁芯反面开始绕线。

磁棒绕线原理示意图

注：

（1）同名端和异名端是根据电磁依据命名的，对单个绕组讲，这个名称没有意义，所以才说互为同名端或异名端，因此它们是多绕组耦合线圈的概念范畴。

（2）磁棒绕线法是将磁芯展开成磁棒，再按照绕线方式画出绕线，标注同名端。“磁棒绕线法”可以直接标注磁力线的走向，对我们认识像变压器这种两个以上绕组的磁性元器件具有巨大的帮助，因为你总是可以快速画出磁力线走向并且做不同的标记，如上图。

提要

我们电源中的变压器和电感都是磁芯上绕着线圈，似乎都是都能称为电感，那么我们怎样去认识变压器和电感，或者我们先从认识变压器隐藏的“电感—激磁或励磁电感”开始，然后我们再分析变压器扮演的角色以及它的用处，总而言之，我们应该重新认识一下变压器，消除我们的迷惑。

1、变压器原理概述

变压器是具有两组或者两组以上的线圈绕组构成的耦合电感类型元件（但它不以储能为目的，而是扮演传输能量的角色，接着往后看），既然是以耦合方式工作的器件，高导磁磁芯是建立强耦合的必要条件，原边或初级完成电生磁，磁场顺着高导磁芯进行"传输"到下一个线圈绕组（如，副边），副边或次级完成磁生电，从而给实际电路负载提供能量，经过这么一个转换过程达到能量传输的同时也完成了初次级的电气隔离，下面是常见变压器的绕组形式，两"||"表示的是磁芯。

变压器绕组示意图

2、变压器的空载状态

空载意味着变压器输出，即副边不带任何负载。

（1）电压和磁场的连接桥梁或纽带

只要涉及到电磁尤其是变压器，就不可避免地要应用到法拉第电磁感应定律，因为它是电压和磁场的连接纽带，连接了电压和磁场，前面已经说了，电流和磁场的纽带连接是“安培环路定理”，连接了电流和磁场，如下图示意表述。

电磁二定律桥接关系图

以下表达式图示如下图所示

（2）线圈上的感应电动势

在变压器初级加上一个电压up，根据电磁感应定律，初级线圈感应电压如下表达式，即感应电动势ep等于输入电压up：

初级线圈的电流i0，产生磁芯中的磁通φ1，电流i0称为励磁或激磁电流，意为它是产生磁场的激励源，磁通φ1也称为变压器的主磁通。

由于变压器是以高磁导率磁闭合磁芯为磁路的磁通传输元器件，为了简单起见，理论上变压器是全耦合器件，耦合系数是k=1，磁通是原边线圈产生的磁通（电生磁），必须明白和意识到，由于变压器上所有的线圈共用同一个磁芯，所以经过初级的磁通量和经过次级的磁通量是相同的即φ1=φ12=φ（Ψ=N*φ称为磁链，φ12表示线圈N1对线圈N2产生的磁通，为避免混乱这里都用φ1表示，因为是空载，次级线圈2也就没有自生产生磁通的源头了），磁通量φ的变化率也是相同的，次级的感应电动势如下表达式：

那么，就得到我们最常用的变压器电压和匝数之比的公式

从这个式子可以看到，变压器从初级向次级看是变电压功能，空载主导了变压器变压关系的建立，是线圈匝数的比值关系，这种关系正是同磁芯的连接关系建立。

空载状态下的变压器状态

（3）由电感量推导匝比是怎么回事？计算电感的电感系数优势怎么回事？

这还得从变压器隐藏的电感说起，不得不将变压器看做电感了，因为我们说了，电感和变压器都是线圈饶磁芯的形式。

变压器的电感，这是基于电磁原理的叫法，不是实际用途的称呼。

变压器的叫法是我们基于它设计的目的来叫的，因为它是传输能量且改变输出电压。

然而不可忽视的一点就是，线圈绕磁芯（这里我们说的带磁芯的，当然还有空心电感），这就是我们电源中最为普遍的电感了，由于变压器绕组共用磁芯，带来了原边Np和副边Ns线圈电感Lp和Ls的磁路le、磁通截面Ae相同、磁导率μ也相同，这就是说磁力线的磁阻Rm就相同了，因为磁阻描述的是磁芯的特征。

电感磁路和磁芯截面积示意图

我们先认识一下，我们规则磁场或磁路的磁阻表达式，后面我们会知道，它也是有依据而推导得到的表达式：

磁阻的倒数就是磁导G，这个参数也就是我们经常见到的电感系数AL，这个一定要明确

上式子中μ是材料磁导导率，是绝对磁导率，le是等效磁路，Ae是磁芯等效截面积

电感L表达式就是如下，其中N是匝数，这个关系的得出还是电感定义表达式得到，只是做一下变换而已：

由于同磁芯，电感系数或磁导G是相同的，那么匝数和电感量的关系自然就是如下表达式，这就是我们非常常用的，用测得的电感量计算匝数的办法（破解其他设计者的变压器）。

3、变压器的负载状态

图示如下图

提示：记住，是次级连接的负载通过变压器取电流，而不是变压器主动给负载电流，变压器是被动传输能量的，所以这就区分了变压器和电感的不同，电感是释放能量给负载，是主动将能量释放给负载的。为了好理解，你就说变压器是被动器件，电感是主动器件，当然不要理解为半导体器件的“被动器件”和“主动器件”概念。

原理，当变压器次级和负载相连接时，由于负载因素，次级电压us加在负载R产生电流is（这里我们把负载看做一个等效的电阻R，电流从同名端流出），电流is在次级线圈Ns中产生形成的磁动势Fs=is*Ns（联系电路中的电动势原理）产生的磁通量为φ22=φs。

还记得磁路中的欧姆定律吗？磁动势（NI，匝数和电流的乘积）和磁阻的商就是磁通量，这个公式的推导也很简单，基础原理是安培环路定理（电流和磁场的连接纽带），式中Rm是磁阻，G是磁导，同一个磁芯中这是个常量。

由负载引起的磁通φ22与负载电流引起的初级线圈产生的磁通φ11方向是相反的，这是楞次定律告诉我们的，实质是副边线圈产生的磁通与原边除了激磁磁通外要保持平衡，上面磁动势表达式也可以看得出，下图中我们用不同颜色的磁力线进行表示

带负载后，初级磁通量是空载励磁电流磁通φ1和负载引起的磁通φ11之和，二者方向相同

注意磁通phi符号的书写，由于编辑器的识别可能会出现变形。

励磁磁通是建立电磁转换的必要条件，同时可以看到，原边电流是从同名端流入，副边则是从同名端流出，这样恰好保持能量的一进一出，也可以说明这保持了磁平衡（不能积累，积累意味着到一定时间变压器磁芯出现饱和）。

负载状态下的变压器状态

相反，我们利用磁动势表达式，可以轻松得知变压器原边和副边电流之比，反比关系就是这么得来的

从这个式可以看到，变压器从次级向初级看是变电流流功能，变电流是次级索取能量的结果。

从功率角度来看，这里的ip是不包含励磁电流的，因为我们从原理可知，励磁部分是不能传输的，励磁或激磁电流只是提供能量传输的条件，负载自身是主动取能量的。

不考虑损耗，输入功率和输出功率相等，不需要在磁场中存储能量，变压器是能量传输器件，不是储能器件，实际变压器中，采用高导磁材料增大激磁电感以减小激磁电流，减小激磁电流目的是降低铜损和磁损。

4、反射阻抗

我们清楚地知道，只有副边线圈有实际的负载，原边是没有实际负载的，但是当接入负载时，原边存在电流和电压，这就构成了一个等效阻抗的现象。

变压器原边反射阻抗示意图

当输出带负载时，负载通过变压器取能量，输入电流会相应增加，因此变压器的等效输入阻抗是如下式子：

纯电阻下就是Z为R.

强调，变压器是能量传输性元器件，只有励磁或激磁电流是引起能量的存储，不能够传输到副边供负载使用，变压器带负载时，次级电流即负载电流产生的磁动势是去磁磁动势，激磁是保证能量传输的基础，没有它，次级电压也就不复存在，更谈不上能量的传输。

工作原理决定负载不能索取励磁能量，供负载使用，所以变压器原边线圈才要进行磁复位，磁复位就是原边励磁电感主动释放能量的过程，但是它不给负载，而要给与它有物理连接的路径释放。由于磁芯连接是感应连接，所以励磁电流是变压器工作的根本，没有它，变压器怎么建立两个没有物理连接的关系呢？

5、总结

但就能量而言，变压器是被动的，它不会主动释放能量给负载，而是副边线圈连接的负载进行索取源头的能量，这样看似乎变压器在供给能量，但要明确这个能量不是存储在变压器中，而是负载索取的同时，原边供给同步响应负载请求，是同步进行的。

变压器传递能量

但是，变压器毕竟存在励磁电感（原边线圈电感Lp），是电感，当电流通过时就会存储能量，从磁力线相消看，负载索取能量被消耗，这并不会存储在励磁电感中，这部分能量被夺走了；但是还有一部分励磁电流的能量却扎根在励磁电感中被存储了起来，并且这个能量不是负载索取的，而是变压器为了建立电磁变换关系而存在的，这个能量负载不可也不能利用，所以实际中我们再尽力减小这个能量，就是采用高磁导率的材料做为磁芯，甚至连一点气隙也不开，像工作在一三象限的情况，如半桥、全桥、推挽等拓扑中的变压器。

不同拓扑的磁滞回线

当然，单端正激偶尔会开那么一点，这主要是单端情况，变压器励磁只能在第一象限，加上某些材料的剩磁较大，不得不减少剩磁而做的那么一点妥协而已。

为什么变压在被动地传输能量？它和电感的工作原理有何异同？如何认识电源中的变压器？ - 知乎