在半導體出現之前，將直流電壓轉換為更高電壓的常用技術是通過振蕩電路將其轉換為交流電壓，然后使用升壓變壓器來提高輸出電壓水平，最后再通過整流電路進行直流轉換。在需要高功率的應用中，通常使用電動機和發(fā)電機的組合。電動機驅動發(fā)電機，提供所需的負載電壓。這些技術雖然成本高且效率低，但在當時沒有其他替代方法的情況下仍得到應用。

DC-DC轉換器是一種機電設備或電路，用于根據電路要求將直流電壓從一個電平轉換到另一個電平。作為電力轉換器家族的一部分，DC-DC轉換器可用于小電壓應用，如電池，或高電壓應用，如高壓電力傳輸。

DC-DC轉換器的工作原理

開關技術通常用于轉換器的操作。開關操作的DC-DC轉換器根據應用需求將直流電壓從一個電平轉換為另一個電平，因此輸出電壓可以高于或低于輸入值。在轉換過程中，轉換器會暫時存儲能量，并在不同電平下提供輸出。能量以磁場的形式存儲在導體的變壓器中，以電場的形式存儲在電容器中。與線性電壓轉換相比，開關電壓轉換的處理更容易，能源效率更高，因為在線性轉換中會有功率以熱量的形式耗散。

為了實現高效率，需要高速度的半導體器件，這些器件具有快速的上升和下降時間。高速開關要求準確的布局，使電路設計變得困難。開關模式轉換器的高效率減少了對散熱器的需求，并延長了電池的使用壽命。使用場效應晶體管(FET)可以提高轉換器的效率，因為這些器件在開關過程中與雙極晶體管(BJT)相比，損耗更少。

DC-DC轉換器的其他改進包括用具有更小電阻的同步整流電路替代反向二極管，從而減少開關過程中的損耗。

大多數DC-DC轉換器設計為將電力流向一個方向，從輸入到輸出。然而，所有開關調節(jié)電路都可以是雙向的，通過替換所有二極管控制的有源整流電路來實現任何方向的電力傳輸。雙向轉換器適用于諸如車輛的再生制動等應用，在行駛時將電力提供給車輪，在制動時接收電力。

在所有高頻電路中，創(chuàng)建DC-DC轉換器時必須采取一些措施，例如元件選擇、連接以及必須設置在可接受水平的開關噪聲。最初，創(chuàng)建成本高于線性電壓調節(jié)器，但由于采用最新的電路創(chuàng)建技術，成本隨后下降。

如今的DC-DC轉換器基于集成電路(IC)，只需少量額外組件。它們還以混合配置存在，應用于多種電子結構中。

圖1顯示了不同類型的DC-DC轉換器：降壓、升壓、降壓升壓和?uk電路。這些電路的輸入位于左側，而輸出則提供給右側的負載。電源開關可以是MOSFET、IGBT或BJT。

DC-DC轉換器的主要特性如下：

電流額定值

這是轉換器能夠提供給負載的最大電流值。

溫度額定值

這是DC-DC轉換器在滿負載運行時必須承受的最高溫度值。操作溫度必須根據額定值設置，否則轉換器可能會損壞并過熱。

紋波電壓

此值定義了轉換器輸出的紋波電壓。在操作過程中必須小心這些額定值。

電壓額定值

DC-DC轉換器有一些限制，定義了轉換器的電壓變換能力。

轉換器的尺寸和重量

由于開關轉換器可以在更高頻率下工作，因此可以設計得占地面積小。在設計轉換器時，需要在電路尺寸和其效率之間找到平衡。

電動汽車的DC-DC轉換器

我們周圍行駛的許多不同類型的車輛會產生空氣污染、全球變暖和地球資源的枯竭。為了解決這些問題，解決方案之一是用電動車(EV)、混合動力汽車和燃料電池電動車替代傳統(tǒng)車輛。電動和混合動力車輛使用兩種類型的能源存儲設備。第一種是多功能能源存儲(MES)，用于存儲高能量，而第二種是可充電能源存儲系統(tǒng)(RESS)，提供高功率能力和可逆性。MES提供較高的行駛范圍，而RESS具有良好的再生制動和加速系統(tǒng)。能源存儲設備根據負載變化輸出電壓，而高電壓的直流鏈接在配置能源存儲組件與驅動系統(tǒng)時給車輛工程師帶來了問題。DC-DC轉換器可以用于電力傳動系統(tǒng)中組件的接口。

汽車轉換器必須輕便、小巧、可靠、高效，并產生低電磁干擾。

電動汽車的DC-DC轉換器類型

在圖2中，我們可以看到電動汽車中使用的不同類型的轉換器。它展示了至少一個DC-DC轉換器是如何將直流鏈接與燃料電池電池或超級電容模塊接口的。電動汽車有不同的能源來源，如燃料電池和電池超級電容器。在電動車中，通常使用一個或多個能源存儲設備，這減少了整體成本和體積，并提供良好的操作。常用的能源存儲設備是電池和超級電容器。這些設備與燃料電池堆以不同的配置連接。正常配置是將兩個模塊并聯連接：燃料電池或電池、燃料電池或超級電容器，或電池或超級電容器。

在這種方法中，功率不是通過控制使用的，而是可以通過組件阻抗值來測量。阻抗依賴于效率和設備健康狀況等不同參數。電壓參數也必須與兩個組件的規(guī)格匹配。這是一個燃料電池/電池組合的情況，燃料電池必須在整個時間內保持相同的功率，因為電池的電壓是固定的。在電池或超級電容器組合的情況下，僅能利用超級電容器非常小的能量交換特性。這一切都與電池電壓的恒定值有關。DC-DC轉換器的輸出電壓可以選擇，每個設備的功率都可以調節(jié)。

DC-DC轉換器是一個電力轉換電路，可以在不同電平之間轉換能量，并在磁場和電場中儲存能量。這里將討論應用于電動車的不同類型的DC-DC轉換器。

非隔離轉換器

非隔離轉換器用于電壓以4:1的比例增大或減小的應用中。這樣，輸出和輸入之間沒有電介質隔離。非隔離轉換器還有子類型：電荷泵、降壓、Cuk、降壓升壓、降壓和升壓。降壓用于電壓降低，升壓用于電壓提高或升壓。降壓升壓和Cuk轉換器用于電壓增減。電荷泵轉換器用于電壓升高和電壓反轉，并且是某些項目的一部分。

磁性轉換器

DC-DC轉換器周期性地儲存能量，并在電感或變壓器中以300千赫到10兆赫的頻率作為磁場釋放。通過穩(wěn)定性，可以控制傳輸負載所需功率的充電占空比。

通過這些控制，可以調節(jié)輸入和輸出電流，并通過電路保持恒定功率。帶有變壓器的轉換器可以提供輸入和輸出之間的操作。

隔離轉換器

在這些轉換器中，使用高頻變壓器。對于輸出與輸入完全分離的應用，使用這種轉換器。隔離轉換器有不同類型，如半橋、全橋、反向飛行和推挽DC-DC轉換器。這些轉換器可以用作雙向轉換器。

電動汽車DC-DC轉換器的特性

對于接口，燃料電池DC-DC轉換器提高燃料電池電壓并調節(jié)直流鏈接電壓。雖然需要可逆的DC-DC轉換器來與超級電容器接口。設計和應用了不同類型的DC-DC轉換器，具有特定的特點。但在車輛情況下，有一些考慮因素如下：

·用于車輛的轉換器效率必須高。

·轉換器必須體積小，重量輕。

·電磁干擾小。

·從燃料電池抽取的紋波小。

·功能必須提供電壓升高或升壓功能。

·轉換器的功率流動調節(jié)提供輸入電壓的不同變化。

每種轉換器類型都有其優(yōu)缺點。比如，DC-DC升壓轉換器不具備電氣隔離。輸入和輸出幅度的高變化會對開關造成壓力，這種電路受到高電流和電壓紋波的影響，并且面臨高重量問題。

結論

DC-DC轉換器是一種電子設備，有助于將直流電壓轉換為其他電平，無論是更高還是更低，以滿足電路和項目的要求。它是電源的基本部分，改變電壓值以操作不同需要低或高直流電壓的應用。它是電動汽車的主要部分，電動汽車由提供高直流電壓的電池組成。由于電動汽車組件在不同電壓水平(高或低)下工作，為了維持這些組件的電壓值，需要使用DC-DC轉換器。DC-DC轉換器已成為電動汽車和其他在不同直流電平下運行的電子項目的關鍵部分。