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

DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作原理

開關(guān)技術(shù)通常用于轉(zhuǎn)換器的操作。開關(guān)操作的DC-DC轉(zhuǎn)換器根據(jù)應(yīng)用需求將直流電壓從一個電平轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換過程中，轉(zhuǎn)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(dǎo)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(zhuǎn)換相比，開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換的處理更容易，能源效率更高，因為在線性轉(zhuǎn)換中會有功率以熱量的形式耗散。

為了實現(xiàn)高效率，需要高速度的半導(dǎo)體器件，這些器件具有快速的上升和下降時間。高速開關(guān)要求準(zhǔn)確的布局，使電路設(shè)計變得困難。開關(guān)模式轉(zhuǎn)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(yīng)晶體管(FET)可以提高轉(zhuǎn)換器的效率，因為這些器件在開關(guān)過程中與雙極晶體管(BJT)相比，損耗更少。

DC-DC轉(zhuǎn)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(guān)過程中的損耗。

大多數(shù)DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計為將電力流向一個方向，從輸入到輸出。然而，所有開關(guān)調(diào)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(xiàn)任何方向的電力傳輸。雙向轉(zhuǎn)換器適用于諸如車輛的再生制動等應(yīng)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(zhuǎn)換器時必須采取一些措施，例如元件選擇、連接以及必須設(shè)置在可接受水平的開關(guān)噪聲。最初，創(chuàng)建成本高于線性電壓調(diào)節(jié)器，但由于采用最新的電路創(chuàng)建技術(shù)，成本隨后下降。

如今的DC-DC轉(zhuǎn)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(yīng)用于多種電子結(jié)構(gòu)中。

圖1顯示了不同類型的DC-DC轉(zhuǎn)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(cè)，而輸出則提供給右側(cè)的負(fù)載。電源開關(guān)可以是MOSFET、IGBT或BJT。

圖1：DC-DC轉(zhuǎn)換器的類型

DC-DC轉(zhuǎn)換器的主要特性如下：

電流額定值

這是轉(zhuǎn)換器能夠提供給負(fù)載的最大電流值。

溫度額定值

這是DC-DC轉(zhuǎn)換器在滿負(fù)載運行時必須承受的最高溫度值。操作溫度必須根據(jù)額定值設(shè)置，否則轉(zhuǎn)換器可能會損壞并過熱。

紋波電壓

此值定義了轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器有一些限制，定義了轉(zhuǎn)換器的電壓變換能力。

轉(zhuǎn)換器的尺寸和重量

由于開關(guān)轉(zhuǎn)換器可以在更高頻率下工作，因此可以設(shè)計得占地面積小。在設(shè)計轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器

我們周圍行駛的許多不同類型的車輛會產(chǎn)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(shè)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(shè)備根據(jù)負(fù)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(qū)動系統(tǒng)時給車輛工程師帶來了問題。DC-DC轉(zhuǎn)換器可以用于電力傳動系統(tǒng)中組件的接口。

汽車轉(zhuǎn)換器必須輕便、小巧、可靠、高效，并產(chǎn)生低電磁干擾。

電動汽車的DC-DC轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器。它展示了至少一個DC-DC轉(zhuǎn)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(shè)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(shè)備是電池和超級電容器。這些設(shè)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(lián)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。

圖2：電動車DC-DC轉(zhuǎn)換器類型

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(shè)備健康狀況等不同參數(shù)。電壓參數(shù)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(nèi)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(guān)。DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓可以選擇，每個設(shè)備的功率都可以調(diào)節(jié)。

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

非隔離轉(zhuǎn)換器

非隔離轉(zhuǎn)換器用于電壓以4:1的比例增大或減小的應(yīng)用中。這樣，輸出和輸入之間沒有電介質(zhì)隔離。非隔離轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器用于電壓增減。電荷泵轉(zhuǎn)換器用于電壓升高和電壓反轉(zhuǎn)，并且是某些項目的一部分。

磁性轉(zhuǎn)換器

DC-DC轉(zhuǎn)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(fù)載所需功率的充電占空比。

通過這些控制，可以調(diào)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(zhuǎn)換器可以提供輸入和輸出之間的操作。

隔離轉(zhuǎn)換器

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

電動汽車DC-DC轉(zhuǎn)換器的特性

對于接口，燃料電池DC-DC轉(zhuǎn)換器提高燃料電池電壓并調(diào)節(jié)直流鏈接電壓。雖然需要可逆的DC-DC轉(zhuǎn)換器來與超級電容器接口。設(shè)計和應(yīng)用了不同類型的DC-DC轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器效率必須高。

·轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的功率流動調(diào)節(jié)提供輸入電壓的不同變化。

每種轉(zhuǎn)換器類型都有其優(yōu)缺點。比如，DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器不具備電氣隔離。輸入和輸出幅度的高變化會對開關(guān)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(jié)論

DC-DC轉(zhuǎn)換器是一種電子設(shè)備，有助于將直流電壓轉(zhuǎn)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(yīng)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(zhuǎn)換器。DC-DC轉(zhuǎn)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(guān)鍵部分。