在當(dāng)今的電子和電力系統(tǒng)中，直流 - 直流（DC - DC）轉(zhuǎn)換器扮演著至關(guān)重要的角色。它是一種機(jī)電設(shè)備或電路，主要功能是依據(jù)電路的具體要求，將直流電壓從一個(gè)電平轉(zhuǎn)換到另一個(gè)電平。作為電力轉(zhuǎn)換器家族的一員，DC - DC 轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用范圍極為廣泛，既可以用于電池等小電壓應(yīng)用場(chǎng)景，也能在高壓輸電等高壓應(yīng)用中發(fā)揮作用。

DC - DC 轉(zhuǎn)換器的發(fā)展歷程

在半導(dǎo)體尚未普及的時(shí)期，低功率項(xiàng)目若要將直流電壓轉(zhuǎn)換為更高電壓，常用的技術(shù)是通過(guò)振動(dòng)器電路先將直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓，接著利用加電壓變壓器提升輸出電壓水平，通過(guò)整流電路將其轉(zhuǎn)換回直流。而在需要大功率的應(yīng)用中，則采用電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)的組合，由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，以提供所需的負(fù)載電壓。然而，這些技術(shù)不僅成本高昂，而且效率較低，但在當(dāng)時(shí)由于缺乏其他可行的方法，只能被廣泛使用。

隨著電力半導(dǎo)體和集成電路的發(fā)明，情況發(fā)生了巨大的改變。出現(xiàn)了如直流電源這種較為便宜的解決方案，它采用高頻交流輸入變壓器，不僅價(jià)格實(shí)惠，而且操作方便。該設(shè)備通過(guò)整流器將電壓再次轉(zhuǎn)換為直流。

DC - DC 轉(zhuǎn)換器的操作原理

DC - DC 轉(zhuǎn)換器通常采用開關(guān)技術(shù)進(jìn)行操作。開關(guān)操作的 DC - DC 轉(zhuǎn)換器能夠根據(jù)應(yīng)用需求，將直流電壓從一個(gè)電平轉(zhuǎn)換到另一個(gè)電平，其輸出電壓既可以高于也可以低于輸入值。在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，轉(zhuǎn)換器會(huì)在一段時(shí)間內(nèi)存儲(chǔ)能量，并提供不同級(jí)別的輸出。能量以磁場(chǎng)的形式存儲(chǔ)在導(dǎo)體的變壓器中，以電場(chǎng)的形式存儲(chǔ)在電容器中。

與線性電壓轉(zhuǎn)換相比，開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換具有明顯的優(yōu)勢(shì)。線性電壓轉(zhuǎn)換會(huì)將功率以熱量的形式耗散掉，而開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換則更容易處理，并且更加節(jié)能。為了實(shí)現(xiàn)高效轉(zhuǎn)換，需要使用能夠高速升降的半導(dǎo)體器件。不過(guò)，高速開關(guān)對(duì)電路布局的準(zhǔn)確性要求極高，這使得電路的創(chuàng)建變得困難。但開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器的高效率降低了對(duì)散熱器的需求，同時(shí)也延長(zhǎng)了電池的使用壽命。此外，使用場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FET）可以進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換器的效率，因?yàn)檫@些設(shè)備在執(zhí)行轉(zhuǎn)換過(guò)程時(shí)比雙極結(jié)型晶體管（BJT）的能量損失更小。

DC - DC 轉(zhuǎn)換器的其他改進(jìn)還包括用功率 FET 替換反激二極管同步整流電路。功率 FET 的電阻較小，減少了開關(guān)過(guò)程中的能量損失。

大多數(shù) DC - DC 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)初衷是將電流從輸入單向?qū)蜉敵觥５珜?shí)際上，所有開關(guān)調(diào)節(jié)電路都具備雙向傳輸?shù)哪芰?，通過(guò)更換所有二極管控制的有源整流電路，就可以在任何方向傳輸功率。雙向轉(zhuǎn)換器特別適用于車輛的再生制動(dòng)等應(yīng)用，在駕駛過(guò)程中它可以為車輪提供動(dòng)力，在制動(dòng)時(shí)則接收動(dòng)力。

就像所有高頻電路一樣，在創(chuàng)建 DC - DC 轉(zhuǎn)換器時(shí)，必須采取一些措施。例如，組件的選擇、連接方式以及開關(guān)噪聲等，都必須控制在可接受的水平。初，DC - DC 轉(zhuǎn)換器的創(chuàng)建成本高于線性調(diào)節(jié)器，但隨著電路創(chuàng)建技術(shù)的應(yīng)用，成本逐漸降低。如今，DC - DC 轉(zhuǎn)換器通常基于集成電路（IC），并且需要一些額外的組件。它們也以混合配置的形式存在于多個(gè)電子結(jié)構(gòu)中。

不同類型的 DC - DC 轉(zhuǎn)換器包括巴克、塞普、巴克 - 博斯特和喬克電路等。這些電路的輸入位于左側(cè)，輸出則提供給右側(cè)的負(fù)載。電源開關(guān)可以是金屬 - 氧化物 - 半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）、絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）或雙極結(jié)型晶體管（BJT）。

DC - DC 轉(zhuǎn)換器的特性

• 當(dāng)前評(píng)級(jí)：這是轉(zhuǎn)換器能夠提供給負(fù)載的電流值。
• 溫度等級(jí)：它指的是 DC - DC 變換器在全負(fù)荷運(yùn)行時(shí)必須承受的溫度值。操作溫度必須根據(jù)該等級(jí)進(jìn)行設(shè)置，否則轉(zhuǎn)換器可能會(huì)損壞或過(guò)熱。
• 波壓：該值定義了轉(zhuǎn)換器輸出的波紋電壓。在操作過(guò)程中，必須密切關(guān)注這些評(píng)級(jí)。
• 電壓等級(jí)：DC - DC 變換器存在一些限制，這些限制確定了轉(zhuǎn)換器的電壓轉(zhuǎn)換能力。
• 轉(zhuǎn)換器尺寸和重量：由于開關(guān)轉(zhuǎn)換器可以在更高的頻率下工作，因此它們可以設(shè)計(jì)得體積更小。在轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要在電路的大小和效率之間找到一個(gè)平衡點(diǎn)。

電動(dòng)車輛中的 DC - DC 轉(zhuǎn)換器

在當(dāng)今社會(huì)，眾多不同類型的車輛在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)造成空氣污染、變暖和地球資源的枯竭等問(wèn)題。為了解決這些問(wèn)題，電動(dòng)車、混合動(dòng)力車及燃料電池電動(dòng)車成為了理想的解決方案。電動(dòng)車和混合動(dòng)力車通常使用兩種儲(chǔ)能裝置。種是多功能儲(chǔ)能系統(tǒng)（MES），用于存儲(chǔ)高能量；第二種是可充電儲(chǔ)能系統(tǒng)（RESS），能夠提供高功率的可逆轉(zhuǎn)性。MES 提供了一個(gè)高效的能量存儲(chǔ)和釋放平臺(tái)，并且具備良好的再生制動(dòng)和加速度系統(tǒng)。儲(chǔ)能裝置會(huì)根據(jù)負(fù)載情況改變輸出電壓，并且通過(guò)高電壓的直流連接，為車輛工程師在配置能源存儲(chǔ)元件與牽引驅(qū)動(dòng)方面提供了便利。DC - DC 轉(zhuǎn)換器可以作為電力系統(tǒng)中的接口元件發(fā)揮重要作用。

汽車轉(zhuǎn)換器必須具備輕、小、可靠、有效以及產(chǎn)生低電磁干擾等特點(diǎn)。

在電動(dòng)汽車中，使用的 DC - DC 轉(zhuǎn)換器類型多樣。圖 2 展示了電動(dòng)汽車中使用的不同類型的轉(zhuǎn)換器，它顯示了至少一個(gè) DC - DC 轉(zhuǎn)換器如何將直流連接連接到燃料電池或超級(jí)電容器模塊。電動(dòng)汽車擁有多種能源，如燃料電池、電池和超級(jí)電容器等。在實(shí)際應(yīng)用中，電動(dòng)汽車通常會(huì)使用一種或多種儲(chǔ)能裝置，以降低整體成本和數(shù)量，并確保良好的運(yùn)行性能。常用的能量?jī)?chǔ)存器是電池和超級(jí)電容器，這些設(shè)備可以配置為不同的燃料電池棧組合。常見(jiàn)的配置是兩個(gè)模塊的平行連接，例如燃料電池或電池、燃料電池或超級(jí)電容器、電池或超級(jí)電容器。在這種配置方式中，功率并非用于控制，而是可以通過(guò)分量阻抗值來(lái)進(jìn)行測(cè)量。阻抗取決于不同的參數(shù)，如效率和設(shè)備的健康狀況。電壓參數(shù)也需要與兩個(gè)組件的規(guī)格相匹配。

以燃料電池 / 電池組合為例，由于電池的固定電壓，燃料電池在整個(gè)工作時(shí)間內(nèi)必須保持相同的功率。在電池或超級(jí)電容器組合的情況下，只能使用非常小的電容器能量交換功能，這是因?yàn)殡姵仉妷壕哂泻愣ㄖ?。此時(shí)，可以通過(guò)選擇 DC - DC 變換器的輸出電壓來(lái)調(diào)節(jié)每個(gè)器件的功率。

不同類型的 DC - DC 轉(zhuǎn)換器

• 非孤立轉(zhuǎn)換器：非孤立轉(zhuǎn)換器適用于電壓以 4:1 的比率增加或減少的應(yīng)用場(chǎng)景。在這種情況下，輸出和輸入之間沒(méi)有介質(zhì)隔離。非孤立轉(zhuǎn)換器還包括子類型，如充電泵、巴克、庫(kù)克、巴克 - 博斯特、巴克和提升等。其中，巴克轉(zhuǎn)換器用于電壓降低或增加；巴克 - 博斯特和庫(kù)克轉(zhuǎn)換器用于電壓的增加和降低；電荷泵轉(zhuǎn)換器用于電壓的提升和倒置，是部分工程的組成部分。
• 磁變器：DC - DC 轉(zhuǎn)換器會(huì)定期在電感器或變壓器中存儲(chǔ)和釋放能量，其頻率值范圍為 300 千赫茲至 10 千兆赫。通過(guò)穩(wěn)定性控制，可以調(diào)節(jié)為傳輸負(fù)載所需的功率充電的責(zé)任周期。利用這個(gè)控制器，可以在輸入和輸出電流之間進(jìn)行調(diào)節(jié)，也可以通過(guò)電路維護(hù)恒定功率。帶有變壓器的轉(zhuǎn)換器可以在輸入和輸出之間提供隔離操作。
• 孤立轉(zhuǎn)換器：在這些轉(zhuǎn)換器中，使用了高頻變壓器。對(duì)于輸出需要完全與輸入分離的應(yīng)用程序，通常會(huì)使用這種轉(zhuǎn)換器。孤立轉(zhuǎn)換器有不同的類型，如半橋、全橋、飛黑色向前和推拉直流轉(zhuǎn)換器等。這些轉(zhuǎn)換器還可以用作雙向轉(zhuǎn)換器。

電動(dòng) DC - DC 轉(zhuǎn)換器的特性

對(duì)于接口而言，燃料電池 DC - DC 轉(zhuǎn)換器的主要作用是提高燃料電池電壓并調(diào)節(jié)直流鏈路電壓。而超級(jí)電容器的接口則需要可逆直流轉(zhuǎn)換器。具有特定設(shè)計(jì)和應(yīng)用特點(diǎn)的 DC - DC 轉(zhuǎn)換器有多種類型，但對(duì)于車輛應(yīng)用而言，需要考慮以下因素：

• 車輛使用的轉(zhuǎn)換器效率必須很高。
• 轉(zhuǎn)換器必須體積小、重量輕。
• 電磁干擾要較少。
• 要能有效處理從燃料電池得到的波動(dòng)。
• 該函數(shù)必須提供電壓上升或提升功能。
• 功率轉(zhuǎn)換器流量的調(diào)節(jié)應(yīng)能適應(yīng)轉(zhuǎn)換器輸入電壓的不同變化。

每種轉(zhuǎn)換器都有其優(yōu)缺點(diǎn)。例如，DC - DC 增強(qiáng)器轉(zhuǎn)換器不具備電隔離功能。輸入量和輸出量的巨大變化會(huì)導(dǎo)致開關(guān)承受較大的應(yīng)力，這種電路效應(yīng)會(huì)受到高電流和電壓波紋的影響，從而面臨諸多問(wèn)題。