DC-DC轉(zhuǎn)換器是一種電氣系統(tǒng)（設(shè)備），它將直流（DC）源從一個電壓電平轉(zhuǎn)換為另一個電壓電平。換句話說，DC-DC轉(zhuǎn)換器將直流輸入電壓作為輸入，并輸出不同的直流電壓。輸出直流電壓可以高于或低于直流輸入電壓。顧名思義，DC-DC轉(zhuǎn)換器僅適用于直流（DC）源，而不適用于替代電流（AC）源。 DC-DC轉(zhuǎn)換器也稱為DC-DC電源轉(zhuǎn)換器或電壓調(diào)節(jié)器。



圖片：DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作原理

如果我們有兩個電氣系統(tǒng)，在不同的電壓水平下工作，一個高電平（140 V），另一個低電平（14 V），DC-DC轉(zhuǎn)換器可以將它們之間的電壓從高轉(zhuǎn)換為低或從低到高。從一個電壓電平到另一個電壓杠桿的轉(zhuǎn)換是在一些功率損耗的情況下完成的。根據(jù)DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作點（電壓和電流）和轉(zhuǎn)換器的類型，效率可以在75%至95%或更高之間。

電池電動汽車（BEV）中的DC-DC轉(zhuǎn)換器用于將高電池電壓（例如400 V）轉(zhuǎn)換為低直流電壓（例如12 V），用于傳統(tǒng)的12 V負載（燈，多媒體，電動車窗等）。 DC-DC轉(zhuǎn)換器是一種功率轉(zhuǎn)換器，它通過暫時存儲輸入能量，然后將該能量釋放到不同電壓的輸出，將直流電源（DC）從一個電壓電平轉(zhuǎn)換為另一個電壓電平。電能的存儲可以在磁場存儲組件（電感器，變壓器）或電場存儲組件（電容器）中完成。

直流-直流轉(zhuǎn)換器的效率

電功率P [W]是電壓U [V]和電流I [A]之間的乘積。

P=U?I

例如，如果輸入電壓Uin= 120 V，最大電流Iin= 5 A，這將給出輸入功率： Pin=120?5=600W 由于電功率是守恒的（Pout=Pin），并且我們假設(shè)DC-DC轉(zhuǎn)換器沒有損耗（100%效率），對于輸出電壓Uout= 14 V，我們可以計算輸出電流如下：

實際上，轉(zhuǎn)換將產(chǎn)生一些損耗，最大輸出電流將小于100%效率計算的電流。 DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率計算公式為：

η[%]=PoutPin?100 有幾種類型的DC-DC轉(zhuǎn)換器。最常見的分類是從輸入和輸出電壓之間的比率來看：

升壓直流-直流轉(zhuǎn)換器

降壓直流-直流轉(zhuǎn)換器

在升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器中，輸出電壓高于輸入電壓。由于省電（如果我們忽略損耗），輸出電流將低于輸入電流。



圖片：DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器的工作原理 在本例中，升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率為：

在降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器中，輸出電壓低于輸入電壓。由于省電（如果我們忽略損耗），輸出電流將高于輸入電流。



圖片：DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器的工作原理 在本例中，降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率為：

直流-直流轉(zhuǎn)換器的分類 有多種類型的DC-DC轉(zhuǎn)換器。DC-DC轉(zhuǎn)換器最簡單的形式是線性轉(zhuǎn)換器，也稱為線性穩(wěn)壓器。 線性穩(wěn)壓器只能用作降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，這意味著只會降低更高的電壓電平。作為穩(wěn)壓器，它還可以確保輸出電壓保持在特定值，即使輸出負載是可變的。 一種更有效的DC-DC轉(zhuǎn)換器類型是開關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器。開關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器有幾種拓撲結(jié)構(gòu)，最常見的拓撲如下圖所示。



圖片：DC-DC轉(zhuǎn)換器的分類

在開關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器之前，通常使用線性轉(zhuǎn)換器。線性穩(wěn)壓器（DC-DC轉(zhuǎn)換器）有兩種主要拓撲結(jié)構(gòu)：并聯(lián)穩(wěn)壓器和串聯(lián)穩(wěn)壓器。在這種類型的穩(wěn)壓器中，晶體管作為相關(guān)電流源在有源區(qū)域工作，在高電流下具有相對較高的壓降，消耗大量功率。由于高功率耗散，線性穩(wěn)壓器的效率通常較低。線性穩(wěn)壓器往往笨重而大，但具有低噪聲水平的優(yōu)點，適用于音頻應用。

圖片：簡易并聯(lián)穩(wěn)壓器 圖片：簡易串聯(lián)穩(wěn)壓器

Vs– 電源電壓（in）

R1– 電阻

R2–負載電阻器（其端子處的電壓為輸出電壓）

DZ – 二極管

Q – 晶體管

簡單的并聯(lián)穩(wěn)壓器，簡稱為并聯(lián)穩(wěn)壓器，是一種穩(wěn)壓器，其中調(diào)節(jié)元件將電流分流到地。并聯(lián)穩(wěn)壓器的工作原理是在其端子上保持恒定的電壓，并吸收額外的電流來維持電氣負載兩端的電壓。并聯(lián)穩(wěn)壓器最常見的元件之一包含簡單的齊納二極管電路，其中齊納二極管具有分流元件的作用。 簡單的串聯(lián)穩(wěn)壓器，也稱為串聯(lián)通穩(wěn)壓器，是在線性穩(wěn)壓電源中提供最終電壓調(diào)節(jié)的最常用方法。該系列線性穩(wěn)壓器的特點是輸出電壓在低紋波和低噪聲方面具有高水平的性能。

線性DC-DC轉(zhuǎn)換器僅將較高電壓轉(zhuǎn)換為較低電壓。在功耗方面，讓我們看一個例子。如果輸入電壓為 42 V，輸出電壓為 12 V，輸出電流為 5 A，則耗散功率 P [W] 的計算公式為： P=Iout?(Vin–Vout)=150W 所有耗散的功率都將轉(zhuǎn)化為熱量。如果沒有適當?shù)睦鋮s，線性DC-DC轉(zhuǎn)換器可能會過熱并自行損壞。因此，線性DC-DC轉(zhuǎn)換器通常用于低功耗應用。

在開關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器中，晶體管作為開關(guān)工作，這意味著它們比作為相關(guān)電流源運行的晶體管消耗的功率要少得多。當晶體管傳導高電流時，晶體管兩端的壓降非常低，當晶體管兩端的壓降較高時，晶體管傳導的電流幾乎為零。因此，開關(guān)模式轉(zhuǎn)換器的導通損耗低，效率高，通常在80%或90%以上。但是，開關(guān)損耗會降低高頻下的效率，開關(guān)頻率越高，功率損耗越高。 與線性轉(zhuǎn)換器相比，開關(guān)型DC-DC轉(zhuǎn)換器具有更好的效率，因為它們不會連續(xù)耗散功率。



圖像：降壓直流-直流轉(zhuǎn)換器原理圖

降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，也稱為降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，是一種DC-DC電源轉(zhuǎn)換器，它降低輸出電壓，同時增加輸出電流。它至少由四個部分組成：

用作開關(guān)元件的功率晶體管 （S）

整流二極管 （D）

電感器（L）作為儲能元件

濾波電容器（C）

輸入輸出電壓、電流和功率之間的關(guān)系如下：

Uout< Uin

Iout>I

Pout= Pin– P損耗

在電動汽車應用中，降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器用于將主電池的高電壓（例如400 V）降低到車輛輔助系統(tǒng)（多媒體，導航，無線電，閃電，傳感器等）所需的較低值（12-14 V）。



圖像：升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器原理圖

升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，也稱為升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，是一種DC-DC電源轉(zhuǎn)換器，它增加輸出電壓，同時降低輸出電流。它包含與降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器相同的元件，但采用不同的拓撲結(jié)構(gòu)。 輸入輸出電壓、電流和功率之間的關(guān)系如下：

Uout> Uin

Iout< Iin

Pout= Pin– Ploss

在一些混合動力電動汽車（HEV）應用中，升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器用于將電池的電壓從202 V升壓至500 V。混合動力汽車（HEV）應用中的電池電壓受到串聯(lián)電池單元數(shù)量的限制。由于空間有限，電池串聯(lián)的電池數(shù)量有限，因此輸出電壓也受到限制。使用升壓DC-DC轉(zhuǎn)換器，電池電壓可以增加到電機所需的更高電壓。

圖像：降壓-升壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器原理圖（反相拓撲）

在降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器中，輸出電壓始終小于輸入電壓。另一方面，在DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器中，輸出電壓始終大于輸入電壓。降壓-升壓型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器將兩者結(jié)合在一起，其輸出電壓可以高于和降低輸入電壓，具體取決于施加到開關(guān)上的占空比。 逆變拓撲結(jié)構(gòu)降壓-升壓型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器輸出的極性與輸入電壓相反。輸出電壓由開關(guān)元件（晶體管）占空比的函數(shù)調(diào)節(jié)。



圖片：?uk 直流-直流轉(zhuǎn)換器原理圖

?uk DC-DC轉(zhuǎn)換器是另一種類型的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，可輸出零紋波電流。?uk轉(zhuǎn)換器可以看作是升壓轉(zhuǎn)換器和降壓轉(zhuǎn)換器的組合，具有一個開關(guān)器件和一個互電容器，以耦合能量。與具有反相拓撲結(jié)構(gòu)的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器類似，非隔離式?uk轉(zhuǎn)換器的輸出電壓通常為反相，相對于輸入電壓的值較低或較高。通常在DC-DC轉(zhuǎn)換器中，電感器用作主要的儲能元件，而在?uk轉(zhuǎn)換器中，主要的儲能元件是電容器。

圖片：SEPIC DC-DC轉(zhuǎn)換器原理圖

單端初級電感轉(zhuǎn)換器（SEPIC）DC-DC轉(zhuǎn)換器允許其輸出端（U輸出）的電勢（電壓）大于或小于輸入電壓（U輸入）。SEPIC DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出由控制開關(guān)（S）的占空比控制。 SEPIC由一個升壓轉(zhuǎn)換器和一個反相降壓-升壓轉(zhuǎn)換器組成，因此它類似于傳統(tǒng)的降壓-升壓轉(zhuǎn)換器，但具有非反相輸出（輸出具有與輸入相同的電壓極性）的優(yōu)點，使用串聯(lián)電容將能量從輸入耦合到輸出（因此可以更優(yōu)雅地響應短路輸出）， 并且能夠真正關(guān)斷：當開關(guān)S足夠關(guān)斷時，輸出（U輸出）下降到0 V，隨后發(fā)生了相當嚴重的瞬態(tài)電荷轉(zhuǎn)儲。



圖片：澤達直流-直流轉(zhuǎn)換器原理圖

SEPIC DC/DC 轉(zhuǎn)換器拓撲類似，Zeta DC-DC 轉(zhuǎn)換器拓撲從高于和低于輸出電壓的輸入電壓提供正輸出電壓。Zeta轉(zhuǎn)換器還需要兩個電感器和一個串聯(lián)電容，有時稱為一個跨接電容。與配置標準升壓轉(zhuǎn)換器的SEPIC轉(zhuǎn)換器不同，Zeta轉(zhuǎn)換器由驅(qū)動高側(cè)PMOS FET的降壓控制器配置而成。Zeta轉(zhuǎn)換器是調(diào)節(jié)非穩(wěn)壓輸入電源的另一種選擇。

在DC-DC轉(zhuǎn)換器中，開關(guān)設(shè)備（S）必須打開和關(guān)閉電路。因此，它們有兩個作用：作為電導體關(guān)閉電路，以及電絕緣體來斷開/打開電路。這種雙重功能定義了半導體是什么：一種能夠以有效方式傳導電流并阻擋電流的器件。 半導體的額定值取決于它們可以處理并仍然充當絕緣體的最大電壓，以及可以在不損壞器件的情況下通過它們循環(huán)的最大電流。

最大允許電流不僅取決于模塊額定值，還取決于半導體的熱特性。因此，根據(jù)電源模塊封裝以及所用散熱器的不同，同一器件的最大允許電流可能會有所不同。 對于汽車應用，DC-DC轉(zhuǎn)換器必須滿足多種設(shè)計要求，例如：

重量輕

高效率

體積小

抑制電磁干擾

低輸出電流紋波

審核編輯：劉清