DC-DC轉換器是一種電氣系統（設備），它將直流（DC）源從一個電壓電平轉換為另一個電壓電平。換句話說，DC-DC轉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轉換器僅適用于直流（DC）源，而不適用于替代電流（AC）源。 DC-DC轉換器也稱為DC-DC電源轉換器或電壓調節器。



圖片：DC-DC轉換器的工作原理

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

電池電動汽車（BEV）中的DC-DC轉換器用于將高電池電壓（例如400 V）轉換為低直流電壓（例如12 V），用于傳統的12 V負載（燈，多媒體，電動車窗等）。 DC-DC轉換器是一種功率轉換器，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DC-DC轉換器沒有損耗（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，轉換將產生一些損耗，最大輸出電流將小于100%效率計算的電流。 DC-DC轉換器的效率計算公式為：

η[%]=PoutPin?100 有幾種類型的DC-DC轉換器。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-直流轉換器

降壓直流-直流轉換器

在升壓DC-DC轉換器中，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升壓轉換器的工作原理 在本例中，升壓DC-DC轉換器的效率為：

在降壓DC-DC轉換器中，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降壓轉換器的工作原理 在本例中，降壓DC-DC轉換器的效率為：

直流-直流轉換器的分類 有多種類型的DC-DC轉換器。DC-DC轉換器最簡單的形式是線性轉換器，也稱為線性穩壓器。 線性穩壓器只能用作降壓DC-DC轉換器，這意味著只會降低更高的電壓電平。作為穩壓器，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轉換器類型是開關DC-DC轉換器。開關DC-DC轉換器有幾種拓撲結構，最常見的拓撲如下圖所示。



圖片：DC-DC轉換器的分類

在開關DC-DC轉換器之前，通常使用線性轉換器。線性穩壓器（DC-DC轉換器）有兩種主要拓撲結構：并聯穩壓器和串聯穩壓器。在這種類型的穩壓器中，晶體管作為相關電流源在有源區域工作，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，線性穩壓器的效率通常較低。線性穩壓器往往笨重而大，但具有低噪聲水平的優點，適用于音頻應用。

圖片：簡易并聯穩壓器 圖片：簡易串聯穩壓器

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

簡單的并聯穩壓器，簡稱為并聯穩壓器，是一種穩壓器，其中調節元件將電流分流到地。并聯穩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。并聯穩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。 簡單的串聯穩壓器，也稱為串聯通穩壓器，是在線性穩壓電源中提供最終電壓調節的最常用方法。該系列線性穩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轉換器僅將較高電壓轉換為較低電壓。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化為熱量。如果沒有適當的冷卻，線性DC-DC轉換器可能會過熱并自行損壞。因此，線性DC-DC轉換器通常用于低功耗應用。

在開關DC-DC轉換器中，晶體管作為開關工作，這意味著它們比作為相關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，開關模式轉換器的導通損耗低，效率高，通常在80%或90%以上。但是，開關損耗會降低高頻下的效率，開關頻率越高，功率損耗越高。 與線性轉換器相比，開關型DC-DC轉換器具有更好的效率，因為它們不會連續耗散功率。



圖像：降壓直流-直流轉換器原理圖

降壓DC-DC轉換器，也稱為降壓DC-DC轉換器，是一種DC-DC電源轉換器，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（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轉換器原理圖

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

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電池單元數量的限制。由于空間有限，電池串聯的電池數量有限，因此輸出電壓也受到限制。使用升壓DC-DC轉換器，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轉換器原理圖（反相拓撲）

在降壓DC-DC轉換器中，輸出電壓始終小于輸入電壓。另一方面，在DC-DC升壓轉換器中，輸出電壓始終大于輸入電壓。降壓-升壓型 DC-DC 轉換器將兩者結合在一起，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上的占空比。 逆變拓撲結構降壓-升壓型 DC-DC 轉換器輸出的極性與輸入電壓相反。輸出電壓由開關元件（晶體管）占空比的函數調節。



圖片：?uk 直流-直流轉換器原理圖

?uk DC-DC轉換器是另一種類型的降壓-升壓轉換器，可輸出零紋波電流。?uk轉換器可以看作是升壓轉換器和降壓轉換器的組合，具有一個開關器件和一個互電容器，以耦合能量。與具有反相拓撲結構的降壓-升壓轉換器類似，非隔離式?uk轉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轉換器中，電感器用作主要的儲能元件，而在?uk轉換器中，主要的儲能元件是電容器。

圖片：SEPIC DC-DC轉換器原理圖

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



圖片：澤達直流-直流轉換器原理圖

SEPIC DC/DC 轉換器拓撲類似，Zeta DC-DC 轉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轉換器還需要兩個電感器和一個串聯電容，有時稱為一個跨接電容。與配置標準升壓轉換器的SEPIC轉換器不同，Zeta轉換器由驅動高側PMOS FET的降壓控制器配置而成。Zeta轉換器是調節非穩壓輸入電源的另一種選擇。

在DC-DC轉換器中，開關設備（S）必須打開和關閉電路。因此，它們有兩個作用：作為電導體關閉電路，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轉換器必須滿足多種設計要求，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