基本介紹
- 中文名：直流轉換器
- 外文名：DC converter ,DC transformer
- 讀音：zhī liú zhuǎn huàn qì
- 釋義：把直流電轉換成直流電
簡介,歷史,套用,電子型轉換器,機電型轉換器,電化學型轉換器,混沌行為,
簡介
直流-直流轉換器（DC-to-DC converter）也稱為DC-DC轉換器或直流變壓器，是電能轉換的電路或是機電設備，可以將直流（DC）電源轉換為不同電壓的直流（或近似直流）電源。其功率範圍可以從很小（小的電池）到非常大（高壓電源轉換）。有些直流-直流轉換器的輸出電壓和輸入電壓有相同的參考點，而有些直流-直流轉換器的輸出電壓是和輸入電壓隔離。
歷史
在功率半導體元件及電力電子等相關技術產生之前，若要將小功率的直流電轉換成較高電壓的直流電，可以先用震盪電路先轉換為交流，再用升壓變壓器升壓，最後再用整流器轉換為直流。若是較大功率的直流電壓轉換，會用電動機驅動發電機（有時會整合成dynamotor模組，在一個模組中同時有馬達和發電機，一個繞組驅動電動機，另一個繞組產生輸出電壓）。這些是比較沒有效率的作法，其費用也較貴，但當時沒有其他更好的作法，像是驅動早期的汽車音響（其中使用的熱電子管或是真空管工作電壓遠高於汽車中6V或12V的電壓）。功率半導體及積體電路的出現，使用一些新式電路的成本開始下降，是一般套用可以負荷的價格。比較便宜。這些新式電路包括將直流電轉換為高頻的交流電，配合一個較小、較低也較便宜的變壓器來轉換交流電壓，再用整流器再轉換成直流。1976年時汽車收音機開始使用電晶體，不需要高電壓。而使用電晶體的電源供應器也已可以取得，不過仍有些業餘無線電使用者使用震盪電路及dynamotor的電源做為需要高電壓的無線電發射台電源。。
利用線性電路是可以從較高直流電壓中產生較低的電壓，甚至使用電阻分壓也有類似效果。但這些方式會將多餘的能量以熱的方式消耗，效率不佳。一直到後來固態切換電路出現後，才有效率較高的直流-直流轉換器。
套用
直流-直流轉換器常用在像行動電話及筆記型電腦等，主要由電池供電的行動設備里。這類的電子設備中常有許多的子電路，需要的電源電壓也和電池或是外部電源提供的電源不同。而且當電池的電量減少時，其電壓也會下降。開關式的直流-直流轉換器可以配合一個電壓已下降的電池使用，讓提供電路的電壓維持在一定範圍內，因此不需要用多個電池來達到此一目的。
一般用在市電電源50–60Hz的變壓器，若功率要超過幾瓦，其體積就會很大，而且很笨重，而且繞組銅損及鐵心的渦電流都會造成能量損失。直流-直流轉換器會設計電路，讓變壓器或是電感可以在較高的頻率工作，因此元件較小、較輕、價值也較價宜。甚至這類元件會用在一些原來用傳統市電頻率變壓器的場合。例如，家用電氣設備常會將市電電源先整流成直流電，用開關電源供應器的技術轉換為所需電壓的高頻交流電，最後再整流到對應電壓的直流電。整個電路比傳統配合變壓器及整流器的系統要複雜，但價格便宜，效率也會比較好。
電子型轉換器
實際套用的電子式直流轉換器會使用開關切換的技術。直流-直流的開關電源可以將能量暫時儲存，再透過輸出電壓釋放，可以將直流電壓轉換為較高或是較低電壓的直流電。能量的儲存可以儲存在電場（電容器）或是磁場（電感器或是變壓器）。這種轉換方式可以昇壓也可以降壓，切換式的轉換效率可以到75%~98%，比線性電壓調節器（會將不需要的能量以熱的方式消耗）的效率要好。為了效率考量，其中的半導體元件開啟或關閉的速度要相當快，不過因為有快速的暫態，加上電路布局上會有的雜散元件，讓電路的設計更有挑戰性。開關電源的高效率減少了散熱片的大小或體積，也提升了攜帶型設備用電池供電時，可以運作的時間。在1980年代後期，因為功率級場效應管的出現，可以在較高頻率下有比功率級雙極性電晶體更低的切換損失，因此效率也可以進一步的提升，而且場效應管的驅動電路也比較簡單。 另一個開關電源的重要突破是用功率級場效應管的同步整流技術代替飛輪二極體，其導通電路較低，也可以降低切換損失。在功率半導體廣為套用之前，低功率的直流-直流同步整流器中包括一個機電式的震盪器，震盪後的電透過降壓變壓器，輸出給真空管、半導體整流器、或是和震盪器連線的同步整流器。
大部分直流-直流轉換器是設計單向轉換，功率只能從輸入側流到輸出側。不過所有開關電壓轉換器的拓撲都可改為雙向轉換，可以讓功率從輸出側流回輸入側，方式是將所有的二極體都改為獨立控制的主動整流。雙向轉換器可以用在像車輛之類，需要再生制動的套用，在車輛運行時，是由轉換器供電給車輪，但在剎車時，會反過來由車輪供電給轉換器。
切換型的轉換器以電子學的角度來看，其實比較複雜，不過因為許多電路都封裝在積體電路中，需要的零件較少。在電路設計時，為了讓切換噪聲（EMI / RFI）降到可容許範圍，而且要讓高頻電路可以穩定運作，需要小心的設計電路以及實際電路及元件的布局。若是在降壓的套用中，切換型轉換器成本比線性轉換器要高，不過隨著晶片設計的進步，切換型轉換器的成本也在漸漸下降。
直流-直流轉換器可以用積體電路（IC）再加上幾個零件的方式組成，也有轉換器本身就是完整的併合積體電路模組，只需要組裝在電路板上即可使用。
線性電壓調節器可以從電壓較高但可能不穩定的直流電壓源中轉換出穩定的直流電壓，輸入輸出電壓差對應的功率則依焦耳定律轉換為熱能耗散出去，以定義上來看，可以算是直流-直流轉換器，但實務上很少這么稱呼線性電壓調節器。電阻分壓電路也可以產生和輸入電壓不同的輸出電壓，可能會加上穩壓器或齊納二極體調節輸出電壓，不過也很少被稱為直流-直流轉換器。
也有一些電容型的倍壓器及多倍壓器，可以將直流電壓放大兩倍、三倍或是其他整數倍，多半會用在輸出小電流的套用上。
機電型轉換器
馬達-發電機組是以前常用的系統，是由一組耦合的電動馬達及發電機組成。
Dynamotor更進一步，是將馬達和發電機放在同一個單元內，其中的馬達及發電機轉子繞線會繞在同一個轉子，而馬達及發電機的線圈共用一様的外圈場繞線或是磁鐵。一般而言馬達線圈會經由馬達軸一測的換相器驅動，而發電機線圈會經由軸另一側的換相器輸出。Dynamotor的尺寸會比一組的馬達和發電機要小，而且不會有外露的旋轉軸。
機電的轉換器可以將電壓在任意電壓/頻率的交流電或是任意電壓的直流電之間轉換，也可以進行交流-交流轉換或是直流-直流轉換。大型的馬達-發電機組會用來轉換工業等級的電力，小型的馬達-發電機組可將電池的電源（直流6V、12V或24V）轉換為較高的直流電壓，可以驅動真空管設備。
