直流-直流轉(zhuǎn)換器

馬達(dá)-發(fā)電機(jī)組是以前常用的系統(tǒng)，是由一組耦合的電動(dòng)馬達(dá)及發(fā)電機(jī)組成。

Dynamotor更進(jìn)一步，是將馬達(dá)和發(fā)電機(jī)放在同一個(gè)單元內(nèi)，其中的馬達(dá)及發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子繞線會(huì)繞在同一個(gè)轉(zhuǎn)子，而馬達(dá)及發(fā)電機(jī)的線圈共用一様?shù)耐馊?chǎng)繞線或是磁鐵。一般而言馬達(dá)線圈會(huì)經(jīng)由馬達(dá)軸一測(cè)的換相器驅(qū)動(dòng)，而發(fā)電機(jī)線圈會(huì)經(jīng)由軸另一側(cè)的換相器輸出。Dynamotor的尺寸會(huì)比一組的馬達(dá)和發(fā)電機(jī)要小，而且不會(huì)有外露的旋轉(zhuǎn)軸。

機(jī)電的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換，也可以進(jìn)行交流-交流轉(zhuǎn)換或是直流-直流轉(zhuǎn)換。大型的馬達(dá)-發(fā)電機(jī)組會(huì)用來轉(zhuǎn)換工業(yè)等級(jí)的電力，小型的馬達(dá)-發(fā)電機(jī)組可將電池的電源（直流6V、12V或24V）轉(zhuǎn)換為較高的直流電壓，可以驅(qū)動(dòng)真空管設(shè)備。

若是一些低功率的車用應(yīng)用，但需要的電壓又比車用電池可產(chǎn)生的電壓要高，就會(huì)使用有機(jī)械振動(dòng)器的電源。機(jī)械振動(dòng)器上面有接點(diǎn)，會(huì)以一秒幾次的速度來交換電池連接到電源的極性，等效來說是將直流轉(zhuǎn)換為方波的交流電，之后可以送到變壓器產(chǎn)生需要的電壓，不過會(huì)有機(jī)械振動(dòng)器產(chǎn)生的噪音。

在功率半導(dǎo)體元件及電力電子等相關(guān)技術(shù)產(chǎn)生之前，若要將小功率的直流電轉(zhuǎn)換成較高電壓的直流電，可以先用震蕩電路先轉(zhuǎn)換為交流，再用升壓變壓器升壓，最后再用整流器轉(zhuǎn)換為直流。若是較大功率的直流電壓轉(zhuǎn)換，會(huì)用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)（有時(shí)會(huì)整合成dynamotor模組，在一個(gè)模組中同時(shí)有馬達(dá)和發(fā)電機(jī)，一個(gè)繞組驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，另一個(gè)繞組產(chǎn)生輸出電壓）。這些是比較沒有效率的作法，其費(fèi)用也較貴，但當(dāng)時(shí)沒有其他更好的作法，像是驅(qū)動(dòng)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(yuǎn)高于汽車中6V或12V的電壓）。功率半導(dǎo)體及集成電路的出現(xiàn)，使用一些新式電路的成本開始下降，是一般應(yīng)用可以負(fù)荷的價(jià)格。比較便宜。這些新式電路包括將直流電轉(zhuǎn)換為高頻的交流電，配合一個(gè)較小、較低也較便宜的變壓器來轉(zhuǎn)換交流電壓，再用整流器再轉(zhuǎn)換成直流。1976年時(shí)汽車收音機(jī)開始使用晶體管，不需要高電壓。而使用晶體管的電源供應(yīng)器也已可以取得，不過仍有些業(yè)余無線電使用者使用震蕩電路及dynamotor的電源做為需要高電壓的無線電發(fā)射臺(tái)電源。。

利用線性電路是可以從較高直流電壓中產(chǎn)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(huì)將多余的能量以熱的方式消耗，效率不佳。一直到后來固態(tài)切換電路出現(xiàn)后，才有效率較高的直流-直流轉(zhuǎn)換器。

實(shí)際應(yīng)用的電子式直流轉(zhuǎn)換器會(huì)使用開關(guān)切換的技術(shù)。直流-直流的開關(guān)電源可以將能量暫時(shí)儲(chǔ)存，再透過輸出電壓釋放，可以將直流電壓轉(zhuǎn)換為較高或是較低電壓的直流電。能量的儲(chǔ)存可以儲(chǔ)存在電場(chǎng)（電容器）或是磁場(chǎng)（電感器或是變壓器）。這種轉(zhuǎn)換方式可以昇壓也可以降壓，切換式的轉(zhuǎn)換效率可以到75%~98%，比線性電壓調(diào)節(jié)器（會(huì)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(dǎo)體元件開啟或關(guān)閉的速度要相當(dāng)快，不過因?yàn)橛锌焖俚臅簯B(tài)，加上電路布局上會(huì)有的雜散元件，讓電路的設(shè)計(jì)更有挑戰(zhàn)性。開關(guān)電源的高效率減少了散熱片的大小或體積，也提升了便攜式設(shè)備用電池供電時(shí)，可以運(yùn)作的時(shí)間。在1980年代后期，因?yàn)楣β始?jí)場(chǎng)效應(yīng)管的出現(xiàn)，可以在較高頻率下有比功率級(jí)雙極性晶體管更低的切換損失，因此效率也可以進(jìn)一步的提升，而且場(chǎng)效應(yīng)管的驅(qū)動(dòng)電路也比較簡(jiǎn)單。 另一個(gè)開關(guān)電源的重要突破是用功率級(jí)場(chǎng)效應(yīng)管的同步整流技術(shù)代替飛輪二極管，其導(dǎo)通電路較低，也可以降低切換損失。在功率半導(dǎo)體廣為應(yīng)用之前，低功率的直流-直流同步整流器中包括一個(gè)機(jī)電式的震蕩器，震蕩后的電透過降壓變壓器，輸出給真空管、半導(dǎo)體整流器、或是和震蕩器連接的同步整流器。

大部分直流-直流轉(zhuǎn)換器是設(shè)計(jì)單向轉(zhuǎn)換，功率只能從輸入側(cè)流到輸出側(cè)。不過所有開關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器的拓?fù)涠伎筛臑殡p向轉(zhuǎn)換，可以讓功率從輸出側(cè)流回輸入側(cè)，方式是將所有的二極管都改為獨(dú)立控制的主動(dòng)整流。雙向轉(zhuǎn)換器可以用在像車輛之類，需要再生制動(dòng)的應(yīng)用，在車輛運(yùn)行時(shí)，是由轉(zhuǎn)換器供電給車輪，但在剎車時(shí)，會(huì)反過來由車輪供電給轉(zhuǎn)換器。

切換型的轉(zhuǎn)換器以電子學(xué)的角度來看，其實(shí)比較復(fù)雜，不過因?yàn)樵S多電路都封裝在集成電路中，需要的零件較少。在電路設(shè)計(jì)時(shí)，為了讓切換噪聲（EMI / RFI）降到可容許范圍，而且要讓高頻電路可以穩(wěn)定運(yùn)作，需要小心的設(shè)計(jì)電路以及實(shí)際電路及元件的布局。若是在降壓的應(yīng)用中，切換型轉(zhuǎn)換器成本比線性轉(zhuǎn)換器要高，不過隨著芯片設(shè)計(jì)的進(jìn)步，切換型轉(zhuǎn)換器的成本也在漸漸下降。

直流-直流轉(zhuǎn)換器可以用集成電路（IC）再加上幾個(gè)零件的方式組成，也有轉(zhuǎn)換器本身就是完整的并合集成電路模組，只需要組裝在電路板上即可使用。

線性電壓調(diào)節(jié)器可以從電壓較高但可能不穩(wěn)定的直流電壓源中轉(zhuǎn)換出穩(wěn)定的直流電壓，輸入輸出電壓差對(duì)應(yīng)的功率則依焦耳定律轉(zhuǎn)換為熱能耗散出去，以定義上來看，可以算是直流-直流轉(zhuǎn)換器，但實(shí)務(wù)上很少這么稱呼線性電壓調(diào)節(jié)器。電阻分壓電路也可以產(chǎn)生和輸入電壓不同的輸出電壓，可能會(huì)加上穩(wěn)壓器或齊納二極管調(diào)節(jié)輸出電壓，不過也很少被稱為直流-直流轉(zhuǎn)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(shù)倍，多半會(huì)用在輸出小電流的應(yīng)用上。

直流-直流轉(zhuǎn)換器磁場(chǎng)儲(chǔ)能

這類的直流-直流轉(zhuǎn)換器會(huì)周期性將能量?jī)?chǔ)存在電感器或是變壓器產(chǎn)生的磁場(chǎng)中，再周期性的釋放其儲(chǔ)能，周期約在300kHz至10MHz的范圍。轉(zhuǎn)換器的控制是透過調(diào)整占空比（周期中導(dǎo)通時(shí)間所占的比例），控制的目的是為了調(diào)整輸入電流、輸出電壓或是維持固定的功率輸出。若是有變壓器的直流-直流轉(zhuǎn)換器，可以提供和輸入電壓隔離的輸出電壓。一般所指的“直流-直流轉(zhuǎn)換器”其實(shí)是指這種磁場(chǎng)儲(chǔ)能的轉(zhuǎn)換器，這類電路也是開關(guān)電源的核心元件。有許多不同的組態(tài)。以下列出一些常見的組態(tài)。

以外，上述組態(tài)也可以有以下的差異：

• 硬切換

• 較簡(jiǎn)單的方式，功率晶體快速的在大電壓或是大電流的情形下打開或是關(guān)閉。

• 諧振

• 配合LC電路調(diào)整通過晶體的電壓及電流，讓切換時(shí)晶體的電壓或是電流恰好為零。

磁場(chǎng)儲(chǔ)能的直流-直流轉(zhuǎn)換器也可以依實(shí)際應(yīng)用時(shí)，主磁性元件（變壓器或是電感器）的電流分為以下二種運(yùn)作模式：

• 連續(xù)模式

• 主磁性元件上的電流會(huì)變化，但不會(huì)降到零

• 不連續(xù)模式

• 主磁性元件上的電流會(huì)變化，在每個(gè)周期結(jié)束時(shí)（或是結(jié)束前）會(huì)降到零

若確認(rèn)轉(zhuǎn)換器輸出的電流，可以將轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)在連續(xù)模式或是不連續(xù)模式，也可以設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換器，在輕載（輸出電流較?。r(shí)運(yùn)作在不連續(xù)模式，重載（輸出電流較大）時(shí)運(yùn)作在連續(xù)模式。

半橋及返馳式的架構(gòu)類似，需定期將儲(chǔ)存在磁性材料中的能量耗散掉，以免鐵芯磁飽和。返馳式變換器可以傳輸?shù)墓β蕰?huì)受到鐵芯中可以儲(chǔ)存的能量所限制。而順向式變換器可以傳輸?shù)墓β蕜t受到功率晶體的I/V特性所限制。

MOSFET開關(guān)可以容許同時(shí)有滿載的電壓及電流（不過熱應(yīng)力以及電遷移會(huì)降低MTBF），雙載子的功率晶體一般不允許這類的應(yīng)用，因此需要一個(gè)或二個(gè)snubber電路作為保護(hù)。

大電流的系統(tǒng)多半會(huì)用多相的轉(zhuǎn)換器，也稱為交錯(cuò)轉(zhuǎn)換器（interleaved converters）。多相轉(zhuǎn)換器是由多個(gè)轉(zhuǎn)換器并聯(lián)，輸出的時(shí)間錯(cuò)開，因此由幾個(gè)轉(zhuǎn)換器輪流提供功率給輸出端，其漣波較小，反應(yīng)也比單相的轉(zhuǎn)換器要快。

許多筆記型電腦或是臺(tái)式電腦的主板都會(huì)有交錯(cuò)轉(zhuǎn)換器來供電，有時(shí)則是用電壓調(diào)節(jié)模組。

直流-直流轉(zhuǎn)換器電容儲(chǔ)能

主條目：電荷泵

切換式的電容轉(zhuǎn)換器動(dòng)作原理是靠電容器和開關(guān)，在不同組態(tài)下將電容器以不同的方式連結(jié)到輸入側(cè)及輸出側(cè)。例如一個(gè)降壓電容轉(zhuǎn)換器會(huì)讓輸入電源為二個(gè)串聯(lián)的電容器充電，再將電容器切換為并聯(lián)后再連到輸出側(cè)。在假設(shè)效率100%的情形下，輸出功率和輸出功率相同，輸出電壓為輸入的一半，電流則是兩倍。因?yàn)槠溥\(yùn)作原理和電荷有關(guān)，因此有時(shí)也會(huì)稱為電荷泵。這類的轉(zhuǎn)換器一般會(huì)用在小電流的應(yīng)用中，因?yàn)槿綦娏鬏^大時(shí)，配合變壓器或電感器的開關(guān)電源效率較高，體積也較小，會(huì)是比較好的選擇。電荷泵也用在超高電壓的應(yīng)用下，因?yàn)楦邏嚎赡軙?huì)破壞磁性元件。

• 開關(guān)電源

電子式的直流-直流轉(zhuǎn)換器中有許多不同種類的混沌特性，例如系統(tǒng)參數(shù)連續(xù)改變?cè)斐商匦源蠓淖兊姆植恚╞ifurcation）、奇異吸引子突然出現(xiàn)或是消失的危機(jī)（crisis）及陣發(fā)混沌（intermittency）。

直流-直流轉(zhuǎn)換器常用在像移動(dòng)電話及筆記型電腦等，主要由電池供電的行動(dòng)設(shè)備里。這類的電子設(shè)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(dāng)電池的電量減少時(shí)，其電壓也會(huì)下降。開關(guān)式的直流-直流轉(zhuǎn)換器可以配合一個(gè)電壓已下降的電池使用，讓提供電路的電壓維持在一定范圍內(nèi)，因此不需要用多個(gè)電池來達(dá)到此一目的。

大部分的直流-直流轉(zhuǎn)換器也會(huì)將輸出的電壓進(jìn)行穩(wěn)壓，不過也有些例外，像是高效率的LED驅(qū)動(dòng)電路是調(diào)節(jié)給LED電流的直流-直流轉(zhuǎn)換器，還有簡(jiǎn)單的電荷泵，是將輸出電壓加大為原來的二倍或三倍。

直流-直流轉(zhuǎn)換器也可以配合光伏陣列或風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)使用，目的是要讓收集到最多的能量，這類設(shè)備稱為電源優(yōu)化器。

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(huì)很大，而且很笨重，而且繞組銅損及鐵心的渦電流都會(huì)造成能量損失。直流-直流轉(zhuǎn)換器會(huì)設(shè)計(jì)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(jià)值也較價(jià)宜。甚至這類元件會(huì)用在一些原來用傳統(tǒng)市電頻率變壓器的場(chǎng)合。例如，家用電氣設(shè)備常會(huì)將市電電源先整流成直流電，用開關(guān)電源供應(yīng)器的技術(shù)轉(zhuǎn)換為所需電壓的高頻交流電，最后再整流到對(duì)應(yīng)電壓的直流電。整個(gè)電路比傳統(tǒng)配合變壓器及整流器的系統(tǒng)要復(fù)雜，但價(jià)格便宜，效率也會(huì)比較好。

數(shù)千瓦到百萬瓦等級(jí)的直流-直流轉(zhuǎn)換可以用液流電池來進(jìn)行，例如全釩氧化還原液流電池。

直流-直流轉(zhuǎn)換器常用在像移動(dòng)電話及筆記型電腦等，主要由電池供電的行動(dòng)設(shè)備里。這類的電子設(shè)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(dāng)電池的電量減少時(shí)，其電壓也會(huì)下降。開關(guān)式的直流-直流轉(zhuǎn)換器可以配合一個(gè)電壓已下降的電池使用，讓提供電路的電壓維持在一定范圍內(nèi)，因此不需要用多個(gè)電池來達(dá)到此一目的。

大部分的直流-直流轉(zhuǎn)換器也會(huì)將輸出的電壓進(jìn)行穩(wěn)壓，不過也有些例外，像是高效率的LED驅(qū)動(dòng)電路是調(diào)節(jié)給LED電流的直流-直流轉(zhuǎn)換器，還有簡(jiǎn)單的電荷泵，是將輸出電壓加大為原來的二倍或三倍。

直流-直流轉(zhuǎn)換器也可以配合光伏陣列或風(fēng)力發(fā)動(dòng)機(jī)使用，目的是要讓收集到最多的能量，這類設(shè)備稱為電源優(yōu)化器。

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(huì)很大，而且很笨重，而且繞組銅損及鐵心的渦電流都會(huì)造成能量損失。直流-直流轉(zhuǎn)換器會(huì)設(shè)計(jì)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(jià)值也較價(jià)宜。甚至這類元件會(huì)用在一些原來用傳統(tǒng)市電頻率變壓器的場(chǎng)合。例如，家用電氣設(shè)備常會(huì)將市電電源先整流成直流電，用開關(guān)電源供應(yīng)器的技術(shù)轉(zhuǎn)換為所需電壓的高頻交流電，最后再整流到對(duì)應(yīng)電壓的直流電。整個(gè)電路比傳統(tǒng)配合變壓器及整流器的系統(tǒng)要復(fù)雜，但價(jià)格便宜，效率也會(huì)比較好。

電子式的直流-直流轉(zhuǎn)換器中有許多不同種類的混沌特性，例如系統(tǒng)參數(shù)連續(xù)改變?cè)斐商匦源蠓淖兊姆植恚╞ifurcation）、奇異吸引子突然出現(xiàn)或是消失的危機(jī)（crisis）及陣發(fā)混沌（intermittency）。