AC/DC 和 DC/DC 轉換器在高壓未來中的應用主要體現在新能源汽車、高壓電力傳輸等領域，其核心優(yōu)勢在于高效能量轉換與高耐壓能力。

AC/DC轉換器是將交流電(AC)轉換為直流電(DC)的設備，廣泛應用于現代電子設備中。它的主要功能是將家庭或工業(yè)電力系統中的交流電源，經過一系列的電路轉換后，提供給需要直流電的設備。與許多設備不同，家電、計算機、通信設備等大多數電子產品需要的是穩(wěn)定的直流電，而電力系統提供的卻是交流電。因此，AC/DC轉換器在此過程中扮演著橋梁的角色，確保交流電能夠安全、穩(wěn)定地轉換為適合設備使用的直流電。

新能源汽車中的高壓應用

隨著新能源汽車向800V及以上高壓平臺發(fā)展，AC/DC轉換器需適配更高耐壓需求。高壓平臺通過降低充電電流減少線路損耗，提升充電效率，同時對轉換器的絕緣性能、耐壓能力提出更高要求。例如， ROHM 公司研發(fā)的高壓AC/DC轉換器已成功應用于800V系統，其電氣絕緣性能和耐壓能力滿足高壓環(huán)境要求。 ?

AC與DC基本概念首先，來簡要了解一下 AC(交流)和DC(直流)的基本概念。 AC，即Alternating Current(交流)，是一種電流形式，其電流大小和極性(方向)會隨時間呈現周期性的變化。而頻率，以Hz為單位表示，則是指電流極性在1秒內變化的次數。

接下來，我們再來看看DC(直流)的定義。DC，即Direct Current(直流)，是一種電流形式，其顯著特點在于其極性(方向)保持不變，不會隨時間發(fā)生周期性的變化。 這種電流形式在電子技術中有著廣泛的應用。①持續(xù)保持同一極性(方向)且電流大小不變的電流形式，被稱為DC。②雖然流動極性保持穩(wěn)定，但電流大小隨時間發(fā)生變化的電流形式，同樣被歸類為DC，這種電流通常被人們稱為紋波電流。

AC/DC轉換器

▲ 重要性與現狀

AC/DC轉換器，其核心功能在于將交流電壓(AC)高效地轉化為直流電壓(DC)。在家庭及商業(yè)環(huán)境中，我們通常接收到的電壓為100V或200V的AC電壓，而大多數電器設備卻需要在5V或3.3V的DC電壓下才能正常運作。因此，AC/DC轉換器的存在顯得尤為重要，它確保了電器設備能夠得到所需的電壓供應，從而得以順利運行。其中，雖然電機和燈泡等某些產品能夠直接使用交流電壓進行驅動，但為了確保電機與微控制器的控制電路能夠順暢運作，同時將燈泡轉換為節(jié)能的LED，AC/DC轉換就顯得尤為必要。

工業(yè)高壓場景的應用

高壓DC/DC轉換器常用于工業(yè)設備電源系統，例如驅動 直流電機 或轉換高壓直流電為低壓直流電。這類設備通過電阻、晶體管或變壓器實現電壓調節(jié)，具有高效率、高絕緣性等特點，適用于對安全性要求高的工業(yè)場景。 ?23技術發(fā)展趨勢

未來高壓轉換器將進一步優(yōu)化：

?數字化控制?：采用數字控制技術提升響應速度和穩(wěn)定性;

?新材料應用?：新型磁性材料降低損耗并提高效率;

?集成化設計?：模塊化設計簡化安裝和維護。

首先，來簡要了解一下AC(交流)和DC(直流)這兩個概念。AC，即Alternating Current(交流)，是一種電流形式，其大小和極性(方向)會隨時間呈現周期性的變化。這種周期性變化的頻率，通常以Hz(赫茲)為單位進行衡量，表示電流極性在1秒內變化的次數。

接下來，我們再來看看DC(直流)的概念。DC，即Direct Current(直流)，是一種電流形式，其顯著特點是極性(或方向)保持不變，不會隨時間發(fā)生周期性變化。這種特性使得直流電流在電路中流動時，始終保持一個固定的方向。

①DC，即Direct Current(直流)，是一種具有特定性質的電流。它的流動極性(方向)和電流大小都不會隨時間發(fā)生變化，始終保持穩(wěn)定。這種特點使得直流電流在電路中能夠持續(xù)、穩(wěn)定地流動。

②雖然流動極性保持穩(wěn)定，但電流大小卻隨時間發(fā)生變化的電流，同樣屬于DC范疇，這種電流被稱為紋波電流。

一、AC/DC轉換器的定義與作用

AC/DC轉換器，顧名思義，是一種將交流電壓(AC)轉化為直流電壓(DC)的電子元件。在家庭住宅和辦公樓中，我們通常接收到的電壓是100V或200V的AC電壓。然而，大部分電器設備，如手機、電腦等，都是在5V或3.3V的DC電壓下才能正常工作。因此，為了確保電器能夠順暢運行，AC電壓必須經過AC/DC轉換器的處理，轉換為電器所需的DC電壓。

其中，雖然有些產品如電機和燈泡可以直接使用交流電壓驅動，但為了與微控制器的控制電路相連，以及將燈泡轉換為節(jié)能的LED，AC/DC轉換仍顯得至關重要。

那么，為何在傳輸時選擇使用AC電壓呢?有人可能會問：“既然電器最終使用的是DC，那為何不直接傳輸DC?”

這主要是因為電力通常來源于水力、火力或核能發(fā)電站，這些發(fā)電站往往位于遠離市區(qū)的地區(qū)。在這些地區(qū)與市區(qū)之間進行電力傳輸時，AC電壓相比DC電壓具有顯著的優(yōu)勢。AC電壓可以通過高電壓、低電流的方式進行傳輸，從而顯著減少傳輸過程中的能量損耗。然而，對于家庭使用而言，高電壓并不適合，因此需要通過多個變電站進行逐步的降壓處理，最終轉換為100V或200V的AC電壓供家庭使用。

此外，AC電壓在轉換為DC電壓時，會經過全波整流或半波整流的過程。這兩種整流方式都依賴于二極管的電流正向流通特性來實現AC到DC的轉換。

全波整流利用二極管橋式電路將輸入電壓中的負電壓部分轉換為正電壓，進而整流為直流電壓(脈沖電壓)。而半波整流則通過單個二極管消除負電壓部分，同樣整流為直流電壓(脈沖電壓)。隨后，借助電容器的充電和放電，波形得到平滑處理，從而轉化為純凈的直流電壓。由此可見，全波整流相較于僅利用正電壓的半波整流，其效率更高。另外，平滑后的紋波電壓會受到電容器容量和負載的影響而發(fā)生變化。

在相同的電容器容量和負載條件下，全波整流的紋波電壓更低，這意味著其穩(wěn)定性更好、性能更優(yōu)異。

接下來，我們探討AC/DC轉換的方法。AC/DC轉換可以通過變壓器方式或開關方式來實現。

下圖展示了變壓器方式下的電壓波形變化。

首先，交流電壓會經過變壓器進行降壓，降至適當的水平，例如從AC100V降至AC10V等。這一步驟屬于AC/AC轉換，其降壓比例由變壓器的繞組比來決定。

隨后，經過變壓器降壓的交流電壓會進入二極管橋式整流器，進行全波整流，從而轉換為脈沖電壓。

最后，通過電容器的充電和放電作用，脈沖電壓得到平滑處理，輸出紋波較小的直流電壓。這是目前最為傳統的AC/DC轉換方式。

這是開關方式下的普通AC/DC轉換器電路結構。

下圖展示了開關方式下電壓波形的演變過程。

在開關方式中，AC/DC轉換器直接利用二極管橋式整流器對交流電壓進行整流，而非通過變壓器進行降壓。鑒于普通家庭用電電壓通常為AC100V或AC200V，因此所采用的二極管橋式整流器必須具備耐高壓的特性。

隨后，通過電容器對整流后的直流電壓進行平滑處理，以消除脈沖電壓的影響。同樣，這里也需要使用耐高壓的電容器。接下來，利用開關元件的通斷來對直流電壓進行斬波，即通過高頻變壓器將其降至二次側。此時，斬波波形已轉變?yōu)榉讲ā?

值得注意的是，開關元件的工作頻率遠高于家用頻率(如50/60Hz)，例如可能達到100kHz。正因如此高頻特性，使得變壓器能夠實現小型化和輕便化。

在二次側，通過整流二極管對已轉變?yōu)榉讲ǖ碾妷哼M行半波整流，隨后利用電容器進行平滑處理，最終輸出穩(wěn)定的直流電壓。開關方式的核心在于控制電路對開關元件的精準控制，以實現預期的直流輸出，例如DC12V。與傳統的變壓器方式相比，開關方式雖然電路結構更為復雜，但它能通過高頻控制實現小型變壓器的應用，從而推動設備的小型化發(fā)展，這是其顯著的優(yōu)勢。

接下來，我們探討開關式AC/DC轉換器中的反饋控制機制。這種轉換器會實時監(jiān)測實際輸出的DC電壓值，并根據這些電壓信息對開關元件進行實時調控，以確保穩(wěn)定的DC輸出。這種通過確認輸出電壓并據此調控開關元件的方法，我們稱之為反饋控制或FB控制。

【開關方式電路結構示例】

反饋控制的原理圖

開關式AC/DC轉換器的工作流程如下：首先，利用二極管電橋對AC電壓進行整流，隨后通過電容器進行平滑處理，將交流電轉換為直流電。接著，通過開關元件對直流電壓進行斬波(即ON/OFF控制)，再經過高頻變壓器降壓后傳遞到二次側。最后，再次利用電容器進行平滑處理，以確保輸出規(guī)定的直流電壓(VDC)。

在此過程中，FB控制電路會實時監(jiān)測實際輸出的電壓值，并與規(guī)定的目標電壓值進行比較。如果實際輸出電壓偏離目標電壓，FB控制電路會立即作出反應，通過調整開關元件的狀態(tài)來糾正偏差，從而確保穩(wěn)定的直流輸出。這種實時監(jiān)測與調控的機制，正是開關式AC/DC轉換器能夠提供穩(wěn)定直流電壓的關鍵所在。

【經過平滑處理的輸出電壓示意圖】

當實際輸出電壓低于目標電壓時，控制系統會延長開關元件的ON時間，從而提升輸出電壓。相反，若實際輸出電壓高于目標電壓，則控制系統會縮短ON時間。通過這種方式，反饋控制電路能夠持續(xù)監(jiān)控并調整開關元件的ON/OFF時間，從而確保穩(wěn)定的輸出電壓。

接下來，我們來探討輕負載模式。在開關式AC/DC及DC/DC轉換器中，電壓斬波和電容器平滑處理是關鍵技術，它們共同作用以提供目標輸出電壓。然而，這種ON/OFF轉換過程中會產生瞬間漏電流，即貫通電流。漏電流的損失與單位時間內的ON/OFF次數成正比，次數越多，損失越大，進而影響效率。

為了解決這一問題，輕負載模式被引入。在這種模式下，通過頻率調制(PFM控制)將轉換周期拉長、轉換速度降低，從而減少單位時間內的ON/OFF轉換次數，進而降低漏電流的損失。這種技術能夠有效地提升輕負載情況下的轉換效率。

【PWM與PFM的靈活運用】

在不同的負載情況下，選擇適當的控制方式可以進一步提升轉換器的效率。例如，在高負載狀態(tài)下，通常使用PWM(脈寬調制)方式，其特點是頻率恒定，通過調整開關的ON時間從輸入電壓中獲取所需的輸出部分。而在輕負載狀態(tài)下，PFM(脈沖頻率調制)則更為適用。PFM通過固定ON時間并動態(tài)調整頻率(或改變OFF時間)來控制輸出，或者采用固定OFF時間并調整ON時間的方式。這種方式能根據輸出電流量靈活調整頻率，從而顯著提高效率。

值得注意的是，雖然PFM方式在效率上表現出色，但開關過程中可能會產生不定期的噪音。這種頻率不定的噪音有時難以消除。相比之下，采用頻率恒定的PWM方式在消除噪音方面更為簡便。因此，在實際應用中，可以根據需求靈活選擇PWM和PFM方式，以實現效率與噪音控制的最佳平衡。在高頻率驅動的高負載情況下，采用PWM方式可以減少噪音;而在電流使用較少的低負載情況下，則可以選擇PFM方式以提高效率。通過這種擇優(yōu)使用的方式，可以最大限度地提高轉換器的整體性能。

二、DC/DC轉換器

DC/DC轉換器，顧名思義，是一種將直流(DC)電壓進行轉換的元件。由于不同的電子元件，如IC，具有各自特定的電壓工作范圍，因此需要DC/DC轉換器來提供合適的電壓。這類轉換器分為兩種基本類型：降壓轉換器，其輸出電壓低于輸入電壓;以及升壓轉換器，其輸出電壓則高于輸入電壓。此外，DC/DC轉換器還常以轉換方式命名，如線性穩(wěn)壓器或開關穩(wěn)壓器等。

為何需要DC/DC轉換器?

電氣產品在使用時，往往需要插入插座以獲取電力。這些產品內部通常會配備一個將交流(AC)100V電壓轉換為直流(DC)的“AC/DC轉換器”。然而，這并不足夠，因為大多數半導體部件，如集成電路(IC)，都需要在直流電壓下才能正常工作。此外，整機電路板上的IC等元件都具有特定的電壓工作范圍和精度要求。如果直接使用電壓不穩(wěn)定的電源供電，可能會導致這些元件出現誤動作或性能下降等異常情況。因此，為了確保電子產品的穩(wěn)定運行，我們需要使用“DC/DC轉換器”來將電壓轉換為所需的穩(wěn)定值。

通過DC/DC轉換器，我們可以實現電壓的穩(wěn)定轉換，這種裝置通常被稱為電壓穩(wěn)壓器。在電源IC方面，主要有兩種類型：線性穩(wěn)壓器和開關穩(wěn)壓器。線性穩(wěn)壓器的主要特點是其輸出電壓始終低于輸入電壓。而開關穩(wěn)壓器則更加靈活，它可以實現以下四種輸出形式：降壓輸出(輸出電壓低于輸入電壓)、升壓輸出(輸出電壓高于輸入電壓)、升降壓輸出(輸出恒定電壓，不受輸入電壓影響)以及反轉輸出(從正電壓轉為負電壓)。此外，開關穩(wěn)壓器的整流方式也有兩種：同步整流和非同步整流(即二極管整流)。

電壓穩(wěn)壓器，一種通過DC/DC轉換器實現電壓穩(wěn)定轉換的裝置，在電源IC領域扮演著至關重要的角色。根據其轉換方式，電壓穩(wěn)壓器可進一步細分為兩大類型：線性穩(wěn)壓器和開關穩(wěn)壓器。其中，線性穩(wěn)壓器因其輸入與輸出間呈線型關系而得名，同時，由于它在工作時會在輸入與輸出間串聯控制元件，因此有時也被稱作“串聯穩(wěn)壓器”。

由于線性穩(wěn)壓器在降壓過程中存在損耗，輸入與輸出電壓差越大，損耗和效率降低就越明顯，因此它主要適用于小功率電源。其優(yōu)點包括電路簡單、外接部件少以及噪音小。然而，它也存在效率低和發(fā)熱量大的缺點，且僅適用于降壓型轉換。

相比之下，開關穩(wěn)壓器通過接通開關元件(如MOSFET)來供電，當輸出電壓達到所需值時，開關元件會關閉以節(jié)省輸入功率。通過高速重復這一過程，開關穩(wěn)壓器能將輸出電壓精確調節(jié)至規(guī)定值。

優(yōu)點：

效率高：開關穩(wěn)壓器通過高效開關元件進行供電，能顯著降低損耗并提高效率。

發(fā)熱?。号c線性穩(wěn)壓器相比，開關穩(wěn)壓器在降壓過程中產生的熱量較少。

轉換靈活：開關穩(wěn)壓器可實現升壓、降壓以及負電壓的轉換，滿足不同的電源需求。

缺點：

外置部件多：開關穩(wěn)壓器的設計相對復雜，需要更多的外置部件進行連接和配置。

設計困難：由于其工作原理的復雜性，初次設計者可能會面臨一定的挑戰(zhàn)。

噪音大：在某些情況下，開關穩(wěn)壓器可能會產生較大的噪音，影響使用體驗。

隨著技術的進步，AC/DC轉換器的設計也越來越精密。高頻開關電源、碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)等新型材料的應用，使得AC/DC轉換器能夠在更高的效率下工作，減少散熱并提升設備的穩(wěn)定性。特別是在電動汽車、太陽能發(fā)電、智能家居等領域，AC/DC轉換器的高效能和小型化設計正變得越來越重要。高效的AC/DC轉換器不僅可以為設備提供穩(wěn)定的電源供應，還能減少能源消耗，降低系統成本，符合現代社會對節(jié)能環(huán)保的要求。

除了傳統的家用設備，AC/DC轉換器在工業(yè)應用中也占有一席之地。例如，工業(yè)自動化、過程控制、通信設備等領域中，AC/DC轉換器用于為各種控制系統、馬達驅動、傳感器和其他重要設備提供電力。這些應用對電源的穩(wěn)定性、效率和安全性要求較高，因此AC/DC轉換器的設計必須考慮到更為復雜的工作環(huán)境和更嚴苛的技術要求。

在設計AC/DC轉換器時，除了功率轉換效率外，設計人員還需考慮多個因素，如輸入電壓的波動、輸出電流的穩(wěn)定性、設備的散熱情況等。此外，AC/DC轉換器的選擇還需要根據負載的不同要求，選擇合適的輸出電壓和電流，以保證轉換器在工作過程中不會過載，確保設備長期穩(wěn)定運行。

隨著互聯網、物聯網、智能電網等新興技術的興起，AC/DC轉換器的應用領域正在不斷拓展。特別是在智能家居和智能辦公領域，隨著各種低功耗設備的普及，對AC/DC轉換器的需求也日益增加。這些設備往往需要在低功耗、高效率的電源環(huán)境下運行，因此設計更為高效、更節(jié)能的AC/DC轉換器成為行業(yè)發(fā)展的重要方向。

對于現代AC/DC轉換器來說，能效提升和小型化將是未來發(fā)展的主要趨勢。隨著高效電源技術的不斷革新，AC/DC轉換器不僅會在功率轉換方面更加高效，還將通過更先進的電路設計和材料選型，在更小的體積內實現更高的能量密度。這種變化將為智能設備、可再生能源、通信設備等領域提供更加緊湊、更加高效的電力解決方案。

現代社會對電力設備的要求越來越高，AC/DC轉換器的技術創(chuàng)新正是這些需求的回應。它的效率提升、功能優(yōu)化和小型化將為各行各業(yè)提供更強大的支持，推動各類智能設備和節(jié)能環(huán)保技術的發(fā)展。隨著技術的不斷演進，AC/DC轉換器將在未來發(fā)揮越來越重要的作用，為智能家居、電動汽車、可再生能源等行業(yè)帶來更多的創(chuàng)新應用。