使用 DC/DC 转换器实现工业自动化

电力电子是电气工程领域，涉及电子电路以转换和控制电力。这是一个极其重要的领域，具有广泛的应用，因为几乎每个现代设备都配备了某种形式的电力电子电路。用于功率转换的一些最常见的电子元件是二极管、整流器、晶体管、晶闸管、SCR（可控硅整流器）和 MOSFET（金属氧化物场效应晶体管）。

图 1 。电力电子是几乎所有现代电气设备中都存在的关键元件。图片由提供 Skyfi 实验室

电力转换器旨在改变电力的主要特性，例如电流、频率和电压。自然，基本形式，无论是交流（AC）还是直流（DC），都是另一个关键参数，它也可以从输入修改为输出。

这些功能使电力电子系统能够调节范围广泛的非电气变量，例如温度、电机速度和无线电频率。本文重点介绍 DC/DC 转换器，它具有前面描述的所有特性，主要区别在于电力形式始终为直流。

什么是 DC/DC 转换器？

DC/DC 转换器以 DC 形式获取电源并在保持 DC 形式的同时输出修改后的电压电平。输出电压可以高于或低于输入电压。它们通常也被称为电压调节器。这些设备调节可能不稳定或恒定的电源的输出，例如电池供电系统中的电源。

DC/DC 转换器的额定值通常基于输入和输出电压和电流。尽管许多转换器具有固定的输出额定值，但有些转换器允许在一定范围内调整输出。大多数转换器以单输出计数，但也有双输出和多输出选项。根据主要功能，它们可能由电感器、二极管、整流器和滤波器组成。

图 2. 大功率 DC/DC 转换器广泛用于公共交通系统。图片由提供 绝对脉冲

为了实现高效的过程，电压调节器电路采用电力电子设备来降低噪声并保持恒定输出。设计良好的稳压器的额定效率可达 90% 或以上，这是减少功率损耗和散热的重要考虑因素。

DC/DC 转换器拓扑结构

DC/DC 转换器可分为两大类：线性转换器和开关转换器。

线性稳压器器件的功能类似于分压器，在输出端保持修改后的恒定电压。这些调节器的一个主要缺点是效率低下，因为输入和调节输出之间的几乎所有差异都作为废热损失了。另一方面，开关稳压器通过根据需要打开和关闭输出而不是永久打开输出来更有效地工作。

DC/DC 开关转换器有两种主要类型：隔离式和非隔离式。

后者主要在输入和输出之间的电压变化相对较小时使用。输入和输出没有相互隔离，因为它们共用一个接地。相反，隔离转换器旨在将输入与输出物理隔离，从而提供更高的干扰保护并提供更可靠的输出。以下是每个类别中一些最常见的转换器类型。

非隔离

• 升压转换器 ：也称为升压转换器，此设备的电压输出等于或高于输入，同时保持相同的极性。该设备的工作原理是将能量存储在电感器 (L) 中，电感器 (L) 可以根据由开关 (S) 控制的二极管 (D) 的偏置流到输出端。

图 3。 升压转换器动画。图片由提供 Marino108LFS [ CC BY-SA ]

• 降压转换器： 也称为降压转换器，电压输出等于或低于输入。这与升压转换器之间的主要区别在于二极管和电感器的位置。在这种情况下，当开关 (S) 关闭时，由二极管 (D) 和电感器 (L) 形成的等效电路允许存储的能量流向输出。
• 升降压转换器 ：这些设备产生的电压输出可以低于、等于或高于输入电压。它们提供反转极性的能力，这是一种常见的应用。该电路是降压和升压转换器的组合。

图 4。 降压、升压和降压-升压转换器的比较。图片由提供 西里尔·布泰

隔离

• 反激式转换器 ：操作类似于降压-升压转换器，但变压器存储能量。变压器提供输入和输出之间的隔离。
• 正向转换器 ：与反激式转换器类似，但首先进行转换步骤，然后是传统的降压-升压转换。

工业自动化应用

如前所述，DC/DC 转换器具有广泛的应用，包括工业自动化。大量现场设备需要24V供电。例如，配电盘配备了 DC/DC 降压转换器，可降低主电源的电压。一些现场设备不仅需要这个电压电平，而且还足够敏感，需要清洁和稳定的能源供应，这也是集成转换器的另一个原因。

图 5。 Phoenix Contact 的隔离式 DC/DC 转换器。图片由提供 凤凰联络

在许多电池供电的自动化应用中，集成 DC/DC 转换器以保持小型设备的恒定电源供应至关重要。随着电池放电，电压电平逐渐下降。由于对受控设备的意外高能量需求，电池电压也会突然下降。移动自动化机器，例如自主移动机器人 (AMR) 和激光制导车辆 (LGV)，是需要 DC/DC 转换器以确保向可编程逻辑控制器 (PLC) 和其他设备提供稳定电源的电池供电机器人的示例。控制设备。