LLC变换器设计详解（CLLC扩展）1

dhhdh · 发表于 2026-10-14 22:23

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第16章从LLC到CLLC——对称谐振腔的诞生

前面十五章讨论的LLC变换器是单向的：能量从原边流向副边。但在储能系统、电动汽车车载充电机、V2G等应用中，能量需要在两个方向自由流动。LLC无法直接反向工作——把副边当作输入时，副边只有整流二极管和输出电容，没有有源开关管，也没有与原边对称的谐振网络，反向增益特性完全不可控。

解决这个问题的思路很直接：在变压器副边也加一套谐振网络和有源桥，让两个方向都具备完整的谐振腔和可控开关。这就是CLLC——在原边LLC的基础上，副边增加谐振电感和谐振电容，形成对称的双向谐振腔。

16.1 CLLC的拓扑结构

CLLC的基本结构由三部分组成：原边H桥、副边H桥，以及夹在中间的对称谐振腔。

原边H桥由四个MOSFET组成全桥（在低压应用中也可以简化为半桥），副边H桥同样由四个MOSFET组成。两个H桥的直流端分别连接到高压侧（如PFC母线或电池）和低压侧（如电池或直流母线）。谐振腔位于两个H桥的交流侧之间，包含高频变压器T1、原边谐振电容Cr_p、原边谐振电感Lr_p、副边谐振电感Lr_s和副边谐振电容Cr_s。原边谐振电容串联在变压器原边与第一H桥之间，副边谐振电感串联在变压器副边与第二H桥之间。

这个拓扑的核心设计原则是对称性。为了让变换器在正向和反向工作时具有一致的特性，谐振腔在折算到同一侧后应当保持对称。具体来说，原边谐振电感Lr_p与副边谐振电感Lr_s折算到原边后满足n²Lr_s = Lr_p，原边谐振电容Cr_p与副边谐振电容Cr_s折算后满足Cr_s/n² = Cr_p。变压器的励磁电感Lm在两个方向下都是同一个物理量，不参与对称性约束。

16.2 两个方向的谐振频率

CLLC在正向和反向工作时，谐振网络的等效结构是对称的，因此两个方向的主谐振频率相同：

fr = 1 / (2π√(Lr_p·Cr_p)) = 1 / (2π√(Lr_s·Cr_s))

励磁电感参与后的第二谐振频率也相同：

fm = 1 / (2π√((Lr_p + Lm)·Cr_p))

但有一个微妙之处：在反向工作时，变压器的“原边”和“副边”角色互换。副边的谐振电感Lr_s和谐振电容Cr_s成为主谐振元件，而变压器的励磁电感Lm仍然参与谐振，但其折算到副边的值变为Lm/n²。只要对称条件成立，反向的第二谐振频率也等于fm。

这里有一个实际设计中容易被忽略的问题：对称性依赖于变压器漏感被精确控制。CLLC的Lr通常由变压器漏感兼任，而漏感在原边和副边的分布是不均匀的。如果原边漏感偏大、副边漏感偏小，正向和反向的谐振频率会产生偏差。解决方法是把Lr做成独立电感，或者采用原副边交错绕法使漏感对称分布。

16.3 CLLC与LLC的核心差异

CLLC不是简单的“LLC加副边谐振”。两者的差异可以从三个层面理解。

元件层面：LLC副边只有整流二极管（或同步整流MOSFET），CLLC副边有完整的H桥和LC谐振网络。LLC的副边电容Cout是滤波电容，不参与谐振；CLLC的副边电容Cr_s是谐振电容，直接串联在谐振回路中。

增益层面：LLC的增益曲线只考虑正向，反向增益由变压器匝比决定，不可调。CLLC正向和反向都有独立的增益曲线，都可以通过调频来调节。但两个方向的增益曲线并不完全对称——CLLC在反向工作时只能降压，无法升压，除非采用额外的调制策略。

控制层面：LLC只需要一路PWM驱动原边半桥，副边靠体二极管自然整流。CLLC需要两路有源驱动，正向工作时副边H桥的MOSFET需要同步整流，反向工作时原边H桥的MOSFET需要同步整流。控制复杂度显著提高。

16.4 CLLC的应用驱动力

CLLC之所以在储能和电动汽车领域迅速普及，根本原因是双向功率流需求。电动汽车的V2G（Vehicle-to-Grid）要求车载充电机既能从电网充电，也能向电网放电。储能系统要求DC-DC级既能从母线充电，也能向母线放电。传统的双向方案是DAB（双有源桥），但DAB在轻载时环流损耗大、软开关范围窄。CLLC继承了LLC的软开关优势——原边ZVS、副边ZCS，且在很宽的负载范围内都能维持。研究数据表明，一个500W的CLLC原型在正向传输时峰值效率达到97.6%，同时满足电压增益要求和软开关条件。TI的CLLLC参考设计（TIDM-02002）面向3.6kW车载充电机，验证了CLLC在实际系统中的可行性。