详谈高功率密度、高效率隔离双向应用CLLLC 高阶谐振变换器拓扑特点及优点
原创 磁性元器达人 磁性元件达人 2026年1月10日 08:38 江西
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CLLLC 是一种高阶谐振变换器拓扑，因其卓越的性能而成为现代高功率密度、高效率隔离电源（尤其是双向应用）的明星拓扑。CLLLC 的名字直接来源于其电路结构中所包含的谐振元件：
· C： 一个串联谐振电容
· L： 一个串联谐振电感
· L： 一个并联的“励磁”电感（通常由变压器的励磁电感充当）
· L-C： 在变压器的副边侧，有时还会有一个额外的并联电感-电容网络（对称型），或者这个效应由副边漏感与电容形成（非对称型）。
简单说，CLLLC 是一个在变压器原、副边都拥有谐振元件的双向、隔离式 DC-DC 变换器。其最经典、最常见的形式是 对称型 CLLLC 谐振变换器。
电路结构与工作原理
1. 拓扑结构图（对称型）
下图清晰地展示了其结构：
原边全桥
+---[Q1]----[Q3]---+
| | |
Vin [Cr] [Lr] Vout
| | | +
---[Q2]----[Q4]---+
--- - [变压器]---+--[副边全桥]---> 负载
| |
[Lm] [Ls] [Cs]
(励磁电感) (副边谐振腔)
· 原边：一个全桥或半桥逆变电路，将直流 Vin 转换为方波电压。
· 谐振腔：方波电压加在由 Cr（谐振电容）、Lr（谐振电感）、Lm（变压器励磁电感） 组成的网络上。Lr 有时就是变压器的漏感。
· 变压器： 提供电气隔离和电压变换。
· 副边： 同样包含一个谐振网络 Ls 和 Cs，其参数通常设计为与原边谐振参数成比例（对称）。然后是整流桥（全桥或中心抽头全波）。
· 控制方式： 变频控制。通过调节开关频率 fs 来控制输出电压。
2. 工作原理（软开关是关键）
CLLLC 通过巧妙地利用 Lm 和 Lr 的相互作用，在全负载范围内实现 软开关：
· 原边开关管（如 GaN/MOSFET）实现 ZVS：
· 在开关管开通前，其体二极管或寄生的反并联二极管已经导通，将管两端电压钳位在接近0V。
· 此时开通，电压为零，开通损耗近乎为零。
· 副边整流二极管（或同步整流管）实现 ZCS：
· 在二极管电流自然下降到零后，电压才开始反向。
· 这意味着 反向恢复损耗为零，对于高压硅二极管或同步整流管都极其有利。
这种双软开关特性是 CLLLC 能达到极高效率 (>98%) 的核心原因。
为什么 CLLLC 如此强大？主要优点
1. 天生的双向功率流能力： 电路结构完全对称。当能量需要从副边传回原边时（如电动汽车向电网回馈能量，即 V2G），只需将控制方向反过来，无需任何硬件改动。这是相比 LLC 等拓扑的巨大优势。
2. 宽输出电压范围： 通过变频控制，它可以在较宽的输入电压和负载范围内保持高效。其增益曲线（输出电压与频率的关系）比 LLC 更平缓且对称，更适合电池充电这类输出电压变化范围宽的应用。
3. 卓越的软开关性能： 如上所述，全负载范围的 ZVS 和 ZCS 极大地降低了开关损耗，使其能够工作在更高的频率（如您方案中的 500kHz），从而大幅减小变压器和磁性元件的体积。
4. 对寄生参数友好： 变压器的漏感 (Lr) 和励磁电感 (Lm) 可以直接作为谐振参数使用，简化了磁设计。
5. 高功率密度： 得益于高频化和软开关，磁性元件和散热器可以做得更小，非常适合充电桩、数据中心电源等空间受限的应用。
与 LLC 拓扑的对比（最重要的区别）
CLLLC 常被看作 LLC 的“升级版”或“双向版本”。以下是关键区别：
特性 ①LLC 谐振变换器 ② CLLLC 谐振变换器
结构
① 原边谐振 (Lr, Cr, Lm)，副边无谐振元件，通常只有整流电路。
② 原副边均含谐振元件，结构对称或准对称。
双向性
①天生单向。实现双向需要额外添加开关管和复杂控制，效率会降低。
②天生双向。电路结构对称，正反向特性一致。
增益曲线
① 不对称。降压模式增益范围宽，但升压模式（反向）性能很差。
② 对称。正反向具有相同且优良的增益特性。
软开关
①原边 ZVS，副边二极管有 ZCS，但反向运行时软开关可能丢失。
② 正反向均能实现原边 ZVS 和副边 ZCS。
适用场景
①单向、固定输出或变化范围不宽的场合（如服务器电源、电视电源）。
②双向能量流动、宽电压范围场合（电动汽车车载充电机 OBC、储能变流器 PCS）。
6.6kW GaN 方案中的应用价值
“两相图腾柱PFC + CLLLC”的方案中：
1. 前级图腾柱PFC 负责将交流电高效地转换为 400V 直流母线。
2. 后级 CLLLC 则负责将 400V 母线电压高效、隔离地转换为电池所需的电压（如 48V 或 400V），并完美支持双向充电（V2G/V2L）功能。
3. 结合 GaN FET 的超高速开关能力，CLLLC 可以工作在 500kHz 甚至更高频率，使得整个电源系统的功率密度达到业界领先水平。
总结来说，CLLLC 不是一种简单的拓扑，而是一种为应对现代高性能、双向、隔离电源挑战而生的“工程艺术品”。它巧妙地利用了谐振原理，在效率、功率密度和功能灵活性之间取得了最佳平衡，尤其是在与 GaN 等第三代半导体结合时，潜力巨大。