逆变器cllc



大功率cllc拓扑工作原理

大功率CLLC拓扑是一种高效的三谐振腔软开关电路，结合了LLC谐振转换器和有源钳位正向转换器的优点，专门为高功率和高效率应用设计。

1. CLLC拓扑基本结构

CLLC谐振变换器通常在传统LLC的谐振腔（Lr、Cr）基础上，在变压器次级增加一个谐振电容（C2），形成对称或不对称的谐振网络。其核心元件包括：

•主开关管（Q1, Q2）：通常为半桥或全桥结构，用于产生高频方波。

•谐振元件（Lr, Cr, C2）：Lr（谐振电感）、Cr（谐振电容）和C2（次级谐振电容）共同构成三元件谐振腔。

•变压器（T）：实现电气隔离和电压变换，其漏感常被利用作为谐振电感的一部分。

•次级整流电路：通常采用全波整流或全桥同步整流。

2. 工作原理

其工作基于谐振软开关技术：

- 当主开关管以接近谐振频率的频率开关时，谐振腔中的电流和电压呈正弦变化。

- 此正弦电流会在开关管开通前使其两端电压自然回零（ZVZC），从而实现零电压开关（ZVS），大幅降低开关损耗。

- 同时，次级整流二极管也能在电流过零时关断，实现零电流开关（ZCS），消除反向恢复问题。

- 增加的次级电容C2扩展了增益范围，使电路在宽输入电压和负载范围内都能维持高效软开关操作。

3. 与LLC拓扑的关键区别

| 特性 | 传统LLC拓扑 | CLLC拓扑 |

| :--- | :--- | :--- |

| 谐振腔元件 | 2个 (Lr, Cr) | 3个 (Lr, Cr, C2) |

| 增益特性 | 增益范围相对较窄，轻载时增益调节能力有限 | 增益范围更宽，尤其在轻载和空载时电压调节能力更强 |

| 软开关范围 | 重载下易实现ZVS，轻载时可能丢失 | 全负载范围内均能实现软开关（ZVS/ZCS）的可靠性更高 |

| 适用场景 | 中功率、输入输出电压变化不大的场合 | 大功率、宽电压输入范围（如光伏逆变器、电动汽车充电） |

4. 典型应用场景

•大功率服务器电源（>2kW）

•电动汽车车载充电机（OBC）和直流快充桩

•光伏逆变器的DC-DC变换级

- 通信基站电源系统

400V 和 800V 电动汽车架构的车载充电机有何不同？

400V和800V电动汽车架构的车载充电机（OBC）在多个方面存在显著差异，具体如下：

一、半导体器件400V OBC：允许使用成熟的Si MOSFET，其典型标准额定电压为650V。800V OBC：

MOSFET额定电压需增加至1200V阻断电压能力，宽带隙（WBG）器件如SiC MOSFET凭借1200V额定电压成为替代方案。SiC MOSFET相较于Si MOSFET具有更高击穿电压、更低导通电阻、更佳散热性能及更高开关频率。目前可选的SiC MOSFET品牌众多，如ON、ST、英飞凌等。同时，GaN凭借卓越开关频率正与SiC技术竞争，几乎所有OBC厂家都在进行GaN产品预演开发。

当800V OBC连接到120V或240V电网时，交流/直流转换器级中的二极管或MOSFET必须具备更高额定电压以应对更高母线电压，所需额定电压比400V OBC增加一倍，但损耗不一定增加。变压器匝数比通常加倍以补偿更高电池电压，使变压器次级绕组电流减半，变压器总铜损降低一半，流经次级绕组电流降低也降低了二极管桥功率损耗。适用于800V OBC的二极管桥可具有比400V OBC更低的内阻，从而降低传导损耗，例如ST的STPSC2006CW（600V）和STPSC15H12（1200V）SiC二极管，后者内阻为66mΩ，前者额定内阻为84mΩ。

图一、显示了额定电压在400至800 V之间的各种逆变器和电机组合中二极管和MOSFET导通损耗的差异（：IEEE）从上图可以看到，800 V OBC/800 V逆变器组合中的二极管和传导损耗小于其他OBC - 逆变器组合。二、控制芯片（MCU/DSP）400V OBC：使用的MCU/DSP看似可用于800V OBC，但需配备更高分辨率的ADC。800V OBC：

随着需要更高开关频率的WBG器件出现，对电动汽车使用的复杂MCU需求明显增加。内燃机汽车中使用的传统MCU不能用于电动汽车。

在OBC中，MCU在控制PFC和LLC部分发挥重要作用，这两个部分转换器的输入或输出可能需处理800V电压。当电压从400V升至800V时，ADC必须具有更高分辨率，才能高效控制输入半导体开关的PWM信号。此外，MCU的更高分辨率ADC（例如Stellar E1的12位分辨率）也能实现高效的电压和电流感应。

图2、电动汽车中WBG器件的开关频率更高，需要能够生成高频PWM信号的MCU（：embedded.com）图3、OBC中的 MCU，用于控制 PFC 和 LLC 部分（：ST）三、变压器400V OBC：变压器匝数比相对较低。800V OBC：变压器匝数比（n = N2/N1）通常比400V OBC的匝数比高出一倍。这种调整对于补偿更高电池电压并保持初级侧相似电压和电流波形至关重要。次级电流幅值减半，允许使用更细次级绕组，横截面积减小有助于绕组更好融入磁芯窗口，并降低传导损耗。不过，由于磁通密度保持不变，变压器铁损不会受到显著影响。四、拓扑结构400V系统：大多采用双交错Boost PFC或图腾柱PFC + 双向CLLC的结构。800V系统：采用三相六开关（车载电源）以及三电平VIENNA（充电桩等）等，主要差异体现在PFC这块。五、其他方面电气安全：400V与800V的电气安全（电气间隙和爬电距离）要求差异很大。成本：400V与800V OBC成本差异较大。

干掉OBC还是进阶单级式拓扑：充电高压架构的发展趋势

充电高压架构的发展趋势是逐步弱化传统OBC的独立地位，通过“去OBC化”与单级拓扑技术融合实现系统简化，同时以直流化、集成化和新材料应用为核心方向。以下从技术演进、政策推动、争议挑战和单级拓扑方案四个维度展开分析：

一、OBC的兴起与必要性：早期核心部件，但存在技术瓶颈

充电环境限制早期直流快充桩数量少且成本高，交流慢充成为主流，OBC作为交流充电的核心部件，负责将交流电转换为直流电为电池充电，是满足日常充电需求的关键设备。

技术局限性

拓扑复杂性与体积问题：传统OBC采用两级拓扑（PFC+隔离DC/DC），包含大量电解电容、功率电感和分立元件，导致体积庞大，难以满足汽车轻量化需求。

故障率较高：OBC作为高压系统中的高频开关部件，长期处于高负载状态，且受限于硅基半导体材料的效率瓶颈，故障率显著高于其他高压零部件（如DC/DC转换器）。

优化方向

集成化趋势：OBC逐步与电源系统其他部件（如DC/DC、PDU）集成，形成多合一电驱系统。例如华为DriveONE（七合一）和比亚迪海豚（八合一）将OBC集成至电驱总成中，减少零件数30%-40%，提升能效并降低成本。

碳化硅（SiC）替代硅基器件：SiC功率半导体显著提升OBC效率和功率密度。例如安森美6.6kW CLLC参考设计采用SiC MOSFET，峰值能效超过98%。

单级拓扑探索：部分企业尝试将传统两级结构简化为单级，例如Hillcrest公司提出复用牵引逆变器替代独立OBC，减少系统复杂性。

二、去OBC化趋势与争议：政策推动与技术替代并行，但用户体验与功能实现存挑战

政策与标准推动

新国标《电动汽车传导充电用连接装置》将直流充电接口功率向下兼容，支持小功率直流慢充（如7kW），逐步替代交流充电桩，弱化OBC必要性。

充电桩企业率先呼吁取消车载OBC，例如能效电气2017年提出“慢充直流化”理念，并研发出7kW小功率直流充电桩。车企方面，蔚来ET7等车型取消交流充电口，仅保留直流接口，通过赠送7kW直流家充桩实现慢充功能，每辆车可节省1000-2000元成本。

技术替代方案

外置OBC：蔚来推出充放电一体机，将双向OBC功能外置，但便携性较差（6.5kg）。

逆变器复用：如Hillcrest的SiC牵引逆变器方案，利用驱动系统实现交流-直流转换，无需独立OBC模块。

争议与挑战

用户场景适应性：取消OBC后，既有交流桩无法兼容，需额外购置直流设备，可能影响用户体验。

V2L功能实现：双向OBC的取消需依赖外置设备或新架构，增加复杂度。

三、单级拓扑的OBC实现方案：解决传统两级拓扑痛点，提升功率密度与效率

核心创新

单级拓扑集成：将功率因数校正（PFC）与DCDC变换合并为单级电路，省去独立PFC电感和电解电容。

无电解电容设计：采用薄膜电容替代传统铝电解电容，解决寿命瓶颈，提升可靠性。

宽范围拓扑兼容：DCDC变换电路支持LLC、CLLC、DAB、移相全桥等多种拓扑，适应不同场景。

电路拓扑结构

整流电路：将交流电转换为直流电，可采用可控全桥ACDC电路或不可控全桥ACDC电路（如二极管整流桥）。

DCDC变换电路：

拓扑选择：支持LLC谐振电路、CLLC谐振电路、DAB电路或移相全桥电路。

集成PFC功能：通过调节原边/副边开关频率、占空比或移相角，使输入电流跟随交流电压波形。

组合开关设计：原边开关电路与整流电路共用反向串联开关管。

控制电路

采用双闭环控制（电压外环+电流内环）结合锁相环和PWM控制器：

电压外环：调节输出电压至目标值。

电流内环：控制输入电流波形与电压同步，实现高功率因数。

PWM控制策略：根据DCDC拓扑选择开关频率（LLC/CLLC）或移相角（DAB/移相全桥）。

无电解电容设计

采用薄膜电容替代铝电解电容，提升寿命和可靠性。

四、未来趋势总结：去OBC化与单级拓扑融合，推动充电系统简洁化与高效化

OBC从早期交流充电的核心部件，逐步因集成化、高功率化和直流充电标准的演进面临结构性变革。尽管短期内交流充电场景仍存，但技术替代与政策推动下的“去OBC化”已成趋势。单级拓扑技术通过简化电路结构、提升功率密度和效率，为OBC的进化提供了关键路径。未来新能源汽车的充电系统将更简洁、高效，并与智能电网深度协同，实现能源利用的最优化。

基于ST 意法半导体 STDES-BCBIDIR 的 11 kW 双向电池充电器

STDES-BCBIDIR 是 ST 意法半导体推出的一款 11 kW 双向电池充电器，专为工业和汽车领域高压充电设计，具备高整合度、高频操作、双向能力及高效率等特性。

功率级组成

PFC 级：基于三相全桥拓扑结构，使用 ACEPACK DMT-32 SiC 功率模块（型号 M1P45M12W2-1LA），工作频率为 70 kHz。其额定标称交流电压为 50Hz 时 400 Vac，额定标称直流电压为 800 Vdc，标称功率 11 kW。在整流器模式下，功率因数 PF>0.99，具备浪涌电流控制和软启动功能；逆变器模式下支持有功和无功功率控制，集成并网解决方案。

DC-DC 级：结构可配置为 DAB（Dual-Active-Bridge）或 CLLC（Capacitor-inductor-inductor-Capacitor）拓扑，同样基于 ACEPACK DMT-32 SiC 功率模块（型号 M1F45M12W2-1LA）。标称直流输入电压 800V，输出电压范围 550 至 850 V。DAB 拓扑开关频率固定为 100kHz，CLLC 拓扑开关频率范围为 82 至 235 kHz。

图：DC-DC 级拓扑结构示意图硬件模组化结构

主电源板：集成 ACEPACK DMT-32 SiC 电源模组，包含 PFC 级的六组拓扑 M1P45M12W2-1LA 和 DC-DC 级两侧的两个全桥 M1F45M12W2-1LA。此外配备大容量电容器、感测部分及辅助电源，支持高功率密度设计。

驱动器板：基于 STGAP2SiCD 电隔离 4 A 双栅极驱动器，专为 SiC MOSFET 设计，确保高频开关下的可靠驱动与隔离。

控制板：采用 STM32G474RE 微控制器，提供通讯和编程连接器、调试测试点及状态指示器，支持复杂控制算法实现。

韧体与软件：提供专用固件支持双向充电功能，用户可通过官方链接获取技术文档与开发资源。

图：STDES-BCBIDIR 方案方块图

核心技术优势

高整合度：ACEPACK DMT-32 电源模组集成功率器件与驱动电路，减少 PCB 面积与寄生参数，提升系统可靠性。

高频操作：通过 70 kHz（PFC）与 100kHz/82-235 kHz（DC-DC）高频设计，显著减小磁性元件尺寸，降低系统重量与体积。

双向能力：支持 AC-DC 与 DC-AC 双向功率流动，适用于电池充电与车辆到电网（V2G）场景。

软切换技术：增强调制管理技术实现 DAB 拓扑软切换，减少开关损耗与 EMI 干扰。

高效率：直接模式下系统峰值效率大于 96%，降低能耗与散热需求。

方案规格

PFC 级：三相、二电平双向 AC-DC 转换器，支持 400 Vac 交流输入与 800 Vdc 直流输出，功率因数校正（PFC）功能优化电网兼容性。

DC-DC 级：DAB/CLLC 拓扑支持 800V 直流输入与 550-850 V 输出，CLLC 拓扑可变频率设计适应宽电压范围应用。

磁性元件：单磁组件集成隔离变压器与谐振电感（CLLC）或漏电感（DAB），简化装配流程。

图：STDES-BCBIDIR 场景应用示意图

应用场景：适用于电动汽车充电桩、工业储能系统及高压直流快充站，满足高功率密度、高效率与双向功率流动需求。用户可通过 ST 官方链接 获取器件数据手册，或通过 方案原文链接 下载技术文档与固件资源。

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