NEST174 August 2025
簡介
單級隔離轉換器，例如雙向電容-電感-電感-電感-電容 (CLLLC) 轉換器，是儲能系統 (ESS) 中常見的轉換器類型，可節省系統成本並提高功率密度。CLLLC 轉換器的增益曲線較為平坦，然而當切換頻率 (fs) 高於串聯共振頻率 (fr) 時，增益曲線會出現不理想的過度平坦現象。變壓器和 MOSFET 的寄生電容也會顯著影響轉換器增益 [1]，這將導致轉換器輸出電壓偏離調節範圍。在本篇電源技術指南中，我將介紹一種 CLLLC 控制算法和同步整流 (SR) 控制方法，以消除這種非線性特性，並使用一台 3.6kW 原型轉換器來驗證其性能。圖 1 為住宅 ESS 的方塊圖。
圖 1 住宅 ESS 方塊圖，包含雙向功率因數校正 (PFC)/逆變器、雙向 DC/DC 轉換器，以及最大功率點追蹤 (MPPT) 功能。來源：德州儀器控制階段的設計考量
圖 2 顯示具有寄生電容器的全橋 CLLLC 共振轉換器的電路拓撲結構。此拓撲結構由對稱共振電路和全橋結構組成。
圖 2 具有寄生電容器的全橋 CLLLC 轉換器的電路拓撲結構。來源：德州儀器圖 3 顯示 CLLLC 理想的增益曲線。與 LLC 轉換器類似，變頻控制是 CLLLC 共振轉換器常用的控制方案。
圖 3 採用變頻控制的理想 CLLLC 增益曲線。來源：德州儀器如前所述，當 fs 超過 fr 時，增益曲線會趨於平坦。此外，隨著功率等級提升，轉換器需要在電池側並聯更多 FET 以處理更大電流，這意味著輸出端全橋 FET 的輸出電容 (Coss) 將會變得非常大。考量變壓器繞組間寄生電容與 Coss 等寄生參數時，高頻下的非單調增益曲線問題會特別嚴重，這種情況對應於輕負載條件，如 圖 4 所示。
圖 4 考量變壓器繞組間寄生電容及 Coss 等寄生參數的 CLLLC 增益曲線。來源：德州儀器在這種情況下，頻率控制沒有作用。打嗝模式是解決 CLLLC 共振轉換器非單調特性的常用方法，但此方法不適用於電池應用，因為當電池電壓較低時，轉換器仍需提供大電流。脈衝寬度調變 (PWM) 與相移控制雖可解決此問題，但 PWM 控制會使電晶體在硬切換狀態下，從而降低效率並限制操作頻率。因此相移控制是較佳的選擇。
控制邏輯
圖 5 展示頻率及相移混合控制方案圖表。在啟動階段電池電壓較低時，轉換器需採用軟啟動方式配合較小的充電電流，以抑制高電流突波並延長電池壽命。如果共振電感器值或頻率不夠高，若僅以高頻端進行軟啟動，效果有限。當電池充電接近滿容量時，將轉為小電流涓流充電並維持恆定電壓。這兩種情況都對應轉換器的輕負載工作狀態。在輕負載條件下，由於寄生電容效應，輸出電壓會呈現上升趨勢，根據先前分析最終可能超出調節範圍；此時相移控制可有效調節輸出電壓。控制器的計算結果決定轉換器是否需要進入相移模式。
圖 5 不同充電狀態下的控制方案。請注意，在啟動階段電池電壓較低時，轉換器需採用軟啟動方式配合較小的充電電流，以抑制高電流突波並延長電池壽命。來源：德州儀器圖 6 展示頻率和相移之間的調變切換。當負載降低時，系統將提高操作頻率以調節輸出電壓。若計算所得最高頻率高於設定值，轉換器將進入相移調變模式；隨後當負載增加時，相移角會隨之減小以調節輸出電壓。當相移角度降至零時，轉換器將再次進入頻率模式。
圖 6 頻率與相移模式之間的控制方案。當負載降低且相移角為零時，系統將提高操作頻率以調節輸出電壓（頻率模式）。如果最大頻率高於設定值，相移角度會降低以調節輸出電壓（相移模式）。來源：德州儀器寄生電容所造成的問題
在相移模式下，MOSFET 的 Coss 同樣會產生此效應，導致共振槽電流與這些電容產生振盪，如 圖 7 所示。
圖 7 開環條件下相移調變模式的共振槽電流波形。來源：德州儀器圖 8 展示 CLLLC 轉換器在考量與不考量 MOSFET Coss 時的增益特性比較。如圖所示，增益曲線會出現波動。在此情況下，閉合迴路控制中的控制器可能將相移角調整至錯誤方向，從而導致大電流突波。
圖 8 相移模式下含和不含 COSS 的增益曲線。來源：德州儀器增益問題的解決方案
為消除增益的非單調性問題，採用如 圖 9 所示的 SR 控制方法可有效解決此問題。在共振槽電流振盪期間，若同時導通兩個上管或兩個下管的 SR 切換，將使變壓器次級側繞組暫時短路，從而讓 Coss 不參與共振過程。
圖 9 所提出的 SR 控制方案可有效消除增益非單調性問題。來源：德州儀器圖 10 展示測試結果；與圖 8 相比沒有振盪。有關更多詳細的分析和測試結果，請參閱參考 [2]。
圖 10 採用所提控制方案的相移模式增益曲線（灰色線）。來源：德州儀器實驗結果
原型 [3] 使用此控制方案來驗證性能。圖 11 展示軟啟動波形，而 圖 12 則展示採用所提控制方案的相移模式下之共振槽電流波形。
圖 11 具備 750 W 輸出功率的相移軟啟動。來源：德州儀器
圖 12 採用所提控制方案的相移模式下之共振槽電流波形。來源：德州儀器圖 13 和 圖 14 展示頻率/相移調變切換測試。根據測試波形顯示，在輸出功率 750W 的條件下，啟動電流被限制在 28A 以內。共振槽電流無振盪現象，且轉換器能在不同工作條件下平順切換調變模式。
圖 13 相移和頻率調變切換：5A 負載的頻率模式。來源：德州儀器
圖 14 相移與頻率調變切換：1A 負載的相移模式。來源：德州儀器結論
所提出的頻率與相移混合控制方案，能有效限制啟動階段的突波電流，並使輕負載條件下的增益特性保持線性。轉換器可在頻率調變和相移調變之間順暢切換。此外，相移控制也會引發增益非單調性問題，並在具有大 COSS 的設計中導致電流振盪。所提出的 SR 控制方法，能有效解決電流振盪問題，並使增益恢復單調特性。
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參考資料
- Lee, Byoung-Hee、Moon-Young Kim、Chong-Eun Kim、Ki-Bum Park 與 Gun-Woo Moon 所著之「考量寄生元件效應的 LLC 共振轉換器分析」。發表於《INTELEC 2009 – 第 31 屆國際電信能源會議》，韓國仁川，2009 年 10 月 18-22 日，第 1-6 頁。
- Tai, Will、Guangzhi Cui 與 Sheng-Yang Yu 所著之「CLLLC 共振轉換器於相移模式下的增益優化控制方法」。發表於《PCIM Europe 2024：國際電力電子、智慧運動、可再生能源與能源管理展覽暨會議》，德國紐倫堡，2024 年 6 月 11-13 日，第 2513-2518 頁。
- Cui, Guangzhi 之「3.6kW 雙向 CLLLC 共振轉換器參考設計」。德州儀器參考設計編號 PMP41042。存取日期：2024 年 11 月 6 日。
先前已發表於 EDN.com。