基于 GaN 的 4kW 双向 CLLLC 变换器参考设计

1  概述

PMP23461 是德州仪器（TI）推出的一款 4kW、双向、CLLLC 谐振变换器参考设计。该设计采用带同步整流的全桥 CLLLC 拓扑，通过在谐振网络中同时利用串联与并联谐振腔，实现宽范围内的软开关运行，从而在高开关频率下依然保持较高的整机效率。

为在所需的调节范围内稳定输出，CLLLC 变换器同时采用频率调制（变频）与相位调制（移相）两种控制手段：在谐振频率附近以变频方式精细调节增益，在远离谐振点时借助移相扩展调节能力，二者结合使变换器能够覆盖输入/输出电压与负载变化的较大范围。

整个控制由 TMS320F28388D 微控制器内部的单个处理核完成，负责 CLLLC 的调制与闭环调节。同步整流同样由该微控制器实现，并采用 Rogowski 线圈（罗氏线圈）电流传感器完成电流检测，兼顾了带宽、隔离与测量精度。

借助高速 GaN（氮化镓）功率开关 LMG3522，设计实现了很高的功率密度。CLLLC 变换器的工作频率在 250kHz 至 800kHz 之间可变，高开关频率显著减小了磁性元件与无源器件的体积，是实现高功率密度的关键。

2  关键特性

• 4kW 功率等级、双向能量流动、CLLLC 谐振变换器。

• 系统峰值效率达 96.5%，开放式（open-frame）结构下的功率密度达 2kW/L。

• 内置频率响应分析仪（SFRA），用于控制环路的验证与设计。

3  应用领域

依托双向能量流动、高功率密度与高效率等特点，该类参考设计适用于需要在两个直流端口之间双向、高效变换电能的场合。结合其 4kW 功率等级与 GaN 高频特性，典型应用方向包括：

• 车载充电机（OBC）与双向车载电源，支持车辆对外放电（V2L/V2G）等双向能量应用。

• 电池化成、双向直流电源及电池储能系统（BESS）的充放电级。

• 高压直流母线到电池/负载的双向 DC-DC 变换、UPS 与服务器电源等。

说明：上述应用方向依据该设计“双向、高功率密度、高效率”的技术特征归纳整理；源报告未逐条列明具体应用清单。

4  相关资源与关键器件

源报告“Resources（资源）”一节给出了参考设计文件夹及主要器件的产品资料入口，汇总如下表。

注：LMG3522R030-Q1 与 TMS320F280039C-Q1 型号带 “-Q1” 后缀，表示符合汽车级（AEC-Q100）质量规范，进一步印证了该设计面向车载等应用定位。

5  系统架构与工作原理

5.1  CLLLC 谐振拓扑

CLLLC 是在传统 LLC 谐振变换器基础上发展而来的双向对称谐振拓扑。其谐振网络由串联谐振电感 Lr、串联谐振电容 Cr 与并联（励磁）谐振电容 Cp 等元件共同构成，形成串联与并联相结合的双谐振腔结构，因而得名“CLLLC”。该结构在两个全桥之间构成对称的谐振端口，天然适合双向能量传输。

相较于普通硬开关变换器，CLLLC 通过谐振实现开关管的零电压开通（ZVS），并在较宽负载范围内维持软开关，从而大幅降低开关损耗，使 250kHz–800kHz 的高频运行成为可能。

5.2  GaN 功率级

功率级采用 TI 的高速 GaN 功率开关 LMG3522。GaN 器件具有极低的栅极电荷与输出电容、几乎无反向恢复电荷等优点，开关速度远高于同等硅基 MOSFET，使得变换器可以在数百千赫兹的高频下高效工作，是达成 2kW/L 开放式功率密度的关键因素。

5.3  变频 + 移相混合调制

CLLLC 的电压增益随归一化频率变化：在谐振点附近增益对频率敏感，适合用变频（改变开关频率）进行精细调节；而当需要更大的增益调节范围或偏离谐振点工作时，则通过改变两桥臂之间的移相角来扩展调节能力。本设计将频率调制与相位调制结合使用，以覆盖完整的输入/输出电压与负载调节范围，兼顾效率与动态调节能力。

5.4  同步整流与 Rogowski 电流检测

同步整流同样由 TMS320F28388D 完成，用以替代二极管整流、进一步降低导通损耗。电流检测采用 Rogowski 线圈（罗氏线圈）电流传感器：它是一种基于电磁感应的空心线圈传感器，具有非接触、宽频带、良好的隔离特性，适合高频谐振电流的测量，为同步整流时序判断与控制环路提供电流反馈。

5.5  数字控制与 SFRA

控制、调制与同步整流逻辑集中在 TMS320F28388D 微控制器内部的单个处理核上实现。TMS320F28388D 是 TI C28x 系列高性能实时控制 MCU，具备高分辨率 PWM（HRPWM）、高速 ADC 与比较器等外设，适合高频数字电源控制。设计内置频率响应分析仪（SFRA），可在闭环运行时注入扰动、测量环路增益与相位裕度，用于控制环路的验证与参数整定，简化了数字电源的环路调试流程。

5.6  工作频率范围

该 CLLLC 变换器的工作频率在 250kHz 至 800kHz 之间连续可变。高开关频率使磁性元件（谐振电感、变压器）与滤波电容尺寸显著缩小，是提升功率密度的核心手段；同时变频范围也决定了增益可调范围与软开关工作区的边界。

6  测试报告内容解读

源文档 TIDT444 为一份测试报告（Test Report），围绕参考设计的验证组织内容。以下依据源报告的章节结构，对其涵盖的测试项与目的进行说明。报告中的具体曲线、数值表格与波形图以 TI 原始文档为准。

6.1  测试前提（Test Prerequisites）

该章节给出开展测试前需满足的条件与准备，包含以下小节：

• 1.1 电压与电流要求（Voltage and Current Requirements）：明确测试所需的输入/输出电压设定、电流（负载）范围等工作点条件。

• 1.2 所需设备（Required Equipment）：列明完成测试所需的仪器与夹具（如电源、电子负载、示波器、探头等）。

• 1.3 注意事项（Considerations）：说明测试过程中的安全与操作要点、探量与接线注意点。

• 1.4 尺寸（Dimensions）：给出参考设计板卡的物理尺寸信息，供结构与散热评估参考。

6.2  测试与结果（Testing and Results）

该章节为报告的核心结果部分，包含以下小节：

• 2.1 效率曲线（Efficiency Graphs）：以曲线形式给出效率随负载/功率变化的情况，直观体现变换器在 4kW 全功率范围内的效率水平（峰值 96.5%）。

• 2.2 效率数据（Efficiency Data）：以数据表格形式记录各工作点的效率测量值，供精确评估与复现。

• 2.3 电流检测（Current Sense）：验证电流采样通道的精度与保真度，关系到同步整流时序与控制反馈的正确性。

• 2.4 伯德图（Bode Plots）：给出控制环路的幅频/相频特性曲线（借助 SFRA 测得），用于评估增益裕度与相位裕度、确认环路稳定性。

6.3  波形（Waveforms）

该章节记录关键开关波形，包含“3.1 开关（Switching）”小节，用于展示开关管驱动与谐振电流/电压波形，验证软开关（ZVS）行为与谐振网络的正常工作。

7  关键指标汇总

8  术语与缩写

注：本文档依据德州仪器公开发布的测试报告 TIDT444（参考设计 PMP23461）整理撰写，用于技术学习与方案参考。