倾佳电子双向谐振变换器(CLLC)深度研究报告及基本半导体SiC MOSFET在CLLC的技术应用

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倾佳电子双向谐振变换器(CLLC)深度研究报告及基本半导体SiC MOSFET在CLLC的技术应用

倾佳电子（Changer Tech）是一家专注于功率半导体和新能源汽车连接器的分销商。主要服务于中国工业电源、电力电子设备和新能源汽车产业链。倾佳电子聚焦于新能源、交通电动化和数字化转型三大方向，分销代理BASiC基本半导体SiC碳化硅MOSFET单管，SiC碳化硅MOSFET功率模块，SiC模块驱动板等功率半导体器件以及新能源汽车连接器。

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1. 前言

随着全球能源结构的深刻转型，以“碳达峰、碳中和”为目标的能源互联网建设正进入快车道。在这一宏大背景下，电力电子变换装置作为能源流动的核心枢纽，其性能指标——效率、功率密度、双向流动能力以及可靠性——面临着前所未有的挑战。特别是车网互动（V2G/V2H）、固态变压器（SST）以及户用储能系统等应用场景中，电能不仅需要从电网流向负载，更需要从负载（电池）回馈至电网或家庭微网。这种双向互动的需求，直接推动了隔离型DC-DC变换器拓扑的迭代与革新。

传统的单向LLC谐振变换器虽然在软开关性能上表现优异，但在反向功率传输时面临增益受限、效率低下的天生缺陷。CLLC（Capacitor-Inductor-Inductor-Capacitor）双向谐振拓扑因此应运而生，凭借其对称的谐振槽路结构、优异的双向软开关特性以及宽范围电压调节能力，成为当前高频电力电子领域的研究热点与产业首选。

与此同时，拓扑的革新离不开器件的支撑。以碳化硅（SiC）为代表的第三代宽禁带半导体，凭借高耐压、低导通电阻、极低的开关损耗和优异的热稳定性，成为了释放CLLC拓扑潜能的关键钥匙。深圳基本半导体有限公司（BASIC Semiconductor）作为国产碳化硅功率器件的领军企业，推出了一系列针对高性能电源应用优化的SiC MOSFET产品。

倾佳电子旨在从理论源头出发，详尽剖析CLLC拓扑的起源与演进逻辑，深入阐述其技术优势与痛点，并结合基本半导体多款前沿SiC MOSFET器件（覆盖650V至1400V电压等级）的详细参数，全方位评估其在固态变压器、V2H、户用储能等核心场景中的应用价值与工程落地策略。

2. CLLC拓扑的起源与理论演进

2.1 传统LLC拓扑的局限性分析

要深刻理解CLLC的起源，必须首先剖析其前身——LLC谐振变换器的工作机理及其在双向应用中的局限。传统的LLC谐振网络由谐振电感 Lr​、谐振电容 Cr​ 和励磁电感 Lm​ 组成，通常置于变压器原边。

在正向工作模式（Source to Load）下，LLC变换器利用 Lr​ 和 Cr​ 的串联谐振以及 Lm​ 的参与，能够在全负载范围内实现原边开关管的零电压开通（ZVS）以及副边整流二极管的零电流关断（ZCS）。这种特性使得LLC在高频下仍能保持极高的效率，因此在服务器电源、电视电源等单向应用中占据统治地位。

然而，当系统需要反向传输功率（Load to Source）时，传统的LLC拓扑结构暴露出严重的不对称性：

1. 谐振槽缺失：在反向模式下，原有的副边整流桥变为逆变桥，而原边变为整流侧。由于谐振槽路位于原边，反向功率流经变压器后，励磁电感 Lm​ 会被输出电压钳位，无法参与谐振。此时，变换器退化为普通的LC串联谐振变换器。
2. 增益特性不对称：LC谐振变换器的电压增益通常小于1，难以实现升压功能。而在V2H或储能应用中，电池电压（如400V）往往低于直流母线电压（如700V-800V），必须具备升压能力。
3. 软开关丢失：不对称的结构导致反向工作时难以维持全范围的ZVS，导致开关损耗剧增，效率显著下降。

2.2 对称性的回归：从LLC到CLLC的演变

为了解决LLC拓扑在反向工作时的不对称问题，学术界与工业界提出了在变压器副边引入辅助谐振元件的思路。CLLC拓扑的核心思想是“对称化”。具体而言，是在变压器的副边增加一个谐振电容 Cr2​ 和谐振电感 Lr2​（通常利用变压器漏感），从而形成原副边对称的谐振网络。

• 拓扑结构：CLLC全称为Capacitor-Inductor-Inductor-Capacitor变换器。其原边包含 Lr1​,Cr1​，副边包含 Lr2​,Cr2​。
• 工作机理：无论功率流向如何，能量发送端都“看”到一个完整的谐振槽路，能量接收端也都通过谐振网络进行整流。
• 数学本质：从基波分析法（FHA）的角度来看，CLLC的电压增益函数 M(fn​,k,Q) 在正向和反向模式下具有相似的数学形式。这意味着设计者可以用同一套控制逻辑（通常是脉冲频率调制PFM）来管理双向功率流，极大地降低了控制系统的复杂性。

这种拓扑的演进，本质上是电力电子系统从“单向供电”向“能量互联”转型的物理映射。它不再将电网和负载视为固定的主从关系，而是视为平等的能量节点。

3. CLLC的技术优势与核心特性

CLLC拓扑之所以能够在高端双向DC-DC变换器中占据主导地位，主要归功于其在效率、频率特性和控制维度上的综合优势。

3.1 卓越的双向软开关能力

CLLC最显著的技术优势在于其在宽负载范围内实现双向软开关的能力：

• 原边（逆变侧）ZVS：通过调节死区时间和激磁电流，CLLC可以利用电感电流为MOSFET的结电容（Coss​）充放电，实现零电压开通。这对于高压SiC器件尤为重要，因为它可以完全消除开通损耗和由 Coss​ 引起的容性开通电流尖峰。
• 副边（整流侧）ZCS：当工作频率小于谐振频率时，副边整流管（或同步整流MOSFET）的电流在关断前自然过零。这消除了二极管反向恢复损耗（针对体二极管）或MOSFET的关断损耗。

基本半导体的SiC MOSFET数据手册中多次强调了“High Frequency Operation”和“Enabling Higher Switching Frequency”的优势 1。CLLC拓扑通过软开关机制，扫清了高频化的最大障碍（开关损耗），使得SiC器件的高频潜力得以兑现。

3.2 宽电压增益范围与频率调制

与双有源桥（DAB）变换器主要依靠移相控制不同，CLLC主要采用变频控制（PFM）。在电动汽车和储能应用中，电池电压会随着荷电状态（SoC）在很大范围内波动（例如400V电池系统在250V-450V之间变化）。

CLLC拓扑通过改变开关频率，可以灵活地调节谐振槽的阻抗分压比，从而实现宽范围的电压增益调节。相比之下，DAB在电压匹配度较差时（即输入输出电压比与变压器匝比不匹配），会产生巨大的回流功率（Reactive Power），导致轻载效率急剧恶化。CLLC则能在宽电压范围内保持较高的效率曲线。

3.3 磁性元件的集成化潜力

CLLC拓扑中的谐振电感 Lr​ 通常可以由高频变压器的漏感来集成。在设计变压器时，通过控制原副边绕组的耦合系数（通常设计得比常规变压器低，以增加漏感），可以将独立的谐振电感省去。这不仅减少了磁性元件的数量和体积，还消除了分立电感带来的额外互连损耗，提升了系统的功率密度。

3.4 适应SiC器件特性的低关断电流

在CLLC设计中，通过优化励磁电感 Lm​ 的值，可以控制MOSFET的关断电流大小。较小的关断电流意味着更低的关断损耗（Eoff​）。SiC MOSFET虽然开关速度快，但关断损耗仍占总损耗的一部分。CLLC允许设计者在确保ZVS的前提下最小化关断电流，从而进一步提升效率。

4. 基本半导体SiC MOSFET在CLLC中的应用价值分析

CLLC拓扑的高性能落地，高度依赖于开关器件的物理特性。基本半导体（BASIC Semiconductor）提供的SiC MOSFET产品线，从电压等级、封装技术到内部晶圆工艺，均展现出与CLLC拓扑需求的高度契合。

4.1 关键器件参数的深度解读与对比

为了深入分析，我们将依据提供的研究资料，对几款核心器件的关键参数进行横向对比与解读。

器件型号阻断电压 (VDS​)导通电阻 (RDS(on)​ Typ)额定电流 (ID​ @ 25°C)封装形式关键技术特征适用CLLC位置B3M040065Z650 V40 mΩ67 ATO-247-4低电容，高频低压侧 (LV)B3M010C075Z750 V10 mΩ240 ATO-247-4银烧结技术大功率LV侧B3M013C120Z1200 V13.5 mΩ180 ATO-247-4银烧结，低Qrr​高压侧 (HV)B3M020120ZL1200 V20 mΩ127 ATO-247-4L长爬电距离HV侧B3M010140Y1400 V10 mΩ256 ATO-247PLUS-4超高耐压1000V+母线B3M020140ZL1400 V20 mΩ127 ATO-247-4L高压/长爬电1000V+母线

4.2 开尔文源极（Kelvin Source）封装的决定性作用

在分析所有提供的器件资料时，一个显著的共性是它们均采用了四引脚封装（TO-247-4, TO-247PLUS-4, TO-247-4L）1。

• 技术原理：传统的TO-247-3封装中，源极引脚同时承载大功率负载电流和栅极驱动回路电流。负载电流在引脚寄生电感（Common Source Inductance, CSI）上产生的压降（L⋅di/dt）会反馈到栅极回路，减缓开关速度并增加开关损耗。
• CLLC应用价值：CLLC通常工作在100kHz-300kHz甚至更高频率。SiC MOSFET的极高 di/dt 会导致严重的源极电感负反馈效应。基本半导体全系采用带有开尔文源极（Pin 3: Kelvin Source）的封装，将驱动回路与功率回路在物理上解耦。这不仅允许更快的开关速度，减少了开通和关断损耗，更重要的是防止了在大电流快速关断时由于寄生电感引起的栅极振荡或误导通，极大地提升了系统的可靠性。

4.3 银烧结技术的引入与热管理革命

在数据手册 1 和 1 中，针对大电流器件（B3M010C075Z, B3M013C120Z），明确标注了“Silver Sintering applied, Rth(j−c)​ improved”。

• 技术原理：传统的芯片贴装使用锡铅或无铅焊料，导热系数有限且熔点较低。银烧结技术利用纳米银膏在低温下烧结，形成纯银连接层，其导热系数是焊料的5-10倍，熔点高达960°C。
• CLLC应用价值：在双向充电桩或储能变流器中，器件面临频繁的功率循环和热冲击。银烧结技术显著降低了结到壳的热阻（Rth(j−c)​），例如B3M010C075Z的热阻仅为0.20 K/W 1，B3M013C120Z同为0.20 K/W 1。这意味着在相同的散热条件下，器件可以承载更大的电流，或者在相同电流下结温更低，从而大幅延长器件寿命（Power Cycling capability），这对高可靠性电网设备至关重要。

4.4 1400V耐压等级的战略意义

基本半导体推出了市场上较为少见的1400V SiC MOSFET（B3M010140Y, B3M020140ZL）。

• 痛点：在1000V直流母线应用（如光伏、工商业储能）中，常用的1200V器件降额裕量不足。宇宙射线引起的单粒子失效率（FIT）与电压余量呈指数关系。通常工程设计要求至少100V-150V的余量，加上开关过冲，1200V器件在1000V母线下运行风险极大。
• CLLC应用价值：1400V器件提供了额外的200V安全裕量，使得设计者可以在1000V-1100V的直流母线电压下安全使用简单的两电平CLLC拓扑，而无需被迫采用复杂的三电平拓扑或昂贵的1700V器件（后者导通电阻通常大幅增加）。

4.5 低导通电阻与低开关损耗的协同

以B3M010140Y为例，其 RDS(on)​ 典型值仅为10 mΩ 。在CLLC拓扑中，电流有效值（RMS）较大，尤其是在低压大电流侧。超低的导通电阻直接转化为导通损耗的降低。同时，该器件的输入电容 Ciss​ 为7700 pF，虽然对于大电流器件来说属于正常范围，但配合低栅极电荷 Qg​ (348 nC)，依然能够保证驱动电路设计的紧凑性。

5. 具体应用场景的深入解析与器件选型

5.1 场景一：智能电网的核心——固态变压器（SST）

固态变压器（Power Electronic Transformer, PET）是能源互联网的能量路由器。它通常采用“输入串联输出并联”（ISOP）的级联结构，将中压交流（10kV/35kV）转换为低压直流。

系统架构：SST的核心是DC-DC隔离级，CLLC因其高隔离耐压和双向流动能力成为首选。每个级联模块（Power Cell）的直流母线电压通常设计在800V-1100V之间。

基本半导体器件应用：

• 高压侧选型：推荐使用 B3M010140Y (1400V, 10 mΩ) 。
• 应用逻辑：在级联H桥结构中，为了减少模块数量（降低系统复杂度和体积），倾向于提高单个模块的直流母线电压。如果母线电压设定为1050V，1200V器件无法满足宇宙射线降额要求。B3M010140Y的1400V耐压完美覆盖了这一电压区间，使得SST可以用更少的级联模块达到中压等级，大幅提升功率密度。
• 效率考量：SST通常全天候运行，10 mΩ的超低导通电阻意味着极低的静态损耗，直接降低了电力运营商的运营成本（OPEX）。

5.2 场景二：V2H/V2G双向充电桩

随着电动汽车电池容量的增加，车辆作为移动储能单元反向为家庭（V2H）或电网（V2G）供电已成为现实。

系统架构：V2H充电桩由前级双向AC-DC（PFC）和后级双向DC-DC（CLLC）组成。

电压平台分化：目前市场存在400V电池平台（主流）和800V电池平台（高端）。

针对800V超充平台：

• 器件选型：原边和副边均推荐 B3M013C120Z (1200V, 13.5 mΩ) 。
• 应用逻辑：800V平台的充电截止电压可能达到900V以上。此时必须使用1200V器件。B3M013C120Z不仅耐压达标，其银烧结工艺带来的优异热性能 1 能够应对V2G模式下长时间高功率放电带来的热应力。同时，其体二极管（Body Diode）具有极快的反向恢复特性（trr​=19ns 1），在CLLC启动或瞬态过程中（尚未建立完全软开关时）保护器件不被损坏。

针对400V主流平台：

• 器件选型：副边（电池侧）推荐 B3M010C075Z (750V, 10 mΩ) 。
• 应用逻辑：400V电池的电压范围在250V-450V。虽然650V器件理论上可用，但考虑到高频开关（>200kHz）下的杂散电感引起的电压尖峰，750V器件提供了极其宝贵的安全裕量。240A的超大电流能力 1 允许在大功率（22kW）桩中减少并联器件数量，简化PCB布局，降低均流设计难度。

5.3 场景三：户用储能电池充放电（Hybrid Inverter）

户用光储一体机要求极致的静音（无风扇设计）和高性价比。

系统架构：光伏板通过Boost电路升压，电池通过双向DC-DC（CLLC）连接至直流母线，最后通过逆变器并网。

基本半导体器件应用：

器件选型：推荐 B3M040065Z (650V, 40 mΩ) 。

应用逻辑：

• 轻载效率：户用储能系统在夜间往往处于轻载放电状态。CLLC在轻载下频率会升高，对器件的 Eoff​ 和 Coss​ 损耗非常敏感。B3M040065Z的输出电容储能 Eoss​ 仅为12 μJ 1，这在轻载高频运行时能显著降低损耗，提升欧洲效率（Euro Efficiency）。
• 静音设计：由于SiC的高效特性，总发热量降低。资料中提到“Reduction of Heat Sink Requirements” ，这使得设计者可以使用更小的铝制散热器，从而去除冷却风扇，消除噪音，提升用户体验。
• 成本优化：40 mΩ的规格在户用功率等级（5kW-10kW）下实现了性能与成本的最佳平衡，避免了器件选型的过度设计。

6. 技术发展趋势与展望

结合CLLC拓扑的演进和基本半导体SiC MOSFET的产品路线，我们可以预见以下技术趋势：

6.1 封装技术的全面升级

随着单芯片电流密度的增加（如256A的B3M010140Y），传统的引线键合（Wire Bonding）正逐渐成为瓶颈。银烧结技术的应用 1标志着功率器件封装正向“无焊料、低热阻”时代迈进。未来，我们可能会看到更多采用无引线互连（如铜夹片Clip Bonding）的SiC模块，以进一步降低寄生电感和电阻。

6.2 电压等级的细分化与定制化

通用的1200V/650V电压等级正在被打破。750V器件针对400V电池系统，1400V器件针对1000V/1500V光伏及电网系统。这种“应用驱动”的电压等级定义，旨在为CLLC等对电压敏感的拓扑提供最佳的 RDS(on)​ 与耐压的折衷方案。基本半导体的产品线布局正是这一趋势的典型代表。

6.3 频率与磁集成的深度融合

CLLC的未来在于更高频率（500kHz+）。这要求SiC MOSFET具备更低的栅极电荷和更快的开关速度。同时，高频化将推动平面变压器（Planar Transformer）的普及，利用PCB绕组实现高度一致性的漏感控制，从而将谐振电感完美集成，实现“CLLC on Board”。

7. 结语

深圳市倾佳电子有限公司（简称“倾佳电子”）是聚焦新能源与电力电子变革的核心推动者：

倾佳电子成立于2018年，总部位于深圳福田区，定位于功率半导体与新能源汽车连接器的专业分销商，业务聚焦三大方向：

新能源：覆盖光伏、储能、充电基础设施；

交通电动化：服务新能源汽车三电系统（电控、电池、电机）及高压平台升级；

数字化转型：支持AI算力电源、数据中心等新型电力电子应用。

公司以“推动国产SiC替代进口、加速能源低碳转型”为使命，响应国家“双碳”政策（碳达峰、碳中和），致力于降低电力电子系统能耗。

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CLLC拓扑以其优雅的对称性和卓越的软开关特性，解决了传统LLC在双向能量传输中的痛点，成为能源互联网时代的基石拓扑。而基本半导体通过深厚的技术积累，推出了一系列与CLLC需求高度吻合的碳化硅MOSFET产品。

从B3M010140Y的1400V超高耐压对固态变压器设计的简化，到B3M010C075Z的银烧结工艺对V2G高可靠性的保障，再到B3M040065Z对户用储能静音高效的赋能，这些器件不仅仅是开关，更是连接理论拓扑与工程现实的桥梁。随着银烧结、开尔文源极等先进封装技术的全面普及，结合CLLC拓扑的固有优势，我们将见证一个更加高效、紧凑且智能的双向能源转换时代的到来。