在储能系统（ESS）中，单级隔离转换器是一种常用的高效转换器类型。本文将以双向电容器-电感器-电感器-电感器-电容器（CLLLC）拓扑为例，分析其控制算法及相关优化技术。CLLLC 拓扑具有较平坦的增益曲线，但在开关频率高于串联谐振频率时，增益曲线的非线性问题可能导致输出电压失控。以下将探讨如何通过优化控制算法和采用同步整流器（SR）控制方法来解决这些问题。

控制阶段的设计考虑

CLLLC谐振转换器的电路拓扑通常由对称谐振回路和全桥结构组成。在设计控制逻辑时，需要充分考虑MOSFET的寄生参数（如输出电容Coss）及变压器的绕组间电容对增益特性的影响。尤其在高频率下，这些寄生参数会导致增益曲线的非单调性。

对于轻载条件，频率控制可能失效，而传统的打嗝模式无法满足电池应用的需求，因为低电压电池需要高电流支持。为了改善效率和适应不同负载情况，相移控制被认为是一种更优的选择。

控制逻辑与混合控制方案

在CLLLC控制中，频率和相移的混合控制方案能够实现负载动态调整，适应不同的充电状态：

1. 启动阶段：在电池电压较低时，采用低充电电流的软启动控制，限制电流尖峰以延长电池寿命。

2. 轻载条件：当电池充电接近满容量时，通过相移控制来调节输出电压，防止因寄生电容导致的输出电压失控。

3. 频率与相移切换：当负载减少时，通过提高开关频率来调节输出电压；当频率超过设定值时，切换至相移模式，以更精准地调节电压。

在该方案中，控制器的逻辑会根据实时计算结果判断是否需要进入相移模式，从而实现不同充电状态下的稳定控制。

寄生电容引起的问题

MOSFET的输出电容Coss会在相移模式下引发储能电流的振荡。储能电流的波动会导致增益曲线的非单调性，从而干扰闭环控制的精确性。这种情况下，控制器可能会将相移角调整到错误方向，导致更大的电流尖峰。

为了说明问题的严重性，对比了考虑和不考虑Coss时的增益曲线。结果显示，寄生电容对增益曲线的影响显著，会导致增益出现不必要的波动。

增益问题的解决方案

为了解决上述问题，提出了一种改进的同步整流器（SR）控制方法。具体做法是，在储能电流振荡期间，同时打开两个上桥或两个下桥的SR开关，从而短路变压器的次级侧绕组。通过此方式，可避免Coss参与谐振过程，从根本上解决增益曲线的非单调性。

实验验证与性能分析

实验结果表明，采用频率和相移混合控制方案后：

1. 软启动：在启动阶段能够有效限制电流尖峰。例如，在750W输出功率下，启动电流被限制在28A以内。

2. 稳定性：槽路电流无振荡，转换器在不同负载条件下能够平滑切换调制模式。

3. 增益优化：引入SR控制方法后，增益曲线恢复单调性，不再受寄生电容的影响。

此外，相移模式下的储能电流波形也得到了明显优化，进一步验证了所提控制方法的有效性。

结论

本文通过优化CLLLC谐振转换器的控制方案，实现了以下几项关键改进：

1. 限制启动阶段的浪涌电流，提高了启动过程的安全性。

2. 通过频率和相移的混合控制，确保在轻负载条件下增益的线性。

3. 引入SR控制方法，有效消除了寄生参数引起的电流振荡问题。

这些优化设计为高功率密度储能系统的开发提供了有效的解决方案，同时也为实际应用中的非线性控制挑战提出了可行的解决思路。