反激电源中RCD钳位电路参数设计

以下文章来源于段段徐徐，作者段段

“ 之前写了一篇文章关于反激开关电源设计中RCD钳位电路的原理反激开关电源设计中RCD钳位电路原理，这两天正好在调试这个电路，所以今天想出一篇关于RCD电路参数的设计。”

RCD钳位电路（也称为RCD缓冲电路或RCD吸收电路）在开关电源（尤其是反激变换器）中广泛应用，其主要目的是吸收开关管（如MOSFET）关断时由变压器漏感产生的电压尖峰，防止开关管过压损坏。

计算其钳位电压，我们需要理解其工作原理并进行公式推导。

01核心原理

当开关管关断时，变压器初级绕组的主电感（励磁电感）和漏感中储存的能量需要释放。

1. 主电感能量：会通过绕组传递到次级，为负载供电。

2. 漏感能量：由于漏感不与次级绕组理想耦合，其能量无法传递到次级。这部分能量会与电路中的寄生电容产生高频振荡，形成一个很高的电压尖峰，施加在开关管上。

RCD钳位电路的作用就是为这个漏感能量提供一个低阻抗的释放路径，将其消耗在钳位电阻  R  上，从而将电压尖峰限制在一个安全的水平。

02钳位电压计算公式

步骤1：确定反射电压  Vor

反射电压是次级输出电压反射到初级侧的电压。

其中：

·  Np ：初级绕组匝数

·  Ns ：次级绕组匝数

·  Vo ：次级输出电压

步骤2：确定最大允许的钳位电压  V_clamp(max)

这个电压由开关管的耐压值  V_ds(max) 决定。通常要留有一定的裕量（例如20%-30%）。

Vclamp（max）≤Vds（max）*Ksafety

其中  Ksafety 是安全系数，通常取 0.8 ~ 0.9。

步骤3：计算钳位电压  Vc 

钳位电容  C  两端的电压  Vc  为：

Vc=Vclamp-Vin（max）-Vor

在设计中，我们通常使用最恶劣的情况，即最高输入电压  Vin(max) ：

Vc=Vclamp（max）-Vin（max）-Vor

步骤4：计算钳位电阻  R （核心步骤）

根据能量守恒：每个开关周期内，漏感储存的能量等于被钳位电阻消耗的能量。

1. 漏感储存的能量： 

其中：

·  Lleak ：变压器初级漏感

·  Ipk ：开关管关断时刻的初级峰值电流

2. 电阻消耗的功率：

3. 能量平衡：每秒消耗的能量（功率）等于每个周期消耗的能量乘以开关频率  fsw 。

由此得到钳位电阻  R  的计算公式：

步骤5：计算钳位电容  C 

电容的作用是滤除高频噪声并稳定钳位电压。其值需要足够大，以限制电压纹波 ΔVc （通常设为  Vc  的5%~10%）。

电容储存的电荷变化量 ΔQ≈C*ΔVc  。这个电荷变化近似等于漏感能量释放过程中流过二极管的电流对时间的积分，可以近似为  Ipk  与一个短暂时间 Δt  的乘积。一个更简单的经验公式是：

或者一个更直观的经验法则：确保  R C  的时间常数远大于开关周期的 3~5 倍。

03设计实例

假设一个反激电源参数：

· 输入电压： V_in =500 V DC 

· 输出电压： V_o = 25V 

· 匝比： N_p/N_s = 4（所以  V_or= 4 × 25V = 100V ）

· 开关管耐压： V_ds(max) = 950V 

· 初级漏感： L_leak = 8uH 

· 峰值电流： I_pk = 2A 

· 开关频率： f_sw = 63kHz 

计算过程：

1. 确定  V_clamp(max) ：

取安全系数为 0.8， V_clamp(max)  ≤ 950V × 0.85  ≈800V 。我们取  V_clamp = 650V  以留更多裕量。

2. 计算  V_c ：

V_c = V_clamp - V_in(max) - V_or = 650V - 500V - 100V = 50V 

3. 计算钳位电阻  R ：

带入公式R ≈3K

4. 计算钳位电容  C ：

按时间常数法，取  RC = 3 / f_sw ：

C ≈15nF 

总结与关键点

· 核心思想：能量守恒。漏感的能量被电阻消耗掉。

· 降低钳位电压的方法：

1. 降低变压器漏感  L_leak（最有效的方法）。

2. 降低峰值电流  I_pk 。

3. 在满足  V_clamp  要求的前提下，尽量使用较大的  R  值，以降低功耗和提高效率。

最终，理论计算只是一个起点，在实际电路中通常需要通过实验（观察示波器上开关管的  V_ds 波形）来微调  R  和  C  的值，以达到最佳的钳位效果和效率。