フライバック RCD クランプのクランプ電圧の決め方

MOSFET がオフすると、漏れ電流が I_pk からゼロまで下がらないと励磁電流はすべて二次側に移れません。その間、クランプコンデンサはドレインを V_in + V_clamp に保ち、二次巻線は励磁インダクタンスの両端を V_or に保ちます。漏れ電流を引き下げるのに使えるのは差の V_clamp − V_or だけです。この差が小さいほどリセットが長くなり、その間、本来出力に行くはずの励磁電流がクランプに流れ込みます。

クランプ損失

P_clamp = ½ · L_lk · I_pk² · f_s · V_clamp / (V_clamp − V_or)

クランプ比

k = V_clamp / V_or → P_clamp = ½ · L_lk · I_pk² · f_s · k / (k − 1)

ドレインピーク

V_ds,pk = V_in,max + k · V_or（さらにクランプダイオードの順回復オーバーシュートが加わる）

クランプ抵抗とコンデンサ

R_clamp = V_clamp² / P_clamp, C_clamp = 1 / (ΔV/V · R_clamp · f_s)

要は k/(k − 1) の項です。k = 2 でクランプは漏れエネルギーの 2 倍、k = 1.5 で 3 倍、k = 1.25 で 5 倍を消費します。計算例ではそれぞれ 2.4 W、3.6 W、6.0 W、出力電力の 3.7 %、5.6 %、9.3 % です。k が 2 を超えると効果は急に小さくなり、k = 3 でも 1.8 W かかります。

k を上げると損失は減りますが、ドレイン電圧は V_or 分そのまま上がります。高圧入力 373 V、反射 107 V なら k = 2 で 588 V です。650 V MOSFET を 90 % ディレーティングすると 585 V までなので、許される最大のクランプ比は約 1.97、そのときの損失は 2.44 W です。Fairchild AN-4147 が勧める反射電圧の 2~2.5 倍は、このトランスとこの MOSFET の組み合わせでは届きません。

逃げ道は二つありますが、どちらも別のところで代償を払います。800 V MOSFET なら k = 2.5 以上も取れますが、オン抵抗が増えるかダイが大きくなります。あるいは反射電圧を下げます。巻数比を 5.5:1 から 5:1 にすると V_or は 97.5 V、k = 2 で 568 V になりますが、低圧入力のデューティと一次 RMS 電流が増えます。インターリーブ巻線などで漏れインダクタンス自体を減らせば ½·L_lk·I_pk² の項を直接削れるので、一番安く節約できるワットであることが多いです。

クランプ抵抗は設計点で一度決めます。214 V、2.4 W なら 19.1 kΩ、65 kHz でリプル 10 % なら約 8 nF です。しかし RCD クランプには電圧の基準がありません。クランプ電圧は V_clamp²/R が漏れから押し込まれる電力と釣り合うところに落ち着き、その電力はピーク電流で決まります。

この例は高圧入力で DCM 動作になり、ピーク電流が 2.13 A と少し低いので、クランプは約 209 V、ドレインは約 582 V でぎりぎり限度内です。50 % 負荷ではピーク電流が 1.5 A 前後でクランプは約 170 V、20 % 負荷では約 138 V（k ≈ 1.3）まで下がります。ここでは k/(k − 1) の代償が再び大きくなり、出力 13 W に対して抵抗は V_clamp²/R ≈ 1 W を消費し続けます。軽負荷の値は DCM と効率 88 % を仮定した推定です。

そのため抵抗の代わりに TVS やツェナーを使う、あるいは小さい抵抗と直列にする設計があります。クランプ電圧が固定されれば軽負荷で k が崩れませんが、その部品は定格負荷でクランプ電力をすべて受け持つ必要があります。

漏れインダクタンスは二次巻線をすべて短絡し、一次側からスイッチング周波数付近で測ります。トランスと MOSFET ドレイン間の PCB ループインダクタンスもクランプから見えるので加えてください。ピーク電流は定常の定格値ではなく、起動時や負荷急変時の電流制限オーバーシュートも含めた、コントローラが許す最大値を使います。このサイトのフライバック計算機も同じクランプ式を使い、V_clamp、R、C、リセット時間を表示し、クランプ損失が出力の 5 % を超えると警告します。

• Fairchild Semiconductor, AN-4147 "Design Guidelines for RCD Snubber of Flyback Converters," Rev. 1.1.0, 2006（クランプ損失の式、2~2.5·nV_o の推奨、リプル 5~10 %）。
• 本記事の数値は上記の式を用いて Python で計算しました。軽負荷のクランプ電圧は DCM 動作を仮定した推定値です。