RCD-Clamp-Snubber-Rechner — Flyback-Klemmschaltung für die Streuinduktivität

In einem Sperrwandler (Flyback) ist nicht der gesamte Fluss der Primärwicklung mit der Sekundärwicklung verkettet. Der nicht verkettete Anteil ist die Streuinduktivität $L_{lk}$, und wenn der MOSFET abschaltet, kann der Strom in ihr nirgendwohin fließen: Er lädt die Ausgangskapazität des MOSFET auf, und die Drain-Spannung schießt weit über die Eingangsspannung plus die reflektierte Ausgangsspannung $V_{in} + nV_o$ hinaus. Eine RCD-Klemmschaltung (RCD-Clamp) fängt diese Spannungsspitze ab. Eine Diode vom Drain lädt einen Kondensator, der um die Klemmspannung $V_{sn}$ über der Eingangsspannungsschiene liegt, und ein Widerstand parallel zum Kondensator baut die Energie in jeder Periode ab.

Verlustleistung der Klemmschaltung

Solange die Klemmschaltung leitet, hält die Sekundärseite die Magnetisierungsinduktivität auf $nV_o$, sodass $V_{sn} - nV_o$ an der Streuinduktivität abfällt und ihr Strom innerhalb der folgenden Zeit vom Spitzenwert $I_{pk}$ auf null sinkt:

Die Klemmschaltung nimmt pro Periode $V_{sn}I_{pk}t_s/2$ auf; daraus folgt die Verlustleistung der Klemmschaltung nach Fairchilds Application Note AN-4147 (Koo, Rev. 1.1.0, 2006):

Der erste Teil ist die in der Streuinduktivität gespeicherte Energie. Der Faktor $V_{sn}/(V_{sn} - nV_o)$ beschreibt die zusätzliche Energie, die der Transformator in die Klemmschaltung treibt, während der Strom in der Streuinduktivität abklingt: Er beträgt 2, wenn die Klemmspannung das Doppelte der reflektierten Spannung beträgt, und wächst unbegrenzt, wenn sich $V_{sn}$ dem Wert $nV_o$ nähert. Bei $nV_o$ oder darunter würde die Klemmschaltung dauernd leiten und die Ausgangsleistung übernehmen, deshalb lehnt der Rechner diesen Fall ab. AN-4147 empfiehlt für $V_{sn}$ das 2- bis 2,5-Fache von $nV_o$.

Widerstand, Kondensator und Spannungsbelastung

Im Widerstand wird $V_{sn}^2/R_{sn}$ umgesetzt, also ist $R_{sn} = V_{sn}^2/P_{sn}$. Der Kondensator wird für die zulässige Welligkeit $\Delta V_{sn}$ dimensioniert, üblicherweise 5 bis 10 % von $V_{sn}$:

Da die Klemmschaltung auf die Eingangsspannungsschiene zurückgeführt ist, erreicht der Drain einen Spitzenwert von $V_{in,max} + V_{sn}$, und die Diode sperrt dieselbe Spannung, während der MOSFET eingeschaltet ist. AN-4147 fordert, dass der Spitzenwert im eingeschwungenen Zustand unter 80 % der Nennspannung des MOSFET bleibt, und eine ultraschnelle Diode mit einer Sperrspannung darüber.

Gültigkeit

Die Gleichungen setzen voraus, dass die Spannung am Klemmkondensator über eine Schaltperiode konstant bleibt, was AN-4147 bis zu einer Welligkeit von 10 % als erfüllt ansieht; darüber warnt der Rechner. Sie setzen außerdem voraus, dass der Strom in der Streuinduktivität innerhalb der Schaltperiode auf null abklingt, was nicht möglich ist, wenn $t_s$ länger als die Periode ist; auch das wird markiert. Die Werte werden in beiden Fällen weiterhin angezeigt. Streuinduktivität und Spitzenstrom sind im Auslegungspunkt von AN-4147 anzusetzen, also bei minimaler Eingangsspannung und Volllast, wo die Verlustleistung der Klemmschaltung am höchsten ist.