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开关变换器学习

缓冲电路与钳位电路

目标

Section titled “目标”
  • 区分钳位电路（clamp）和缓冲电路（snubber）：前者限制峰值电压并吸收漏感能量，后者使振铃（ringing）衰减。
  • 由两次测量求出振铃节点的寄生电容（parasitic capacitance）和寄生电感（parasitic inductance），并据此确定 RC 缓冲电路的参数。
  • 估算钳位电路和缓冲电路的耗散功率。

理论

Section titled “理论”

钳位电路

Section titled “钳位电路”

反激变换器的开关管关断（turn-off）时，漏感（leakage inductance）使电流继续流动，把漏极电压推高到输入电压与反射的输出电压（反射电压）之和以上，直到被钳位电路限制 [Kollman 2024]（钳位时的开关管电压）。钳位电路吸收的能量多于漏感能量；钳位电压越接近反射电压（reflected voltage），漏感电流复位（reset）所需的时间越长（复位时间），钳位电路的耗散也越大（钳位功率）[Kollman 2024]。RCD 钳位电路的电压稳定在其电阻恰好耗散钳位功率的数值上（RCD 钳位电压）。TVS 的钳位电压等于其击穿电压（breakdown voltage）加上动态电阻（dynamic resistance）与电流之积（TVS 钳位电压）[STMicroelectronics 2022]。钳位检查可确定这两种钳位电路的参数。

振铃及其寄生参数

Section titled “振铃及其寄生参数”

开关管或二极管停止导通时，节点的寄生电感和寄生电容会产生振铃。它们的数值可由两次测得的振铃频率求出：一次在原电路上测量，一次在节点两端并联一个已知电容后测量 [Nexperia 2024]：

Cpar=Cadd(fr0fr1)2−1C_\mathrm{par} = \frac{C_\mathrm{add}}{\left(\frac{f_{r0}}{f_{r1}}\right)^{2} - 1}
CparC_\mathrm{par}
节点的寄生电容（parasitic capacitance）
CaddC_\mathrm{add}
为测量而外加的电容
fr0f_{r0}
原电路的振铃频率
fr1f_{r1}
外加 Cadd 时的振铃频率
由两个振铃频率求寄生电容✓ 经 8 项测试验证
假设、约定与出处
假设
  • 无阻尼 L-C 谐振
  • 外加电容不改变参与振铃的电感
备注
外加与 CparC_\mathrm{par} 相当的电容可使频率明显降低（外加三倍 CparC_\mathrm{par} 可使频率减半）；小得多的电容引起的频率变化太小，无法测出
出处
Nexperia 2024, Sec. 3 (Determining C_LK and L_LK): the ringing frequency before and after a known capacitor is added; derived here
推导
sympy 逐步推导
公式 id
snub.C_par · equations.yaml 条目
Lpar=14π2fr02CparL_\mathrm{par} = \frac{1}{4 \pi^{2} f_{r0}^{2} C_\mathrm{par}}
LparL_\mathrm{par}
寄生（振铃）电感
CparC_\mathrm{par}
节点的寄生电容（parasitic capacitance）
fr0f_{r0}
原电路的振铃频率
振铃节点的寄生电感✓ 经 8 项测试验证
假设、约定与出处
假设
  • 无阻尼 L-C 谐振
出处
Nexperia 2024, Sec. 3 (Determining C_LK and L_LK): the inductance from the ringing frequency and the capacitance; derived here
推导
sympy 逐步推导
公式 id
snub.L_par · equations.yaml 条目

RC 缓冲电路

Section titled “RC 缓冲电路”

在节点两端跨接电阻与电容的串联支路，即可使振铃衰减。AN11160 依次确定这两个元件 [Nexperia 2024]：

  • 电容。取 CparC_\mathrm{par} 的一到两倍作为起点较好，这是损耗与峰值电压之间的折中。它还必须足够大，能吸收寄生电感的能量；又必须足够小，能在导通时间（on-time）内放完电。
  • 电阻。由寄生电感、电阻与缓冲电容串联回路的阻尼比（damping factor）确定。阻尼比在 0.5 到 1 之间时峰值电压最低；该范围内的最佳值要通过试验几个取值来找到。
Rsnub=2ζLparCsnubR_\mathrm{snub} = 2 \zeta \sqrt{\frac{L_\mathrm{par}}{C_\mathrm{snub}}}
RsnubR_\mathrm{snub}
缓冲电阻
CsnubC_\mathrm{snub}
缓冲电容
LparL_\mathrm{par}
寄生（振铃）电感
ζ\zeta
阻尼比（damping factor）
按阻尼比确定的 RC 缓冲电路电阻✓ 经 8 项测试验证
假设、约定与出处
假设
  • 无阻尼 L-C 谐振
备注
AN11160 采用寄生电感、电阻和缓冲电容三者串联的阻尼比，并将其取在 0.5 到 1 之间，以使峰值电压最低：电阻介于 Lpar/Csnub\sqrt{L_\mathrm{par}/C_\mathrm{snub}} 与其两倍之间，该范围内的最佳值通过试验确定。该阻尼比不计入节点自身的电容
出处
Nexperia 2024, Sec. 2 (Designing the snubber - theory): the damping factor and the range of the snubber resistor; Sec. 4: the best value by trials
推导
sympy 逐步推导
公式 id
snub.R · equations.yaml 条目

每个边沿（edge）都对缓冲电容充电或放电。由此增加的损耗与电阻无关；无论有无缓冲电路，寄生电感的能量都会损耗掉 [Nexperia 2024]：

P=CsnubVsnub2fsP = C_\mathrm{snub} V_\mathrm{snub}^{2} f_s
PP
功率
CsnubC_\mathrm{snub}
缓冲电容
VsnubV_\mathrm{snub}
每个边沿的电压摆幅
fsf_s
开关频率
RC 缓冲电路增加的损耗✓ 经 7 项测试验证
假设、约定与出处
假设
  • 缓冲电容在一个边沿经其电阻充电到 V，在另一个边沿经该电阻放电，每个开关周期各一次
备注
经电阻给缓冲电容充电时，损失的能量与电容储存的能量相等，即 ½ C V²；下一个边沿经电阻和开通的开关管使其放电，储存的能量随之损失：每个周期共 C V²，与电阻值无关。无论有无缓冲电路，寄生电感的能量都会损失。缓冲电容越大，最佳电阻所能达到的峰值电压越低，损耗也越大
出处
Nexperia 2024, Sec. 2 (Designing the snubber - theory): the average power loss due to the snubber; derived here; Erickson & Maksimović 2020, Ch. 4 (Switch Realization: the energy of a capacitance charged at each switching edge is dissipated)
推导
sympy 逐步推导
公式 id
snub.P · equations.yaml 条目

电容越大，采用最佳电阻时所能达到的峰值电压越低，但损耗也越大：缓冲电路是阻尼与损耗之间的折中 [Nexperia 2024]。

电阻需要单独确定其额定值。在给电容充电的边沿，电阻吸收的能量与电容储存的能量相同，此外还要吸收寄生电感的能量；AN11160 据此确定电阻的额定值 [Nexperia 2024]：

PR,snub=fs(CsnubVsnub2+LparIring2)2P_{R,\mathrm{snub}} = \frac{f_s \left(C_\mathrm{snub} V_\mathrm{snub}^{2} + L_\mathrm{par} I_\mathrm{ring}^{2}\right)}{2}
PR,snubP_{R,\mathrm{snub}}
缓冲电阻的耗散功率
CsnubC_\mathrm{snub}
缓冲电容
IringI_\mathrm{ring}
振铃开始时的电流
LparL_\mathrm{par}
寄生（振铃）电感
VsnubV_\mathrm{snub}
每个边沿的电压摆幅
fsf_s
开关频率
RC 缓冲电路电阻的耗散功率✓ 经 8 项测试验证
假设、约定与出处
假设
  • 每个开关周期一次、给缓冲电容充电的边沿：寄生电感流过 I_ring 时节点电压阶跃 V_snub；不计节点自身的电容（AN11160）
备注
AN11160 按这一边沿确定电阻的额定值：电阻吸收的能量等于电容储存的能量加上寄生电感的能量。该值可能超过缓冲电路增加的损耗（`snub.P`），后者不计寄生电感的能量，因为无论有无缓冲电路，这部分能量都会损失。若开通的开关管经电阻使电容放电，该边沿同样会使电阻发热，热量最多为电容储存的能量，电阻的额定值必须考虑这一点
出处
Nexperia 2024, Sec. 4 (Designing the snubber - in practice): the power dissipation in the snubber resistor; Sec. 2: the energy lost in the resistor at turn-off; derived here
推导
sympy 逐步推导
公式 id
snub.P_R · equations.yaml 条目

若开通的开关管经电阻为电容放电，该边沿也会使电阻发热，其能量最多可达电容储存的能量。

例题

Section titled “例题”

一个示例振铃节点及其缓冲电路：

RC 缓冲电路示例
符号数值求法
fr0f_{r0} 原电路的振铃频率20 MHz已知
fr1f_{r1} 外加 Cadd 时的振铃频率10 MHz已知
CaddC_\mathrm{add} 为测量而外加的电容150 pF已知
CsnubC_\mathrm{snub} 缓冲电容100 pF已知
ζ\zeta 阻尼比（damping factor）0.75已知
VsnubV_\mathrm{snub} 每个边沿的电压摆幅100 V已知
fsf_s 开关频率100 kHz已知
IringI_\mathrm{ring} 振铃开始时的电流500 mA已知
CparC_\mathrm{par} 节点的寄生电容（parasitic capacitance）50 pF由两个振铃频率求寄生电容
LparL_\mathrm{par} 寄生（振铃）电感1.27 µH振铃节点的寄生电感
RsnubR_\mathrm{snub} 缓冲电阻169 Ω按阻尼比确定的 RC 缓冲电路电阻
PP 功率100 mWRC 缓冲电路增加的损耗
PR,snubP_{R,\mathrm{snub}} 缓冲电阻的耗散功率65.8 mWRC 缓冲电路电阻的耗散功率

并联 150 pF 后，振铃频率从 20 MHz 降到 10 MHz，因此节点自身的电容为 50 pF，电感为 1.27 µH。取缓冲电容为 100 pF，即 CparC_\mathrm{par} 的两倍，阻尼比取范围中点 0.75，得到电阻 169 Ω。节点电压摆幅（swing）为 100 V、频率为 100 kHz 时，缓冲电路增加 100 mW 的损耗。振铃开始时寄生电感中的电流为 500 mA，电阻在给电容充电的边沿耗散 65.8 mW；若另一个边沿经电阻为电容放电，耗散还会更大。

动手试试

Section titled “动手试试”

▶ 在公式浏览器中打开：由两个振铃频率求寄生电容
预设取自例题 rc-snubber

扫描（sweep）fr1f_{r1}，使其趋近 fr0f_{r0}：频率只下降一点，求得的 CparC_\mathrm{par} 就很大，而任一频率的微小误差都会使它产生很大误差。所加电容应足够大，使频率明显下降。

钳位检查根据反激变换器的漏感和峰值电流确定其 TVS 或 RCD 钳位电路的参数。

实验练习

Section titled “实验练习”

用带短接地弹簧（ground spring）的探头测量开关节点，读出开关边沿（switching edge）之后的振铃频率。在器件附近并联一个 C0G 电容，其容量为预计寄生电容的几倍，然后再读一次频率。计算 CparC_\mathrm{par} 和 LparL_\mathrm{par}，选定缓冲电容，并按范围内的阻尼比选定电阻，再在其附近试几个电阻值。用额定值满足其耗散功率的电阻搭建缓冲电路（缓冲电阻的耗散功率），并检查峰值电压和电阻的温度。

易错点

Section titled “易错点”
  • 按实际电流下的钳位电压（clamping voltage）评估 TVS。其钳位电压等于击穿电压加上动态电阻与电流之积，而不只是击穿电压 [STMicroelectronics 2022]。
  • 钳位电压接近反射电压会浪费功率。此时钳位电路吸收的能量远多于漏感能量 [Kollman 2024]。
  • 缓冲电路的损耗并不等于其电阻的额定值。无论电阻取何值，缓冲电路增加的损耗都由电容、电压摆幅和开关频率决定 [Nexperia 2024]；电阻还要吸收寄生电感的能量（缓冲电阻的耗散功率）。

延伸阅读

Section titled “延伸阅读”
  • 应用笔记 Designing RC snubbers (AN11160) — Nexperia · 访问于 2026-09-24
    如何借助外加电容求出振铃节点的寄生电容和寄生电感，再选择 RC 缓冲电路的电容，并按阻尼比确定其电阻，在峰值电压与损耗之间折中。
  • 技术文章 Snubbing the flyback converter (SSZTCV6) — R. Kollman, Texas Instruments · 访问于 2026-09-24
    反激变换器的漏感如何把开关管电压推高到反射电压之上，以及钳位电压与钳位损耗之间的权衡。
  • 图书章节 Switch Realization (Ch. 4) — R. W. Erickson, D. Maksimović · 访问于 2026-09-23
    晶体管和二极管如何实现理想开关，以及开关损耗从何而来。

测验

Section titled “测验”

  1. 某节点的振铃频率为 20 MHz，在其两端并联 150 pF150\,\mathrm{pF} 后为 10 MHz。节点自身的电容是多少？

    1. 150 pF150\,\mathrm{pF}
    2. 50 pF50\,\mathrm{pF}
    3. 75 pF75\,\mathrm{pF}
    4. 37.5 pF37.5\,\mathrm{pF}
    答案与解析

    正确答案：B 频率减半需要四倍的电容，因此所加的 150 pF 是节点自身电容的三倍。

  2. AN11160 如何选择 RC 缓冲电路的电阻？

    1. 尽可能小
    2. 尽可能大
    3. 使寄生电感、电阻与缓冲电容串联回路的阻尼比在 0.5 到 1 之间，再试验几个取值
    4. 等于负载电阻
    答案与解析

    正确答案：C 阻尼比在 0.5 到 1 之间时峰值电压最低；该范围内的最佳值通过试验找到。

  3. 一个 220 pF220\,\mathrm{pF} 的 RC 缓冲电路在每个边沿承受 100 V 的电压摆幅，频率为 100 kHz。它增加多少损耗？

    1. 0.22 W0.22\,\mathrm{W}
    2. 0.11 W0.11\,\mathrm{W}
    3. 22 mW22\,\mathrm{mW}
    4. 2.2 W2.2\,\mathrm{W}
    答案与解析

    正确答案：A 缓冲电容的充电和放电各损失 C V 平方的一半：每个周期损失 C V 平方，再乘以频率。

  4. 缓冲电阻的阻值如何影响缓冲电路的损耗？

    1. 电阻越大，损耗越低
    2. 没有影响：损耗由电容、电压摆幅和频率决定
    3. 电阻越小，损耗越低
    4. 损耗发生在电容中，而不在电阻中
    答案与解析

    正确答案：B 经电阻给电容充电，无论阻值多大，都损失 C V 平方的一半；下一个边沿再损失储存的另一半。

  5. AN11160 以多大的缓冲电容作为起点？

    1. 节点自身电容的十分之一
    2. 节点自身电容的一百倍
    3. 节点自身电容的一到两倍
    4. 与输出电容一样大
    答案与解析

    正确答案：C 这是一种折中：电容越大，采用最佳电阻时所能达到的峰值电压越低，但损耗也随之增大。

  6. 按 TVS 模型，一个击穿电压为 150 V、动态电阻为 0.5 Ω0.5\,\Omega 的 TVS 流过 10 A 电流。其钳位电压是多少？

    1. 155 V155\,\mathrm{V}
    2. 150 V150\,\mathrm{V}
    3. 145 V145\,\mathrm{V}
    4. 160 V160\,\mathrm{V}
    答案与解析

    正确答案：A 击穿电压加上动态电阻与电流之积：150 V 加 5 V。

  7. 若反激变换器钳位电路的电压设定得仅略高于反射电压，其损耗会怎样？

    1. 降到每个周期的漏感能量
    2. 远高于每个周期的漏感能量
    3. 变为零
    4. 不变
    答案与解析

    正确答案：B 此时漏感电流需要很长时间才能复位，在此期间钳位电路持续从变压器吸取能量。

  8. 在给缓冲电容充电的边沿，AN11160 认为电阻吸收的能量与电容储存的能量相同。确定电阻的额定值时，它还计入了什么？

    1. 负载功率
    2. 没有其他
    3. 振铃开始时寄生电感的能量
    4. 栅极驱动能量
    答案与解析

    正确答案：C 振铃开始时寄生电感中的能量也进入电阻，因此电阻的耗散可能大于缓冲电路增加的损耗。

本站例题、预设和练习中的数值均为合成值：为教学而凑整的数值，并非来自任何实际设计的数据。