M5 · 反激变换器的电压与一次侧钳位电路

目标

• 求出反激（flyback）变换器的开关管和输出二极管所阻断的电压，并在仿真器中核对开关管的电压。
• 加入漏感（leakage inductance），了解为什么需要钳位电路（clamp）。
• 确定一个与开关管额定值之间留有裕量的 RCD 或 TVS 钳位电路，并说明它在耗散功率和空载时所允许的输出电压两方面的代价。

开始之前

• 阅读反激变换器、漏感和缓冲电路与钳位电路。
• 匝比为 1:$n$，其中 $n$ 为二次绕组匝数除以一次绕组匝数，因此一次侧所见的是输出电压除以 $n$。

步骤

1. 理想反激变换器的电压

CCM 反激变换器示例的参数为 $V_g$ = 48 V、$n$ = 0.25 和 $D$ = 0.4。求出它的输出电压、开关管关断期间阻断的电压（关断时的开关管电压），以及开关管导通期间输出二极管的反向电压（二极管反向电压）。将后两个电压填入下方。

2. 在仿真器中核对

在仿真器中打开该示例，将图表下方表格中的开关管电压与你的计算值比较：

▶ 在仿真器中打开：反激
预设取自例题 flyback-ccm

仿真器中的变压器没有漏感，因此开关管电压在关断时没有尖峰：它直接跃升到输入电压加反射电压（reflected voltage）。

3. 反射电压

存在漏感时，开关管关断的瞬间，漏感中仍流着一次电流的峰值，它把漏极电压推高到输入电压加反射电压以上，直到被钳位电路限制 [Kollman 2024]。钳位示例是在更高输入电压下工作的同类反激变换器。求出它们的反射电压（反射电压）：任何钳位电路的钳位电压都必须高于该值。

4. RCD 钳位电路

用 RCD 示例打开钳位检查：

▶ 在钳位检查中打开：带 RCD 一次侧钳位的反激变换器示例
预设取自例题 clamp-rcd

将它给出的开关管电压填入下方。该电压距开关管额定值 150 V 的裕量很小。调整电阻，直到裕量至少为额定值的十分之一，并记下此时的钳位损耗。钳位电路在电压与损耗之间折中 [Kollman 2024]。

5. TVS 钳位电路与空载

打开同一工作点下的 TVS 示例：

▶ 在钳位检查中打开：带 TVS 一次侧钳位的反激变换器示例
预设取自例题 clamp-tvs

记下它的钳位电压、损耗，以及空载时它所允许的输出电压（钳位电路决定的输出电压上限）。将该上限填入下方，并与 RCD 钳位电路的空载行为比较，工具会对后者发出警告。

验收标准

• 无漏感时，CCM 反激变换器示例在开关管关断期间的开关管电压。
  你的数值（V）核对
  显示例题中的值

  80 V（出自 flyback-ccm：CCM 反激变换器示例，理想二极管）

• 开关管导通期间其输出二极管的反向电压。
  你的数值（V）核对
  显示例题中的值

  20 V（出自 flyback-ccm：CCM 反激变换器示例，理想二极管）

• 钳位示例的反射电压 $V_\mathrm{OR}$。
  你的数值（V）核对
  显示例题中的值

  50 V（出自 clamp-rcd：带 RCD 一次侧钳位的反激变换器示例）

• 采用 RCD 示例的钳位电路时的开关管电压。
  你的数值（V）核对
  显示例题中的值

  147 V（出自 clamp-rcd：带 RCD 一次侧钳位的反激变换器示例）

• 留出至少十分之一额定值作为裕量的 RCD 电阻，以及由此付出的钳位损耗。
• TVS 钳位电路在空载时所允许的输出电压。
  你的数值（V）核对
  显示例题中的值

  16 V（出自 clamp-tvs：带 TVS 一次侧钳位的反激变换器示例）

重置此任务

勾选记录只保存在此浏览器中：无需账号，也不发送任何数据。

易错点

• 反射电压包含二极管压降：一次侧的电压是输出电压加上该压降，再除以 $n$。
• 钳位电压接近反射电压时，对开关管看似安全，但此时漏感电流需要很长时间才能复位，钳位电路吸收的能量远多于漏感能量 [Kollman 2024]。复位需要整个周期时，工具会发出警告。
• 同时按最高输入电压和最大峰值电流校核开关管，即使二者从不同时出现：这样做是保守的。
• RCD 钳位电路只有在输出吸收功率时才能维持其电压。空载时，其电阻必须耗散全部能量，各电压会升到远高于此处计算值的水平（钳位检查中的空载时的输出电压）。

延伸阅读

• 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 Converter Circuits (Ch. 6) — R. W. Erickson, D. Maksimović · 访问于 2026-09-23
  各基本拓扑之间的关系，以及包括反激和正激变换器在内的变压器隔离型变换器。

测验

1. 一个 $n$ = 0.5（1:0.5）的反激变换器经压降为 0.5 V 的二极管输出 12 V。其反射电压是多少？

   1. 6.25 V
   2. 24 V
   3. 25 V
   4. 12.5 V
   答案与解析

   正确答案：C 一次侧的电压为输出电压加二极管压降，再除以 $n$：12.5 V 除以 0.5 得 25 V。

2. 同一反激变换器由 100 V 供电。没有漏感时，其开关管在关断期间阻断的电压是多少？

   1. 100 V
   2. 125 V
   3. 75 V
   4. 112 V
   答案与解析

   正确答案：B 输入电压加反射电压：100 V 加 25 V。

3. 开关管导通期间，其输出二极管阻断的电压又是多少？

   1. 62 V
   2. 50 V
   3. 12 V
   4. 112 V
   答案与解析

   正确答案：A 二次侧的电压为输入电压的 $n$ 倍，即 50 V，它与 12 V 的输出串联：62 V。

4. 增大 RCD 钳位电路的电阻。结果如何？

   1. 钳位电压升高，钳位电路的耗散减小
   2. 钳位电压降低，钳位电路的耗散减小
   3. 钳位电压升高，钳位电路的耗散增大
   4. 没有变化：钳位电压由电容决定
   答案与解析

   正确答案：A 钳位电压稳定在电阻恰好耗散钳位电路所吸收功率的数值上。电阻越大，所需的电压越高；而钳位电压比反射电压高得越多，吸收的能量就越少。

5. 钳位电压为什么必须高于反射电压？

   1. 否则开关管永远无法关断
   2. 否则输出二极管每次导通时钳位电路也随之导通，吸走本应送往输出的能量
   3. 否则输出二极管会击穿
   4. 不必如此：任何钳位电压都可以
   答案与解析

   正确答案：B 输出二极管导通期间，一次侧电压等于反射电压。低于该值的钳位电路会与变压器的输出通路并联导通。

6. 带 RCD 钳位电路的反激变换器失去负载。钳位电压会怎样？

   1. 保持原值
   2. 降到反射电压
   3. 升到远高于设计值，因为此时电阻必须耗散全部输入功率
   4. 降到零
   答案与解析

   正确答案：C 空载时，变换器吸取的全部能量最终都进入钳位电路。RCD 钳位电路的电压不断升高，直到其电阻能耗散这些能量，输出电压和开关管电压也随之升高。