RCDスナバ回路の設計｜放電阻止形で損失を減らす仕組みとC・Rの計算

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こんな悩みはありませんか？

RCスナバ回路の損失が大きすぎて、抵抗が熱くなって困っている…
RCDスナバって聞いたことあるけど、RCスナバと何が違うの？
ダイオードを追加するだけで本当に損失が減るの？

○ この記事でわかること

RCDスナバ回路で損失が減る本当の仕組み（「回生」ではない）
RCスナバとRCDスナバの決定的な違い
RCDスナバの設計手順と部品選定のポイント

前回の記事で、RCスナバ回路の設計計算について解説しました。しかし、RCスナバには「毎回のスイッチングでエネルギーを熱として捨てる」という宿命的な欠点があります。

スイッチング周波数が高くなればなるほど、損失は増大します。100kHzで動作させると、小さなスナバ回路でも数ワット〜数十ワットの発熱になることも珍しくありません。

この問題を解決するのが、今回紹介する「RCDスナバ回路」です。ダイオード（D）を足してつなぎ方を工夫すると、毎回捨てていたエネルギーの大部分を、そもそも捨てずにすむようになります。

前提知識
【完全図解】RCスナバ回路の設計計算｜抵抗値とコンデンサ容量の決め方 →

RCスナバの基本を理解してから読むと、違いがよくわかります。

RCスナバの「もったいない」問題

まず、RCスナバ回路が抱える根本的な問題を理解しましょう。

RCスナバのエネルギーの流れ

RCスナバ回路では、以下のサイクルが毎回のスイッチングで繰り返されます。

STEP 1

スイッチOFF → サージ発生

寄生インダクタンスに蓄えられたエネルギーがサージ電圧として現れる

STEP 2

コンデンサCが吸収

サージエネルギーがコンデンサに充電される

STEP 3

抵抗Rで放電 → 熱に変換

コンデンサに溜まったエネルギーが抵抗ですべて熱として消費される

STEP 4

スイッチON → STEP 1へ戻る

このサイクルがスイッチング周波数の回数だけ繰り返される

問題点：エネルギーを毎回「捨てている」
RCスナバでは、吸収したサージエネルギーを100%熱に変換しています。これは「せっかく集めたお金を毎回シュレッダーにかけている」ようなものです。スイッチング周波数が高いほど、この「もったいない」が積み重なります。

RCスナバの損失は「2つの部分」の合計

RCスナバでは、ターンオフのたびにコンデンサが電源電圧まで充電され、ターンオンのたびに抵抗を通って空になります。IGBT メーカーの富士電機は、ダイオードを足した「充放電形 RCD スナバ」の抵抗の損失を次の式で示しています。ロームのアプリケーションノートも、充放電形 RCD スナバの抵抗の損失は RC スナバと同じくらいになるとしています。

充放電形RCDスナバ(RCスナバもほぼ同じ)の抵抗の損失
P ＝ ½ × L_s × I_o² × f ＋ ½ × C_s × E_d² × f

L_s：配線などの寄生インダクタンス、I_o：ターンオフする電流、C_s：スナバのコンデンサ、E_d：直流電源の電圧、f：スイッチング周波数。第1項はサージのエネルギー、第2項はコンデンサを毎回電源電圧まで充電して空にするエネルギーです。

例として、L_s＝1μH、I_o＝10A、C_s＝10nF、E_d＝300V、f＝100kHz で計算します。

第1項：½ × 1×10⁻⁶ × 10² × 100×10³ ＝ 5 W

第2項：½ × 10×10⁻⁹ × 300² × 100×10³ ＝ 45 W

合計：約 50 W

損失の大部分（45W）は、サージそのものではなく、コンデンサを毎回空にしていることから出ています。この部分をなくすのが、次の「放電阻止形」の RCD スナバです。

RCスナバ・充放電形RCDスナバと放電阻止形RCDスナバのエネルギーの行方の比較。前者は毎回コンデンサを0Vから充電して放電し、½CsEd²とサージの½LsIo²を抵抗で熱にする。放電阻止形はコンデンサが電源電圧のままで、サージの分だけを抵抗で熱にする。どちらも電源には戻らない — どちらも抵抗で熱。放電阻止形は量が少ない

RCDスナバ回路とは？｜2つの型と、損失が減る本当の理由

RCDスナバ回路は、RCスナバにダイオード（D）を足した回路です。ダイオードの入れ方で2つの型があり、抵抗の損失の大きさがまったく違います（富士電機・ロームの資料の分け方）。

型	つなぎ方と動き	抵抗の損失（富士電機の式）
充放電形 RCD	ターンオフでコンデンサがダイオードを通ってすばやく充電され、ターンオンで抵抗を通って放電する。サージはよく抑えられるが、コンデンサは毎回空になる	½·L_s·I_o²·f ＋ ½·C_s·E_d²·f（RCスナバとほぼ同じ）
放電阻止形 RCD	抵抗の戻り先を直流電源の側にして、コンデンサが電源電圧より下まで放電しないようにした型。電源電圧を超えたサージの分だけをコンデンサが吸収し、抵抗で放電する	½·L_s·I_o²·f（サージの分だけ）

「回生」ではない｜損失が減る本当の理由

放電阻止形で損失が減るのは、ダイオードでエネルギーを電源に戻しているからではありません。コンデンサが電源電圧まで充電されたまま空にならないので、充放電形や RC スナバで毎回捨てていた ½·C_s·E_d² の分が、そもそも発生しないからです。電源電圧を超えたサージのエネルギー（½·L_s·I_o²）は、どちらの型でも抵抗で熱になります。

富士電機は、放電阻止形を「スナバの損失が小さく、IGBT に最も適したスナバ」としています。ロームは、損失が周波数でほとんど増えないのでコンデンサを大きくでき、サージをよく抑えられる一方、配線が複雑になる（多層の基板が要ることもある）と説明しています。

つまり
RCDスナバは、エネルギーを電源に回生する回路ではない。放電阻止形は「コンデンサを毎回空にしない」ことで損失を減らす。サージのエネルギーそのものを回収して使うには、アクティブクランプのような能動素子の回路が要る。

コンデンサの電圧の波形で見る充放電形RCDと放電阻止形RCD。充放電形はターンオフで400Vまで上がり300Vに落ち着いたあと、ターンオンで0Vまで放電する。放電阻止形は300Vのままで、ターンオフのサージで400Vまで上がって300Vに戻るだけ — 充放電形は毎回0Vまで空になり、放電阻止形は電源電圧のまま

RCスナバ vs RCDスナバ｜徹底比較

RCスナバと2つの RCD スナバの違いを、メーカーの資料の内容で整理します。

比較表：RCスナバ・充放電形RCD・放電阻止形RCD

比較項目	RCスナバ	充放電形RCD	放電阻止形RCD
構成部品	R＋C	R＋C＋D	R＋C＋D（R の戻り先を電源側に）
抵抗の損失	½LsIo²f＋½CsEd²f 程度	½LsIo²f＋½CsEd²f	½LsIo²f
エネルギーの行方	抵抗で熱	抵抗で熱	抵抗で熱（ただしコンデンサを毎回空にしない）
サージを抑える力	抵抗を通るぶん弱め	ダイオードを通ってコンデンサが吸収するので強い	強い。コンデンサを大きくしても損失が増えにくい
ターンオンの電流	大電流品では R を小さくする必要があり、ターンオンの電流が増える	R を大きくでき、ターンオンの負担が減る	－
配線	シンプル	ダイオードが増える	複雑（多層の基板が要ることもある）

RCDスナバのメリット

サージをよく抑えられる：ダイオードを通ってコンデンサに電流が流れるので、抵抗を通る RC スナバより吸収が早い
放電阻止形なら損失が小さい：上の例では 50W が 5W になる（次の「損失計算」）
抵抗の発熱が減る：放電阻止形では抵抗の定格を小さくでき、部品も小さくできる

RCDスナバのデメリット

部品点数が増える：ダイオードのぶんコストと実装面積が増える
ダイオードの選定が効く：過渡的な順電圧が高い・逆回復が遅い・ハードなダイオードだと、サージや振動がかえって大きくなる
放電阻止形は配線が複雑：スナバの配線のインダクタンスもサージの原因になるので、短く配置する工夫が要る

どれを選ぶ？
RCスナバ：電力が小さく、周波数も低く、シンプルにしたいとき
充放電形RCD：サージの抑えを強めたいが、損失はRCスナバ並みでよいとき
放電阻止形RCD：周波数が高い・電流が大きいなど、スナバの損失を小さくしたいとき

RCDスナバ回路の設計手順

RCDスナバ回路の設計は、基本的にはRCスナバと同じ考え方です。ただし、ダイオードの選定が追加されます。

設計フロー

STEP 1

パラメータ把握

→

STEP 2

C の決定

→

STEP 3

R の決定

→

STEP 4

D の選定

STEP 1〜3：C と R の設計

コンデンサ容量 C は、サージを何Vに抑えたいか（ΔV＝ピーク電圧−電源電圧）から決めます。富士電機の式 C_s＝L_s·I_o²／(V_CEP−E_d)² と同じ形です。抵抗 R は、RC スナバと放電阻止形で考え方が違います（下の囲み）。

コンデンサ容量 C

C = L × I² / ΔV²

抵抗値 R（臨界減衰）

R = 2 × √(L / C)

RCDスナバでの R の役割
放電阻止形では、R の役目は「次のターンオフまでにコンデンサの電圧を電源電圧の近くまで戻すこと」です。富士電機のマニュアルは、次のターンオフまでに蓄えた電荷の90%を放電する条件として R ≦ 1／(2.3 × C_s × f) を示し、R が小さすぎると電流が振動するので、この範囲でなるべく大きくするとしています（上の臨界減衰の式は RC スナバ用）。

STEP 4：ダイオード D の選定

RCDスナバで最も重要なのがダイオードの選定です。以下のポイントを確認しましょう。

チェック項目	確認内容	推奨
逆耐圧 V_R	V_max 以上か	V_max × 1.5倍以上
順方向電流 I_F	ピーク電流に耐えられるか	I × 2倍以上
逆回復時間 t_rr	スイッチング速度に追従できるか	高速リカバリ品（t_rr < 100ns）
順方向電圧 V_F	損失に影響	低いほど良い（過渡的な順電圧が低く、逆回復が短くソフトなもの）

ダイオード選定の鍵は「速さ」
RCDスナバでは、スイッチング速度に追従できる「高速ダイオード」が必須です。汎用ダイオード（1N400xシリーズなど）は遅すぎて使えません。ファストリカバリダイオードかショットキーバリアダイオードを選びましょう。

推奨ダイオードの種類

ファストリカバリダイオード

t_rr : 20〜100ns
耐圧：〜600V程度まで対応
コスト：比較的安価
用途：汎用的に使える

ショットキーバリアダイオード

t_rr : ほぼゼロ（超高速）
耐圧：シリコン品は低め。数百V以上の回路では SiC のショットキーを使う
V_F : 低い（0.3〜0.5V）
用途：低電圧・高効率向け

スナバの損失の計算例(Ls=1μH、Io=10A、Cs=10nF、Ed=300V、f=100kHz)。RCスナバ・充放電形RCDはサージの分5Wとコンデンサを空にする分45Wで計50W、放電阻止形RCDはサージの分5Wだけ — 損失は50W→5W。減ったのはコンデンサを空にする分

RCDスナバの損失計算

放電阻止形 RCD スナバでは、どれくらい損失が減るのでしょうか。富士電機のマニュアルの式で計算します。

放電阻止形RCDスナバの抵抗の損失
P ＝ ½ × L_s × I_o² × f

この式には、抵抗の値もコンデンサの容量も出てきません。抵抗の値に関係なく、サージで入ってきたエネルギー（½·L_s·I_o²）が、1回のスイッチングごとに抵抗で熱になるという意味です。

計算例：RCスナバ（充放電形）と比べる

前の節と同じ条件（L_s＝1μH、I_o＝10A、C_s＝10nF、E_d＝300V、f＝100kHz）で比べます。

RCスナバ・充放電形RCD：½ × 1×10⁻⁶ × 10² × 100×10³ ＋ ½ × 10×10⁻⁹ × 300² × 100×10³ ＝ 5 ＋ 45 ＝ 50 W

放電阻止形RCD：½ × 1×10⁻⁶ × 10² × 100×10³ ＝ 5 W

損失は 50W → 5W（約90%減）
減ったのは、コンデンサを毎回空にしていた 45W の分

このときのピーク電圧

富士電機はコンデンサの容量を C_s＝L_s·I_o²／(V_CEP−E_d)² で決めるとしています（V_CEP：コンデンサのピーク電圧）。この例では (V_CEP−300)²＝1×10⁻⁶×10²÷(10×10⁻⁹)＝10,000 なので、V_CEP＝400V。サージを電源電圧より100V高いところで抑えられます。

なお、½·L_s·I_o² は ½·C_s·(V_CEP−E_d)² と同じ値になるので、損失を ½·C·(ピーク電圧−電源電圧)²·f と書いても答えは同じ 5W です。実際の回路では、これにダイオードの損失が加わります。

なぜこんなに差が出る？
RCスナバでは、コンデンサを毎回 0V から 300V まで充電して空にする分（45W）と、サージの分（5W）を両方とも熱にしていました。放電阻止形では、コンデンサは 300V のまま空にならないので、熱になるのはサージの分（5W）だけです。300V 分のエネルギーを「電源に戻している」のではなく、「毎回捨てる必要がなくなった」のです。

参考にした資料

富士電機「IGBT Modules Application Manual」REH984g：第5章保護回路の設計（スナバの種類、充放電形・放電阻止形の損失の式、C_s・R_s の決め方、ダイオードの選び方）
ローム「SiC MOSFET Snubber circuit design methods」：RC・充放電形RCD・放電阻止形RCDスナバの違い

資料は改訂されることがあります。設計に使うときは、発行元の最新版で確かめてください。