軟開(kāi)關(guān)專利技術(shù)綜述

付文英

摘 要：隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，軟開(kāi)關(guān)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于較高電壓輸入和中大功率變換領(lǐng)域中，本文主要根據(jù)軟開(kāi)關(guān)的技術(shù)發(fā)展路線，通過(guò)檢索，統(tǒng)計(jì)和分析了軟開(kāi)關(guān)領(lǐng)域的專利申請(qǐng)，重點(diǎn)梳理了重要申請(qǐng)人、技術(shù)分布等狀況等信息，同時(shí)闡述了重點(diǎn)專利的技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)。

關(guān)鍵詞：軟開(kāi)關(guān)；諧振變換器；專利

在電力電子中，通過(guò)在原來(lái)開(kāi)關(guān)電路中增加輔助諧振元件，形成新的輔助換流回路，通過(guò)引入諧振過(guò)程，降低電壓和電流的變換率，減小或消除開(kāi)關(guān)損耗和EMI，而具有這樣開(kāi)關(guān)過(guò)程的開(kāi)關(guān)稱為軟開(kāi)關(guān)。軟開(kāi)關(guān)的專利申請(qǐng)正在逐年增加。本文主要從涉及軟開(kāi)關(guān)的專利申請(qǐng)量、國(guó)內(nèi)外申請(qǐng)人和關(guān)鍵技術(shù)等方面進(jìn)行分析，為以后提高審查效率奠定基礎(chǔ)。

1 專利申請(qǐng)現(xiàn)狀

作者在中英文摘要庫(kù)、全文庫(kù)利用關(guān)鍵詞和分類號(hào)等多種檢索手段對(duì)相關(guān)專利進(jìn)行檢索。其中，涉及的主要分類號(hào)有H02M1/34（緩沖電路），H02M1/36，H02M2001/342，H02M2001/344，H02M2001/346，并且在檢索中發(fā)現(xiàn)一些關(guān)于軟開(kāi)關(guān)的電路是依照其所適用的相關(guān)變換器進(jìn)行分類的，此時(shí)可以采用關(guān)鍵詞對(duì)軟開(kāi)關(guān)進(jìn)行限定，而常用的關(guān)鍵詞包括有軟開(kāi)關(guān)、軟切換、零電壓、零電流、ZCS、ZVS、諧振、緩沖、吸收等。

軟開(kāi)關(guān)技術(shù)在2000年以前申請(qǐng)量較少，屬于一種新興的技術(shù)，可以看出，其申請(qǐng)量在2008年到2009年突然增加，并在2011年達(dá)到高峰，雖然在2012年有小幅回落，但總體維持在增長(zhǎng)的狀態(tài)。從申請(qǐng)人的分布來(lái)看，大學(xué)的申請(qǐng)量占主要部分。但是，隨著技術(shù)的發(fā)展，作者預(yù)測(cè)軟開(kāi)關(guān)的公司申請(qǐng)量將是軟開(kāi)關(guān)技術(shù)以后的主要增長(zhǎng)力量。從技術(shù)分布來(lái)看，涉及軟開(kāi)關(guān)的技術(shù)主要分布在隔離型直流-直流變換中，占申請(qǐng)量的39%，這是因?yàn)楦綦x型變換電路是軟開(kāi)關(guān)的研究熱點(diǎn)，在以后的申請(qǐng)量中還將會(huì)成為主力軍。

2 技術(shù)發(fā)展

軟開(kāi)關(guān)的提出引起了各種技術(shù)的改進(jìn)，同時(shí)軟開(kāi)關(guān)本身也提出了各種變換電路，其關(guān)鍵技術(shù)主要集中在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和與之相關(guān)的控制方法。下面分別列出各主要技術(shù)的核心專利并進(jìn)行分析。

（1）隔離型的DC-DC電路

隔離型DC-DC電路是指利用變壓器進(jìn)行功率傳輸，實(shí)現(xiàn)輸入與輸出之間的隔離，早期提出涉及軟開(kāi)關(guān)的隔離型DC-DC電路的專利申請(qǐng)是美國(guó)的一家軟件公司W(wǎng)ISC提出的申請(qǐng)?zhí)枮閁S19890415078A的關(guān)于帶有軟開(kāi)關(guān)的DC-DC變換器，申請(qǐng)日為1989年09月29日，涉及的是一種帶有軟開(kāi)關(guān)的DC-AC-DC電路，本申請(qǐng)將軟開(kāi)關(guān)應(yīng)用到了帶隔離的DC-DC電路中，并結(jié)合的MOS管的特性，利用LC諧振電路實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，為軟開(kāi)關(guān)與DC-DC電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的結(jié)合奠定了基礎(chǔ)。

2001年南京航空航天大學(xué)提出了一種零電壓零電流開(kāi)關(guān)混合全橋型三電平直流變換器，申請(qǐng)?zhí)枮镃N011271825，本申請(qǐng)充分利用高壓開(kāi)關(guān)管IGBT，并結(jié)合MOS管，減小濾波器體積，改善變換器的動(dòng)態(tài)特性，為阮新波在軟開(kāi)關(guān)領(lǐng)域研究的早期代表。

2010年山東大學(xué)提出了申請(qǐng)?zhí)枮?010206447849的一種光伏高頻隔離升壓軟開(kāi)關(guān)DC/DC變換器電路，本申請(qǐng)重在提高了變換器的帶載能力，實(shí)現(xiàn)了全功率范圍內(nèi)的變換器的軟開(kāi)關(guān)。此時(shí)，軟開(kāi)關(guān)在DC/DC隔離電路中的應(yīng)用已經(jīng)從理論上實(shí)現(xiàn)了真正的實(shí)用價(jià)值。

（2）非隔離性的BUCK、BOOST的DC-DC電路

利用BUCK、BOOST電路對(duì)輸入的直流電進(jìn)行升降壓以獲得需要的直流電是DC-DC電路的重要組成部分，因此，軟開(kāi)關(guān)與此類電路的結(jié)合就顯得尤為重要。早期涉及此類電路的是1990年3月美國(guó)的一家電子公司提出的，申請(qǐng)?zhí)枮閁S19900521061，本申請(qǐng)?jiān)谠凶儞Q器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上添加上諧振元件而形成的，為非隔離的DC-DC電路提供了雛形。

2002年8月5日浙江大學(xué)提出了一種三電平無(wú)源軟開(kāi)關(guān)直流變換器電路，申請(qǐng)?zhí)枮镃N021364265，本申請(qǐng)利用BUCK或BOOST電路形成了帶有軟開(kāi)關(guān)的三電平直流變換器，為非隔離型DC-DC電路開(kāi)辟了新的路徑，在該電路的環(huán)流過(guò)程，功率開(kāi)關(guān)管無(wú)電壓過(guò)沖，二極管導(dǎo)通時(shí)無(wú)電流過(guò)沖，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且成本低。

2010年5月3日三墾電氣株式會(huì)社提出了一種根據(jù)負(fù)載狀態(tài)對(duì)軟開(kāi)關(guān)電路控制的DCDC轉(zhuǎn)換器，申請(qǐng)?zhí)枮镴P2010108131，本申請(qǐng)的控制電路根據(jù)負(fù)載狀態(tài)控制軟開(kāi)關(guān)電路的切換，并且在主開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)進(jìn)行軟開(kāi)關(guān)以減小由開(kāi)關(guān)的斷開(kāi)產(chǎn)生的損耗，適用于混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車，將軟開(kāi)關(guān)的技術(shù)緊密的結(jié)合到了實(shí)際應(yīng)用中。

（3）整流電路和逆變電路

整流和逆變電路是開(kāi)關(guān)電源中的一個(gè)重要分支，其包括的電路拓?fù)浜涂刂品椒ê芏?，是研究軟開(kāi)關(guān)應(yīng)用的不可或缺的部分，早期的涉及此類軟開(kāi)關(guān)是美國(guó)公司ELPO在1993年3月提出的一種帶有軟開(kāi)關(guān)的逆變器，申請(qǐng)?zhí)枮閁S1993000029138，為了減小開(kāi)關(guān)損耗，本申請(qǐng)利用包括有兩個(gè)零電流關(guān)斷的開(kāi)關(guān)支路并聯(lián)在逆變電路兩端，靠與之串聯(lián)的電容、電感實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，為諧振電路在逆變中的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)條件。

接下來(lái)，2000年中興通訊提出了一種具有改進(jìn)結(jié)構(gòu)的全橋移相零壓零流電路，申請(qǐng)?zhí)枮镃N002497573，本申請(qǐng)?jiān)诂F(xiàn)有的全橋移相零壓零流電路基礎(chǔ)上構(gòu)造了一個(gè)帶有電容和二極管的輔助諧振電路，解決全橋移相零壓零流電路中超前臂的軟開(kāi)關(guān)范圍窄和輕載效率低的問(wèn)題，擴(kuò)寬了軟開(kāi)關(guān)在全橋電路中的應(yīng)用。

相繼的，2004年4月13日浙江大學(xué)提出了一種復(fù)合有源箝位三相交流-直流功率因數(shù)校正變換器，申請(qǐng)?zhí)枮镃N2004100178138，本申請(qǐng)的變換器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抑制了全控開(kāi)關(guān)的反并聯(lián)二極管的反向恢復(fù)，實(shí)現(xiàn)了所有開(kāi)關(guān)的軟開(kāi)關(guān)，代表了比較成熟的具有軟開(kāi)關(guān)的整流電路的應(yīng)用。

2013年株式會(huì)社京三制作所提出了一種帶有軟開(kāi)關(guān)的單相逆變器，通過(guò)在單相逆變器的電源側(cè)設(shè)置電容，在橋式電路的輸出側(cè)設(shè)置電感，無(wú)需輔助開(kāi)關(guān)或電容，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且損耗小，是現(xiàn)在軟開(kāi)關(guān)電路的研究重點(diǎn)。

3 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)重要申請(qǐng)人的技術(shù)路線

目前，國(guó)際上如豐田、三墾電氣、三星電子都相繼推出了軟開(kāi)關(guān)的相關(guān)的成熟產(chǎn)品。同時(shí)，國(guó)內(nèi)也逐漸開(kāi)始研究軟開(kāi)關(guān)，在不斷的提出簡(jiǎn)單易實(shí)踐的電路及控制方法，如浙江大學(xué)、南京航空航天大學(xué)等，另外許多科研單位及公司也關(guān)注到了軟開(kāi)關(guān)的優(yōu)點(diǎn)，正逐步將零電壓零電流的優(yōu)點(diǎn)應(yīng)用到實(shí)踐中，其中以華為、臺(tái)達(dá)、陽(yáng)光電源、中興、英飛凌為主。

浙江大學(xué)作為本領(lǐng)域的重要中國(guó)申請(qǐng)人共申請(qǐng)相關(guān)專利60篇，早期的專利主要是在交流-直流-交流、逆變、直流-交流-直流或直流-直流電路中利用電感、電容、二極管、輔助開(kāi)關(guān)器件實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)以提高電路的工作效率，如CN99203189（申請(qǐng)日：1999年2月4號(hào)），CN00202500（申請(qǐng)日：2000年1月24號(hào)），CN01132208（申請(qǐng)日：2001年11月13日），中期的專利主要致力于變換器中所有的開(kāi)關(guān)均能實(shí)現(xiàn)零電壓零電流開(kāi)關(guān)，提高電路的功率因數(shù)，減小電路諧波，如CN200510061692（申請(qǐng)日：2005年11月25日），CN200620104123（申請(qǐng)日：2006年05月30日），CN201010295396（申請(qǐng)日：2010年09月27日）；近期的專利主要針對(duì)于能夠適用于多種控制方法和電路的軟開(kāi)關(guān)，這樣能夠擴(kuò)寬軟開(kāi)關(guān)的實(shí)用性，如CN201310360447（申請(qǐng)日：2013年08月18日），CN201410381479（申請(qǐng)日2014年08月05日）。

4 總結(jié)

本文對(duì)軟開(kāi)關(guān)的技術(shù)進(jìn)行了專利技術(shù)的分析，審查員能夠從該技術(shù)的發(fā)展掌握軟開(kāi)關(guān)的重點(diǎn)專利，從而能夠快速獲得現(xiàn)有技術(shù)，理解發(fā)明，有針對(duì)型的對(duì)相關(guān)專利進(jìn)行檢索審查，在提高檢索效率的同時(shí)，注重審查質(zhì)量。

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（作者單位：國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局 專利審查協(xié)作天津中心）