軟開關(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)軟開關(guān)的技術(shù)發(fā)展路線，通過檢索，統(tǒng)計和分析了軟開關(guān)領(lǐng)域的專利申請，重點梳理了重要申請人、技術(shù)分布等狀況等信息，同時闡述了重點專利的技術(shù)發(fā)展脈絡(luò)。

關(guān)鍵詞：軟開關(guān)；諧振變換器；專利

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

1 專利申請現(xiàn)狀

作者在中英文摘要庫、全文庫利用關(guān)鍵詞和分類號等多種檢索手段對相關(guān)專利進行檢索。其中，涉及的主要分類號有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)于軟開關(guān)的電路是依照其所適用的相關(guān)變換器進行分類的，此時可以采用關(guān)鍵詞對軟開關(guān)進行限定，而常用的關(guān)鍵詞包括有軟開關(guān)、軟切換、零電壓、零電流、ZCS、ZVS、諧振、緩沖、吸收等。

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

2 技術(shù)發(fā)展

軟開關(guān)的提出引起了各種技術(shù)的改進，同時軟開關(guān)本身也提出了各種變換電路，其關(guān)鍵技術(shù)主要集中在拓撲結(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行功率傳輸，實現(xiàn)輸入與輸出之間的隔離，早期提出涉及軟開關(guān)的隔離型DC-DC電路的專利申請是美國的一家軟件公司W(wǎng)ISC提出的申請?zhí)枮閁S19890415078A的關(guān)于帶有軟開關(guān)的DC-DC變換器，申請日為1989年09月29日，涉及的是一種帶有軟開關(guān)的DC-AC-DC電路，本申請將軟開關(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諧振電路實現(xiàn)軟開關(guān)，為軟開關(guān)與DC-DC電路拓撲結(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關(guān)混合全橋型三電平直流變換器，申請?zhí)枮镃N011271825，本申請充分利用高壓開關(guān)管IGBT，并結(jié)合MOS管，減小濾波器體積，改善變換器的動態(tài)特性，為阮新波在軟開關(guān)領(lǐng)域研究的早期代表。

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

（2）非隔離性的BUCK、BOOST的DC-DC電路

利用BUCK、BOOST電路對輸入的直流電進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月美國的一家電子公司提出的，申請?zhí)枮閁S19900521061，本申請在原有變換器的拓撲結(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源軟開關(guān)直流變換器電路，申請?zhí)枮镃N021364265，本申請利用BUCK或BOOST電路形成了帶有軟開關(guān)的三電平直流變換器，為非隔離型DC-DC電路開辟了新的路徑，在該電路的環(huán)流過程，功率開關(guān)管無電壓過沖，二極管導(dǎo)通時無電流過沖，結(jié)構(gòu)簡單且成本低。

2010年5月3日三墾電氣株式會社提出了一種根據(jù)負載狀態(tài)對軟開關(guān)電路控制的DCDC轉(zhuǎn)換器，申請?zhí)枮镴P2010108131，本申請的控制電路根據(jù)負載狀態(tài)控制軟開關(guān)電路的切換，并且在主開關(guān)斷開時進行軟開關(guān)以減小由開關(guān)的斷開產(chǎn)生的損耗，適用于混合動力汽車和電動汽車，將軟開關(guān)的技術(shù)緊密的結(jié)合到了實際應(yīng)用中。

（3）整流電路和逆變電路

整流和逆變電路是開關(guān)電源中的一個重要分支，其包括的電路拓撲和控制方法很多，是研究軟開關(guān)應(yīng)用的不可或缺的部分，早期的涉及此類軟開關(guān)是美國公司ELPO在1993年3月提出的一種帶有軟開關(guān)的逆變器，申請?zhí)枮閁S1993000029138，為了減小開關(guān)損耗，本申請利用包括有兩個零電流關(guān)斷的開關(guān)支路并聯(lián)在逆變電路兩端，靠與之串聯(lián)的電容、電感實現(xiàn)軟開關(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，2000年中興通訊提出了一種具有改進結(jié)構(gòu)的全橋移相零壓零流電路，申請?zhí)枮镃N002497573，本申請在現(xiàn)有的全橋移相零壓零流電路基礎(chǔ)上構(gòu)造了一個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關(guān)范圍窄和輕載效率低的問題，擴寬了軟開關(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?zhí)枮镃N2004100178138，本申請的變換器結(jié)構(gòu)簡單，抑制了全控開關(guān)的反并聯(lián)二極管的反向恢復(fù)，實現(xiàn)了所有開關(guān)的軟開關(guān)，代表了比較成熟的具有軟開關(guān)的整流電路的應(yīng)用。

2013年株式會社京三制作所提出了一種帶有軟開關(guān)的單相逆變器，通過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，無需輔助開關(guān)或電容，結(jié)構(gòu)簡單且損耗小，是現(xiàn)在軟開關(guān)電路的研究重點。

3 軟開關(guān)技術(shù)重要申請人的技術(shù)路線

目前，國際上如豐田、三墾電氣、三星電子都相繼推出了軟開關(guān)的相關(guān)的成熟產(chǎn)品。同時，國內(nèi)也逐漸開始研究軟開關(guān)，在不斷的提出簡單易實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)注到了軟開關(guān)的優(yōu)點，正逐步將零電壓零電流的優(yōu)點應(yīng)用到實踐中，其中以華為、臺達、陽光電源、中興、英飛凌為主。

浙江大學(xué)作為本領(lǐng)域的重要中國申請人共申請相關(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、輔助開關(guān)器件實現(xiàn)軟開關(guān)以提高電路的工作效率，如CN99203189（申請日：1999年2月4號），CN00202500（申請日：2000年1月24號），CN01132208（申請日：2001年11月13日），中期的專利主要致力于變換器中所有的開關(guān)均能實現(xiàn)零電壓零電流開關(guān)，提高電路的功率因數(shù)，減小電路諧波，如CN200510061692（申請日：2005年11月25日），CN200620104123（申請日：2006年05月30日），CN201010295396（申請日：2010年09月27日）；近期的專利主要針對于能夠適用于多種控制方法和電路的軟開關(guān)，這樣能夠擴寬軟開關(guān)的實用性，如CN201310360447（申請日：2013年08月18日），CN201410381479（申請日2014年08月05日）。

4 總結(jié)

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

參考文獻

[1]王兆安.電力電子技術(shù)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[2]李定宣.開關(guān)穩(wěn)定電源設(shè)計與應(yīng)用[M].北京：中國電力出版社，2010.

[3]阮新波.直流開關(guān)電源的軟開關(guān)技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2000.

（作者單位：國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局 專利審查協(xié)作天津中心）