國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心 謝冬瑩

無(wú)橋PFC變換器專利技術(shù)發(fā)展綜述

國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心 謝冬瑩

無(wú)橋PFC變換器是基于傳統(tǒng)整流橋和升壓功率因數(shù)校正電路在降低損耗提高效率的基礎(chǔ)上提出的。其與傳統(tǒng)的傳統(tǒng)整流橋和升壓功率因數(shù)校正電路相比，雖然具有損耗低、效率高得優(yōu)點(diǎn)，但其固有電路帶來(lái)了檢測(cè)困難、控制復(fù)雜以及電磁干擾等缺點(diǎn)，本領(lǐng)域技術(shù)人員克服上述缺點(diǎn)尋求更優(yōu)的無(wú)橋PFC電路形式。本文主要以DWPI專利數(shù)據(jù)庫(kù)以及CNTXT數(shù)據(jù)庫(kù)中的檢索結(jié)果為分析樣本，從專利文獻(xiàn)的視角對(duì)無(wú)橋PFC技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了全面的統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)了與無(wú)橋PFC相關(guān)的國(guó)內(nèi)外專利的申請(qǐng)趨勢(shì)、主要申請(qǐng)人分布以及針對(duì)常見(jiàn)的、具體的無(wú)橋PFC變換器的發(fā)展路線做了一定的分析，并從中得到一定的規(guī)律。

無(wú)橋；PFC；專利申請(qǐng)；發(fā)展路線

傳統(tǒng)的PFC電路中，在電流傳導(dǎo)路徑中具有三個(gè)半導(dǎo)體。而對(duì)于無(wú)橋PFC電路（如圖1）而言，在任意給定的傳導(dǎo)路徑中只有兩個(gè)半導(dǎo)體器件。這兩種電路都作為升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器工作，并且開(kāi)關(guān)損耗基本相同。但是，無(wú)橋PFC電路可降低電路傳導(dǎo)損耗并提高電路效率。另外，與具有一個(gè)MOSFET和五個(gè)二極管的傳統(tǒng)PFC相比，因?yàn)闊o(wú)橋PFC電路只使用兩個(gè) MOSFET和兩個(gè)二極管，所以該電路得到很大程度的簡(jiǎn)化。無(wú)橋 PFC 作為一種通態(tài)損耗低、效率高的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在功率因數(shù)校正領(lǐng)域備受關(guān)注。

圖1 傳統(tǒng)無(wú)橋PFC電路

本文主要以DWPI專利數(shù)據(jù)庫(kù)以及CNTXT數(shù)據(jù)庫(kù)中的檢索結(jié)果為分析基礎(chǔ)，從專利文獻(xiàn)的視角對(duì)無(wú)橋PFC變換器技術(shù)的發(fā)展進(jìn)行了全面的統(tǒng)計(jì)分析，總結(jié)了與無(wú)橋PFC變換器相關(guān)的國(guó)內(nèi)外專利的申請(qǐng)趨勢(shì)、申請(qǐng)人分布以及針對(duì)具體無(wú)橋PFC變換器技術(shù)的發(fā)展路線做了一定的分析，并從中得到一定的規(guī)律。

1. 專利情況概要

圖2通過(guò)統(tǒng)計(jì)最早申請(qǐng)日確定無(wú)橋PFC變換器技術(shù)在國(guó)內(nèi)外專利年代的分布情況，根據(jù)上圖專利申請(qǐng)趨勢(shì)，可以看出，大致可以分為2個(gè)時(shí)期，時(shí)期劃分以申請(qǐng)量率的變化為標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 無(wú)橋PFC變換器國(guó)外專利申請(qǐng)趨勢(shì)

（1）萌芽期（1982年-2004年）

從圖2中可以看出，在1982年至2004年期間，國(guó)外申請(qǐng)量非常少，而國(guó)內(nèi)的申請(qǐng)一直為零。自羅克威爾公司的MITCHELL D M提出的無(wú)橋Boost PFC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后，在長(zhǎng)達(dá)20多年的時(shí)間內(nèi)，此技術(shù)沒(méi)有引起關(guān)注，因而沒(méi)有得到發(fā)展。并且，在這段期間，少數(shù)的無(wú)橋PFC并沒(méi)有達(dá)到統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)，各國(guó)家提出的電路結(jié)構(gòu)是不同的。

（2）發(fā)展期（2005年之后）

從圖2可見(jiàn)，從2005年開(kāi)始，關(guān)于無(wú)橋PFC變換器的申請(qǐng)量比2005年之前的申請(qǐng)量明顯增多，在該階段，國(guó)外有關(guān)無(wú)橋PFC變換器的申請(qǐng)量的發(fā)展總體趨勢(shì)趨于平穩(wěn)增長(zhǎng)，而國(guó)內(nèi)申請(qǐng)量則明顯大增，超出了國(guó)外申請(qǐng)量。說(shuō)明在這一階段，對(duì)于這方面的技術(shù)關(guān)注度也得到提升，出現(xiàn)了增量。

圖3 2005年之后增長(zhǎng)期申請(qǐng)量國(guó)別分布

圖3示出了2005年之后增長(zhǎng)期申請(qǐng)量國(guó)別分布，在萌芽階段，僅存在美國(guó)、日本、韓國(guó)、匈牙利的國(guó)外專利申請(qǐng)，而從圖2-1-4中可以看出，在2005年之后的這段時(shí)間，中國(guó)的申請(qǐng)量大增，超過(guò)全部總申請(qǐng)量的一半，日本、美國(guó)、臺(tái)灣的申請(qǐng)量依然是國(guó)外有關(guān)無(wú)橋PFC變換器申請(qǐng)量的前列。另外，美國(guó)公司TI、安森美、國(guó)際整流公司關(guān)于無(wú)橋PFC的技術(shù)手冊(cè)將此變換器推廣，極大得推動(dòng)該變換器的發(fā)展，取得更多相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員的關(guān)注。

2. 無(wú)橋PFC變換器專利技術(shù)發(fā)展分析

無(wú)橋PFC變換器產(chǎn)生的出發(fā)點(diǎn)即為提高全橋升壓PFC的效率，降低損耗。通過(guò)單相升壓型無(wú)橋PFC結(jié)構(gòu)的逐步完善，降壓、反激等其他形式的拓?fù)湟渤霈F(xiàn)了無(wú)橋形式。為進(jìn)一步提高效率，出現(xiàn)一些申請(qǐng)將現(xiàn)有技術(shù)種存在的其他降低損耗的方法如軟開(kāi)關(guān)、同步整流等手段添加如無(wú)橋PFC變換器的結(jié)構(gòu)中。

（1）不同結(jié)構(gòu)的無(wú)橋PFC變換器

圖4 無(wú)橋PFC變換器不同結(jié)構(gòu)的發(fā)展

羅克威爾公司的MITCHELL D M提出的無(wú)橋 Boost PFC 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在后續(xù)過(guò)程中，無(wú)橋結(jié)構(gòu)中一直針對(duì)Boost升壓拓?fù)溥M(jìn)行改進(jìn)。由于無(wú)橋 Boost PFC由于其結(jié)構(gòu)關(guān)系，也被稱為雙Boost PFC整流器，可見(jiàn)，初始發(fā)明所針對(duì)的拓?fù)漕愋蛯?duì)技術(shù)的發(fā)展具有一定的限定作用。美國(guó)國(guó)際半導(dǎo)體公司從2003年開(kāi)始，申請(qǐng)了多個(gè)Boost無(wú)橋PFC發(fā)明專利，US2005105311A1、US2006132104 A1、US2006220628 A1均使用MITCHELL D M的無(wú)橋 Boost PFC結(jié)構(gòu)，主要側(cè)重于在控制方法和消除EMI噪音方面的改進(jìn)。進(jìn)入2000年之后，特別是2010年之后，多種類型的結(jié)構(gòu)如反激、交錯(cuò)、倍壓等結(jié)構(gòu)都具有了無(wú)橋形式，這樣，在各種不同結(jié)構(gòu)中都具有無(wú)橋形式，通過(guò)減少整流二級(jí)管減小損耗，提高變換器的效率。在不同申請(qǐng)中，即使同一拓?fù)涞臒o(wú)橋結(jié)構(gòu)也不盡相同。

（2）無(wú)橋PFC變換器提高效率的方法

圖5 無(wú)橋PFC變換器提高效率不同方法的發(fā)展

在減小損耗、提高效率方面，不僅僅是將現(xiàn)有存在的成熟拓?fù)浣Y(jié)合無(wú)橋構(gòu)成無(wú)橋形式拓?fù)?，還將現(xiàn)有方法中存在的減小損耗的方法應(yīng)用到無(wú)橋結(jié)構(gòu)中，進(jìn)一步提高整個(gè)結(jié)構(gòu)的效率。軟開(kāi)關(guān)在開(kāi)關(guān)電源領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展得十分成熟，為了防止變器中同一橋臂的所有開(kāi)關(guān)不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通和閉合，一個(gè)開(kāi)關(guān)先閉合，另一個(gè)開(kāi)關(guān)再打開(kāi)，在這個(gè)過(guò)程中，由于電壓、電流的升降過(guò)程，這種硬開(kāi)關(guān)的方式造成大量的開(kāi)關(guān)損耗，為了減小此開(kāi)關(guān)損耗，令一個(gè)開(kāi)關(guān)的電壓或電流先下降到零，再導(dǎo)通另一個(gè)開(kāi)關(guān)，這種控制開(kāi)關(guān)的方法成為軟開(kāi)關(guān)。2009年，艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司在CN201682429U中提出一種無(wú)橋PFC電路，無(wú)橋PFC電路的續(xù)流二極管換成了由兩個(gè)MOSFET管串聯(lián)再與一個(gè)二極管并聯(lián)組成MOSFET雙向開(kāi)關(guān)，利用MOSFET導(dǎo)通損耗較小的特點(diǎn)，降低了電路的導(dǎo)通損耗，同時(shí)兩個(gè)MOSFET的體二極管相互屏蔽，通過(guò)與之并聯(lián)的快恢復(fù)二極管續(xù)流，解決了反向恢復(fù)問(wèn)題，使電路不僅能工作在電流不連續(xù)的狀態(tài)，也能工作在電流連續(xù)的狀態(tài)，就使無(wú)橋PFC升壓整流器能同時(shí)適于應(yīng)用在小功率變換器和大功率變換器中。通過(guò)上述介紹，可知在無(wú)橋結(jié)構(gòu)中提高效率一方面是在結(jié)構(gòu)上將無(wú)橋融入已有的拓?fù)渲?，另一方面，即通過(guò)現(xiàn)有的成熟的減小損耗的技術(shù)方法結(jié)合到無(wú)橋拓?fù)渲?，達(dá)到無(wú)橋變換器的損耗降低、效率提高。

3. 結(jié)語(yǔ)

以上分析可以看出，無(wú)橋PFC變換器目前還處于發(fā)展期，并沒(méi)有達(dá)到繁榮、穩(wěn)定期，因此，此技術(shù)會(huì)繼續(xù)發(fā)展。在在全球?qū)＠暾?qǐng)量趨勢(shì)中，美國(guó)、日本和中國(guó)占據(jù)很大的申請(qǐng)地位，其中美國(guó)和日本技術(shù)發(fā)展時(shí)期較早，中國(guó)在2005年后逐步跟進(jìn)，并且申請(qǐng)量超過(guò)了美國(guó)、日本。但是早期申請(qǐng)中重要性大、影響力大的主要集中在美國(guó)、日本、臺(tái)灣地區(qū)。由于近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)關(guān)于無(wú)橋PFC變換器的申請(qǐng)逐步增大，今后仍然會(huì)是研究熱點(diǎn)。

［1］Sebastian，J.；Jaureguizar，M.；Uceda，J.；“An overview of power factor correction in single-phase off-line power supply systems”，IECO N94，Pages：1688-1693 vo1.3.

［2］曹太強(qiáng)等.無(wú)橋PFC 變換器綜述［C］.中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)學(xué)術(shù)年會(huì)——新能源發(fā)電技術(shù)論壇論文集，2013-10-19.

［3］Sabzali A.J.，Ismail E.H.，Al-Saffar M.A.，F(xiàn)ardoun A.A.A new bridgeless PFC Sepic and Cuk rectifiers with low conduction and switching losses［C］.Power Electronics and Drive Systems，PEDS 2009：550-556.

謝冬瑩，畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)信息與電氣工程學(xué)院，現(xiàn)供職于國(guó)家知識(shí)產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心。