國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心 周素梅

Cuk變換器專利技術(shù)發(fā)展綜述

國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心 周素梅

Cuk變換器主要是對Buck/Boost改進(jìn)的單管不隔離直流變換器，在輸入輸出段均有電感，可以顯著減小輸入和輸出電流的脈動，輸出電壓的極性和輸入電壓相反，輸出電壓既可以低于也可以高于輸入電壓。本文從專利文獻(xiàn)的視角對Cuk變換器的技術(shù)發(fā)展進(jìn)行全面的統(tǒng)計分析，總結(jié)了與Cuk變換器相關(guān)的國內(nèi)外專利的申請趨勢，并對其技術(shù)方向和技術(shù)手段的發(fā)展脈絡(luò)進(jìn)行了梳理。

Cuk變換器；隔離；雙向；軟開關(guān)

Cuk斬波電路也稱Cuk變換器，美國加州理工學(xué)院Slobodan Cuk提出的對Buck/Boost改進(jìn)的單管不隔離直流變換器，在輸入輸出段均有電感，可以顯著減小輸入和輸出電流的脈動，輸出電壓的極性和輸入電壓相反，輸出電壓既可以低于也可以高于輸入電壓。Cuk變換器的電路原理圖如圖1所示，從該電路圖可知Cuk變換器 的工作原理為：當(dāng)有源開關(guān)V導(dǎo)通時，無源開關(guān)VD因反偏而截止，此時輸入給濾波電感L1儲能，電容C1中的能量給負(fù)載供電和濾波電感L2儲能；當(dāng)有源開關(guān)V截止時，由于電感電流不能突變，故使無源開關(guān)VD正偏而導(dǎo)通，此時電感L1和電感L2的總電流經(jīng)二極管續(xù)流，電感L2儲存的能量向負(fù)載供電，電感L1儲存的能量補充電容C1在前一間隔所損失的能量，并由輸出電壓對電感L2進(jìn)行去磁。

圖1 Cuk變換器

本文主要以VEN和CNTXT數(shù)據(jù)庫中的檢索結(jié)構(gòu)為分析樣本，從專利文獻(xiàn)的角度對Cuk變換器的發(fā)展進(jìn)行統(tǒng)計分析，總結(jié)了與

Cuk變換器相關(guān)的國內(nèi)外專利的申請趨勢、主要申請人分布以及針對雙向Cuk變換器以及軟開關(guān)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對應(yīng)2015年6月1日以前涉及Cuk變換器的國外歷年專利公開量的變化，從圖中可以看出，這一技術(shù)的發(fā)展大致可以分為兩個時期，各時期劃分以申請量增長率的變化為標(biāo)準(zhǔn)，即萌芽期（1977-1987）和平穩(wěn)增長期（1987-至今）。在20世紀(jì)70-80年代，美國加州理工學(xué)院Slobodan Cuk提出的對Buck/Boost改進(jìn)的單管不隔離直流變換器，在輸入輸出段均由電感，可以顯著減小輸入和輸出電流的脈動，輸出電壓的極性和輸入電壓相反，輸出電壓既可以低于也可以高于輸入電壓；即DC/DC變換進(jìn)入了Cuk變換器的新階段。因此，上世紀(jì)70-80年代該項技術(shù)的發(fā)展屬于從無到有的萌芽階段。在該階段，從如上的圖表中亦能看出，涉及該項技術(shù)的申請量極少，涉足該領(lǐng)域的申請人也極少，具有代表性的申請人是CALIFORNIA INST OF TECHN（CALY），即加州理工學(xué)院。

圖2 國外歷年專利公開量的變化

圖3示出了關(guān)于Cuk變換器國內(nèi)專利公開量的變化，與國外專利公開量的變化相對應(yīng)，大致可以分為二個階段，第一階段為1977-1999年，第二階段為2000-2014年。第一時期，國內(nèi)的申請主要呈現(xiàn)有以下特點：一方面，在第一時期內(nèi)，中國國內(nèi)關(guān)于Cuk變換器領(lǐng)域的申請數(shù)量較國外申請量要少很多；另一方面，與國外專利申請趨勢和國內(nèi)專利申請趨勢相比可以看出該階段的中國申請量幾乎為零，在這個階段的中國對于Cuk變換器的發(fā)展落后于其他國家。第二時期，中國專利申請趨勢總體呈現(xiàn)鋸齒波上升趨勢，從圖3中可以看出，中國在這一階段的申請量正在慢慢追趕國際的腳步，從而也在一個側(cè)面反映了中國在該階段的工業(yè)發(fā)展相對于前一階段有了明顯的進(jìn)步。

圖3 國內(nèi)歷年專利公開量的變化

2. Cuk變換器專利技術(shù)發(fā)展分析

2.1隔離耦合電感

電感耦合是通過耦合的作用，將某一電路的能量傳輸?shù)狡渌娐分腥?，利用耦合電感的Cuk變換器電路的能量傳輸比普通電感的傳輸效果好，這是毋庸置疑的。同時，在工程實際應(yīng)用中，往往需要電氣隔離，而隔離變壓器可以將輸入繞組和輸出繞組在電氣上彼此隔離，可以避免偶然同時觸及帶電梯和大地所帶來的危險，保證用電安全；因此，如果Cuk變換器想要在工程實際中得到廣泛應(yīng)用，則電氣隔離是必備的條件。圖4為幾個典型的具有隔離耦合電感的Cuk變換器：

圖4 隔離耦合Cuk變換器

2.2雙向Cuk變換器

隨著科技和生產(chǎn)的發(fā)展，對雙向直流部間斷電源系統(tǒng)、航空電源系統(tǒng)等應(yīng)用場合增加，DC/DC變換器的需求逐漸增多。為了減輕系統(tǒng)的體積重量，節(jié)約成本，在電池的充放電、電動汽車、UPS系統(tǒng)、太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)、航空電源系統(tǒng)等場合，雙向DC-DC變換器（Bi-directional DC-DC Converter）獲得了越來越廣泛的應(yīng)用。

雙向DC-DC變換器構(gòu)成和單向直流變換器類似，可通過對單向直流變換器適當(dāng)?shù)母脑靵韺崿F(xiàn)。許多單向直流變換器都可通過將其中無源開關(guān)替換為有源開關(guān)而成為雙向DC-DC變換器，將單向基本變換單元替換成雙向基本變換單元。一般只要將單向開關(guān)電源中的開關(guān)管反并聯(lián)二極管；在二極管上反并聯(lián)開關(guān)管，在輸入和輸出端分別并聯(lián)電容即可。

與傳統(tǒng)的采用兩套單向DC-DC變換器來達(dá)到能量雙向傳輸?shù)姆桨赶啾?，雙向DC-DC變換器應(yīng)用同一個變換器來控制能量的雙向傳輸，使用的總體器件數(shù)目小，且可以更加快速地進(jìn)行兩個方向功率變換的切換。再者，在低壓大電流場合，一般雙向DC-DC變換器更有可能在現(xiàn)成的電路上使用同步整流器工作方式，有利于降低通態(tài)損耗。總之，雙向DC-DC變換器具有高效率、體積小、動態(tài)性能好和低成本等優(yōu)勢。Cuk變換器作為基本的DC-DC變換器之一，為了使之適應(yīng)發(fā)展的需求，自然也就需要往雙向Cuk變換器的方向發(fā)展，圖5為雙向Cuk變換器的典型代表：

圖5 雙向Cuk變換器

3. 結(jié)語

本文通過VEN和CNTXT數(shù)據(jù)庫收錄的專利為樣本，分析了國內(nèi)外Cuk變換器的專利申請趨勢，并對Cuk變換器發(fā)展所解決的技術(shù)問題為技術(shù)分支的技術(shù)發(fā)展做了進(jìn)一步分析。從國外Cuk變換器的專利技術(shù)發(fā)展來看，該技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)已相當(dāng)成熟，對于國內(nèi)的申請人來說，如果只是單純的對具體Cuk變換器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，想要繞開國外公司的專利壁壘，開辟新的途徑是比較困難的。隨著市場國際化的發(fā)展，勢必會有大量的國外申請進(jìn)入中國市場，對于國內(nèi)申請人來說，應(yīng)該跳出Cuk變換器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)的思維，針對一些技術(shù)問題目前研究的申請量比較少，但是對Cuk變換器應(yīng)用領(lǐng)域有良好效果，比如開關(guān)管的零電流和零電壓，其也能降低開關(guān)管的損耗，或者研究一些對該領(lǐng)域的專利有重大改進(jìn)的專利，研究這些專利的不足，從中找到解決的辦法，發(fā)現(xiàn)別人沒有發(fā)現(xiàn)的成熟技術(shù)的缺陷，或許可以作為國內(nèi)申請人研究的重點。

周素梅，畢業(yè)于河海大學(xué)能源與電氣學(xué)院，現(xiàn)供職于國家知識產(chǎn)權(quán)局專利局專利審查協(xié)作江蘇中心。

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