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

無橋PFC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 謝冬瑩

無橋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，但其固有電路帶來了檢測困難、控制復雜以及電磁干擾等缺點，本領(lǐng)域技術(shù)人員克服上述缺點尋求更優(yōu)的無橋PFC電路形式。本文主要以DWPI專利數(shù)據(jù)庫以及CNTXT數(shù)據(jù)庫中的檢索結(jié)果為分析樣本，從專利文獻的視角對無橋PFC技術(shù)的發(fā)展進行了全面的統(tǒng)計分析，總結(jié)了與無橋PFC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常見的、具體的無橋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。

無橋；PFC；專利申請；發(fā)展路線

傳統(tǒng)的PFC電路中，在電流傳導路徑中具有三個半導體。而對于無橋PFC電路（如圖1）而言，在任意給定的傳導路徑中只有兩個半導體器件。這兩種電路都作為升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器工作，并且開關(guān)損耗基本相同。但是，無橋PFC電路可降低電路傳導損耗并提高電路效率。另外，與具有一個MOSFET和五個二極管的傳統(tǒng)PFC相比，因為無橋PFC電路只使用兩個 MOSFET和兩個二極管，所以該電路得到很大程度的簡化。無橋 PFC 作為一種通態(tài)損耗低、效率高的拓撲結(jié)構(gòu)，在功率因數(shù)校正領(lǐng)域備受關(guān)注。

圖1 傳統(tǒng)無橋PFC電路

本文主要以DWPI專利數(shù)據(jù)庫以及CNTXT數(shù)據(jù)庫中的檢索結(jié)果為分析基礎(chǔ)，從專利文獻的視角對無橋PFC變換器技術(shù)的發(fā)展進行了全面的統(tǒng)計分析，總結(jié)了與無橋PFC變換器相關(guān)的國內(nèi)外專利的申請趨勢、申請人分布以及針對具體無橋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通過統(tǒng)計最早申請日確定無橋PFC變換器技術(shù)在國內(nèi)外專利年代的分布情況，根據(jù)上圖專利申請趨勢，可以看出，大致可以分為2個時期，時期劃分以申請量率的變化為標準。

圖2 無橋PFC變換器國外專利申請趨勢

（1）萌芽期（1982年-2004年）

從圖2中可以看出，在1982年至2004年期間，國外申請量非常少，而國內(nèi)的申請一直為零。自羅克威爾公司的MITCHELL D M提出的無橋Boost PFC 拓撲結(jié)構(gòu)后，在長達20多年的時間內(nèi)，此技術(shù)沒有引起關(guān)注，因而沒有得到發(fā)展。并且，在這段期間，少數(shù)的無橋PFC并沒有達到統(tǒng)一的認識，各國家提出的電路結(jié)構(gòu)是不同的。

（2）發(fā)展期（2005年之后）

從圖2可見，從2005年開始，關(guān)于無橋PFC變換器的申請量比2005年之前的申請量明顯增多，在該階段，國外有關(guān)無橋PFC變換器的申請量的發(fā)展總體趨勢趨于平穩(wěn)增長，而國內(nèi)申請量則明顯大增，超出了國外申請量。說明在這一階段，對于這方面的技術(shù)關(guān)注度也得到提升，出現(xiàn)了增量。

圖3 2005年之后增長期申請量國別分布

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

2. 無橋PFC變換器專利技術(shù)發(fā)展分析

無橋PFC變換器產(chǎn)生的出發(fā)點即為提高全橋升壓PFC的效率，降低損耗。通過單相升壓型無橋PFC結(jié)構(gòu)的逐步完善，降壓、反激等其他形式的拓撲也出現(xiàn)了無橋形式。為進一步提高效率，出現(xiàn)一些申請將現(xiàn)有技術(shù)種存在的其他降低損耗的方法如軟開關(guān)、同步整流等手段添加如無橋PFC變換器的結(jié)構(gòu)中。

（1）不同結(jié)構(gòu)的無橋PFC變換器

圖4 無橋PFC變換器不同結(jié)構(gòu)的發(fā)展

羅克威爾公司的MITCHELL D M提出的無橋 Boost PFC 拓撲結(jié)構(gòu)，在后續(xù)過程中，無橋結(jié)構(gòu)中一直針對Boost升壓拓撲進行改進。由于無橋 Boost PFC由于其結(jié)構(gòu)關(guān)系，也被稱為雙Boost PFC整流器，可見，初始發(fā)明所針對的拓撲類型對技術(shù)的發(fā)展具有一定的限定作用。美國國際半導體公司從2003年開始，申請了多個Boost無橋PFC發(fā)明專利，US2005105311A1、US2006132104 A1、US2006220628 A1均使用MITCHELL D M的無橋 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。進入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、倍壓等結(jié)構(gòu)都具有了無橋形式，這樣，在各種不同結(jié)構(gòu)中都具有無橋形式，通過減少整流二級管減小損耗，提高變換器的效率。在不同申請中，即使同一拓撲的無橋結(jié)構(gòu)也不盡相同。

（2）無橋PFC變換器提高效率的方法

圖5 無橋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)有存在的成熟拓撲結(jié)合無橋構(gòu)成無橋形式拓撲，還將現(xiàn)有方法中存在的減小損耗的方法應(yīng)用到無橋結(jié)構(gòu)中，進一步提高整個結(jié)構(gòu)的效率。軟開關(guān)在開關(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關(guān)不會同時導通和閉合，一個開關(guān)先閉合，另一個開關(guān)再打開，在這個過程中，由于電壓、電流的升降過程，這種硬開關(guān)的方式造成大量的開關(guān)損耗，為了減小此開關(guān)損耗，令一個開關(guān)的電壓或電流先下降到零，再導通另一個開關(guān)，這種控制開關(guān)的方法成為軟開關(guān)。2009年，艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司在CN201682429U中提出一種無橋PFC電路，無橋PFC電路的續(xù)流二極管換成了由兩個MOSFET管串聯(lián)再與一個二極管并聯(lián)組成MOSFET雙向開關(guān)，利用MOSFET導通損耗較小的特點，降低了電路的導通損耗，同時兩個MOSFET的體二極管相互屏蔽，通過與之并聯(lián)的快恢復二極管續(xù)流，解決了反向恢復問題，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)，就使無橋PFC升壓整流器能同時適于應(yīng)用在小功率變換器和大功率變換器中。通過上述介紹，可知在無橋結(jié)構(gòu)中提高效率一方面是在結(jié)構(gòu)上將無橋融入已有的拓撲中，另一方面，即通過現(xiàn)有的成熟的減小損耗的技術(shù)方法結(jié)合到無橋拓撲中，達到無橋變換器的損耗降低、效率提高。

3. 結(jié)語

以上分析可以看出，無橋PFC變換器目前還處于發(fā)展期，并沒有達到繁榮、穩(wěn)定期，因此，此技術(shù)會繼續(xù)發(fā)展。在在全球?qū)＠暾埩口厔葜校绹?、日本和中國占?jù)很大的申請地位，其中美國和日本技術(shù)發(fā)展時期較早，中國在2005年后逐步跟進，并且申請量超過了美國、日本。但是早期申請中重要性大、影響力大的主要集中在美國、日本、臺灣地區(qū)。由于近幾年來，國內(nèi)關(guān)于無橋PFC變換器的申請逐步增大，今后仍然會是研究熱點。

［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］曹太強等.無橋PFC 變換器綜述［C］.中國電工技術(shù)學會學術(shù)年會——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)于中國礦業(yè)大學信息與電氣工程學院，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。