软开关技术综述

付文英

国家知识产权局专利局专利审查协作天津中心 天津 300000

摘要：软开关是电力变换领域的重要分支，本文分析了软开关专利方面中关于专利申请量、申请人和技术分布等信息，并简单分析了丰田自动车株式会社在软开关方面的专利申请。

关键词：软开关；申请；专利

在电力电子中，开关元件在电压很高或电流很大的条件下，在门级驱动下进行导通或关断的过程称为硬开关，在开关的导通与关断瞬间会产生很大的开关损耗和电磁干扰，同时，为了提升开关变换器的功率密度，需要提高开关元件工作时的频率，但由此又会增加开关损耗，所以为了在减小变换器的体积和重量，实现高频化的同时，减小开关过程的开关损耗，软开关应运而生。软开关通常以零电压开关ZVS或零电流开关ZVS进行换流，其开关损耗和产生的EMI比传统的PWM变换器小得多。

一、专利申请量、申请人

申请量：下图给出了软开关技术相关的专利申请量的发展趋势，从图中可以看出软开关在申请量上处于增长的状态。

申请人：通过数据分析，发现华为、丰田、南航、三星和浙江大学关于软开关方面的申请量较多，说明软开关在理论和实践应用中都处于发展状态。

2. 技术脉络

根据发展路程，直流软开关技术分为：全谐振变换器、准谐振变换器、零开关PWM变换器、零转移PWM变换器和无源无损软开关技术。其中，全谐振和准谐振软开关技术由于采用频率控制，应用范围受到了限制，但是其具有很小的EMI又为其开阔了应用前景。零开关PWM变换器和零转移PWM变换器由于是恒定频率控制，应用范围很广，但减小辅助开关数量和实现辅助开关的软开关成为了关注的焦点。无源无损软开关技术由于其较低的成本和控制复杂度受到了欢迎，被认为是未来软开关电路的发展趋势。

1997年8月28日TRW公司提出了申请号为CN971175195的一种带有PWM软切换的双正向转换器，与上述仅利用谐振电路实现固态开关软切换不同，本申请的主开关和辅助开关均带有用于将固态开关的切换损耗减小到最小的无损耗阻尼器，这样能够减小电路的复杂度，并消除电路的切换损耗和倒向恢复损耗，从而使软开关在DC-DC隔离电路中的应用更广泛。

2000年台达电子提出了一种软切换完全桥接电路转换器，申请号为US20000652869与上述专利不同的是，本申请不需要电路中的漏感或外加电感就能实现ZVS状态，其利用变压器初级侧的耦合电感实现范围的负载电流和输入电压完全桥接电路的ZVS状态，能够降低转换器的循环能量和传导损耗，为谐振电路中电感的利用提供了不同的思路。

2006年8月9日哈尔滨工业大学提出了申请号为CN2006100103906的一种无损缓冲的零电压软开关全桥PWM DC-DC变换器，本申请通过在变压器的副边增加一个无损缓冲电路，用来减小整流二极管的反向电压过冲的问题，在提高变换器效率的同时，解决滞后桥臂零电压开关范围窄、占空比丢失等问题，提高了带有软开关的DC-DC电路的转换效率。

2013年南京航空航天大学提出了一种三相三电平LLC谐振直流变换器及其控制方法，申请号为CN2013104813463，本申请将软开关应用在了高压输出场合，并且校友降低了开关管的电压或电流应力，解决了控制电路复杂的问题。是目前软开关在DC-DC电路中的重要研究方向。

1998年1月27日TDK株式会社提出了一种升压型开关电源装置，申请号为CN988002485，本申请是为了减小或消除上述雏形电路中由于驱动频率可变而产生的较大的电磁噪声，利用滤波电路电容器和滤波电感此信那个元件之间的LC谐振电路减小滤波电路的输出电流，最终使噪声被抑制在最小的限度。同时期，1998年4月华为电气股份有限公司提出了一种软开关拓扑电路，申请号为CN981131891，本申请提出了一种新型ZVT-BOOST，与当时的电路不同的是，谐振电感插入在电流源与主二极管同主开关的连接点之间，辅助开关与由谐振电感和主开关组成的串联支路并联，馈能装置在辅助开关断开时将谐振电感的剩余能量反馈掉，并同时馈送电流源能量。本申请不仅保留了零电压开关的优点，还实现了辅助开关的零电压关断，直接提高了BOOST变换效率。推进了BOOST电路中软开关的应用。

2006年10月25日日立空调家用电器株式会社提出了一种在较宽的电压控制范围内实现可靠的软开关的DCDC变换器，申请号为JP2006290187，本申请主要在控制方法上对软开关涉及的电路进行了改进，利用与主电感器磁耦合的辅助电感器积蓄的能量，在导通主开关元件的短时间内，在对应的逆并联的二极管中流过正向电流，为实现变换器的高频化和小型化拓展了思路。

2015年09月30日上海电力学院提出了一种零电压开关准谐振高增益直流升压变换器，申请号为CN201510639813X，本申请先在硬开关下改进BOOST电路，提高电路的增益，然后在电路中添加LC谐振电路，提高电路转换效率，简化电路结构，在高效、轻量化和低噪音的DCDC电路领域中走在了前端。

1994年8月四川大学也提出了一种全桥准方波软开关变换器，申请号为CN941116379，其在普通的全桥变换器中并联了两个电容串联了一个电感，利用控制电路的脉冲信号实现软开关，并且还能使全桥变换器中的两个控制信号的脉宽恒定，不仅解决的开关损耗问题还实现了电源的工作频率的恒定，是中国申请人在软开关领域中研究的基础。

相继的，2002年艾默生网络能源有限公司也提出了一种增强型的全桥移相软开关及变换器，申请号为CN021219036，本申请能够实现全负载范围内的零电压导通，由于上述带有辅助谐振网络的全桥移相电路在整流管换向过程中依然存在有电压振荡，因此，本申请利用变压器原边与输入端的电压谐振网络，在谐振电路的电容充放电完成时进行换流，从而将变压器原边的电压钳位在输入电压，以抑制输出整流管的电压尖峰。

2007年10月西北工业大学提出了一种应用于无刷直流电机的谐振软开关逆变电路及控制方法，本申请的谐振电路添加在逆变桥的极点和输入分压电路中点之间，谐振电路包括有3个辅助双向开关和1个电感，能够在多种驱动模式下实现软开关，解决了直流母线中点电位不平衡的问题，不同于以往专利，本申请不限制电路的驱动模式，拓宽了电路的控制方法。

2009年丰田提出了一种带有软开关的电源系统，由于在谐振电路中，实现软开关的谐振电路会发生向输入侧逆流充电的现象，因此，本申请对现有的谐振电路进行了改进，使谐振电路设置有阻止电路，阻止共振电流朝向直流电源流动，利用简单的电路结构防止电源的性能损坏，是软开关保护电路中具有重要的实践意义。

2. 国外申请人的技术路线

丰田自动车株式会社从1994年开始共申请相关专利33篇，主要研究软开关电路中器件的通用性，使软开关转换器的小型化，并将谐振电路中储存的能量加以利用，如JP2003414837A（申请日：2003年12月12日），JP2007341289A（申请日：2007年12月28日），JP2010518661A(申请日：2009年06月11日)，US201113635835A（申请日：2011年06月01日）。

三垦电气株式会社共申请相关专利24篇，主要涉及软开关电路与功率因数的提高的结合应用，减小开关损失。

四、总结

本文通过对软开关方面的专利进行简单的分析，使审查员能够快速了解转开关的现有专利，促进理解发明，能够迅速站位本领域技术人员，更好的对现有专利进行审查。