Cuk变换器专利技术发展综述

国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心 周素梅

Cuk变换器专利技术发展综述

国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心 周素梅

Cuk变换器主要是对Buck/Boost改进的单管不隔离直流变换器，在输入输出段均有电感，可以显著减小输入和输出电流的脉动，输出电压的极性和输入电压相反，输出电压既可以低于也可以高于输入电压。本文从专利文献的视角对Cuk变换器的技术发展进行全面的统计分析，总结了与Cuk变换器相关的国内外专利的申请趋势，并对其技术方向和技术手段的发展脉络进行了梳理。

Cuk变换器；隔离；双向；软开关

Cuk斩波电路也称Cuk变换器，美国加州理工学院Slobodan Cuk提出的对Buck/Boost改进的单管不隔离直流变换器，在输入输出段均有电感，可以显著减小输入和输出电流的脉动，输出电压的极性和输入电压相反，输出电压既可以低于也可以高于输入电压。Cuk变换器的电路原理图如图1所示，从该电路图可知Cuk变换器 的工作原理为：当有源开关V导通时，无源开关VD因反偏而截止，此时输入给滤波电感L1储能，电容C1中的能量给负载供电和滤波电感L2储能；当有源开关V截止时，由于电感电流不能突变，故使无源开关VD正偏而导通，此时电感L1和电感L2的总电流经二极管续流，电感L2储存的能量向负载供电，电感L1储存的能量补充电容C1在前一间隔所损失的能量，并由输出电压对电感L2进行去磁。

图1 Cuk变换器

本文主要以VEN和CNTXT数据库中的检索结构为分析样本，从专利文献的角度对Cuk变换器的发展进行统计分析，总结了与

Cuk变换器相关的国内外专利的申请趋势、主要申请人分布以及针对双向Cuk变换器以及软开关的发展路线做了一定的分析，并从中得到一定的规律。

1. 专利情况概要

图2对应2015年6月1日以前涉及Cuk变换器的国外历年专利公开量的变化，从图中可以看出，这一技术的发展大致可以分为两个时期，各时期划分以申请量增长率的变化为标准，即萌芽期（1977-1987）和平稳增长期（1987-至今）。在20世纪70-80年代，美国加州理工学院Slobodan Cuk提出的对Buck/Boost改进的单管不隔离直流变换器，在输入输出段均由电感，可以显著减小输入和输出电流的脉动，输出电压的极性和输入电压相反，输出电压既可以低于也可以高于输入电压；即DC/DC变换进入了Cuk变换器的新阶段。因此，上世纪70-80年代该项技术的发展属于从无到有的萌芽阶段。在该阶段，从如上的图表中亦能看出，涉及该项技术的申请量极少，涉足该领域的申请人也极少，具有代表性的申请人是CALIFORNIA INST OF TECHN（CALY），即加州理工学院。

图2 国外历年专利公开量的变化

图3示出了关于Cuk变换器国内专利公开量的变化，与国外专利公开量的变化相对应，大致可以分为二个阶段，第一阶段为1977-1999年，第二阶段为2000-2014年。第一时期，国内的申请主要呈现有以下特点：一方面，在第一时期内，中国国内关于Cuk变换器领域的申请数量较国外申请量要少很多；另一方面，与国外专利申请趋势和国内专利申请趋势相比可以看出该阶段的中国申请量几乎为零，在这个阶段的中国对于Cuk变换器的发展落后于其他国家。第二时期，中国专利申请趋势总体呈现锯齿波上升趋势，从图3中可以看出，中国在这一阶段的申请量正在慢慢追赶国际的脚步，从而也在一个侧面反映了中国在该阶段的工业发展相对于前一阶段有了明显的进步。

图3 国内历年专利公开量的变化

2. Cuk变换器专利技术发展分析

2.1隔离耦合电感

电感耦合是通过耦合的作用，将某一电路的能量传输到其他电路中去，利用耦合电感的Cuk变换器电路的能量传输比普通电感的传输效果好，这是毋庸置疑的。同时，在工程实际应用中，往往需要电气隔离，而隔离变压器可以将输入绕组和输出绕组在电气上彼此隔离，可以避免偶然同时触及带电梯和大地所带来的危险，保证用电安全；因此，如果Cuk变换器想要在工程实际中得到广泛应用，则电气隔离是必备的条件。图4为几个典型的具有隔离耦合电感的Cuk变换器：

图4 隔离耦合Cuk变换器

2.2双向Cuk变换器

随着科技和生产的发展，对双向直流部间断电源系统、航空电源系统等应用场合增加，DC/DC变换器的需求逐渐增多。为了减轻系统的体积重量，节约成本，在电池的充放电、电动汽车、UPS系统、太阳能光伏发电系统、航空电源系统等场合，双向DC-DC变换器（Bi-directional DC-DC Converter）获得了越来越广泛的应用。

双向DC-DC变换器构成和单向直流变换器类似，可通过对单向直流变换器适当的改造来实现。许多单向直流变换器都可通过将其中无源开关替换为有源开关而成为双向DC-DC变换器，将单向基本变换单元替换成双向基本变换单元。一般只要将单向开关电源中的开关管反并联二极管；在二极管上反并联开关管，在输入和输出端分别并联电容即可。

与传统的采用两套单向DC-DC变换器来达到能量双向传输的方案相比，双向DC-DC变换器应用同一个变换器来控制能量的双向传输，使用的总体器件数目小，且可以更加快速地进行两个方向功率变换的切换。再者，在低压大电流场合，一般双向DC-DC变换器更有可能在现成的电路上使用同步整流器工作方式，有利于降低通态损耗。总之，双向DC-DC变换器具有高效率、体积小、动态性能好和低成本等优势。Cuk变换器作为基本的DC-DC变换器之一，为了使之适应发展的需求，自然也就需要往双向Cuk变换器的方向发展，图5为双向Cuk变换器的典型代表：

图5 双向Cuk变换器

3. 结语

本文通过VEN和CNTXT数据库收录的专利为样本，分析了国内外Cuk变换器的专利申请趋势，并对Cuk变换器发展所解决的技术问题为技术分支的技术发展做了进一步分析。从国外Cuk变换器的专利技术发展来看，该技术领域的技术已相当成熟，对于国内的申请人来说，如果只是单纯的对具体Cuk变换器的结构进行改造，想要绕开国外公司的专利壁垒，开辟新的途径是比较困难的。随着市场国际化的发展，势必会有大量的国外申请进入中国市场，对于国内申请人来说，应该跳出Cuk变换器的结构进行改进的思维，针对一些技术问题目前研究的申请量比较少，但是对Cuk变换器应用领域有良好效果，比如开关管的零电流和零电压，其也能降低开关管的损耗，或者研究一些对该领域的专利有重大改进的专利，研究这些专利的不足，从中找到解决的办法，发现别人没有发现的成熟技术的缺陷，或许可以作为国内申请人研究的重点。

周素梅，毕业于河海大学能源与电气学院，现供职于国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心。

［1］G.E.Bloom，A.Eris.Practical design considerations of a multioutput CUK converter［J］.Power Electronics Specialitsts Conference，1979 IEEE.1979：133-146.

［2］B.-R.Lin，Y.-S.Huang，J.-J.Chen，J.-J.Shieh.Zero voltage switching double ended Cuk converter［J］.2009 4TH IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications.2009：2038-2043.