无桥PFC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 谢冬莹

无桥PFC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 谢冬莹

无桥PFC变换器是基于传统整流桥和升压功率因数校正电路在降低损耗提高效率的基础上提出的。其与传统的传统整流桥和升压功率因数校正电路相比，虽然具有损耗低、效率高得优点，但其固有电路带来了检测困难、控制复杂以及电磁干扰等缺点，本领域技术人员克服上述缺点寻求更优的无桥PFC电路形式。本文主要以DWPI专利数据库以及CNTXT数据库中的检索结果为分析样本，从专利文献的视角对无桥PFC技术的发展进行了全面的统计分析，总结了与无桥PFC相关的国内外专利的申请趋势、主要申请人分布以及针对常见的、具体的无桥PFC变换器的发展路线做了一定的分析，并从中得到一定的规律。

无桥；PFC；专利申请；发展路线

传统的PFC电路中，在电流传导路径中具有三个半导体。而对于无桥PFC电路（如图1）而言，在任意给定的传导路径中只有两个半导体器件。这两种电路都作为升压DC/DC转换器工作，并且开关损耗基本相同。但是，无桥PFC电路可降低电路传导损耗并提高电路效率。另外，与具有一个MOSFET和五个二极管的传统PFC相比，因为无桥PFC电路只使用两个 MOSFET和两个二极管，所以该电路得到很大程度的简化。无桥 PFC 作为一种通态损耗低、效率高的拓扑结构，在功率因数校正领域备受关注。

图1 传统无桥PFC电路

本文主要以DWPI专利数据库以及CNTXT数据库中的检索结果为分析基础，从专利文献的视角对无桥PFC变换器技术的发展进行了全面的统计分析，总结了与无桥PFC变换器相关的国内外专利的申请趋势、申请人分布以及针对具体无桥PFC变换器技术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通过统计最早申请日确定无桥PFC变换器技术在国内外专利年代的分布情况，根据上图专利申请趋势，可以看出，大致可以分为2个时期，时期划分以申请量率的变化为标准。

图2 无桥PFC变换器国外专利申请趋势

（1）萌芽期（1982年-2004年）

从图2中可以看出，在1982年至2004年期间，国外申请量非常少，而国内的申请一直为零。自罗克威尔公司的MITCHELL D M提出的无桥Boost PFC 拓扑结构后，在长达20多年的时间内，此技术没有引起关注，因而没有得到发展。并且，在这段期间，少数的无桥PFC并没有达到统一的认识，各国家提出的电路结构是不同的。

（2）发展期（2005年之后）

从图2可见，从2005年开始，关于无桥PFC变换器的申请量比2005年之前的申请量明显增多，在该阶段，国外有关无桥PFC变换器的申请量的发展总体趋势趋于平稳增长，而国内申请量则明显大增，超出了国外申请量。说明在这一阶段，对于这方面的技术关注度也得到提升，出现了增量。

图3 2005年之后增长期申请量国别分布

图3示出了2005年之后增长期申请量国别分布，在萌芽阶段，仅存在美国、日本、韩国、匈牙利的国外专利申请，而从图2-1-4中可以看出，在2005年之后的这段时间，中国的申请量大增，超过全部总申请量的一半，日本、美国、台湾的申请量依然是国外有关无桥PFC变换器申请量的前列。另外，美国公司TI、安森美、国际整流公司关于无桥PFC的技术手册将此变换器推广，极大得推动该变换器的发展，取得更多相关领域技术人员的关注。

2. 无桥PFC变换器专利技术发展分析

无桥PFC变换器产生的出发点即为提高全桥升压PFC的效率，降低损耗。通过单相升压型无桥PFC结构的逐步完善，降压、反激等其他形式的拓扑也出现了无桥形式。为进一步提高效率，出现一些申请将现有技术种存在的其他降低损耗的方法如软开关、同步整流等手段添加如无桥PFC变换器的结构中。

（1）不同结构的无桥PFC变换器

图4 无桥PFC变换器不同结构的发展

罗克威尔公司的MITCHELL D M提出的无桥 Boost PFC 拓扑结构，在后续过程中，无桥结构中一直针对Boost升压拓扑进行改进。由于无桥 Boost PFC由于其结构关系，也被称为双Boost PFC整流器，可见，初始发明所针对的拓扑类型对技术的发展具有一定的限定作用。美国国际半导体公司从2003年开始，申请了多个Boost无桥PFC发明专利，US2005105311A1、US2006132104 A1、US2006220628 A1均使用MITCHELL D M的无桥 Boost PFC结构，主要侧重于在控制方法和消除EMI噪音方面的改进。进入2000年之后，特别是2010年之后，多种类型的结构如反激、交错、倍压等结构都具有了无桥形式，这样，在各种不同结构中都具有无桥形式，通过减少整流二级管减小损耗，提高变换器的效率。在不同申请中，即使同一拓扑的无桥结构也不尽相同。

（2）无桥PFC变换器提高效率的方法

图5 无桥PFC变换器提高效率不同方法的发展

在减小损耗、提高效率方面，不仅仅是将现有存在的成熟拓扑结合无桥构成无桥形式拓扑，还将现有方法中存在的减小损耗的方法应用到无桥结构中，进一步提高整个结构的效率。软开关在开关电源领域已经发展得十分成熟，为了防止变器中同一桥臂的所有开关不会同时导通和闭合，一个开关先闭合，另一个开关再打开，在这个过程中，由于电压、电流的升降过程，这种硬开关的方式造成大量的开关损耗，为了减小此开关损耗，令一个开关的电压或电流先下降到零，再导通另一个开关，这种控制开关的方法成为软开关。2009年，艾默生网络能源有限公司在CN201682429U中提出一种无桥PFC电路，无桥PFC电路的续流二极管换成了由两个MOSFET管串联再与一个二极管并联组成MOSFET双向开关，利用MOSFET导通损耗较小的特点，降低了电路的导通损耗，同时两个MOSFET的体二极管相互屏蔽，通过与之并联的快恢复二极管续流，解决了反向恢复问题，使电路不仅能工作在电流不连续的状态，也能工作在电流连续的状态，就使无桥PFC升压整流器能同时适于应用在小功率变换器和大功率变换器中。通过上述介绍，可知在无桥结构中提高效率一方面是在结构上将无桥融入已有的拓扑中，另一方面，即通过现有的成熟的减小损耗的技术方法结合到无桥拓扑中，达到无桥变换器的损耗降低、效率提高。

3. 结语

以上分析可以看出，无桥PFC变换器目前还处于发展期，并没有达到繁荣、稳定期，因此，此技术会继续发展。在在全球专利申请量趋势中，美国、日本和中国占据很大的申请地位，其中美国和日本技术发展时期较早，中国在2005年后逐步跟进，并且申请量超过了美国、日本。但是早期申请中重要性大、影响力大的主要集中在美国、日本、台湾地区。由于近几年来，国内关于无桥PFC变换器的申请逐步增大，今后仍然会是研究热点。

［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］曹太强等.无桥PFC 变换器综述［C］.中国电工技术学会学术年会——新能源发电技术论坛论文集，2013-10-19.

［3］Sabzali A.J.，Ismail E.H.，Al-Saffar M.A.，Fardoun 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.

谢冬莹，毕业于中国矿业大学信息与电气工程学院，现供职于国家知识产权局专利局专利审查协作江苏中心。