固态断路器领域的全球专利分析

王小波

（施耐德电气（中国）有限公司，上海 201203）

断路器是输配电线路中接通和断开负载的一个关键部件，其主要作用是使电路免于由故障和过载引起的异常电流，在系统发生故障时迅速切除故障支路，传统的机械断路器通过热双金和/或磁组件触发机械触点分离从而保护电路，但对故障的反应时间较长，并且容易产生电弧，增加了设备损坏和人身安全的风险，随着功率半导体技术的快速发展，通过高功率固态无触点开关代替机械触点成为研究热点，固态断路器技术得到了迅速发展[1-3]。

1.固态断路器技术概述

断路器大体可分为机械式断路器和固态断路器，固态断路器又可划分为全固态断路器、混合式固态断路器[2-5]。

1.1 全固态断路器

全固态断路器是指完全由功率半导体器件代替机械开关的断路器，全固态断路器又可分为半控型全固态断路器和全控型固态断路器[3-5]，全固态断路器通常包括固态开关电路、缓冲电路、检测单元以及控制单元等部分。1957 年通用电气公司开发出世界上第一个晶闸管产品，1960 年通用电气申请了第一个半控型全固态断路器的专利（US3176149A），如图1 所示，包括窄结二极管1、电压源3、电阻4、电容6、晶闸管SCR 7、电流源11、手动开关28，晶闸管7 包括阳极8、阴极9 以及门极10，窄结二极管1 与晶闸管SCR7 串联，并联的电容6 将二者分流，电压源3 和电阻4 可以控制断路中断，正常情况下，二极管1 和晶闸管SCR 7 为低阻抗状态电流通过，当电流超过阈值时，二极管1 切换工作状态将电路电流减小到小于晶闸管SCR 的最小保持电流，电容6 充电以使晶闸管SCR 维持高阻抗状态，从而快速有效的切断电路。但由于晶闸管SCR 是电流控制器件且在直流系统中需要利用人工换流进行关断，电路结构复杂，并且成本居高不下，后面出现的以GTO、IGBT 和IGCT为代表的第二代功率半导体器件——全控型电子器件，可以自行切断电流克服了上述问题，随着半导体技术的快速发展，2008 年之后以SiC 和GaN 为代表的第三代功率半导体器件——宽禁带半导体由于其具有高耐压、低功耗以及较大工作温度范围等优点，逐渐成为固态断路器研究设计的热点[4-6]。

图1 通用电气早期半控型全固态断路器

1.2 混合式固态断路器

混合式固态断路器是采用机械开关与功率半导体器件的断路器，其主要包括主电路、转移回路、缓冲吸收回路、检测单元和控制单元等部分，主电路一般由机械开关或者机械开关串联功率半导体器件构成，转移支路通常由功率半导体器件构成，其综合了机械开关通态损耗小和功率半导体器件关断迅速等特性，是当前高压直流断路器研究的主要方向[3-5]。ABB 公司在2009 年11 月申请了混合式高压直流断路器的关键专利（公开号CN102687221A），如图2 所示，断路器13 包括电抗器12以及并联连接的主断路器8、非线性电阻器11 以及辅助断路器9，辅助断路器包括串联的机械高速开关10 和功率半导体开关6，主断路器由多个功率半导体开关6 串联而成，功率半导体开关可使用IGBT、IGCT 等具有接通和关断能力的功率半导体器件，正常情况下辅助断路器9 和高速开关10 闭合，电流流经高速开关10 和辅助断路器9，主断路器8 无电流，在故障发生时电流增加使辅助断路器断开，电流换流到主断路器8，经过一定时间后高速开关10 再断开，之后辅助断路器9 断开，非线性电阻器11 吸收线路上的能量，从而有助于保护电路或者配电线路14 免受热应力。

2.固态断路器技术状况分析

2.1 全球和中国专利申请的时间发展趋势

固态断路器的发展趋势与功率半导体器件的技术突破密切相关，通过图3 可以看出，固态断路器领域经历了萌芽期（1960-1980）、技术积累期（1980-2008）以及快速发展期（2009-至今），1956 年美国贝尔实验室发明了晶闸管，晶闸管可以通过小电流控制大电流的通断，1960 年通用电气申请了第一个固态断路器的专利，但晶闸管必须切断电源或者施加反向电压才能强行关断，这增加了成本和控制难度，因此相关的专利申请量较少，1970 年代出现了全控型功率半导体器件，进入1980 年代随着全控型功率半导体器件技术日趋成熟，成功克服了可控硅整流器的缺陷，各公司和科研机构尝试将其应用到断路器中，并在八十年代形成了小高峰期，1985 年和1986年均申请了16 件相关专利，这是20 世纪固态断路器专利申请数量的最高峰，从2009 年开始固态断路器技术进入了快速发展期，专利申请爆发式增长，中国专利申请趋势与全球专利申请趋势高度相似，贡献了专利增长的主要部分，2019 年申请了194 件专利是最高峰，究其原因主要有以下几个方面，一方面ABB 公司2009 提出了混合式直流固态断路器的专利申请，并于2012 开发出首台产品，切断时间在5ms 之内，入选《MIT Technology Review》2012 年度最重要十大科技之一[4-5]，引发了混合式高压直流固态断路器的研发热潮；另一方面，随着中国企业研发实力增长明显，专利意识也越来越强，以国家电网为代表的国内企业以及科研机构对在2010 年之后对固态断路器持续研发并申请了大量专利；最后，第三代功率半导体器件因为具有高工作电压、高功率密度、低开关损耗、响应速度快等优点，也在一定程度上推动了固态断路器研发和专利布局的热潮。

图4 专利类型分布图

从专利类型的分布图上看，与其他领域不同的是固态断路器的发明申请占比较高，目前为止共申请了1094 项发明专利，而实用新型仅为147 项，发明专利数量是实用新型数量的7 倍以上，一般而言发明专利比实用新型对技术创新的要求更高，相应的保护力度和范围也更大，这表明固态断路器的领域技术含量较高，申请人对专利布局也比较重视。

2.2 专利技术来源国家或地区分布

如图5 所示，中国是专利申请最多的技术来源国，申请了669 件相关专利，而美国申请了220 件专利申请排在第二名，除此之外，欧洲地区、日本、韩国也是重要的技术来源国家或地区，实力不可小觑。中国之所以成为最大的专利技术来源国主要有以下原因：第一，国家将知识产权提升到了前所未有的战略高度，申请人的专利意识也在不断增强，从2010 年之后包括断路器在内的各技术专利申请数量呈现快速增长趋势，与此同时，如何平衡专利质量和数量成为新的焦点；第二，以国家电网为代表的企业高度重视行业发展趋势和技术创新，并积极进行研发和专利布局，同时和清华大学、西安交通大学、浙江大学等高校科研院所合作，产学研高度融合，成为技术发展以及专利增长的源泉。

图5 技术来源国家或地区分布排名

2.3 全球主要申请人分析

通过对检索到的1486项专利家族申请数据进行统计分析，如图6 所示，前12 位专利申请人其主要由国网系申请人、外资企业以及高校科研单位构成，国家电网、全球能源互联网研究院、ABB、伊顿等公司在固态断路器领域的专利申请比较大，其中，国家电网本身已申请了近180 项专利，并且全球能源互联研究院、许继电气、南京南瑞、中电普瑞都属于国家电网的直属单位或者控股公司，可以看出国家电网系公司在固态断路器领域尤其是高压固态直流断路器方面表现强势，研发成果斐然，同时也很注重专利布局；ABB、东芝、伊顿、西门子等外资企业实力强大，其申请专利的数量和质量都较高，ABB 申请了63 项专利，其在全固态断路器和混合固态断路器方面都布局了大量专利，其研发成果在固态断路器领域颇备受瞩目，伊顿申请了40 项专利，另外值得注意的是，ABB 公司、伊顿和西门子在自己研发固态断路器的同时还投资了在固态断路器方面的研发新星美国公司Atom Power。

图6 全球固态断路器专利申请人前12 排名

2.4 近十年专利申请的技术趋势

图7 2009-2019 年专利申请技术趋势

图7 显示了2009-2019 年专利申请的技术趋势，可以看出，相比其他类型断路器，固态断路器虽然切断速度快，但是其成本相当高，价格昂贵，同时其同步控制以及电压、电流均衡化问题也很突出，因此大量专利申请聚焦在可靠性提高、成本降低、速度提高、复杂性降低等问题上，涉及上述方向的专利均在200 项以上，另外，我们可以进一步地预测固态断路器未来将向智能化和数字化的大方向发展，如何降低成本、提高可靠性以及降低损耗等问题仍然是研发和专利布局的重点。

2.5 近十年的关键技术专利

全球能源互联网研究院在2013 年2 月申请了一项发明专利（公开号CN103280763A），该专利涉及一种直流断路器，其原理与ABB 申请的混合固态断路器专利相似，不同的是第一电流转移支路和第二次电流转移支路采用全桥结构的功率半导体模块和电容，H 桥结构的功率半导体模块包括四个功率半导体模块，每两个功率半导体模块通向串联构成一个支路，两个支路并联且分别引出两条支路的中间点，基于该原理研制的混合式高压直流固态断路器于2015 年通过技术成果鉴定，测试中所切断故障电流超过15kA，开断时间仅为3 毫秒[4-5]。

ABB 公司于2013 年7 月申请了一项抽出型全固态断路器的专利（CN103578820A），其包括开关单元和支撑框架，开关单元包括两个切断触点以及固态开关，支撑框架上有两个与开关单元对应的切断触点，致动装置驱动开关单元在支撑框架上运动，使前面四个触点连接或分离，结构简单，尺寸较小并且便于控制和维护。基于此架构ABB 不断改进，并在2019 年3 月申请了一项专利（公开号EP3716324A1），其开发了一套与上面架构匹配的冷却系统，开关单元包括液压回路，冷却流体沿着该液压回路循环以冷却固态开关，液压回路包括与所述支撑框架的对应的第三液压连接器和对应的第四液压连接器耦接或分离的第一液压连接器和第二液压连接器，在保持较小体积和重量的前提下提高冷却效率，并有效降低成本。

成立于2014 年的Atom Power 公司于2017 年2 月申请了一系列固态断路器的专利，其中专利WO2017151521A1 公开了一种具有隔离功能的混合式气隙/固态断路器，该固态断路器采用SiC 为功率半导体器件，其包括串联的固态装置和气隙断连单元，感测驱动电路以及控制单元，在检测到电路发生故障或者电流过高时，控制单元为气隙断连单元生成断连脉冲，为作出响应，断连脉冲在负载电路上形成气隙，通过切断固态装置和气隙避免损坏负载及相应电路，并将发生故障或者过载的电路部分与其他部分进行隔离，切断电路时间在几毫秒之内，基于该专利原理研发的产品第一代固态断路器已于2019 年通过了完整的UL 489 测试，也是世界上第一个UL 认证的固态断路器，该断路器可以实现欠过压、欠过流以及远程控制等多种功能。

清华大学于2017 年11 月申请了涉及一种混合式直流断路器以及直流输配电系统的电路拓扑结构发明专利（公开号CN109755924A），包括双向电力电子器件串联开关、快速机械开关、能量吸收回路，该方案可以在维持性能的前提下显著降低系统成本。

ABB 公司在2019 年11 月申请了一项用于固态断路器的电压箝位电路发明专利（公开号WO2020106964A1），固态断路器包括主开关器件、与主开关器件并联的电压箝位电路，串联耦合在第一端子和辅助半导体器件之间的金属氧化物压敏电阻，辅助半导体器件被布置成选择性地将MOV 与第二端子耦合，以及旁路电路耦合在第一端子和辅助半导体器件之间，提高了电压利用率的同时还降低了成本。

3.结语

随着功率半导体技术的发展，作为其重要应用场景的固态断路器由于具有切断快、寿命长等优点已逐渐成为研发和专利布局的热门领域。通过专利分析可以看出国外的申请人在注重混合式固态断路器的同时也在引领全固态断路器的发展，而国内的申请人主要侧重于混合式固态断路器的研发和专利布局，产学研融合水平较高；另外，通过专利的数据可以预测固态断路器的发展方向，冷却性好、低成本、低损耗、稳定性高、数字化以及智能化将是未来固态断路器的研发以及专利布局的重点。