Cuk變換器專利技術發展綜述

國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心 周素梅

Cuk變換器專利技術發展綜述

國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心 周素梅

Cuk變換器主要是對Buck/Boost改進的單管不隔離直流變換器，在輸入輸出段均有電感，可以顯著減小輸入和輸出電流的脈動，輸出電壓的極性和輸入電壓相反，輸出電壓既可以低于也可以高于輸入電壓。本文從專利文獻的視角對Cuk變換器的技術發展進行全面的統計分析，總結了與Cuk變換器相關的國內外專利的申請趨勢，并對其技術方向和技術手段的發展脈絡進行了梳理。

Cuk變換器；隔離；雙向；軟開關

Cuk斬波電路也稱Cuk變換器，美國加州理工學院Slobodan Cuk提出的對Buck/Boost改進的單管不隔離直流變換器，在輸入輸出段均有電感，可以顯著減小輸入和輸出電流的脈動，輸出電壓的極性和輸入電壓相反，輸出電壓既可以低于也可以高于輸入電壓。Cuk變換器的電路原理圖如圖1所示，從該電路圖可知Cuk變換器 的工作原理為：當有源開關V導通時，無源開關VD因反偏而截止，此時輸入給濾波電感L1儲能，電容C1中的能量給負載供電和濾波電感L2儲能；當有源開關V截止時，由于電感電流不能突變，故使無源開關VD正偏而導通，此時電感L1和電感L2的總電流經二極管續流，電感L2儲存的能量向負載供電，電感L1儲存的能量補充電容C1在前一間隔所損失的能量，并由輸出電壓對電感L2進行去磁。

圖1 Cuk變換器

本文主要以VEN和CNTXT數據庫中的檢索結構為分析樣本，從專利文獻的角度對Cuk變換器的發展進行統計分析，總結了與

Cuk變換器相關的國內外專利的申請趨勢、主要申請人分布以及針對雙向Cuk變換器以及軟開關的發展路線做了一定的分析，并從中得到一定的規律。

1. 專利情況概要

圖2對應2015年6月1日以前涉及Cuk變換器的國外歷年專利公開量的變化，從圖中可以看出，這一技術的發展大致可以分為兩個時期，各時期劃分以申請量增長率的變化為標準，即萌芽期（1977-1987）和平穩增長期（1987-至今）。在20世紀70-80年代，美國加州理工學院Slobodan Cuk提出的對Buck/Boost改進的單管不隔離直流變換器，在輸入輸出段均由電感，可以顯著減小輸入和輸出電流的脈動，輸出電壓的極性和輸入電壓相反，輸出電壓既可以低于也可以高于輸入電壓；即DC/DC變換進入了Cuk變換器的新階段。因此，上世紀70-80年代該項技術的發展屬于從無到有的萌芽階段。在該階段，從如上的圖表中亦能看出，涉及該項技術的申請量極少，涉足該領域的申請人也極少，具有代表性的申請人是CALIFORNIA INST OF TECHN（CALY），即加州理工學院。

圖2 國外歷年專利公開量的變化

圖3示出了關于Cuk變換器國內專利公開量的變化，與國外專利公開量的變化相對應，大致可以分為二個階段，第一階段為1977-1999年，第二階段為2000-2014年。第一時期，國內的申請主要呈現有以下特點：一方面，在第一時期內，中國國內關于Cuk變換器領域的申請數量較國外申請量要少很多；另一方面，與國外專利申請趨勢和國內專利申請趨勢相比可以看出該階段的中國申請量幾乎為零，在這個階段的中國對于Cuk變換器的發展落后于其他國家。第二時期，中國專利申請趨勢總體呈現鋸齒波上升趨勢，從圖3中可以看出，中國在這一階段的申請量正在慢慢追趕國際的腳步，從而也在一個側面反映了中國在該階段的工業發展相對于前一階段有了明顯的進步。

圖3 國內歷年專利公開量的變化

2. Cuk變換器專利技術發展分析

2.1隔離耦合電感

電感耦合是通過耦合的作用，將某一電路的能量傳輸到其他電路中去，利用耦合電感的Cuk變換器電路的能量傳輸比普通電感的傳輸效果好，這是毋庸置疑的。同時，在工程實際應用中，往往需要電氣隔離，而隔離變壓器可以將輸入繞組和輸出繞組在電氣上彼此隔離，可以避免偶然同時觸及帶電梯和大地所帶來的危險，保證用電安全；因此，如果Cuk變換器想要在工程實際中得到廣泛應用，則電氣隔離是必備的條件。圖4為幾個典型的具有隔離耦合電感的Cuk變換器：

圖4 隔離耦合Cuk變換器

2.2雙向Cuk變換器

隨著科技和生產的發展，對雙向直流部間斷電源系統、航空電源系統等應用場合增加，DC/DC變換器的需求逐漸增多。為了減輕系統的體積重量，節約成本，在電池的充放電、電動汽車、UPS系統、太陽能光伏發電系統、航空電源系統等場合，雙向DC-DC變換器（Bi-directional DC-DC Converter）獲得了越來越廣泛的應用。

雙向DC-DC變換器構成和單向直流變換器類似，可通過對單向直流變換器適當的改造來實現。許多單向直流變換器都可通過將其中無源開關替換為有源開關而成為雙向DC-DC變換器，將單向基本變換單元替換成雙向基本變換單元。一般只要將單向開關電源中的開關管反并聯二極管；在二極管上反并聯開關管，在輸入和輸出端分別并聯電容即可。

與傳統的采用兩套單向DC-DC變換器來達到能量雙向傳輸的方案相比，雙向DC-DC變換器應用同一個變換器來控制能量的雙向傳輸，使用的總體器件數目小，且可以更加快速地進行兩個方向功率變換的切換。再者，在低壓大電流場合，一般雙向DC-DC變換器更有可能在現成的電路上使用同步整流器工作方式，有利于降低通態損耗。總之，雙向DC-DC變換器具有高效率、體積小、動態性能好和低成本等優勢。Cuk變換器作為基本的DC-DC變換器之一，為了使之適應發展的需求，自然也就需要往雙向Cuk變換器的方向發展，圖5為雙向Cuk變換器的典型代表：

圖5 雙向Cuk變換器

3. 結語

本文通過VEN和CNTXT數據庫收錄的專利為樣本，分析了國內外Cuk變換器的專利申請趨勢，并對Cuk變換器發展所解決的技術問題為技術分支的技術發展做了進一步分析。從國外Cuk變換器的專利技術發展來看，該技術領域的技術已相當成熟，對于國內的申請人來說，如果只是單純的對具體Cuk變換器的結構進行改造，想要繞開國外公司的專利壁壘，開辟新的途徑是比較困難的。隨著市場國際化的發展，勢必會有大量的國外申請進入中國市場，對于國內申請人來說，應該跳出Cuk變換器的結構進行改進的思維，針對一些技術問題目前研究的申請量比較少，但是對Cuk變換器應用領域有良好效果，比如開關管的零電流和零電壓，其也能降低開關管的損耗，或者研究一些對該領域的專利有重大改進的專利，研究這些專利的不足，從中找到解決的辦法，發現別人沒有發現的成熟技術的缺陷，或許可以作為國內申請人研究的重點。

周素梅，畢業于河海大學能源與電氣學院，現供職于國家知識產權局專利局專利審查協作江蘇中心。

［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.