固態(tài)斷路器領域的全球專利分析

王小波

（施耐德電氣（中國）有限公司，上海 201203）

斷路器是輸配電線路中接通和斷開負載的一個關鍵部件，其主要作用是使電路免于由故障和過載引起的異常電流，在系統(tǒng)發(fā)生故障時迅速切除故障支路，傳統(tǒng)的機械斷路器通過熱雙金和/或磁組件觸發(fā)機械觸點分離從而保護電路，但對故障的反應時間較長，并且容易產(chǎn)生電弧，增加了設備損壞和人身安全的風險，隨著功率半導體技術的快速發(fā)展，通過高功率固態(tài)無觸點開關代替機械觸點成為研究熱點，固態(tài)斷路器技術得到了迅速發(fā)展[1-3]。

1.固態(tài)斷路器技術概述

斷路器大體可分為機械式斷路器和固態(tài)斷路器，固態(tài)斷路器又可劃分為全固態(tài)斷路器、混合式固態(tài)斷路器[2-5]。

1.1 全固態(tài)斷路器

全固態(tài)斷路器是指完全由功率半導體器件代替機械開關的斷路器，全固態(tài)斷路器又可分為半控型全固態(tài)斷路器和全控型固態(tài)斷路器[3-5]，全固態(tài)斷路器通常包括固態(tài)開關電路、緩沖電路、檢測單元以及控制單元等部分。1957 年通用電氣公司開發(fā)出世界上第一個晶閘管產(chǎn)品，1960 年通用電氣申請了第一個半控型全固態(tài)斷路器的專利（US3176149A），如圖1 所示，包括窄結二極管1、電壓源3、電阻4、電容6、晶閘管SCR 7、電流源11、手動開關28，晶閘管7 包括陽極8、陰極9 以及門極10，窄結二極管1 與晶閘管SCR7 串聯(lián)，并聯(lián)的電容6 將二者分流，電壓源3 和電阻4 可以控制斷路中斷，正常情況下，二極管1 和晶閘管SCR 7 為低阻抗狀態(tài)電流通過，當電流超過閾值時，二極管1 切換工作狀態(tài)將電路電流減小到小于晶閘管SCR 的最小保持電流，電容6 充電以使晶閘管SCR 維持高阻抗狀態(tài)，從而快速有效的切斷電路。但由于晶閘管SCR 是電流控制器件且在直流系統(tǒng)中需要利用人工換流進行關斷，電路結構復雜，并且成本居高不下，后面出現(xiàn)的以GTO、IGBT 和IGCT為代表的第二代功率半導體器件——全控型電子器件，可以自行切斷電流克服了上述問題，隨著半導體技術的快速發(fā)展，2008 年之后以SiC 和GaN 為代表的第三代功率半導體器件——寬禁帶半導體由于其具有高耐壓、低功耗以及較大工作溫度范圍等優(yōu)點，逐漸成為固態(tài)斷路器研究設計的熱點[4-6]。

圖1 通用電氣早期半控型全固態(tài)斷路器

1.2 混合式固態(tài)斷路器

混合式固態(tài)斷路器是采用機械開關與功率半導體器件的斷路器，其主要包括主電路、轉移回路、緩沖吸收回路、檢測單元和控制單元等部分，主電路一般由機械開關或者機械開關串聯(lián)功率半導體器件構成，轉移支路通常由功率半導體器件構成，其綜合了機械開關通態(tài)損耗小和功率半導體器件關斷迅速等特性，是當前高壓直流斷路器研究的主要方向[3-5]。ABB 公司在2009 年11 月申請了混合式高壓直流斷路器的關鍵專利（公開號CN102687221A），如圖2 所示，斷路器13 包括電抗器12以及并聯(lián)連接的主斷路器8、非線性電阻器11 以及輔助斷路器9，輔助斷路器包括串聯(lián)的機械高速開關10 和功率半導體開關6，主斷路器由多個功率半導體開關6 串聯(lián)而成，功率半導體開關可使用IGBT、IGCT 等具有接通和關斷能力的功率半導體器件，正常情況下輔助斷路器9 和高速開關10 閉合，電流流經(jīng)高速開關10 和輔助斷路器9，主斷路器8 無電流，在故障發(fā)生時電流增加使輔助斷路器斷開，電流換流到主斷路器8，經(jīng)過一定時間后高速開關10 再斷開，之后輔助斷路器9 斷開，非線性電阻器11 吸收線路上的能量，從而有助于保護電路或者配電線路14 免受熱應力。

2.固態(tài)斷路器技術狀況分析

2.1 全球和中國專利申請的時間發(fā)展趨勢

固態(tài)斷路器的發(fā)展趨勢與功率半導體器件的技術突破密切相關，通過圖3 可以看出，固態(tài)斷路器領域經(jīng)歷了萌芽期（1960-1980）、技術積累期（1980-2008）以及快速發(fā)展期（2009-至今），1956 年美國貝爾實驗室發(fā)明了晶閘管，晶閘管可以通過小電流控制大電流的通斷，1960 年通用電氣申請了第一個固態(tài)斷路器的專利，但晶閘管必須切斷電源或者施加反向電壓才能強行關斷，這增加了成本和控制難度，因此相關的專利申請量較少，1970 年代出現(xiàn)了全控型功率半導體器件，進入1980 年代隨著全控型功率半導體器件技術日趨成熟，成功克服了可控硅整流器的缺陷，各公司和科研機構嘗試將其應用到斷路器中，并在八十年代形成了小高峰期，1985 年和1986年均申請了16 件相關專利，這是20 世紀固態(tài)斷路器專利申請數(shù)量的最高峰，從2009 年開始固態(tài)斷路器技術進入了快速發(fā)展期，專利申請爆發(fā)式增長，中國專利申請趨勢與全球專利申請趨勢高度相似，貢獻了專利增長的主要部分，2019 年申請了194 件專利是最高峰，究其原因主要有以下幾個方面，一方面ABB 公司2009 提出了混合式直流固態(tài)斷路器的專利申請，并于2012 開發(fā)出首臺產(chǎn)品，切斷時間在5ms 之內(nèi)，入選《MIT Technology Review》2012 年度最重要十大科技之一[4-5]，引發(fā)了混合式高壓直流固態(tài)斷路器的研發(fā)熱潮；另一方面，隨著中國企業(yè)研發(fā)實力增長明顯，專利意識也越來越強，以國家電網(wǎng)為代表的國內(nèi)企業(yè)以及科研機構對在2010 年之后對固態(tài)斷路器持續(xù)研發(fā)并申請了大量專利；最后，第三代功率半導體器件因為具有高工作電壓、高功率密度、低開關損耗、響應速度快等優(yōu)點，也在一定程度上推動了固態(tài)斷路器研發(fā)和專利布局的熱潮。

圖4 專利類型分布圖

從專利類型的分布圖上看，與其他領域不同的是固態(tài)斷路器的發(fā)明申請占比較高，目前為止共申請了1094 項發(fā)明專利，而實用新型僅為147 項，發(fā)明專利數(shù)量是實用新型數(shù)量的7 倍以上，一般而言發(fā)明專利比實用新型對技術創(chuàng)新的要求更高，相應的保護力度和范圍也更大，這表明固態(tài)斷路器的領域技術含量較高，申請人對專利布局也比較重視。

2.2 專利技術來源國家或地區(qū)分布

如圖5 所示，中國是專利申請最多的技術來源國，申請了669 件相關專利，而美國申請了220 件專利申請排在第二名，除此之外，歐洲地區(qū)、日本、韓國也是重要的技術來源國家或地區(qū)，實力不可小覷。中國之所以成為最大的專利技術來源國主要有以下原因：第一，國家將知識產(chǎn)權提升到了前所未有的戰(zhàn)略高度，申請人的專利意識也在不斷增強，從2010 年之后包括斷路器在內(nèi)的各技術專利申請數(shù)量呈現(xiàn)快速增長趨勢，與此同時，如何平衡專利質量和數(shù)量成為新的焦點；第二，以國家電網(wǎng)為代表的企業(yè)高度重視行業(yè)發(fā)展趨勢和技術創(chuàng)新，并積極進行研發(fā)和專利布局，同時和清華大學、西安交通大學、浙江大學等高校科研院所合作，產(chǎn)學研高度融合，成為技術發(fā)展以及專利增長的源泉。

圖5 技術來源國家或地區(qū)分布排名

2.3 全球主要申請人分析

通過對檢索到的1486項專利家族申請數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，如圖6 所示，前12 位專利申請人其主要由國網(wǎng)系申請人、外資企業(yè)以及高校科研單位構成，國家電網(wǎng)、全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院、ABB、伊頓等公司在固態(tài)斷路器領域的專利申請比較大，其中，國家電網(wǎng)本身已申請了近180 項專利，并且全球能源互聯(lián)研究院、許繼電氣、南京南瑞、中電普瑞都屬于國家電網(wǎng)的直屬單位或者控股公司，可以看出國家電網(wǎng)系公司在固態(tài)斷路器領域尤其是高壓固態(tài)直流斷路器方面表現(xiàn)強勢，研發(fā)成果斐然，同時也很注重專利布局；ABB、東芝、伊頓、西門子等外資企業(yè)實力強大，其申請專利的數(shù)量和質量都較高，ABB 申請了63 項專利，其在全固態(tài)斷路器和混合固態(tài)斷路器方面都布局了大量專利，其研發(fā)成果在固態(tài)斷路器領域頗備受矚目，伊頓申請了40 項專利，另外值得注意的是，ABB 公司、伊頓和西門子在自己研發(fā)固態(tài)斷路器的同時還投資了在固態(tài)斷路器方面的研發(fā)新星美國公司Atom Power。

圖6 全球固態(tài)斷路器專利申請人前12 排名

2.4 近十年專利申請的技術趨勢

圖7 2009-2019 年專利申請技術趨勢

圖7 顯示了2009-2019 年專利申請的技術趨勢，可以看出，相比其他類型斷路器，固態(tài)斷路器雖然切斷速度快，但是其成本相當高，價格昂貴，同時其同步控制以及電壓、電流均衡化問題也很突出，因此大量專利申請聚焦在可靠性提高、成本降低、速度提高、復雜性降低等問題上，涉及上述方向的專利均在200 項以上，另外，我們可以進一步地預測固態(tài)斷路器未來將向智能化和數(shù)字化的大方向發(fā)展，如何降低成本、提高可靠性以及降低損耗等問題仍然是研發(fā)和專利布局的重點。

2.5 近十年的關鍵技術專利

全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院在2013 年2 月申請了一項發(fā)明專利（公開號CN103280763A），該專利涉及一種直流斷路器，其原理與ABB 申請的混合固態(tài)斷路器專利相似，不同的是第一電流轉移支路和第二次電流轉移支路采用全橋結構的功率半導體模塊和電容，H 橋結構的功率半導體模塊包括四個功率半導體模塊，每兩個功率半導體模塊通向串聯(lián)構成一個支路，兩個支路并聯(lián)且分別引出兩條支路的中間點，基于該原理研制的混合式高壓直流固態(tài)斷路器于2015 年通過技術成果鑒定，測試中所切斷故障電流超過15kA，開斷時間僅為3 毫秒[4-5]。

ABB 公司于2013 年7 月申請了一項抽出型全固態(tài)斷路器的專利（CN103578820A），其包括開關單元和支撐框架，開關單元包括兩個切斷觸點以及固態(tài)開關，支撐框架上有兩個與開關單元對應的切斷觸點，致動裝置驅動開關單元在支撐框架上運動，使前面四個觸點連接或分離，結構簡單，尺寸較小并且便于控制和維護。基于此架構ABB 不斷改進，并在2019 年3 月申請了一項專利（公開號EP3716324A1），其開發(fā)了一套與上面架構匹配的冷卻系統(tǒng)，開關單元包括液壓回路，冷卻流體沿著該液壓回路循環(huán)以冷卻固態(tài)開關，液壓回路包括與所述支撐框架的對應的第三液壓連接器和對應的第四液壓連接器耦接或分離的第一液壓連接器和第二液壓連接器，在保持較小體積和重量的前提下提高冷卻效率，并有效降低成本。

成立于2014 年的Atom Power 公司于2017 年2 月申請了一系列固態(tài)斷路器的專利，其中專利WO2017151521A1 公開了一種具有隔離功能的混合式氣隙/固態(tài)斷路器，該固態(tài)斷路器采用SiC 為功率半導體器件，其包括串聯(lián)的固態(tài)裝置和氣隙斷連單元，感測驅動電路以及控制單元，在檢測到電路發(fā)生故障或者電流過高時，控制單元為氣隙斷連單元生成斷連脈沖，為作出響應，斷連脈沖在負載電路上形成氣隙，通過切斷固態(tài)裝置和氣隙避免損壞負載及相應電路，并將發(fā)生故障或者過載的電路部分與其他部分進行隔離，切斷電路時間在幾毫秒之內(nèi)，基于該專利原理研發(fā)的產(chǎn)品第一代固態(tài)斷路器已于2019 年通過了完整的UL 489 測試，也是世界上第一個UL 認證的固態(tài)斷路器，該斷路器可以實現(xiàn)欠過壓、欠過流以及遠程控制等多種功能。

清華大學于2017 年11 月申請了涉及一種混合式直流斷路器以及直流輸配電系統(tǒng)的電路拓撲結構發(fā)明專利（公開號CN109755924A），包括雙向電力電子器件串聯(lián)開關、快速機械開關、能量吸收回路，該方案可以在維持性能的前提下顯著降低系統(tǒng)成本。

ABB 公司在2019 年11 月申請了一項用于固態(tài)斷路器的電壓箝位電路發(fā)明專利（公開號WO2020106964A1），固態(tài)斷路器包括主開關器件、與主開關器件并聯(lián)的電壓箝位電路，串聯(lián)耦合在第一端子和輔助半導體器件之間的金屬氧化物壓敏電阻，輔助半導體器件被布置成選擇性地將MOV 與第二端子耦合，以及旁路電路耦合在第一端子和輔助半導體器件之間，提高了電壓利用率的同時還降低了成本。

3.結語

隨著功率半導體技術的發(fā)展，作為其重要應用場景的固態(tài)斷路器由于具有切斷快、壽命長等優(yōu)點已逐漸成為研發(fā)和專利布局的熱門領域。通過專利分析可以看出國外的申請人在注重混合式固態(tài)斷路器的同時也在引領全固態(tài)斷路器的發(fā)展，而國內(nèi)的申請人主要側重于混合式固態(tài)斷路器的研發(fā)和專利布局，產(chǎn)學研融合水平較高；另外，通過專利的數(shù)據(jù)可以預測固態(tài)斷路器的發(fā)展方向，冷卻性好、低成本、低損耗、穩(wěn)定性高、數(shù)字化以及智能化將是未來固態(tài)斷路器的研發(fā)以及專利布局的重點。