中点钳位多电平变流器技术应提升专利质量

　　中点钳位（Neutral Point Clamped，NPC）多电平变流器即为二极管钳位型（Diode Clamped）多电平变流器，通过串联的电容将直流侧的高电压分成一系列较低的电平电压，是多电平变流器中应用最多、发展最早的一种拓扑结构。本文以中国专利检索系统文摘数据库公开的中点钳位多电平变流器领域相关专利文献为基础，对该领域的中国专利申请进行了统计分析，以期为行业发展提供参考。

　　技术快速发展

　　笔者通过专利文献检索后发现，截至2016年5月24日，中点钳位多电平变流器技术相关的专利申请共429件。中点钳位多电平变流器领域的中国专利申请始于1996年，在1997年至2005年间发展较为缓慢。从2006年开始，相关专利申请量迅速增长，并从2010年开始维持在一个较高的水平。2010年至2016年间的专利申请量共354件，占申请总量的82.5％以上。这些数据表明，中点钳位多电平变流器技术开始在中国进入技术高速发展期。

　　在检索得到的429件中点钳位多电平变流器领域的中国专利申请中，国内申请共计410件，占总申请量的96％；国外来华申请共19件，占总申请量的4％。由此可见，该领域国内申请人的申请量占据了绝对比重。这在一定程度上说明，随着我国在高压大功率场合中对变流器的需求与日俱增，相关技术人员越来越认识到中点钳位多电平变流器技术的必要性和重要性，从而带动国内相关企业和研发机构对该技术开展大量研究。

　　对于国外来华申请，美国以9件申请量排名第一，其次为日本7件，法国3件。虽然国外申请人的申请量较少，但其申请人如通用电气公司、施耐德东芝换流器欧洲公司、艾默生网络能源系统北美公司等都是电力行业的巨头，其在该领域的技术能力不容小觑，且从专利的技术内容来看，这些专利申请都偏向于基础专利，从而给国内企业造成了一定的技术壁垒。

　　在该领域的中国专利申请中，申请人主要为高校及科研机构。这表明我国对中点钳位多电平变流器技术的研究多为学术研究性质，其产业化程度还不高。其中，阳光电源股份有限公司、南京航空航天大学、西南交通大学，以及山东新风光电子科技发展有限公司等构成目前中点钳位多电平变流器领域中国专利申请的主力（见下图）。国内电力行业的企业、科研机构和一些高校近年来在该领域进行了大量研发，技术优势较为明显。

　　提升专利质量

　　脉宽调制技术（PWM）是多电平变流器的核心技术之一。所谓脉宽调制技术是指利用半导体开关器件的开通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，以实现多电平逆变器的变频、变压并有效控制和消除谐波的技术。中点钳位多电平变流器PWM技术主要对以下两个方面的目标进行控制：一是对输出电压进行控制，即变流器输出的脉冲序列在伏秒意义上与目标参考波形等效；二是对变流器本身的运行状态进行控制，包括直流电容的电压平衡控制、输出谐波控制、功率开关的输出平衡控制、器件的开关损耗控制等。

　　在410件中点钳位多电平变流器领域的国内专利申请中，涉及PWM技术的有250件，占总申请量的61％。在19件国外来华专利申请中，有12件涉及PWM技术，占据总申请量的63％。可以看出，无论是国内申请人还是国外来华申请人，其在该领域的专利申请都以PWM技术为主。这主要是因为制约中点钳位多电平变流器应用的最大问题是直流侧支撑电容电压不平衡问题，电容电压不平衡会给电路正常工作带来影响，导致输出电压波形畸变、谐波含量上升、电平数降低等，还会导致部分开关管承受电压上升，使器件寿命降低。而通过改变硬件拓扑结构来解决电容电压不平衡问题会导致附加成本大大增加，变流器的体积也会增大，还会使控制变得更加复杂。优化PWM算法主要是通过合理选择冗余矢量的作用时间和作用顺序来进行中点电位的平衡，可以避免硬件方法的某些弊端，减少电路拓扑结构，因此该领域中更多的研究是通过改进控制方法来实现电压平衡。

　　整体而言，国内申请人在该技术领域的专利申请量上虽占据优势，但是离技术强国还存在较大差距。虽然专利总量较高，但是有效专利以及核心专利的缺失仍然是阻碍我国中点钳位多电平变流器领域发展的一大障碍。因此，国内申请人应当加强研究力度，积极开展专利布局，重点关注国外其他电力公司的研发动向和技术更新，加强产业化程度。此外，该领域的中国专利申请集中在变流器及其控制方面，国内外申请重点集中于中点钳位多电平变流器的脉冲宽度调制方面。除了这些较为活跃的研发方向外，国内企业还应进一步研究与中点钳位多电平变流器相关的其他技术分支，未雨绸缪。