日本村田制作所的細(xì)谷開(kāi)發(fā)出了采用開(kāi)關(guān)技術(shù)的共振方式無(wú)線供電系統(tǒng)。該方式的特點(diǎn)是系統(tǒng)整體的電力效率高，這為無(wú)線供電系統(tǒng)提高線圈等共振元件之間的傳輸效率帶來(lái)了巨大的影響。下面請(qǐng)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)者來(lái)介紹一下直流共振方式的原理。

　　我們開(kāi)發(fā)出了被稱為“直流共振方式”的無(wú)線供電技術(shù)（WPT：Wireless Power Transfer）（圖1）。與以往采用磁共振方式的WPT系統(tǒng)相比，其特點(diǎn)是系統(tǒng)構(gòu)造更加簡(jiǎn)單，包括電源在內(nèi)的系統(tǒng)整體電力效率高。而且，即使傳輸距離發(fā)生變化，或者電力傳輸對(duì)象變?yōu)槎鄠€(gè)等負(fù)載發(fā)生較大變化時(shí)，電力傳輸效率也不會(huì)大幅降低，這也是特點(diǎn)之一。

　　圖1：直流電源和供電線圈形成“共振場(chǎng)”

　　此次開(kāi)發(fā)的“直流共振方式”的無(wú)線供電系統(tǒng)演示。從直流電源——太陽(yáng)能電池，利用具備開(kāi)關(guān)電路的供電模塊將直流電壓轉(zhuǎn)換成矩形波，通過(guò)供電線圈生成了電磁場(chǎng)的近場(chǎng)“共振場(chǎng)”。

　　與原WPT的各種方式相比，直流共振方式有望實(shí)現(xiàn)以下特性（圖2）。首先，與磁共振方式相比，可提高系統(tǒng)的整體電力效率，而且系統(tǒng)構(gòu)造變得非常簡(jiǎn)單；其次，與電磁感應(yīng)方式相比，供受電器件的位置自由度高，供受電器件的重量也變得更輕。與電場(chǎng)耦合方式相比，延長(zhǎng)傳輸距離時(shí)較占優(yōu)勢(shì)。與無(wú)線電波方式相比，傳輸電力更大 1～4）。

　　圖2：直流共振方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)高電力效率

　　本圖為WPT系統(tǒng)所需的要求事項(xiàng)（a），以及WPT實(shí)現(xiàn)方式的幾項(xiàng)課題和直流共振方式的優(yōu)點(diǎn)（b）。

　　共振器的驅(qū)動(dòng)方法不同

　　下面來(lái)詳細(xì)介紹一下直流共振方式與原來(lái)的磁共振方式的主要不同之處，共有以下幾點(diǎn)。

　?。?）直流共振方式由直流電源和LC共振器直接形成電磁場(chǎng)的近場(chǎng)——“共振場(chǎng)”。（2）作為（1）的結(jié)果，系統(tǒng)構(gòu)造變得簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)小型輕量化。（3）作為（1）的結(jié)果，將電源電力轉(zhuǎn)換為共振場(chǎng)的轉(zhuǎn)換效率較高。

　?。?）采用直流電源是因?yàn)槲覀兡芾玫碾娔艽蟛糠侄际侵绷麟娫矗虼丝捎眯暂^高。即使是家中的插座供給的50Hz和60Hz等AC100V商用交流電源，也大多是通過(guò)AC適配器或者家電產(chǎn)品內(nèi)的AC-DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行整流濾波后變?yōu)橹绷麟娫词褂玫摹?a href="http://www.brongaenegriffin.com/yuanqijian/dianchi/dianchishengchang/" target="_blank">干電池和充電電池就不用說(shuō)了，也都是直流電源。

　　而且，如（2）所述，利用直流電流可以大幅簡(jiǎn)化系統(tǒng)的電路構(gòu)成。目前常用的磁共振方式WPT系統(tǒng)的供電裝置由商用交流電源、用于絕緣的電源裝置、輸出高頻電流的振蕩放大裝置、整合裝置以及供電裝置構(gòu)成（圖3）。受電裝置由受電器件、整流平滑電路以及用于與負(fù)載整合的DC-DC轉(zhuǎn)換器等構(gòu)成。如果負(fù)載為充電電池等，還需要充放電電路等。

　　圖3：損失比較大的現(xiàn)有WPT系統(tǒng)

　　本圖為典型的WPT系統(tǒng)的構(gòu)成和電力效率。由于是從電源經(jīng)由幾個(gè)功能電路將電力傳輸至負(fù)載，因此系統(tǒng)整體的效率變得非常低。

　　如此之多的電力轉(zhuǎn)換裝置對(duì)于提高電力利用效率來(lái)說(shuō)是致命傷。例如，如果供受電器件的傳輸效率為80％，五個(gè)電力傳輸裝置的電力效率也為80％，則供電系統(tǒng)整體的電力效率根據(jù)（0.8）6＝0.262來(lái)計(jì)算約為26％。即使各裝置的效率為85％，根據(jù)（0.85）6＝0.377來(lái)計(jì)算，整體的電力效率也只有約38％。整個(gè)系統(tǒng)的電力效率非常低4）。

　　直流共振方式的系統(tǒng)構(gòu)造非常簡(jiǎn)單，可在直流電壓電源和開(kāi)關(guān)電路上直接連接共振器件（圖4）。由此，電力傳輸損失變得非常小，如（3）所述，與原方式相比，將電源電力轉(zhuǎn)換為共振場(chǎng)能量的轉(zhuǎn)換效率升高。而且，由于從電源電力轉(zhuǎn)換為共振場(chǎng)的轉(zhuǎn)換效率高，還容易用于利用大量共振器件的新無(wú)線電力傳輸（圖1）。

　　圖4：與原方式的不同在于電力傳輸方式

　　直流共振方式WPT（a）與原來(lái)的磁共振方式WPT（b）的不同。差別在于電源和共振器的驅(qū)動(dòng)方法。

　　開(kāi)關(guān)頻率至關(guān)重要

　　直流共振方式的開(kāi)關(guān)電路采用了“最佳ZVS（Zero Voltage Switching）動(dòng)作”等高級(jí)電路技術(shù)，對(duì)在高速開(kāi)關(guān)動(dòng)作中開(kāi)關(guān)損失等電力損失非常小的D級(jí)逆變器（放大電路）等比較有效（圖5）5）。采用該電路構(gòu)成的話，輸出阻抗幾乎為0Ω。除等效內(nèi)部電阻以外幾乎都不消耗能量，也基本不消耗電磁能。

　　圖5：通過(guò)最佳ZVS動(dòng)作的開(kāi)關(guān)電源降低損失

　　ZVS（zero volt switching）之一——最佳ZVS動(dòng)作開(kāi)關(guān)電源的電路構(gòu)成（a）、基本動(dòng)作波形（b）、晶體管（FET）的硬開(kāi)關(guān)和軟開(kāi)關(guān)動(dòng)作的差異。

　　不過(guò)，直流共振方式的WPT與只是單純地將0Ω的D級(jí)放大電路和E級(jí)放大電路用于WPT的方式不同。D級(jí)放大電路和E級(jí)放大電路將供電器件的負(fù)載認(rèn)定為基本固定的50Ω純電阻。也就是說(shuō)僅在負(fù)載為50Ω時(shí)可發(fā)生適當(dāng)?shù)墓舱?，并向?fù)載供給電力。

　　而WPT系統(tǒng)的供電器件負(fù)載并不確定。也就是說(shuō)，等效負(fù)載會(huì)隨著耦合狀態(tài)發(fā)生變化。另外，負(fù)載的耗電量也會(huì)變化。

　　因此，直流共振方式通過(guò)以供電器件負(fù)載阻抗的電抗（虛部）為0的開(kāi)關(guān)頻率運(yùn)行，利用直流電力引發(fā)共振。由此無(wú)需進(jìn)行阻抗匹配。

　　換言之，這意味著即使是一個(gè)或多個(gè)等任意負(fù)載，即便配置了多個(gè)共振線圈，也能準(zhǔn)確地形成共振場(chǎng)。

　　此前學(xué)會(huì)上報(bào)告的共振型WPT系統(tǒng)的電源電路大部分都采用了50Ω類(lèi)通信技術(shù)。采用50Ω類(lèi)電源的WPT系統(tǒng)從電源來(lái)看對(duì)供電部和輸出負(fù)載部進(jìn)行了分壓。結(jié)果，整體電力效率最大只能有50％。

　　即使想將50Ω降至0Ω，從技術(shù)上來(lái)說(shuō)，能為變化的負(fù)載供電，并獲得MHz以上的高頻正弦波電壓源是很難找到的。

　　另外，原技術(shù)還需要設(shè)計(jì)使得供電器件和受電器件各共振器的自共振頻率與高頻交流電源的頻率一致，或者與之匹配。而且，在高頻交流電源的頻率中，無(wú)法獲得阻抗匹配的電力會(huì)被反射回來(lái)，通過(guò)50Ω輸出阻抗轉(zhuǎn)化為熱能被消耗掉。

　　積極利用寄生電容

　　作為直流共振方式無(wú)線供電的具體示例，我們提出了“電磁共振型多共振式ZVS”WPT系統(tǒng)的電路方案（圖6）2）。

　　圖6：利用直流（矩形波）直接驅(qū)動(dòng)共振器

　　本圖為采用直流共振方式的電磁共振型多共振式ZVS無(wú)線供電系統(tǒng)的等效電路。

　　提案的供電系統(tǒng)中，供電側(cè)把對(duì)商用交流電源進(jìn)行整流濾波的電壓作為輸入電源電壓直接供電。受電側(cè)可控制電力，以使整流濾波后的電壓變?yōu)樗璧闹绷麟妷骸?/p>

　　提案系統(tǒng)與以往的磁共振方式相比，通過(guò)大幅削減電力轉(zhuǎn)換和傳輸機(jī)構(gòu)，可大幅提高電力效率。

　　圖6表示了在供受電器件間等效形成的互感、互電容，漏感以及分布電容等寄生要素。提案將這些要素作為電路參數(shù)用到了電力傳輸之中。

　　在供受電器件的距離較為接近的近距離情況下，互電容的影響比較大。而距離較遠(yuǎn)時(shí)，互電容的影響減小。這些系統(tǒng)在供電側(cè)和受電側(cè)雙方構(gòu)成LC共振電路，通過(guò)采用反射電力不會(huì)轉(zhuǎn)化為電力損失的構(gòu)成，可提高電力效率。

　　還可實(shí)現(xiàn)雙向電力傳輸

　　從本系統(tǒng)的電路拓?fù)淇梢钥闯?，供電?cè)和受電側(cè)能夠采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)。受電側(cè)電路的兩個(gè)FET作為整流電路工作，這兩個(gè)FET還可以直接作為開(kāi)關(guān)電路的振蕩元件使用。也就是說(shuō)，可進(jìn)行雙向電力傳輸。另外，能將受電側(cè)的電路塊直接作為中繼設(shè)備使用，延長(zhǎng)無(wú)線傳輸距離，或者分流。也就是說(shuō)，該電路塊能作為供電、中繼和受電任意一種電路使用，可單元化。

　　根據(jù)中繼點(diǎn)設(shè)置這種單元化的電路模塊，還可以在其他時(shí)間將充電后存儲(chǔ)的電力用于供電用途，或者通過(guò)其他能源補(bǔ)給電力后供電（圖7）。

　　圖7：各種器件形成共振場(chǎng)

　　本圖為供電器件、共振（中繼）裝置和受電器件共享共振場(chǎng)的示意圖和模擬示例。

　　我們利用村田軟件開(kāi)發(fā)的有限元法解析軟件“Femtet”分析了由大量共振線圈形成的電磁共振場(chǎng)的磁場(chǎng)（圖7（b））。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，線圈附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度較大，電磁共振場(chǎng)擴(kuò)大到了空間中。

　　另外，圖1的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)將太陽(yáng)能電池發(fā)電的直流電壓進(jìn)行了電力傳輸，通過(guò)直流電流點(diǎn)亮了多個(gè)LED。驗(yàn)證了（1）直流-直流電力傳輸、（2）多負(fù)載供電、（3）電磁共振場(chǎng)的擴(kuò)大以及（4）多方向供電等多項(xiàng)有用的技術(shù)。還有望實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電等利用自然能源的環(huán)保供電系統(tǒng)。

　　效果同“小號(hào)”

　　直流共振方式與以往的磁共振方式相比，將電源電力轉(zhuǎn)換為電磁場(chǎng)能量的效率較高，下面就其原因進(jìn)行一下直觀解釋。

　　假設(shè)直流共振方式的電源和供電用共振裝置為小號(hào)，磁共振方式的電源和供電用共振裝置為吉他，感知聲音的耳朵為受電用共振裝置（圖8）。小號(hào)能高效向空氣中振動(dòng)，奏出比吉他更大更有力道的聲音。這是為什么呢？

　　圖8：與小號(hào)和吉他的差別類(lèi)似

　　直流共振方式WPT和現(xiàn)有眾多磁共振方式WPT的電力及電磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換效率的差別與小號(hào)和吉他聲音大小不同的理由非常相似。

　　吉他等弦樂(lè)器的弦振動(dòng)傳遞到吉他的表板上，表板振動(dòng)，再通過(guò)共振箱將振動(dòng)傳遞到空氣中發(fā)聲。表板起到的是揚(yáng)聲器的作用。通過(guò)采用箱構(gòu)造，反射表板向后發(fā)出的聲音并放大，同時(shí)傳遞到表面。

　　此時(shí)重要的是，在通過(guò)弦的振動(dòng)使板振動(dòng)，再將弦的振動(dòng)傳遞到板上并進(jìn)行放大的過(guò)程中，聲能受到了損失。結(jié)果發(fā)出的聲音就變小。

　　這一點(diǎn)與磁共振方式一樣。原來(lái)的磁共振方式大多采用通過(guò)電力放大電路將高頻信號(hào)放大的高頻交流電源。共振器隨著高頻交流電源的頻率激振，產(chǎn)生振動(dòng)的磁力線，共振器之間耦合。

　　此時(shí)，為放大高頻信號(hào)并傳輸能量，損失會(huì)增加。結(jié)果導(dǎo)致電力效率降低。

　　而小號(hào)等管樂(lè)器直接振動(dòng)空氣。銅管樂(lè)器小號(hào)的振動(dòng)源是演奏者的唇的振動(dòng)，木管樂(lè)器單簧管的振動(dòng)源是被稱為簧片（Reed）的薄片的振動(dòng)。這些振動(dòng)源會(huì)控制空氣的流動(dòng)。然后選出符合共振管頻率的聲音成分放大，由此可以發(fā)出較大的聲音。與弦的振動(dòng)經(jīng)由板傳遞到空氣中不同，小號(hào)是直接向空氣中傳遞振動(dòng)，傳遞效率非常高。因此能發(fā)出強(qiáng)力的聲音。

　　直流共振方式與之非常相似。直流共振方式通過(guò)電力用半導(dǎo)體元件FET等形成振動(dòng)，控制電力的流動(dòng)。然后直接形成共振場(chǎng)、也就是通過(guò)共振頻率振動(dòng)的電磁場(chǎng)。因此，損失較少，在原理上能量傳輸效率出色。

　　采用GaN FET實(shí)施動(dòng)作實(shí)驗(yàn)

　　作為直流共振方式的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，下面來(lái)介紹一下采用GaN FET環(huán)路線圈的10MHz級(jí)共振電路的動(dòng)作實(shí)驗(yàn)（圖9）。

　　圖9：通過(guò)采用GaN FET和環(huán)路線圈的系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)

　　本圖為系統(tǒng)的電路構(gòu)成（a）和測(cè)量結(jié)果（b）。環(huán)路線圈間的距離為3mm，線圈間的磁耦合系數(shù)為k＝0.567。電氣和電磁場(chǎng)間的轉(zhuǎn)換效率約為75％以上。這比MIT于2007年發(fā)布的系統(tǒng)的33％大幅提高。

　　在實(shí)驗(yàn)中，共振電容器采用村田制作所制造的高頻特性出色的中高壓積層陶瓷電容器，開(kāi)關(guān)元件采用羅姆制造的試制品——脈沖為100V/20A、導(dǎo)通電阻為0.21Ω的常閉型GaN FET。上升、下降時(shí)間均為6ns，有望實(shí)現(xiàn)高速開(kāi)關(guān)動(dòng)作。使半徑為5cm，線徑為1mm的兩個(gè)供受電環(huán)路線圈靠近，以輸入電壓Vi＝60V，負(fù)載Ro＝50Ω進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。結(jié)果，開(kāi)關(guān)頻率fs＝8.2MHz時(shí)，傳輸電力達(dá)到74.9W，系統(tǒng)整體電力效率達(dá)到73.3％（圖9（b））。

　　另外，輸入電壓為50V時(shí)，輸出電壓達(dá)到51.0V，傳輸電力達(dá)到52.0W，最高系統(tǒng)電力效率達(dá)到74.0％3）。雖然線圈間距dx只有3mm，但由于是一重環(huán)路線圈，磁耦合系數(shù)k*比較小，為k＝0.567。不過(guò)，實(shí)現(xiàn)74～75％的電力效率表示由電源電力向電磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換的效率非常高。此外，通過(guò)改進(jìn)供受電器件的形狀，可提高相對(duì)于傳輸距離的磁耦合系數(shù)。

　　*磁耦合系數(shù)k＝在通過(guò)供電器件形成的磁力線中，與受電器件交鏈的磁力線比例。

　　統(tǒng)一分析共振耦合電路

　　設(shè)計(jì)新WPT系統(tǒng)需要新的設(shè)計(jì)理論。構(gòu)建新概念時(shí)，需要能對(duì)其進(jìn)行合理的說(shuō)明和設(shè)計(jì)的新技術(shù)。具備了新技術(shù)才能創(chuàng)新。

　　為了設(shè)計(jì)和分析WPT系統(tǒng)，這里將介紹三種無(wú)線共振耦合的統(tǒng)一解析法（圖10）。利用這些技術(shù)，WPT系統(tǒng)不僅是數(shù)學(xué)理論，還能進(jìn)行具體設(shè)計(jì)。

　　圖10：統(tǒng)一分析共振耦合電路

　　本圖為三種分析共振耦合的方法。

　　第一，“多諧振電路解析法”（MRA：multi-resonance analysis）。WPT系統(tǒng)通過(guò)線圈等供電器件和受電器件進(jìn)行電磁能的電力傳輸。多諧振電路解析（MRA）利用將四維空間電磁場(chǎng)的動(dòng)作制成二維平面模型的多諧振電路（multi-resonant circuit），來(lái)分析電壓和電流的時(shí)間變化。

　　系統(tǒng)設(shè)計(jì)所需的多諧振電路的電路常數(shù)通過(guò)用有限元法等對(duì)供受電器件進(jìn)行電磁場(chǎng)解析來(lái)計(jì)算，用磁耦合系數(shù)k表示。

　　第二，“諧波共振解析”（HRA：harmonic resonance analysis）。HRA解析將交互開(kāi)關(guān)FET獲得的梯形電壓進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)，根據(jù)各頻率成分來(lái)分析多諧振電路的特性。用該方法分析了構(gòu)成提案的無(wú)線供電系統(tǒng)的多諧振電路頻率特性。

　　第三，“F參數(shù)共振解析”（FRA：F-parameter resonance analysis）（圖11）。FRA方法可以通過(guò)F參數(shù)簡(jiǎn)單分析由多個(gè)LC共振電路構(gòu)成的復(fù)雜多諧振電路。各阻抗用F矩陣表示，通過(guò)F矩陣的級(jí)聯(lián)系統(tǒng)地分析輸入阻抗和電壓增益。

　　圖11：采用F參數(shù)的多諧振電路解析

　　在采用F參數(shù)的解析中，可以通過(guò)各電路的F矩陣獲得整體的F矩陣。

　　通過(guò)這些方法可以探明WPT系統(tǒng)的動(dòng)作和特性，使WPT系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變得容易而且現(xiàn)實(shí)。驗(yàn)證這些設(shè)計(jì)的方法一般采用電路模擬器和實(shí)際實(shí)驗(yàn)。這是WPT的基本設(shè)計(jì)過(guò)程。具體的設(shè)計(jì)方法請(qǐng)參考文獻(xiàn)等 1～2）。

　　共振型WPT如果能通過(guò)電磁場(chǎng)解析等獲得供受電器件的耦合系數(shù)，就可以設(shè)計(jì)供電系統(tǒng)。能夠分析輸出電壓、傳輸電力和系統(tǒng)的整體電力效率。在采用基于設(shè)計(jì)理論的GaN FET的10MHz動(dòng)作實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)的整體電力效率成功實(shí)現(xiàn)了74.0％，傳輸電力達(dá)到74.9W。這是前所未有的劃時(shí)代成果。

　　WPT擁有開(kāi)拓新市場(chǎng)的巨大潛力?？梢远ㄎ粸榕c功率電子、高頻技術(shù)、天線技術(shù)及無(wú)線通信技術(shù)等眾多技術(shù)息息相關(guān)的“高頻功率電子”這種新的跨學(xué)科技術(shù)領(lǐng)域之一1）。通過(guò)技術(shù)融合和乘積效應(yīng)，有望實(shí)現(xiàn)飛躍性的技術(shù)進(jìn)步?？鐚I(yè)領(lǐng)域的討論變得更加重要。

　　WPT目前還有很多尚不清楚的現(xiàn)象，就連第一線的研究人員也很傷腦筋，仍在積極致力于研究開(kāi)發(fā)。在研究開(kāi)發(fā)中，必須探明構(gòu)成復(fù)雜要素的本質(zhì)且實(shí)用的要素。不僅是“課題解決能力”，看清課題的“問(wèn)題發(fā)見(jiàn)能力”也至關(guān)重要。

　　為創(chuàng)造新價(jià)值、開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品，各領(lǐng)域的工程師齊心協(xié)力開(kāi)拓新技術(shù)和新業(yè)務(wù)，為了讓工程師們能精神飽滿地投入到工作中，今后將繼續(xù)推進(jìn)研究開(kāi)發(fā)和實(shí)用化。