無線供電新技術——直流共振方式（上）【2】

共振器的驅動方法不同

下面來詳細介紹一下直流共振方式與原來的磁共振方式的主要不同之處，共有以下幾點。

（1）直流共振方式由直流電源和LC共振器直接形成電磁場的近場——“共振場”。（2）作為（1）的結果，系統構造變得簡單，可實現小型輕量化。（3）作為（1）的結果，將電源電力轉換為共振場的轉換效率較高。

（1）採用直流電源是因為我們能利用的電能大部分都是直流電源，因此可用性較高。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AC適配器或者家電產品內的AC-DC轉換器進行整流濾波后變為直流電源使用的。干電池和充電電池就不用說了，也都是直流電源。

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

圖3：損失比較大的現有WPT系統 本圖為典型的WPT系統的構成和電力效率。由於是從電源經由幾個功能電路將電力傳輸至負載，因此系統整體的效率變得非常低。

如此之多的電力轉換裝置對於提高電力利用效率來說是致命傷。例如，如果供受電器件的傳輸效率為80％，五個電力傳輸裝置的電力效率也為80％，則供電系統整體的電力效率根據（0.8）6＝0.262來計算約為26％。即使各裝置的效率為85％，根據（0.85）6＝0.377來計算，整體的電力效率也隻有約38％。整個系統的電力效率非常低4）。

直流共振方式的系統構造非常簡單，可在直流電壓電源和開關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，將電源電力轉換為共振場能量的轉換效率升高。而且，由於從電源電力轉換為共振場的轉換效率高，還容易用於利用大量共振器件的新無線電力傳輸（圖1）。

圖4：與原方式的不同在於電力傳輸方式 直流共振方式WPT（a）與原來的磁共振方式WPT（b）的不同。差別在於電源和共振器的驅動方法。

開關頻率至關重要

直流共振方式的開關電路採用了“最佳ZVS（Zero Voltage Switching）動作”等高級電路技術，對在高速開關動作中開關損失等電力損失非常小的D級逆變器（放大電路）等比較有效（圖5）5）。如果採用該電路構成，輸出阻抗幾乎為0Ω。除等效內部電阻以外幾乎都不消耗能量，也基本不消耗電磁能。

圖5：通過最佳ZVS動作的開關電源降低損失 ZVS（zero volt switching）之一——最佳ZVS動作開關電源的電路構成（a）、基本動作波形（b）、晶體管（FET）的硬開關和軟開關動作的差異。

不過，直流共振方式的WPT與只是單純地將0Ω的D級放大電路和E級放大電路用於WPT的方式不同。D級放大電路和E級放大電路將供電器件的負載認定為基本固定的50Ω純電阻。也就是說僅在負載為50Ω時可發生適當的共振，並向負載供給電力。

而WPT系統的供電器件負載並不確定。也就是說，等效負載會隨著耦合狀態發生變化。另外，負載的耗電量也會變化。

因此，直流共振方式通過以供電器件負載阻抗的電抗（虛部）為0的開關頻率運行，利用直流電力引發共振。由此無需進行阻抗匹配。

換言之，這意味著即使是一個或多個等任意負載，即便配置了多個共振線圈，也能准確地形成共振場。

此前學會上報告的共振型WPT系統的電源電路大部分都採用了50Ω類通信技術。採用50Ω類電源的WPT系統從電源來看對供電部和輸出負載部進行了分壓。結果，整體電力效率最大隻能有50％。

即使想將50Ω降至0Ω，從技術上來說，能為變化的負載供電，並獲得MHz以上的高頻正弦波電壓源是很難找到的。

另外，原技術還需要設計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，無法獲得阻抗匹配的電力會被反射回來，通過50Ω輸出阻抗轉化為熱能被消耗掉。（日經技術在線！ 供稿）