無線供電新技術——“直流共振方式”（中）

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無線供電新技術——直流共振方式（上）

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積極利用寄生電容

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

圖6：利用直流（矩形波）直接驅動共振器 本圖為採用直流共振方式的電磁共振型多共振式ZVS無線供電系統的等效電路。

提案的供電系統中，供電側把對商用交流電源進行整流濾波的電壓作為輸入電源電壓直接供電。受電側可控制電力，以使整流濾波后的電壓變為所需的直流電壓。

提案系統與以往的磁共振方式相比，通過大幅削減電力轉換和傳輸機構，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。而距離較遠時，互電容的影響減小。這些系統在供電側和受電側雙方構成LC共振電路，通過採用反射電力不會轉化為電力損失的構成，可提高電力效率。

還可實現雙向電力傳輸

從本系統的電路拓扑可以看出，供電側和受電側能夠採用對稱結構。受電側電路的兩個FET作為整流電路工作，這兩個FET還可以直接作為開關電路的振蕩元件使用。也就是說，可進行雙向電力傳輸。另外，能將受電側的電路塊直接作為中繼設備使用，延長無線傳輸距離，或者分流。也就是說，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。

根據中繼點設置這種單元化的電路模塊，還可以在其他時間將充電后存儲的電力用於供電用途，或者通過其他能源補給電力后供電（圖7）。

圖7：各種器件形成共振場 本圖為供電器件、共振（中繼）裝置和受電器件共享共振場的示意圖和模擬示例。

我們利用村田軟件開發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的磁場（圖7（b））。通過分析發現，線圈附近的磁場強度較大，電磁共振場擴大到了空間中。

另外，圖1的驗証實驗將太陽能電池發電的直流電壓進行了電力傳輸，通過直流電流點亮了多個LED。驗証了（1）直流-直流電力傳輸、（2）多負載供電、（3）電磁共振場的擴大以及（4）多方向供電等多項有用的技術。還有望實現光伏發電等利用自然能源的環保供電系統。

效果同“小號”

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

假設直流共振方式的電源和供電用共振裝置為小號，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）。小號能高效向空氣中振動，奏出比吉他更大更有力道的聲音。這是為什麼呢？

圖8：與小號和吉他的差別類似 直流共振方式WPT和現有眾多磁共振方式WPT的電力及電磁場轉換效率的差別與小號和吉他聲音大小不同的理由非常相似。

吉他等弦樂器的弦振動傳遞到吉他的表板上，表板振動，再通過共振箱將振動傳遞到空氣中發聲。表板起到的是揚聲器的作用。通過採用箱構造，反射表板向后發出的聲音並放大，同時傳遞到表面。

此時重要的是，在通過弦的振動使板振動，再將弦的振動傳遞到板上並進行放大的過程中，聲能受到了損失。結果發出的聲音就變小。

這一點與磁共振方式一樣。原來的磁共振方式大多採用通過電力放大電路將高頻信號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，產生振動的磁力線，共振器之間耦合。

此時，為放大高頻信號並傳輸能量，損失會增加。結果導致電力效率降低。

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

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