無線供電新技術——直流共振方式（下）【2】

統一分析共振耦合電路

設計新WPT系統需要新的設計理論。構建新概念時，需要能對其進行合理的說明和設計的新技術。具備了新技術才能創新。

為了設計和分析WPT系統，這裡將介紹三種無線共振耦合的統一解析法（圖10）。利用這些技術，WPT系統不僅是數學理論，還能進行具體設計。

圖10：統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系統通過線圈等供電器件和受電器件進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的動作制成二維平面模型的多諧振電路（multi-resonant circuit），來分析電壓和電流的時間變化。

系統設計所需的多諧振電路的電路常數通過用有限元法等對供受電器件進行電磁場解析來計算，用磁耦合系數k表示。

第二，“諧波共振解析”（HRA：harmonic resonance analysis）。HRA解析將交互開關FET獲得的梯形電壓進行傅裡葉級數展開，根據各頻率成分來分析多諧振電路的特性。用該方法分析了構成提案的無線供電系統的多諧振電路頻率特性。

第三，“F參數共振解析”（FRA：F-parameter resonance analysis）（圖11）。FRA方法可以通過F參數簡單分析由多個LC共振電路構成的復雜多諧振電路。各阻抗用F矩陣表示，通過F矩陣的級聯系統地分析輸入阻抗和電壓增益。

圖11：採用F參數的多諧振電路解析 在採用F參數的解析中，可以通過各電路的F矩陣獲得整體的F矩陣。

通過這些方法可以探明WPT系統的動作和特性，使WPT系統的設計變得容易而且現實。驗証這些設計的方法一般採用電路模擬器和實際實驗。這是WPT的基本設計過程。具體的設計方法請參考文獻等。

共振型WPT如果能通過電磁場解析等獲得供受電器件的耦合系數，就可以設計供電系統。能夠分析輸出電壓、傳輸電力和系統的整體電力效率。在採用基於設計理論的GaN FET的10MHz動作實驗中，系統的整體電力效率成功實現了74.0％，傳輸電力達到74.9W。這是前所未有的劃時代成果。

WPT擁有開拓新市場的巨大潛力。可以定位為與功率電子、高頻技術、天線技術及無線通信技術等眾多技術息息相關的“高頻功率電子”這種新的跨學科技術領域之一1）。通過技術融合和乘積效應，有望實現飛躍性的技術進步。跨專業領域的討論變得更加重要。

WPT目前還有很多尚不清楚的現象，就連第一線的研究人員也很傷腦筋，仍在積極致力於研究開發。在研究開發中，必須探明構成復雜要素的本質且實用的要素。不僅是“課題解決能力”，看清課題的“問題發見能力”也至關重要。

為創造新價值、開發新產品，各領域的工程師齊心協力開拓新技術和新業務，為了讓工程師們能精神飽滿地投入到工作中，今后將繼續推進研究開發和實用化。（日經技術在線 供稿）

參考文獻

1） 細谷, “採用基於高頻功率電子的ZVS共振型無線供電耦合系數的設計理論”, 電子信息通信學會技術研究報告, WPT2012-23, 2012.  

2） 細谷, “採用軟開關技術的新共振型無線供電系統的設計理論”, 電子信息通信學會技術研究報告, WPT2011-22, 2011.  

3） 細谷等, “採用環路線圈的電磁場共振型多共振式ZVS無線供電系統的設計”,電子信息通信學會技術研究報告, vol.112, no.235, EE2012-17, pp.9─14, 2012.  

4）《綠色電子》 No.11, 2012年12月、CQ出版社．  

5） 細谷等, “擁有整流死區時間的10MHz級零電壓開關電流共振式轉換器”, 電氣學會論文, vol.117-A, No.2, pp.140─147, 1997.