无线供电新技术——直流共振方式（下）【2】

统一分析共振耦合电路

设计新WPT系统需要新的设计理论。构建新概念时，需要能对其进行合理的说明和设计的新技术。具备了新技术才能创新。

为了设计和分析WPT系统，这里将介绍三种无线共振耦合的统一解析法（图10）。利用这些技术，WPT系统不仅是数学理论，还能进行具体设计。

图10：统一分析共振耦合电路 本图为三种分析共振耦合的方法。

第一，“多谐振电路解析法”（MRA：multi-resonance analysis）。WPT系统通过线圈等供电器件和受电器件进行电磁能的电力传输。多谐振电路解析（MRA）利用将四维空间电磁场的动作制成二维平面模型的多谐振电路（multi-resonant circuit），来分析电压和电流的时间变化。

系统设计所需的多谐振电路的电路常数通过用有限元法等对供受电器件进行电磁场解析来计算，用磁耦合系数k表示。

第二，“谐波共振解析”（HRA：harmonic resonance analysis）。HRA解析将交互开关FET获得的梯形电压进行傅里叶级数展开，根据各频率成分来分析多谐振电路的特性。用该方法分析了构成提案的无线供电系统的多谐振电路频率特性。

第三，“F参数共振解析”（FRA：F-parameter resonance analysis）（图11）。FRA方法可以通过F参数简单分析由多个LC共振电路构成的复杂多谐振电路。各阻抗用F矩阵表示，通过F矩阵的级联系统地分析输入阻抗和电压增益。

图11：采用F参数的多谐振电路解析 在采用F参数的解析中，可以通过各电路的F矩阵获得整体的F矩阵。

通过这些方法可以探明WPT系统的动作和特性，使WPT系统的设计变得容易而且现实。验证这些设计的方法一般采用电路模拟器和实际实验。这是WPT的基本设计过程。具体的设计方法请参考文献等。

共振型WPT如果能通过电磁场解析等获得供受电器件的耦合系数，就可以设计供电系统。能够分析输出电压、传输电力和系统的整体电力效率。在采用基于设计理论的GaN FET的10MHz动作实验中，系统的整体电力效率成功实现了74.0％，传输电力达到74.9W。这是前所未有的划时代成果。

WPT拥有开拓新市场的巨大潜力。可以定位为与功率电子、高频技术、天线技术及无线通信技术等众多技术息息相关的“高频功率电子”这种新的跨学科技术领域之一1）。通过技术融合和乘积效应，有望实现飞跃性的技术进步。跨专业领域的讨论变得更加重要。

WPT目前还有很多尚不清楚的现象，就连第一线的研究人员也很伤脑筋，仍在积极致力于研究开发。在研究开发中，必须探明构成复杂要素的本质且实用的要素。不仅是“课题解决能力”，看清课题的“问题发见能力”也至关重要。

为创造新价值、开发新产品，各领域的工程师齐心协力开拓新技术和新业务，为了让工程师们能精神饱满地投入到工作中，今后将继续推进研究开发和实用化。（日经技术在线 供稿）

参考文献

1） 细谷, “采用基于高频功率电子的ZVS共振型无线供电耦合系数的设计理论”, 电子信息通信学会技术研究报告, WPT2012-23, 2012.  

2） 细谷, “采用软开关技术的新共振型无线供电系统的设计理论”, 电子信息通信学会技术研究报告, WPT2011-22, 2011.  

3） 细谷等, “采用环路线圈的电磁场共振型多共振式ZVS无线供电系统的设计”,电子信息通信学会技术研究报告, vol.112, no.235, EE2012-17, pp.9─14, 2012.  

4）《绿色电子》 No.11, 2012年12月、CQ出版社．  

5） 细谷等, “拥有整流死区时间的10MHz级零电压开关电流共振式转换器”, 电气学会论文, vol.117-A, No.2, pp.140─147, 1997.