无线供电新方式：直流共振供电详解

　　日本村田制作所的细谷开发出了采用开关技术的共振方式无线供电系统。该方式的特点是系统整体的电力效率高，这为无线供电系统提高线圈等共振元件之间的传输效率带来了巨大的影响。下面请系统的开发者来介绍一下直流共振方式的原理。

　　我们开发出了被称为“直流共振方式”的无线供电技术（WPT：Wireless Power Transfer）（图1）。与以往采用磁共振方式的WPT系统相比，其特点是系统构造更加简单，包括电源在内的系统整体电力效率高。而且，即使传输距离发生变化，或者电力传输对象变为多个等负载发生较大变化时，电力传输效率也不会大幅降低，这也是特点之一。

　　图1：直流电源和供电线圈形成“共振场”

　　此次开发的“直流共振方式”的无线供电系统演示。从直流电源——太阳能电池，利用具备开关电路的供电模块将直流电压转换成矩形波，通过供电线圈生成了电磁场的近场“共振场”。

　　与原WPT的各种方式相比，直流共振方式有望实现以下特性（图2）。首先，与磁共振方式相比，可提高系统的整体电力效率，而且系统构造变得非常简单；其次，与电磁感应方式相比，供受电器件的位置自由度高，供受电器件的重量也变得更轻。与电场耦合方式相比，延长传输距离时较占优势。与无线电波方式相比，传输电力更大 1～4）。

　　图2：直流共振方式结构简单，可实现高电力效率

　　本图为WPT系统所需的要求事项（a），以及WPT实现方式的几项课题和直流共振方式的优点（b）。

　　共振器的驱动方法不同

　　下面来详细介绍一下直流共振方式与原来的磁共振方式的主要不同之处，共有以下几点。

　　（1）直流共振方式由直流电源和LC共振器直接形成电磁场的近场——“共振场”。（2）作为（1）的结果，系统构造变得简单，可实现小型轻量化。（3）作为（1）的结果，将电源电力转换为共振场的转换效率较高。

　　（1）采用直流电源是因为我们能利用的电能大部分都是直流电源，因此可用性较高。即使是家中的插座供给的50Hz和60Hz等AC100V商用交流电源，也大多是通过AC适配器或者家电产品内的AC-DC转换器进行整流滤波后变为直流电源使用的。干电池和充电电池就不用说了，也都是直流电源。

　　而且，如（2）所述，利用直流电流可以大幅简化系统的电路构成。目前常用的磁共振方式WPT系统的供电装置由商用交流电源、用于绝缘的电源装置、输出高频电流的振荡放大装置、整合装置以及供电装置构成（图3）。受电装置由受电器件、整流平滑电路以及用于与负载整合的DC-DC转换器等构成。如果负载为充电电池等，还需要充放电电路等。

　　图3：损失比较大的现有WPT系统

　　本图为典型的WPT系统的构成和电力效率。由于是从电源经由几个功能电路将电力传输至负载，因此系统整体的效率变得非常低。

　　如此之多的电力转换装置对于提高电力利用效率来说是致命伤。例如，如果供受电器件的传输效率为80％，五个电力传输装置的电力效率也为80％，则供电系统整体的电力效率根据（0.8）6＝0.262来计算约为26％。即使各装置的效率为85％，根据（0.85）6＝0.377来计算，整体的电力效率也只有约38％。整个系统的电力效率非常低4）。

　　直流共振方式的系统构造非常简单，可在直流电压电源和开关电路上直接连接共振器件（图4）。由此，电力传输损失变得非常小，如（3）所述，与原方式相比，将电源电力转换为共振场能量的转换效率升高。而且，由于从电源电力转换为共振场的转换效率高，还容易用于利用大量共振器件的新无线电力传输（图1）。

　　图4：与原方式的不同在于电力传输方式

　　直流共振方式WPT（a）与原来的磁共振方式WPT（b）的不同。差别在于电源和共振器的驱动方法。

　开关频率至关重要

　　直流共振方式的开关电路采用了“最佳ZVS（Zero Voltage Switching）动作”等高级电路技术，对在高速开关动作中开关损失等电力损失非常小的D级逆变器（放大电路）等比较有效（图5）5）。采用该电路构成的话，输出阻抗几乎为0Ω。除等效内部电阻以外几乎都不消耗能量，也基本不消耗电磁能。

　　图5：通过最佳ZVS动作的开关电源降低损失

　　ZVS（zero volt switching）之一——最佳ZVS动作开关电源的电路构成（a）、基本动作波形（b）、晶体管（FET）的硬开关和软开关动作的差异。

　　不过，直流共振方式的WPT与只是单纯地将0Ω的D级放大电路和E级放大电路用于WPT的方式不同。D级放大电路和E级放大电路将供电器件的负载认定为基本固定的50Ω纯电阻。也就是说仅在负载为50Ω时可发生适当的共振，并向负载供给电力。

　　而WPT系统的供电器件负载并不确定。也就是说，等效负载会随着耦合状态发生变化。另外，负载的耗电量也会变化。

　　因此，直流共振方式通过以供电器件负载阻抗的电抗（虚部）为0的开关频率运行，利用直流电力引发共振。由此无需进行阻抗匹配。

　　换言之，这意味着即使是一个或多个等任意负载，即便配置了多个共振线圈，也能准确地形成共振场。

　　此前学会上报告的共振型WPT系统的电源电路大部分都采用了50Ω类通信技术。采用50Ω类电源的WPT系统从电源来看对供电部和输出负载部进行了分压。结果，整体电力效率最大只能有50％。

　　即使想将50Ω降至0Ω，从技术上来说，能为变化的负载供电，并获得MHz以上的高频正弦波电压源是很难找到的。

　　另外，原技术还需要设计使得供电器件和受电器件各共振器的自共振频率与高频交流电源的频率一致，或者与之匹配。而且，在高频交流电源的频率中，无法获得阻抗匹配的电力会被反射回来，通过50Ω输出阻抗转化为热能被消耗掉。

　　积极利用寄生电容

　　作为直流共振方式无线供电的具体示例，我们提出了“电磁共振型多共振式ZVS”WPT系统的电路方案（图6）2）。

　　图6：利用直流（矩形波）直接驱动共振器

　　本图为采用直流共振方式的电磁共振型多共振式ZVS无线供电系统的等效电路。

　　提案的供电系统中，供电侧把对商用交流电源进行整流滤波的电压作为输入电源电压直接供电。受电侧可控制电力，以使整流滤波后的电压变为所需的直流电压。

　　提案系统与以往的磁共振方式相比，通过大幅削减电力转换和传输机构，可大幅提高电力效率。

　　图6表示了在供受电器件间等效形成的互感、互电容，漏感以及分布电容等寄生要素。提案将这些要素作为电路参数用到了电力传输之中。

　　在供受电器件的距离较为接近的近距离情况下，互电容的影响比较大。而距离较远时，互电容的影响减小。这些系统在供电侧和受电侧双方构成LC共振电路，通过采用反射电力不会转化为电力损失的构成，可提高电力效率。

　　还可实现双向电力传输

　　从本系统的电路拓扑可以看出，供电侧和受电侧能够采用对称结构。受电侧电路的两个FET作为整流电路工作，这两个FET还可以直接作为开关电路的振荡元件使用。也就是说，可进行双向电力传输。另外，能将受电侧的电路块直接作为中继设备使用，延长无线传输距离，或者分流。也就是说，该电路块能作为供电、中继和受电任意一种电路使用，可单元化。

　　根据中继点设置这种单元化的电路模块，还可以在其他时间将充电后存储的电力用于供电用途，或者通过其他能源补给电力后供电（图7）。

　　图7：各种器件形成共振场

　　本图为供电器件、共振（中继）装置和受电器件共享共振场的示意图和模拟示例。

　　我们利用村田软件开发的有限元法解析软件“Femtet”分析了由大量共振线圈形成的电磁共振场的磁场（图7（b））。通过分析发现，线圈附近的磁场强度较大，电磁共振场扩大到了空间中。

　　另外，图1的验证实验将太阳能电池发电的直流电压进行了电力传输，通过直流电流点亮了多个LED。验证了（1）直流-直流电力传输、（2）多负载供电、（3）电磁共振场的扩大以及（4）多方向供电等多项有用的技术。还有望实现光伏发电等利用自然能源的环保供电系统。

　　效果同“小号”

　　直流共振方式与以往的磁共振方式相比，将电源电力转换为电磁场能量的效率较高，下面就其原因进行一下直观解释。

　　假设直流共振方式的电源和供电用共振装置为小号，磁共振方式的电源和供电用共振装置为吉他，感知声音的耳朵为受电用共振装置（图8）。小号能高效向空气中振动，奏出比吉他更大更有力道的声音。这是为什么呢？

　　图8：与小号和吉他的差别类似

　　直流共振方式WPT和现有众多磁共振方式WPT的电力及电磁场转换效率的差别与小号和吉他声音大小不同的理由非常相似。

　　吉他等弦乐器的弦振动传递到吉他的表板上，表板振动，再通过共振箱将振动传递到空气中发声。表板起到的是扬声器的作用。通过采用箱构造，反射表板向后发出的声音并放大，同时传递到表面。

　　此时重要的是，在通过弦的振动使板振动，再将弦的振动传递到板上并进行放大的过程中，声能受到了损失。结果发出的声音就变小。

　　这一点与磁共振方式一样。原来的磁共振方式大多采用通过电力放大电路将高频信号放大的高频交流电源。共振器随着高频交流电源的频率激振，产生振动的磁力线，共振器之间耦合。

　　此时，为放大高频信号并传输能量，损失会增加。结果导致电力效率降低。

　　而小号等管乐器直接振动空气。铜管乐器小号的振动源是演奏者的唇的振动，木管乐器单簧管的振动源是被称为簧片（Reed）的薄片的振动。这些振动源会控制空气的流动。然后选出符合共振管频率的声音成分放大，由此可以发出较大的声音。与弦的振动经由板传递到空气中不同，小号是直接向空气中传递振动，传递效率非常高。因此能发出强力的声音。

　　直流共振方式与之非常相似。直流共振方式通过电力用半导体元件FET等形成振动，控制电力的流动。然后直接形成共振场、也就是通过共振频率振动的电磁场。因此，损失较少，在原理上能量传输效率出色。

　　采用GaN FET实施动作实验

　　作为直流共振方式的验证实验，下面来介绍一下采用GaN FET环路线圈的10MHz级共振电路的动作实验（图9）。

　　图9：通过采用GaN FET和环路线圈的系统进行实验

　　本图为系统的电路构成（a）和测量结果（b）。环路线圈间的距离为3mm，线圈间的磁耦合系数为k＝0.567。电气和电磁场间的转换效率约为75％以上。这比MIT于2007年发布的系统的33％大幅提高。

　　在实验中，共振电容器采用村田制作所制造的高频特性出色的中高压积层陶瓷电容器，开关元件采用罗姆制造的试制品——脉冲为100V/20A、导通电阻为0.21Ω的常闭型GaN FET。上升、下降时间均为6ns，有望实现高速开关动作。使半径为5cm，线径为1mm的两个供受电环路线圈靠近，以输入电压Vi＝60V，负载Ro＝50Ω进行了实验。结果，开关频率fs＝8.2MHz时，传输电力达到74.9W，系统整体电力效率达到73.3％（图9（b））。

　　另外，输入电压为50V时，输出电压达到51.0V，传输电力达到52.0W，最高系统电力效率达到74.0％3）。虽然线圈间距dx只有3mm，但由于是一重环路线圈，磁耦合系数k*比较小，为k＝0.567。不过，实现74～75％的电力效率表示由电源电力向电磁场转换的效率非常高。此外，通过改进供受电器件的形状，可提高相对于传输距离的磁耦合系数。

　　*磁耦合系数k＝在通过供电器件形成的磁力线中，与受电器件交链的磁力线比例。

　　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 1～2）。

　　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。