无线供电新技术，“直流共振方式”（上）

    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。