无线供电新方式：直流共振供电详解

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