无线供电新方式：直流共振供电详解

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