無線供電新方式：直流共振供電詳解

　　如此之多的電力轉(zhuǎn)換裝置對于提高電力利用效率來說是致命傷。例如，如果供受電器件的傳輸效率為80％，五個電力傳輸裝置的電力效率也為80％，則供電系統(tǒng)整體的電力效率根據(jù)（0.8）6＝0.262來計算約為26％。即使各裝置的效率為85％，根據(jù)（0.85）6＝0.377來計算，整體的電力效率也只有約38％。整個系統(tǒng)的電力效率非常低4）。

　　直流共振方式的系統(tǒng)構(gòu)造非常簡單，可在直流電壓電源和開關(guān)電路上直接連接共振器件（圖4）。由此，電力傳輸損失變得非常小，如（3）所述，與原方式相比，將電源電力轉(zhuǎn)換為共振場能量的轉(zhuǎn)換效率升高。而且，由于從電源電力轉(zhuǎn)換為共振場的轉(zhuǎn)換效率高，還容易用于利用大量共振器件的新無線電力傳輸（圖1）。

　　圖4：與原方式的不同在于電力傳輸方式

　　直流共振方式WPT（a）與原來的磁共振方式WPT（b）的不同。差別在于電源和共振器的驅(qū)動方法。

　開關(guān)頻率至關(guān)重要

　　直流共振方式的開關(guān)電路采用了“最佳ZVS（Zero Voltage Switching）動作”等高級電路技術(shù)，對在高速開關(guān)動作中開關(guān)損失等電力損失非常小的D級逆變器（放大電路）等比較有效（圖5）5）。采用該電路構(gòu)成的話，輸出阻抗幾乎為0Ω。除等效內(nèi)部電阻以外幾乎都不消耗能量，也基本不消耗電磁能。

　　圖5：通過最佳ZVS動作的開關(guān)電源降低損失

　　ZVS（zero volt switching）之一——最佳ZVS動作開關(guān)電源的電路構(gòu)成（a）、基本動作波形（b）、晶體管（FET）的硬開關(guān)和軟開關(guān)動作的差異。

　　不過，直流共振方式的WPT與只是單純地將0Ω的D級放大電路和E級放大電路用于WPT的方式不同。D級放大電路和E級放大電路將供電器件的負(fù)載認(rèn)定為基本固定的50Ω純電阻。也就是說僅在負(fù)載為50Ω時可發(fā)生適當(dāng)?shù)墓舱瘢⑾蜇?fù)載供給電力。

　　而WPT系統(tǒng)的供電器件負(fù)載并不確定。也就是說，等效負(fù)載會隨著耦合狀態(tài)發(fā)生變化。另外，負(fù)載的耗電量也會變化。

　　因此，直流共振方式通過以供電器件負(fù)載阻抗的電抗（虛部）為0的開關(guān)頻率運行，利用直流電力引發(fā)共振。由此無需進(jìn)行阻抗匹配。

　　換言之，這意味著即使是一個或多個等任意負(fù)載，即便配置了多個共振線圈，也能準(zhǔn)確地形成共振場。

　　此前學(xué)會上報告的共振型WPT系統(tǒng)的電源電路大部分都采用了50Ω類通信技術(shù)。采用50Ω類電源的WPT系統(tǒng)從電源來看對供電部和輸出負(fù)載部進(jìn)行了分壓。結(jié)果，整體電力效率最大只能有50％。

　　即使想將50Ω降至0Ω，從技術(shù)上來說，能為變化的負(fù)載供電，并獲得MHz以上的高頻正弦波電壓源是很難找到的。

　　另外，原技術(shù)還需要設(shè)計使得供電器件和受電器件各共振器的自共振頻率與高頻交流電源的頻率一致，或者與之匹配。而且，在高頻交流電源的頻率中，無法獲得阻抗匹配的電力會被反射回來，通過50Ω輸出阻抗轉(zhuǎn)化為熱能被消耗掉。