開(kāi)關(guān)頻率至關(guān)重要

　　直流共振方式的開(kāi)關(guān)電路采用了“最佳ZVS（Zero Voltage Switching）動(dòng)作”等高級(jí)電路技術(shù)，對(duì)在高速開(kāi)關(guān)動(dòng)作中開(kāi)關(guān)損失等電力損失非常小的D級(jí)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(guò)最佳ZVS動(dòng)作的開(kāi)關(guān)電源降低損失

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

　　不過(guò)，直流共振方式的WPT與只是單純地將0Ω的D級(jí)放大電路和E級(jí)放大電路用于WPT的方式不同。D級(jí)放大電路和E級(jí)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(shuō)僅在負(fù)載為50Ω時(shí)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(shuō)，等效負(fù)載會(huì)隨著耦合狀態(tài)發(fā)生變化。另外，負(fù)載的耗電量也會(huì)變化。

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

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

　　此前學(xué)會(huì)上報(bào)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(lái)看對(duì)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(lái)說(shuō)，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(jì)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(wú)法獲得阻抗匹配的電力會(huì)被反射回來(lái)，通過(guò)50Ω輸出阻抗轉(zhuǎn)化為熱能被消耗掉。

　　積極利用寄生電容

　　作為直流共振方式無(wú)線供電的具體示例，我們提出了“電磁共振型多共振式ZVS”WPT系統(tǒng)的電路方案（圖6）2）。

　　圖6：利用直流（矩形波）直接驅(qū)動(dòng)共振器

　　本圖為采用直流共振方式的電磁共振型多共振式ZVS無(wú)線供電系統(tǒng)的等效電路。

　　提案的供電系統(tǒng)中，供電側(cè)把對(duì)商用交流電源進(jìn)行整流濾波的電壓作為輸入電源電壓直接供電。受電側(cè)可控制電力，以使整流濾波后的電壓變?yōu)樗璧闹绷麟妷骸?/p>

　　提案系統(tǒng)與以往的磁共振方式相比，通過(guò)大幅削減電力轉(zhuǎn)換和傳輸機(jī)構(gòu)，可大幅提高電力效率。

　　圖6表示了在供受電器件間等效形成的互感、互電容，漏感以及分布電容等寄生要素。提案將這些要素作為電路參數(shù)用到了電力傳輸之中。

　　在供受電器件的距離較為接近的近距離情況下，互電容的影響比較大。而距離較遠(yuǎn)時(shí)，互電容的影響減小。這些系統(tǒng)在供電側(cè)和受電側(cè)雙方構(gòu)成LC共振電路，通過(guò)采用反射電力不會(huì)轉(zhuǎn)化為電力損失的構(gòu)成，可提高電力效率。

　　還可實(shí)現(xiàn)雙向電力傳輸

　　從本系統(tǒng)的電路拓?fù)淇梢钥闯觯╇妭?cè)和受電側(cè)能夠采用對(duì)稱結(jié)構(gòu)。受電側(cè)電路的兩個(gè)FET作為整流電路工作，這兩個(gè)FET還可以直接作為開(kāi)關(guān)電路的振蕩元件使用。也就是說(shuō)，可進(jìn)行雙向電力傳輸。另外，能將受電側(cè)的電路塊直接作為中繼設(shè)備使用，延長(zhǎng)無(wú)線傳輸距離，或者分流。也就是說(shuō)，該電路塊能作為供電、中繼和受電任意一種電路使用，可單元化。

　　根據(jù)中繼點(diǎn)設(shè)置這種單元化的電路模塊，還可以在其他時(shí)間將充電后存儲(chǔ)的電力用于供電用途，或者通過(guò)其他能源補(bǔ)給電力后供電（圖7）。

　　圖7：各種器件形成共振場(chǎng)

　　本圖為供電器件、共振（中繼）裝置和受電器件共享共振場(chǎng)的示意圖和模擬示例。

　　我們利用村田軟件開(kāi)發(fā)的有限元法解析軟件“Femtet”分析了由大量共振線圈形成的電磁共振場(chǎng)的磁場(chǎng)（圖7（b））。通過(guò)分析發(fā)現(xiàn)，線圈附近的磁場(chǎng)強(qiáng)度較大，電磁共振場(chǎng)擴(kuò)大到了空間中。

　　另外，圖1的驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)將太陽(yáng)能電池發(fā)電的直流電壓進(jìn)行了電力傳輸，通過(guò)直流電流點(diǎn)亮了多個(gè)LED。驗(yàn)證了（1）直流-直流電力傳輸、（2）多負(fù)載供電、（3）電磁共振場(chǎng)的擴(kuò)大以及（4）多方向供電等多項(xiàng)有用的技術(shù)。還有望實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電等利用自然能源的環(huán)保供電系統(tǒng)。

　　效果同“小號(hào)”

　　直流共振方式與以往的磁共振方式相比，將電源電力轉(zhuǎn)換為電磁場(chǎng)能量的效率較高，下面就其原因進(jìn)行一下直觀解釋。

　　假設(shè)直流共振方式的電源和供電用共振裝置為小號(hào)，磁共振方式的電源和供電用共振裝置為吉他，感知聲音的耳朵為受電用共振裝置（圖8）。小號(hào)能高效向空氣中振動(dòng)，奏出比吉他更大更有力道的聲音。這是為什么呢？

　　圖8：與小號(hào)和吉他的差別類似

　　直流共振方式WPT和現(xiàn)有眾多磁共振方式WPT的電力及電磁場(chǎng)轉(zhuǎn)換效率的差別與小號(hào)和吉他聲音大小不同的理由非常相似。

　　吉他等弦樂(lè)器的弦振動(dòng)傳遞到吉他的表板上，表板振動(dòng)，再通過(guò)共振箱將振動(dòng)傳遞到空氣中發(fā)聲。表板起到的是揚(yáng)聲器的作用。通過(guò)采用箱構(gòu)造，反射表板向后發(fā)出的聲音并放大，同時(shí)傳遞到表面。

　　此時(shí)重要的是，在通過(guò)弦的振動(dòng)使板振動(dòng)，再將弦的振動(dòng)傳遞到板上并進(jìn)行放大的過(guò)程中，聲能受到了損失。結(jié)果發(fā)出的聲音就變小。

　　這一點(diǎn)與磁共振方式一樣。原來(lái)的磁共振方式大多采用通過(guò)電力放大電路將高頻信號(hào)放大的高頻交流電源。共振器隨著高頻交流電源的頻率激振，產(chǎn)生振動(dòng)的磁力線，共振器之間耦合。

　　此時(shí)，為放大高頻信號(hào)并傳輸能量，損失會(huì)增加。結(jié)果導(dǎo)致電力效率降低。

　　而小號(hào)等管樂(lè)器直接振動(dòng)空氣。銅管樂(lè)器小號(hào)的振動(dòng)源是演奏者的唇的振動(dòng)，木管樂(lè)器單簧管的振動(dòng)源是被稱為簧片（Reed）的薄片的振動(dòng)。這些振動(dòng)源會(huì)控制空氣的流動(dòng)。然后選出符合共振管頻率的聲音成分放大，由此可以發(fā)出較大的聲音。與弦的振動(dòng)經(jīng)由板傳遞到空氣中不同，小號(hào)是直接向空氣中傳遞振動(dòng)，傳遞效率非常高。因此能發(fā)出強(qiáng)力的聲音。

　　直流共振方式與之非常相似。直流共振方式通過(guò)電力用半導(dǎo)體元件FET等形成振動(dòng)，控制電力的流動(dòng)。然后直接形成共振場(chǎng)、也就是通過(guò)共振頻率振動(dòng)的電磁場(chǎng)。因此，損失較少，在原理上能量傳輸效率出色。