日本村田制作所的細谷開發出了采用開關技術的共振方式無線供電系統。該方式的特點是系統整體的電力效率高，這為無線供電系統提高線圈等共振元件之間的傳輸效率帶來了巨大的影響。下面請系統的開發者來介紹一下直流共振方式的原理。

　　我們開發出了被稱為“直流共振方式”的無線供電技術（WPT：Wireless Power Transfer）（圖1）。與以往采用磁共振方式的WPT系統相比，其特點是系統構造更加簡單，包括電源在內的系統整體電力效率高。而且，即使傳輸距離發生變化，或者電力傳輸對象變為多個等負載發生較大變化時，電力傳輸效率也不會大幅降低，這也是特點之一。

　　圖1：直流電源和供電線圈形成“共振場”

　　此次開發的“直流共振方式”的無線供電系統演示。從直流電源——太陽能電池，利用具備開關電路的供電模塊將直流電壓轉換成矩形波，通過供電線圈生成了電磁場的近場“共振場”。

　　與原WPT的各種方式相比，直流共振方式有望實現以下特性（圖2）。首先，與磁共振方式相比，可提高系統的整體電力效率，而且系統構造變得非常簡單；其次，與電磁感應方式相比，供受電器件的位置自由度高，供受電器件的重量也變得更輕。與電場耦合方式相比，延長傳輸距離時較占優勢。與無線電波方式相比，傳輸電力更大 1～4）。

　　圖2：直流共振方式結構簡單，可實現高電力效率

　　本圖為WPT系統所需的要求事項（a），以及WPT實現方式的幾項課題和直流共振方式的優點（b）。

　　共振器的驅動方法不同

　　下面來詳細介紹一下直流共振方式與原來的磁共振方式的主要不同之處，共有以下幾點。

　　（1）直流共振方式由直流電源和LC共振器直接形成電磁場的近場——“共振場”。（2）作為（1）的結果，系統構造變得簡單，可實現小型輕量化。（3）作為（1）的結果，將電源電力轉換為共振場的轉換效率較高。

　　（1）采用直流電源是因為我們能利用的電能大部分都是直流電源，因此可用性較高。即使是家中的插座供給的50Hz和60Hz等AC100V商用交流電源，也大多是通過AC適配器或者家電產品內的AC-DC轉換器進行整流濾波后變為直流電源使用的。干電池和充電電池就不用說了，也都是直流電源。

　　而且，如（2）所述，利用直流電流可以大幅簡化系統的電路構成。目前常用的磁共振方式WPT系統的供電裝置由商用交流電源、用于絕緣的電源裝置、輸出高頻電流的振蕩放大裝置、整合裝置以及供電裝置構成（圖3）。受電裝置由受電器件、整流平滑電路以及用于與負載整合的DC-DC轉換器等構成。如果負載為充電電池等，還需要充放電電路等。

　　圖3：損失比較大的現有WPT系統

　　本圖為典型的WPT系統的構成和電力效率。由于是從電源經由幾個功能電路將電力傳輸至負載，因此系統整體的效率變得非常低。

　　如此之多的電力轉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％，則供電系統整體的電力效率根據（0.8）6＝0.262來計算約為26％。即使各裝置的效率為85％，根據（0.85）6＝0.377來計算，整體的電力效率也只有約38％。整個系統的電力效率非常低4）。

　　直流共振方式的系統構造非常簡單，可在直流電壓電源和開關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，將電源電力轉換為共振場能量的轉換效率升高。而且，由于從電源電力轉換為共振場的轉換效率高，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動方法。

　　開關頻率至關重要

　　直流共振方式的開關電路采用了“最佳ZVS（Zero Voltage Switching）動作”等高級電路技術，對在高速開關動作中開關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）。采用該電路構成的話，輸出阻抗幾乎為0Ω。除等效內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動作的開關電源降低損失

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

　　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載認定為基本固定的50Ω純電阻。也就是說僅在負載為50Ω時可發生適當的共振，并向負載供給電力。

　　而WPT系統的供電器件負載并不確定。也就是說，等效負載會隨著耦合狀態發生變化。另外，負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載阻抗的電抗（虛部）為0的開關頻率運行，利用直流電力引發共振。由此無需進行阻抗匹配。

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

　　此前學會上報告的共振型WPT系統的電源電路大部分都采用了50Ω類通信技術。采用50Ω類電源的WPT系統從電源來看對供電部和輸出負載部進行了分壓。結果，整體電力效率最大只能有50％。

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

　　另外，原技術還需要設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系統的電路方案（圖6）2）。

　　圖6：利用直流（矩形波）直接驅動共振器

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

　　提案的供電系統中，供電側把對商用交流電源進行整流濾波的電壓作為輸入電源電壓直接供電。受電側可控制電力，以使整流濾波后的電壓變為所需的直流電壓。

　　提案系統與以往的磁共振方式相比，通過大幅削減電力轉換和傳輸機構，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。而距離較遠時，互電容的影響減小。這些系統在供電側和受電側雙方構成LC共振電路，通過采用反射電力不會轉化為電力損失的構成，可提高電力效率。

　　還可實現雙向電力傳輸

　　從本系統的電路拓撲可以看出，供電側和受電側能夠采用對稱結構。受電側電路的兩個FET作為整流電路工作，這兩個FET還可以直接作為開關電路的振蕩元件使用。也就是說，可進行雙向電力傳輸。另外，能將受電側的電路塊直接作為中繼設備使用，延長無線傳輸距離，或者分流。也就是說，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。

　　根據中繼點設置這種單元化的電路模塊，還可以在其他時間將充電后存儲的電力用于供電用途，或者通過其他能源補給電力后供電（圖7）。

　　圖7：各種器件形成共振場

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

　　我們利用村田軟件開發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的磁場（圖7（b））。通過分析發現，線圈附近的磁場強度較大，電磁共振場擴大到了空間中。

　　另外，圖1的驗證實驗將太陽能電池發電的直流電壓進行了電力傳輸，通過直流電流點亮了多個LED。驗證了（1）直流-直流電力傳輸、（2）多負載供電、（3）電磁共振場的擴大以及（4）多方向供電等多項有用的技術。還有望實現光伏發電等利用自然能源的環保供電系統。

　　效果同“小號”

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

　　假設直流共振方式的電源和供電用共振裝置為小號，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）。小號能高效向空氣中振動，奏出比吉他更大更有力道的聲音。這是為什么呢？

　　圖8：與小號和吉他的差別類似

　　直流共振方式WPT和現有眾多磁共振方式WPT的電力及電磁場轉換效率的差別與小號和吉他聲音大小不同的理由非常相似。

　　吉他等弦樂器的弦振動傳遞到吉他的表板上，表板振動，再通過共振箱將振動傳遞到空氣中發聲。表板起到的是揚聲器的作用。通過采用箱構造，反射表板向后發出的聲音并放大，同時傳遞到表面。

　　此時重要的是，在通過弦的振動使板振動，再將弦的振動傳遞到板上并進行放大的過程中，聲能受到了損失。結果發出的聲音就變小。

　　這一點與磁共振方式一樣。原來的磁共振方式大多采用通過電力放大電路將高頻信號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，產生振動的磁力線，共振器之間耦合。

　　此時，為放大高頻信號并傳輸能量，損失會增加。結果導致電力效率降低。

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

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

　　采用GaN FET實施動作實驗

　　作為直流共振方式的驗證實驗，下面來介紹一下采用GaN FET環路線圈的10MHz級共振電路的動作實驗（圖9）。

　　圖9：通過采用GaN FET和環路線圈的系統進行實驗

　　本圖為系統的電路構成（a）和測量結果（b）。環路線圈間的距離為3mm，線圈間的磁耦合系數為k＝0.567。電氣和電磁場間的轉換效率約為75％以上。這比MIT于2007年發布的系統的33％大幅提高。

　　在實驗中，共振電容器采用村田制作所制造的高頻特性出色的中高壓積層陶瓷電容器，開關元件采用羅姆制造的試制品——脈沖為100V/20A、導通電阻為0.21Ω的常閉型GaN FET。上升、下降時間均為6ns，有望實現高速開關動作。使半徑為5cm，線徑為1mm的兩個供受電環路線圈靠近，以輸入電壓Vi＝60V，負載Ro＝50Ω進行了實驗。結果，開關頻率fs＝8.2MHz時，傳輸電力達到74.9W，系統整體電力效率達到73.3％（圖9（b））。

　　另外，輸入電壓為50V時，輸出電壓達到51.0V，傳輸電力達到52.0W，最高系統電力效率達到74.0％3）。雖然線圈間距dx只有3mm，但由于是一重環路線圈，磁耦合系數k*比較小，為k＝0.567。不過，實現74～75％的電力效率表示由電源電力向電磁場轉換的效率非常高。此外，通過改進供受電器件的形狀，可提高相對于傳輸距離的磁耦合系數。

　　*磁耦合系數k＝在通過供電器件形成的磁力線中，與受電器件交鏈的磁力線比例。

　　統一分析共振耦合電路

　　設計新WPT系統需要新的設計理論。構建新概念時，需要能對其進行合理的說明和設計的新技術。具備了新技術才能創新。

　　為了設計和分析WPT系統，這里將介紹三種無線共振耦合的統一解析法（圖10）。利用這些技術，WPT系統不僅是數學理論，還能進行具體設計。

　　圖10：統一分析共振耦合電路

　　本圖為三種分析共振耦合的方法。

　　第一，“多諧振電路解析法”（MRA：multi-resonance analysis）。WPT系統通過線圈等供電器件和受電器件進行電磁能的電力傳輸。多諧振電路解析（MRA）利用將四維空間電磁場的動作制成二維平面模型的多諧振電路（multi-resonant circuit），來分析電壓和電流的時間變化。

　　系統設計所需的多諧振電路的電路常數通過用有限元法等對供受電器件進行電磁場解析來計算，用磁耦合系數k表示。

　　第二，“諧波共振解析”（HRA：harmonic resonance analysis）。HRA解析將交互開關FET獲得的梯形電壓進行傅里葉級數展開，根據各頻率成分來分析多諧振電路的特性。用該方法分析了構成提案的無線供電系統的多諧振電路頻率特性。

　　第三，“F參數共振解析”（FRA：F-parameter resonance analysis）（圖11）。FRA方法可以通過F參數簡單分析由多個LC共振電路構成的復雜多諧振電路。各阻抗用F矩陣表示，通過F矩陣的級聯系統地分析輸入阻抗和電壓增益。

　　圖11：采用F參數的多諧振電路解析

　　在采用F參數的解析中，可以通過各電路的F矩陣獲得整體的F矩陣。

　　通過這些方法可以探明WPT系統的動作和特性，使WPT系統的設計變得容易而且現實。驗證這些設計的方法一般采用電路模擬器和實際實驗。這是WPT的基本設計過程。具體的設計方法請參考文獻等 1～2）。

　　共振型WPT如果能通過電磁場解析等獲得供受電器件的耦合系數，就可以設計供電系統。能夠分析輸出電壓、傳輸電力和系統的整體電力效率。在采用基于設計理論的GaN FET的10MHz動作實驗中，系統的整體電力效率成功實現了74.0％，傳輸電力達到74.9W。這是前所未有的劃時代成果。

　　WPT擁有開拓新市場的巨大潛力。可以定位為與功率電子、高頻技術、天線技術及無線通信技術等眾多技術息息相關的“高頻功率電子”這種新的跨學科技術領域之一1）。通過技術融合和乘積效應，有望實現飛躍性的技術進步。跨專業領域的討論變得更加重要。

　　WPT目前還有很多尚不清楚的現象，就連第一線的研究人員也很傷腦筋，仍在積極致力于研究開發。在研究開發中，必須探明構成復雜要素的本質且實用的要素。不僅是“課題解決能力”，看清課題的“問題發見能力”也至關重要。

　　為創造新價值、開發新產品，各領域的工程師齊心協力開拓新技術和新業務，為了讓工程師們能精神飽滿地投入到工作中，今后將繼續推進研究開發和實用化。