共振器的驅(qū)動(dòng)方法不同

下面來(lái)詳細(xì)介紹一下直流共振方式與原來(lái)的磁共振方式的主要不同之處，共有以下幾點(diǎn)。

（1）直流共振方式由直流電源和LC共振器直接形成電磁場(chǎng)的近場(chǎng)——“共振場(chǎng)”。（2）作為（1）的結(jié)果，系統(tǒng)構(gòu)造變得簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)小型輕量化。（3）作為（1）的結(jié)果，將電源電力轉(zhuǎn)換為共振場(chǎng)的轉(zhuǎn)換效率較高。

（1）采用直流電源是因?yàn)槲覀兡芾�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(guò)AC適配器或者家電產(chǎn)品內(nèi)的AC-DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行整流濾波后變?yōu)橹绷麟娫词褂玫摹８呻姵睾统潆婋姵鼐筒挥谜f(shuō)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(jiǎn)化系統(tǒng)的電路構(gòu)成。目前常用的磁共振方式WPT系統(tǒng)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(gòu)成（圖3）。受電裝置由受電器件、整流平滑電路以及用于與負(fù)載整合的DC-DC轉(zhuǎn)換器等構(gòu)成。如果負(fù)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(xiàn)有WPT系統(tǒng) 本圖為典型的WPT系統(tǒng)的構(gòu)成和電力效率。由于是從電源經(jīng)由幾個(gè)功能電路將電力傳輸至負(fù)載，因此系統(tǒng)整體的效率變得非常低。

如此之多的電力轉(zhuǎn)換裝置對(duì)于提高電力利用效率來(lái)說(shuō)是致命傷。例如，如果供受電器件的傳輸效率為80％，五個(gè)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(lái)計(jì)算約為26％。即使各裝置的效率為85％，根據(jù)（0.85）6＝0.377來(lái)計(jì)算，整體的電力效率也只有約38％。整個(gè)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(jiǎn)單，可在直流電壓電源和開(kāi)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(chǎng)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(chǎng)的轉(zhuǎn)換效率高，還容易用于利用大量共振器件的新無(wú)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(lái)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(dòng)方法。

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）。如果采用該電路構(gòu)成，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�，并向�?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(lèi)通信技術(shù)。采用50Ω類(lèi)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。（日經(jīng)技術(shù)在線！ 供稿）