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無(wú)線供電新技術(shù)——直流共振方式（上）

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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）。

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�需的直流電壓�?/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�供電�?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。（日經(jīng)技術(shù)在線！ 供稿）