无线供电新方式：直流共振供电详解

　　如此之多的电力转换装置对于提高电力利用效率来说是致命伤。例如，如果供受电器件的传输效率为80％，五个电力传输装置的电力效率也为80％，则供电系统整体的电力效率根据（0.8）6＝0.262来计算约为26％。即使各装置的效率为85％，根据（0.85）6＝0.377来计算，整体的电力效率也只有约38％。整个系统的电力效率非常低4）。

　　直流共振方式的系统构造非常简单，可在直流电压电源和开关电路上直接连接共振器件（图4）。由此，电力传输损失变得非常小，如（3）所述，与原方式相比，将电源电力转换为共振场能量的转换效率升高。而且，由于从电源电力转换为共振场的转换效率高，还容易用于利用大量共振器件的新无线电力传输（图1）。

　　图4：与原方式的不同在于电力传输方式

　　直流共振方式WPT（a）与原来的磁共振方式WPT（b）的不同。差别在于电源和共振器的驱动方法。

　开关频率至关重要

　　直流共振方式的开关电路采用了“最佳ZVS（Zero Voltage Switching）动作”等高级电路技术，对在高速开关动作中开关损失等电力损失非常小的D级逆变器（放大电路）等比较有效（图5）5）。采用该电路构成的话，输出阻抗几乎为0Ω。除等效内部电阻以外几乎都不消耗能量，也基本不消耗电磁能。

　　图5：通过最佳ZVS动作的开关电源降低损失

　　ZVS（zero volt switching）之一——最佳ZVS动作开关电源的电路构成（a）、基本动作波形（b）、晶体管（FET）的硬开关和软开关动作的差异。

　　不过，直流共振方式的WPT与只是单纯地将0Ω的D级放大电路和E级放大电路用于WPT的方式不同。D级放大电路和E级放大电路将供电器件的负载认定为基本固定的50Ω纯电阻。也就是说仅在负载为50Ω时可发生适当的共振，并向负载供给电力。

　　而WPT系统的供电器件负载并不确定。也就是说，等效负载会随着耦合状态发生变化。另外，负载的耗电量也会变化。

　　因此，直流共振方式通过以供电器件负载阻抗的电抗（虚部）为0的开关频率运行，利用直流电力引发共振。由此无需进行阻抗匹配。

　　换言之，这意味着即使是一个或多个等任意负载，即便配置了多个共振线圈，也能准确地形成共振场。

　　此前学会上报告的共振型WPT系统的电源电路大部分都采用了50Ω类通信技术。采用50Ω类电源的WPT系统从电源来看对供电部和输出负载部进行了分压。结果，整体电力效率最大只能有50％。

　　即使想将50Ω降至0Ω，从技术上来说，能为变化的负载供电，并获得MHz以上的高频正弦波电压源是很难找到的。

　　另外，原技术还需要设计使得供电器件和受电器件各共振器的自共振频率与高频交流电源的频率一致，或者与之匹配。而且，在高频交流电源的频率中，无法获得阻抗匹配的电力会被反射回来，通过50Ω输出阻抗转化为热能被消耗掉。