無線供電新方式：直流共振供電詳解

　　假設(shè)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(xiàn)有眾多磁共振方式WPT的電力及電磁場轉(zhuǎn)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(fā)聲。表板起到的是揚(yáng)聲器的作用。通過采用箱構(gòu)造，反射表板向后發(fā)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(jìn)行放大的過程中，聲能受到了損失。結(jié)果發(fā)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(chǎn)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(jié)果導(dǎo)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(fā)出較大的聲音。與弦的振動經(jīng)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(fā)出強(qiáng)力的聲音。

　　直流共振方式與之非常相似。直流共振方式通過電力用半導(dǎo)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(huán)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(huán)路線圈的系統(tǒng)進(jìn)行實驗

　　本圖為系統(tǒng)的電路構(gòu)成（a）和測量結(jié)果（b）。環(huán)路線圈間的距離為3mm，線圈間的磁耦合系數(shù)為k＝0.567。電氣和電磁場間的轉(zhuǎn)換效率約為75％以上。這比MIT于2007年發(fā)布的系統(tǒng)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(guān)元件采用羅姆制造的試制品——脈沖為100V/20A、導(dǎo)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(xiàn)高速開關(guān)動作。使半徑為5cm，線徑為1mm的兩個供受電環(huán)路線圈靠近，以輸入電壓Vi＝60V，負(fù)載Ro＝50Ω進(jìn)行了實驗。結(jié)果，開關(guān)頻率fs＝8.2MHz時，傳輸電力達(dá)到74.9W，系統(tǒng)整體電力效率達(dá)到73.3％（圖9（b））。

　　另外，輸入電壓為50V時，輸出電壓達(dá)到51.0V，傳輸電力達(dá)到52.0W，最高系統(tǒng)電力效率達(dá)到74.0％3）。雖然線圈間距dx只有3mm，但由于是一重環(huán)路線圈，磁耦合系數(shù)k*比較小，為k＝