即将大放异彩的无线电源传输技术

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来源: eettaiwan   发布者:eettaiwan
热度14票   时间:2017年3月11日 05:05
无线电源传输(WPT)技术势必在不久的未来颠覆我们的电力电子世界;从便携设备、中/小型电器到电动车(EV),总有一天,它们通通可以摆脱电线与插座的羁绊。

由美国麻省理工学院(MIT)独立出来的WiTricity现任总裁EricGiler,曾在2009年曾于TED发表题为「无线电力技术示范」的精彩演说,展示了如何利用无线电源传输技术启动一部小型电视机──而那是2009年,该技术从那之后持续演进,以下让我们来看看这个令人惊叹的技术领域,能为设计工程师带来什么样的新机会。

最近,我与宜普电源转换公司(EPC)应用工程副总裁Michael de Rooij讨论关于无线电源在2017年的挑战和机会;我选择与de Rooij讨论这个议题,除了因为EPC是氮化镓(GaN)功率组件的领导供货商,该公司也能为设计工程师们提供包括开发板、参考设计以及教育性的支持,包括de Rooij撰写的《无线电源手册(Handbook for Wireless Power)》。

EPC在1月初举行的年度国际消费性电子展(CES 2017)上,展示了一部43吋平面HDTV,那台电视能隔着一道石膏板墙,藉由无线电源取得电力;在2017年,你将会看到EPC为业界带来更先进的无线电源相关解决方案,超越2009年Giler所展示的技术。

支持更长传输距离的无线电源

我询问de Rooij有关目前无线充电方案支持更长传输距离、更高效率时会遭遇的限制,以及其可能性;我们如何让这种电力传输技术的效率达到所有消费者都能接受的水平? 氮化镓功率组件(如EPC的eGaN技术)如何能继续协助推动无线电源技术的进展?

de Rooij首先提到在线圈(coil)设计方面的限制;根据经验法则,目前若线圈是7吋以上的直径,性能就会下降;此外每一组线圈的质量因子(Q)和线圈之间的耦合系数(k)都会影响长距离的无线充电效率,发射与接收线圈的尺寸和几何形状各自都会大幅影响Q和k的数值。 图1是无线电源传输的基本原理。


图1 无线电源传输的基本原理。 (图片来源:Würth Elektronik)


de Rooij提到,无线电源传输的电磁场(E-field)方法虽然有技术上的问题,但是可以长距离传输电力──这方面可能还有部份一般会顾虑到的问题,包括产生臭氧(ozone)还有与生物性等其他物质产生交互作用);这种充电方法可能更适用能悬浮在充电板上的装置,如无人机。

电场耦合技术最直接的展现,是在源极(source)和负载(load)之间采用平行板电容器(parallel plate capacitor),输入阻抗需与之匹配,才能实现高效率电源传输;也就是说,有一片板子是放在待充电的无人机底部,另一片就是在充电板上(如图2)。


图2 (a)无线电源传输电场耦合架构;(b)电路模型。 (图片来源:https://goo.gl/HRZf11)


以磁共振耦合(magnetic resonant coupling)技术对空中悬浮的无人机进行充电也是不错的替代方案,如图 3所示,该充电板的线圈采用方形设计,无人机上的接收线圈调整为适合支持着陆(landing),使发射和接收线圈之间的距离缩至最短,约只有几公厘(mm),因此使线圈之间的耦合因子得以最大化。


图3 以磁共振耦合线圈为悬浮的无人机进行无线充电。 (图片来源:https://goo.gl/HRZf11)


无线电源传输线圈技术的现在与未来发展

de Rooij表示,无线充电解决方案供货商NuCurrent目前正在开发效率更高的无线充电线圈;Nucurrent号称该公司目前的无线电源「天线」效率高于市面上任何印刷天线/线圈/共振器,其采用Qi/PMA频率(~200KHz)的设计通常可达到高20%以上的效率,采用A4WP频率(6.78MHz)或NFC频率(13.56MHz) 的设计则可达到高60%的效率。

若将无线电源传输线圈嵌入地砖中,有助于电场的分布,并可能因此略为拉长电源传输距离;但更重要的是,这样就可以大幅扩增收集电力的范围──相较于单一线圈的设计,在相同的覆盖范围下,这是一个效率更高的解决方案。

而EPC在CES 2017展示的那台无线供电HDTV,是我到目前为止见过最厉害的无线电源传输应用;此外咖啡连锁店Starbucks现在也有某些门市在店内座位提供无线充电装置,让顾客能为智能型手机充电,如果你的手机没有内建无线充电功能,他们还可以卖转接器给你(如图4)。


图4 Powermat的无线充电解决方案已经获得Starbucks等业者采用。 (图片来源:Powermat)


EPC是如何为HDTV提供无线电源的? 该公司是选用一台43吋VizioD43-D1高画质电视,其最高功率经测试为85W;先前有一些测试是采用功率较低的20吋电视。

电视机是采用基于单位功率因子的交流电(AC),因此电源所提供的所有能量,都是透过负载消耗;而因为电视机电子组件需要直流电(DC)电源,不需要所有AC整流器、大型电解电容器及桥式二极管,启动电视机所需电力低于5W;当电视机所需电力较低,无线电源传输发射器即可进一步节流。


图5 能穿透一片标准规格石膏板隔间墙为HDTV无线供电的无线电源传输设计架构。 (图片来源:EPC)


EPC的CES展示之设计电路图如图6,设计师采用差分ZVSD类放大器来驱动发射线圈(注意:差分架构,尤其是频率范围在300MHz以上,可以在单端设计改善EMI;在差分设计中,相同的接地负载功率,有一半的电压在放大器的输出转换);不过本案例只在高度共振的6.78MHz ISM频段传输功率,而且与传统MOSFET功率组件相较, EPC采用的eGaN FET展现了更卓越性能。


图6 EPC在CES 2017展示之HDTV无线供电方案电路图。 (图片来源:EPC)


消费者当然会希望他们的电视机未来可以完全「无线」,如此一来他们就能更容易地把电视机挂在墙上,或随心所欲摆放在任何位置;而除了电视机,无线电源传输应用也能延伸至其他实际上只需要DC功率的白色家电和AC设备。

无线电源传输可望实现更便利的日常生活

采用无线电源传输技术的无人机,对Amazon、UPS及Federal Express等物流业者来说会非常有用,他们都在考虑利用无人机送货。

在医疗应用方面,目前采用穿透皮肤之电源线的植入式装置,可利用无线电源传输技术降低患者受感染的机会,神经刺激器、心脏辅助帮浦等是首选应用;心律调整器以及脊髓、神经刺激器都有望在某一天,能于患者睡觉时透过4~5英呎距离的电源进行充电。

从患者端接收讯号的线圈数量可以增加,以利用无线电源传输技术取得更高质量的MRI成像,同时降低成本、免除电源线的使用并降低使用无线电源传输技术的复杂性。

酒吧、咖啡厅及机场则可将无线电源传输设备应用于下一代的各种家具、桌子设计中;如此一来,所有的墙壁、地板与装潢可以减少电源插座数量,甚至可以完全不要插座。

汽车内部搭载的电缆不但昂贵、笨重也可能不可靠,而无线电源传输技术可以为车用照明、音响、电话等设备供电,也能支持电动车充电、启动雷达及光达等装置,让汽车内更多电子装置摆脱铜线的羁绊;无线充电也能应用于汽车座椅、车门及行李箱等区域,以模块化方案取代客制化设计架构,简化汽车制造流程。

此外,无线电源传输还能预防由危险的电源火花导致之爆炸、火灾,特别是在加油站、水下,或是满氧气的空间,海滨住宅/设施,以及粮仓等充满粉尘的环境。

有一天,高压电缆线可能会完全消失,被日常生活无所不在的高压无线电源传输技术替代;de Rooij也透露,在今年将可看到更多关于无线电源传输技术的创新成果,电子及电力系统的设计终将凭借这种令人惊叹的新兴技术而被永远改变。




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