ワイヤレス充電器はメガヘルツ範囲に到達

この記事は、IEEE Xplore と提携した独占的な IEEE Journal Watch シリーズの一部です。

多くの人々は、必要なケーブルを見つけるために古い充電ケーブルの山を探し回るのをやめられる日を心待ちにしています。 しかし、電話などの小型デバイスのワイヤレス充電は現在成功しているにもかかわらず、完全なワイヤレス化を実現する前に、特に電力を多く必要とする電子機器に関しては、対処する必要のある技術的課題がいくつかあります。

IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics に 1 月 23 日に掲載された研究では、この分野の専門家がこれらの障壁を克服するためのいくつかの方法を概説しています。これには、より高い周波数でより多くのエネルギーを転送することや、バッテリーを過熱させずに充電効率を最適化することが含まれます。

南洋理工大学電気電子工学部の教授Shu-Yuen Ron Hui氏はこの研究に参加し、無線電力伝送（WPT）技術の標準化に数十年にわたって取り組んできた。 Hui 氏によると、2010 年にリリースされた最初の WPT 標準は、ある企業の送信機が別の企業の受信機と互換性があることを保証することだけに重点を置いていたそうです。 「しかし、最大効率や最小充電時間などの最適なパフォーマンスは最優先事項ではありませんでした」と彼は指摘します。

WPT で高効率を達成する際の大きなハードルの 1 つは、バッテリーの熱制限です。 通常、バッテリーを充電するには電圧と電流を一定に入力する必要がありますが、これによりバッテリーが危険なレベルまで加熱される可能性があります。 安全上の理由から、市販のバッテリー充電器は、バッテリーの表面温度が上限 (通常 45 °C) に達すると、充電電流を減らすか、場合によっては停止します。

この問題に対処するために、Hui 氏と彼の同僚は、バッテリーを過熱させることなく充電時間を短縮する新しい温度制御電流制御技術を開発しました。 この技術が WPT 電子機器のメーカーに広く採用されれば、技術の充電効率の向上に役立つ可能性があります。

2 番目の課題は、より多くの電力を一度に伝達することです。 WPT テクノロジーは電磁場を使用して電力を伝送し、より高い電磁周波数を使用すると、一定の時間枠でより多くの電力を伝送できます。 ただし、これには、非常に高速で電力の伝達を制御できるハードウェアが必要です。

既存のゲートドライバーの遅延は約 100 ナノ秒ですが、Hui は遅延がわずか 6 ナノ秒のゲートドライバーを開発しました。 マンチェスター大学の Hui 氏の同僚 Cheng Zhang 氏と共同開発した新しいゲート ドライバもソフト スイッチングを実現します。 これは、パワー スイッチのスイッチング損失とストレスを軽減する技術であり、ゲート ドライバーをより高い周波数で使用できるようになります。 現在、ほとんどの WPT パワーインバータは 1 メガヘルツ未満で動作しますが、チームの最近の発明は最大数十メガヘルツまで動作します。

研究者らは論文の中で、WPT テクノロジーを最適化するためのもう 1 つの重要な方法を強調しています。 彼らは送信機のメーカーに対し、充電プロセスの最適化に役立つ効率追跡技術を組み込むよう求めている。 Hui 氏のチームが最近開発した方法の 1 つは、バッテリーの充電中に WPT システムの最大効率動作点に動的に従うように送信機を制御することができます。 その結果、WPT システムの効率は充電プロセス全体で最適化されます。

これらの新しいテクノロジーを組み合わせることで、WPT テクノロジーの新時代が開かれる可能性があります。 現在、15 ワット以下を必要とする携帯電話などの小型機器の充電に関する規格が制定されており、携帯工具、電動自転車、電動自転車など約 200 W を必要とする中出力機器の規格を作成する計画が進行中です。ノートブックコンピュータ。

しかし、より大型でより多くの電力を消費するエレクトロニクスを実現するにはまだ基礎を築く必要があり、ホイ氏と彼の同僚たちは引き続き前進する計画だ。

「私たちは現在、パワーインバーターが少なくとも20 MHzまで動作できるようにする[私たちが開発した]超高速ゲート駆動回路を開発、評価してくれる産業パートナーを探しています」とHui氏は述べ、彼のチームが特許も申請していることを指摘した。 1メガヘルツから数十メガヘルツの範囲の動作周波数を持つプリントWPT共振器は、電子機器が数百ワットの範囲でワイヤレス電力を転送するのに役立つ可能性があります。