國立台灣科技大學電子工程系

101學年度第2學期實務專題計畫書

電力電子專題(磁共振式無線能量傳輸系統)

組 別： 101B27

組 員：

指導教師：羅有綱、邱煌仁

中華民國102年4月15 日

姓名：謝昕哲 學號：B9902003

(一)摘要

本專題擬以12個月時間，針對磁共振式無線能量傳輸技術進行研究。

研究方向包括磁共振式無線能量傳輸系統之電腦建模與電路模擬、磁共振

式無線能量傳輸系統之實作以及磁共振式無線能量傳輸系統相關之穩壓

與負載管理技術等。磁共振式無線能量傳輸系統之效率受傳輸距離、收發

線圈之間耦合係數以及負載消耗功率情形影響相當大[1][6]。本專題將透

過電腦模擬了解各因素對傳輸效率之影響，設計並實作在各種工作條件下

皆能保持高效率之高功率磁共振式無線能量傳輸系統。

關鍵字：無線能量傳輸、諧振轉換、柔性切換、耦合係數

(二)研究動機

目前諸多用電設備皆須透過金屬導線提供所需要的能量予負載，以二

次電池供應能量之設備也需要透過連接器為電池充電。但例如植入人體內

部的醫療儀器、於潮濕或高粉塵環境使用之電動工具等許多用途，並不允

許或不方便使用電線供應用電設備所需的能量或是以連接器為電池充電。

[2][6]而假如無線能量傳輸之能源效率與傳送功率能夠提高，則許多設備

皆可應用此項技術提高使用便利性。例如電動車輛停放於特製停車格上就

能充電，減少插拔電氣接頭的困擾並避免下雨、潮濕環境下漏電、接頭生

鏽氧化的可能性；電動公車亦可利用靠站時無線充電，不必連接充電接頭；

都會區內的輕軌電車不必架設電車線，可以透過特製的地面供電，減低對

市容的影響，並避免異物誤觸高壓電線的危險。甚至生活中的可攜式電子

產品、充電式電動工具可以放在特製的桌面或地面上充電。

但是磁共振技術對於發射端與接收端間耦合係數以及負載的變化相

當敏感：距離增加導致耦合係數降低，或是負載改變導致等效阻抗改變，

都會導致效率降低。[1][2]因此本專題計畫期能透過電路上的改良，降低

耦合係數和負載變化對效率的影響。

(三)文獻回顧與探討

目前發展中的無線能量傳輸技術有電磁感應 (Electromagnetic

Induction)、電容耦合(Capacitive Coupling)、磁共振(Magnetic Resonance)、

微波(Microwave)甚至雷射等等。其中微波、雷射技術可遠距離傳送大功

率，構想中可將太空太陽能發電廠的能量傳回地面，或是供應飛行中飛機

甚至太空船所需的能量，但目前仍在理論研究階段，離實用化尚有距離。

且高功率微波及雷射對生物體所產生之熱效應，有可能導致裝置週邊人員

發生危險，因此目前無線能量傳輸的距離僅限於數十公分至數公尺以內。

在目前實用化的技術中，只有電磁感應和磁共振技術可以傳送較高功

率(數瓦至數千瓦)，轉換效率也較高，因此目前較有可能實用化。而其中

又以磁共振技術傳送的距離較長，因此這也是目前許多產學研單位發展的

方向(參照表一)，因此本專題選擇磁共振技術做為研究方向。

表一：目前開發中的無線能量傳輸技術比較[3]

方式 磁共振 微波 電磁感應 開發

者 麻省理工學院 Witricity 高通 長野日本

無線 三菱重工 昭和株式

會社 功率 60W 800W 3.3kW 2.5W 1kW 1kW 30kW 距離 2m 60cm 20cm 20~30cm 10~30cm 12.5cm 14cm

效率 40%(2m) 96%(0.75m) 95% 90% 40% 88% 38% 92%

頻率 9.9MHz 6.4MHz 125kHz 13.56MHz 13.56MHz 2.45GHz 22kHz

(四)研究方法

磁共振式無線能量傳輸電路係透過磁場相互耦合傳遞能量的LC諧振

架構(此為磁共振名稱由來)。隨設計不同，可以如圖一採用串聯諧振或並

聯諧振方式圖三[2][4][5]。不論採用串聯或並聯諧振，其自然諧振頻率為：

f =1

2π√LC (1)

圖一：磁共振式無線能量傳輸系統之等效電路圖

對於接收端之分析如下[5]：

接收端之接收線圈受到發射端產生磁場之能量，產生一開路感應電壓

Voc = jω0MI1 (2)

其中M為自感。

M = k√L1L2 (3)

k為耦合係數，I1為一次側發射端電流。

若採取如圖二之串聯諧振，則接收端阻抗：

Z = RLoad + jω0L +1

jω0C (4)

接收端電流為

I2 =Voc

Z (5)

負載電壓

VLoad = I2Rload (6)

若電路的工作頻率等於自然諧振頻率

Z = Rload (7)

接收端電流

I2 = IscQ (8)

Q =ω0L

Rload (9)

Isc =Voc

jω0LI1 (10)

接收端電壓

Vload = Voc (11)

圖二：串聯諧振接收端之等效電路

若採取如圖三之並聯諧振，則接收端阻抗：

Z = jω0L +Rload

1+jω0RloadC= Rload + jω0L +

1

jω0C (12)

接收線圈流過的電流

I2 =Voc

Z (13)

負載電壓

Vload = Voc − jωI2L (14)

若電路的工作頻率等於自然諧振頻率，接收端電流

I2 = Isc√1 + Q2 (15)

負載電壓

Vload = QVoc (16)

圖三：並聯諧振接收端之等效電路

可看出並聯諧振式的接收電路，輸出電壓與電路的 Q 值有關，會隨

著負載的等效電阻而變化。而串聯諧振式的接收電路，輸出電壓較為固定。

因此本專題選用串聯諧振式的接收電路，確保輸出電壓的穩定，以方便後

級穩壓電路的設計，並減少對較為複雜的控制機制的需要。

對發射端分析如下[5]：

若發射端採用圖四之串聯諧振方式，則發射端電路總阻抗為

Z = j (ω0L1 −1

ω0C1) +

(ω0M)2

RLoad (17)

若要達成諧振，C1電容值為

C1 =L2C2

L1 (18)

若電路要工作於諧振頻率

ω0 =1

√L1C1=

1

√L2C2 (19)

可見負載小或互感小時，發射端電路的阻抗會降低，無負載時會降到

零，形同短路，可能會導致電路燒毀。若發射端採用此種架構，必須要有

檢測機制，無負載或是無接收線圈時關閉電路。好處是發射端所需之諧振

電容 C1不隨負載改變。

圖四：串聯諧振發射端與串聯諧振接收端

若發射端採用如圖五之並聯諧振電，發射端電路總阻抗為

Z =

1

jω0C1[(ω0M)2

RLoad+jω0L1]

[1

jω0C1+(ω0M)2

RLoad+jω0L1]

(20)

若要達成諧振，C1電容為

C1 =L1(L2C2R0)

2

M4+L2C2(L1RLoad)2 (21)

圖五：並聯諧振發射端與串聯諧振接收端

可見若發射端採用並聯諧振電路，負載輕(RLoad大)時，或是M小(距

離遠)，電路阻抗也增加。不致因為空載就導致電路形同短路。缺點是一

次側達成諧振所需之電容 C1 會隨著負載變動或是發射接收端距離改變

(M改變)而改變。電容不可能改變，因此電路無法永遠保持在諧振頻率上。

但是透過電路設計可以使變動的範圍降低，使電路在大部分時間均保持在

接近諧振的狀態。[6]

功率驅動部分，將採用 Class E架構。此架構常用於電磁爐[7](非接觸

式能量傳輸的另一種型態)，優點為構造簡單、容易控制，缺點為功率開

關元件需承受較大電壓。本專題將選用高耐壓 MOSFET做為開關元件，

透過取樣一次側 LC諧振槽之電壓、電流波形，達成柔性切換。並使用 PLL

技術確保電路可以工作在一次側 LC諧振槽之自然諧振頻率，整體電路示

意圖如圖八。[8][9][10][11][12]

圖八：本次專題之整體電路架構示意圖

目前已嘗試製作如圖九所示小型無線能量傳輸電路，能隔空傳送 10W

點亮左側的燈泡。而本專題的計畫目標係要設計與實現 500W功率傳輸之

無線能量傳輸技術。

圖九：目前嘗試製作之小型無線能量傳輸電路

月份 工作項目

資料蒐集 電腦模擬 架構決定、 初步測試

發射、接收 電路特性測量

功率驅動電路

設計製作

穩壓、負載 管理系統設計

製作

全系統微調、

整體效率測試

計畫成果報告

撰寫

(五)預期成果 本專題計畫目標係完成能傳送如表二電氣規格之 500W磁共振式無

線能量傳輸系統，發射端與接收端間隔 10公分以上，效率可達 90%。

表二：本次專題製作之無線能量傳輸系統預定規格

發射端輸入電壓 110VAC或 150VDC 接收端輸出電壓 12~150VDC可調穩壓 傳送功率 500W 工作頻率 100kHz

最大傳輸距離 10cm 整體效率 90%

(六)時間進度表

第1到2月第3到4月第5到6月第7到8月 第9到10月第11到12月

謝昕哲：資料蒐集、理論分析、電腦模擬、電路設計

(七) 工作分配

、電路實作、成果報告撰寫

(八)使用儀器及材料預估

[1] Zhen Ning Low “Design and test of a high-Power high-efficiency loosely

coupled planar wireless power transfer system” pp.1805-1808,May 2009

[2] Kai Liu,Chunlai Yu,Rui Ma and Hexiao Cheng “Simulation and

experimental analysis on wireless energy transfer based on magnetic

resonances” 2008

[3] http://china.nikkeibp.com.cn/bpimages/show/images/image2011/ne2011/0

8/NE110808jid4.html

[4] G. Vandevoorde, “Wireless energy transfer for stand-alone systems: a

comparison between low and high power applicability” pp.306-307,2011

[5] Udaya K Madawala, “Introduction to grid integration of electric vehicles”

compensation of pickup circuits ,July 2012

[6] Udaya K Madawala “The impact of variations in component values on

power-frequency control of bi-directional inductive power transfer

systems” pp.560,2012

[7] Gyeong-hae Han,Hwa-young Yi and Bum-suk Go “A New analysis

method of induction heating vessel using step response”

[8] Wang, Zhi-Hui “Load detection model of voltage-fed inductive power

transfer system”pp.6,2013

[9] Manuel Pinuela “Maximizing DC-to-load efficiency for inductive power

transfer”pp.2441-2442,May 2013

[10] Joaquin J. Casanova “Design and optimization of a class-E amplifier for a

loosely coupled planar wireless power system”pp.830-831,November

2009

[11] Saad Mutashar Abbas, M. A. Hannan and A. S. Salina “Efficient class-E

design for inductive powering wireless biotelemetry

applications”pp.445-447, February 2012

[12] GiBum Lee, Carlton Thompson, Taesong Hwang, Raul Andres Chinga

and Jenshan Lin “A 63W 14MHz class-E amplifier for wireless power

transmission” pp.469-470 December 2012

(九)參考資料