无线充电器达到兆赫范围使无线充电更加普及

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This article is part of our exclusive IEEE Journal Watch series in partnership with IEEE Xplore，https://spectrum.ieee.org/collections/journal-watch/。

许多人都在热切期待着有一天能够不再需要从一堆充电线中翻找着需要的那一根。尽管目前在手机等小型设备无线充电方面取得了成功，但在完全实现无线充电之前，仍有几个技术挑战需要解决，特别是在耗电量更大的电子产品方面。

在1月23日发表在Emerging and Selected Topics in Power Electronics期刊上的一项研究中，该领域的专家概述了克服这些障碍的一些方法，包括以更高的频率传输更多的能量，以及在电池不过热的情况下优化充电效率。

南洋理工大学电气与电子工程学院教授Shu-Yuen Ron Hui参与了这项研究，几十年来一直致力于无线电力传输（wireless power transfer，WPT）技术的标准化。Hui表示，2010年发布的最初WPT标准只注重确保一家公司的发射机与另一家公司接收机兼容。“然而，诸如最大效率和最短充电时间等最佳状况的执行成果并不是首要任务，”他指出。

WPT实现高效率的一个主要障碍是电池的热极限。通常，电池需要恒定的电压和电流输入来充电，但这会将电池加热到危险的程度。出于安全原因，当电池表面温度达到上限（通常为45°C）时，商用电池充电器将降低甚至停止充电电流。

为了解决这个问题，Hui和他的同事开发了一种新的温度调节电流控制技术，该技术可以在不使电池过热的情况下缩短充电时间。如果WPT电子产品制造商广泛采用这一技术，它将有助于提高该技术的充电效率。

第二个挑战是快速转移更多的电力。WPT技术使用电磁场传输电力，并且可以使用更高的电磁频率在给定的时间范围内传输更多的电力。然而，这需要能够以极高的速度控制功率传输的硬件。

现有的闸极驱动器的延迟大约为100纳秒，而Hui开发的延迟仅为6纳秒。与Hui在曼彻斯特大学的同事Cheng Zhang共同开发的新闸极驱动器也实现了软切换。这是一种减少电源开关损耗和应力的技术，允许在高得多的频率下使用闸极驱动器。目前，大多数WPT功率逆变器的工作频率低于1兆赫，但该团队最近的发明可以达到几十兆赫。

在他们的论文中，研究人员强调了优化WPT技术的另一个关键方法。他们呼吁发射机制造商采用效率跟踪技术，以帮助优化充电过程。Hui团队最近开发的一种方法可以在电池充电时动态地控制发射器以跟踪WPT系统的最大效率工作点。结果，WPT系统效率在整个充电过程中得到优化。

总之，这些新技术可以为WPT技术开启一个新时代。目前，为需要15瓦或更少功率的小型设备（如移动电话）充电的标准已经到位，并且正在计划为需要大约200瓦功率的中型设备（如便携式工具、电动自行车和笔记本电脑）制定标准。

但仍需要为更大、更耗电的电子产品打下基础，Hui和他的同事计划继续前进。

Hui说：“我们目前正在寻找一个工业合作伙伴来开发和评估（我们开发的）超快栅极驱动电路，该电路允许功率逆变器至少工作在20MHz。”这可以帮助电子设备传输数百瓦范围内的无线功率。同时，他的团队还申请了一项 printed WPT谐振器的专利，该谐振器的工作频率在1兆赫到几十兆赫之间，可以帮助电子设备传输数百瓦范围内的无线功率。