如果諧振無(wú)線電力傳輸 (WPT) 系統(tǒng)要兌現(xiàn)其為電動(dòng)汽車(chē)和其他大功率應(yīng)用充電的承諾，首先必須解決一個(gè)工程問(wèn)題。

優(yōu)化諧振 WPT 系統(tǒng)性能的最大挑戰(zhàn)之一是確保始終為發(fā)射器電力電子設(shè)備提供相對(duì)恒定的負(fù)載阻抗。例如，當(dāng)從接收器到發(fā)射器的距離發(fā)生變化時(shí)，或者當(dāng)信號(hào)路徑中出現(xiàn)障礙物時(shí)，阻抗變化就會(huì)發(fā)生。

已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一些技術(shù)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，包括大的直流/偏置功率要求、復(fù)雜的偏置電路和大尺寸。一種新方法在阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中使用微機(jī)電系統(tǒng) (MEMS) 接觸開(kāi)關(guān)，該方法比這些方法具有優(yōu)勢(shì)，但沒(méi)有限制。

有多種方法可以將能量從發(fā)射器無(wú)線傳輸?shù)浇邮掌鳎x擇使用哪一種在很大程度上取決于應(yīng)用的需求。以下是對(duì)無(wú)線供電的一些不同方法的快速調(diào)查，以及對(duì)基于 MEMS 的技術(shù)的討論。

遠(yuǎn)距離傳輸通常通過(guò)使用輻射電磁傳輸以電方式實(shí)現(xiàn)，或者通過(guò)使用激光以光學(xué)方式實(shí)現(xiàn)。雖然這些技術(shù)可以提供高效率，但它們需要復(fù)雜的接收器跟蹤以及發(fā)射器和接收器之間的暢通無(wú)阻的路徑。

非諧振 WPT 系統(tǒng)同樣提供高傳輸效率，但僅當(dāng)發(fā)射器和接收器固定且它們之間的間隙很小時(shí)。這種系統(tǒng)的一個(gè)典型例子是電動(dòng)牙刷充電器，它實(shí)現(xiàn)了感應(yīng)充電。

諧振 WPT 系統(tǒng)也可實(shí)現(xiàn)高無(wú)線傳輸效率，但工作距離范圍廣且可變。這實(shí)現(xiàn)了在非諧振系統(tǒng)中不可用的一定程度的位置自由度，而沒(méi)有接收器位置跟蹤的復(fù)雜性。

顧名思義，諧振 WPT 系統(tǒng)利用諧振的物理現(xiàn)象將電磁能量從發(fā)射諧振器傳輸?shù)揭粋€(gè)或多個(gè)接收諧振器。所有諧振器都經(jīng)過(guò)調(diào)諧以在系統(tǒng)的工作頻率下諧振。該技術(shù)使用非輻射能量傳輸方法，使用近場(chǎng)將功率傳輸?shù)浇邮罩C振器。

諧振 WPT 有兩種常見(jiàn)的實(shí)現(xiàn)方式，即諧振電感耦合和諧振電容耦合。諧振電感耦合使用線圈主要通過(guò)磁場(chǎng)傳輸能量，而諧振電容耦合使用電極主要通過(guò)電場(chǎng)傳輸能量。

為了最大化諧振 WPT 系統(tǒng)的位置自由度，需要?jiǎng)討B(tài)阻抗匹配。對(duì)于在高頻 (HF) 頻段運(yùn)行的 WPT 解決方案，一些用于應(yīng)對(duì)可變阻抗控制挑戰(zhàn)的選項(xiàng)包括 PIN 二極管、變?nèi)荻O管和簧片繼電器。然而，這些技術(shù)具有不同的缺點(diǎn)，從復(fù)雜的偏置要求到低射頻 (RF) 功率處理。

在這里，我們描述了一種用于 WPT 應(yīng)用的 MEMS 高功率六通道開(kāi)關(guān)，它提供高通道密度、超低寄生效應(yīng)和極高的功率處理能力，避免了妨礙其他 WPT 解決方案的一些缺點(diǎn)。 MM3100 六通道開(kāi)關(guān)可處理 200V，開(kāi)關(guān)時(shí)間不到 10 μs，額定開(kāi)關(guān)操作次數(shù)超過(guò) 30 億次，采用 6×6-mm LGA 封裝。

加工能力和冶金技術(shù)的進(jìn)步使得能夠制造出將金屬觸點(diǎn)的導(dǎo)通狀態(tài)導(dǎo)電性與穩(wěn)定的機(jī)械性能相結(jié)合的新器件，有效地消除了阻礙 MEMS 開(kāi)關(guān)進(jìn)入的長(zhǎng)期存在的大規(guī)模生產(chǎn)性和長(zhǎng)期可靠性問(wèn)題市場(chǎng)。Menlo Microsystems將這些設(shè)備稱(chēng)為數(shù)字微動(dòng)開(kāi)關(guān) (DMS);我們?cè)谶@里討論的特定 DMS 是MM3100。

這種 MEMS 開(kāi)關(guān)的驅(qū)動(dòng)機(jī)制類(lèi)似于機(jī)電繼電器，因?yàn)樗蜷_(kāi)和關(guān)閉以進(jìn)行接觸，但在微觀層面上。與機(jī)電繼電器相比，這些設(shè)備的開(kāi)關(guān)速度快 1,000 倍(小于 10 μs)，而且尺寸只是其一小部分。

它具有極低的插入損耗(導(dǎo)通電阻可配置為從 0.4Ω 到小于 0.1Ω)，即使非常小，也可以處理數(shù)百瓦的射頻功率和數(shù)百伏的電壓。該器件還使用靜電開(kāi)關(guān)控制，具有非常低的直流電源要求，并且在穩(wěn)態(tài)保持操作中需要最小的偏置且無(wú)電流消耗。