Research on High Power Rectifier for Narrow Beam Wireless Power Transfer

2021 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 21K04042
• Research Institution: Kyoto University
• Principal Investigator: 篠原 真毅 京都大学, 生存圏研究所, 教授 (10283657)
• Project Period (FY): 2021-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: ワイヤレス給電 / マイクロ波送電 / レクテナ / 整流回路

Outline of Annual Research Achievements

本研究では空間伝送型ワイヤレス給電のうち、narrow beam型ワイヤレス給電のための大電力受電整流回路の開発、が主目的となる。大電力受電整流回路では開発例が少ない周波数5.7GHzで10W出力、効率70%以上を目標とする。手法は2つ、1) 既存ショットキーバリアダイオードを用いた受電整流回路を、弱電用整流回路で用いられる手法論である回路インピーダンスの最適化等で高効率化を図る、2) 並行しリジットの整流回路ではあまり例のないHEMT等3端子半導体を用いた大電力整流回路の開発、である。初年度には特に1)の弱電用整流回路で用いられる手法論である回路インピーダンスの最適化等で高効率化を図る回路シミュレーションを中心とした開発を行った。
まず空間伝送型ワイヤレス給電で主に用いられる整流回路方式であるシングルシャント整流回路、チャージポンプ整流回路、フルブリッジ整流回路の動作原理を確認しさらに、整合回路がついた時のシングルシャント整流回路、チャージポンプ整流回路、フルブリッジ整流回路の大電力化に関する理論計算を行い、3 方式の整流回路におけるダイオードを最大のパフォーマンスで動作させた場合、最大入力電力はシングルシャント整流回路に比べて、チャージポンプ整流回路が2 倍、フルブリッジ整流回路が4 倍の電力を入力できることを示した。その時の負荷抵抗はチャージポンプ整流回路がシングルシャント整流回路の2 倍、フルブリッジ整流回路とシングルシャント整流回路は同じである。実際のダイオードモデルを用いても3 方式の整流回路が理論計算と同じ結果になることをシミュレーションによって確認した。この結果、通常弱電用整流回路で用いられるチャージポンプ整流回路を用いたとしても、回路インピーダンスの最適化等を行い設計することで、整流回路の大電力化が図れた。

Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

当初の研究計画による、新設計手法による整流回路の理論検討と計算機シミュレーションを予定通り実施し、成果を得たため。

Strategy for Future Research Activity

本年度は、昨年度の設計に基づき、実際に回路を試作し、性能を検証する。これまでの経験で特にダイオードのブレークダウン電圧前後からそれを超える電圧での動作時の回路シミュレーションは実際の結果を合わなくなることが多く、半導体パラメータの推定が必須となる。これは実験による半導体パラメータの推定を行いつつ、回路シミュレーションとのフィードバックを繰り返すことで精度をあげていく。また2)の目標であるリジットの整流回路ではあまり例のないHEMT等3端子半導体を用いた大電力整流回路の開発を進める。3端子半導体を用いる整流回路では、その回路設計から未知の部分が多く、回路シミュレーションによる試行錯誤を繰り返し、設計を進める。これは半導体パラメータの評価を行うことで、1)2)両方の目的の達成を目指す。