マイクロ波無線電力伝送受電回路で、世界最高の電力変換効率と最短応答時間を達成金沢工業大学と信州大学

金沢工業大学は2024年2月19日、信州大学と共同で、マイクロ波を用いた無線電力伝送に用いる受電回路において、世界最高の電力変換効率と世界最短の応答時間を達成したと発表した。

マイクロ波を用いた無線電力伝送技術は遠方への電力伝送ができ、さまざまな機関で研究開発されている。マイクロ波無線伝送の制度化が進むにつれて、より高機能かつ高性能なセンシングや計算処理が可能なセンサーノードの実現が期待されている。それを実現させるためには、より高い電力変換効率の受電回路が必要になる。これは受電回路内のマイクロ波整流器とDC-DCコンバータの両方の電力変換効率が高くなければならないことを意味する。

また、マイクロ波のビームが受電回路に入力される時間が細切れになるため、マイクロ波を受けてから高効率な電力変換効ができるようになるまでの応答時間（MPPT時間）を、100μ秒以下の極めて短時間にする必要もある。

今回の研究で提案したDC-DCコンバータは、Single Inductor Dual Input Triple Output（SIDITO）コンバータと呼ばれるアーキテクチャを採用。マイクロ波整流器出力を主入力にし、リチウムイオンバッテリーを主たる出力としている。

また、マイクロ波整流器には、GaAs E-pHEMTのゲートとドレインを接続し構成したGated anode diode（GAD）を用いる整流器を採用した。金沢工業大学が開発したもので、ワット級のマイクロ波を高効率に整流することができる。

今回、DC-DCコンバータは0.25μm高耐圧BCDプロセスを、マイクロ波整流器は0.5μm GaAsプロセスを用いて試作し実測。MPPT時間は45.2μ秒と無線電力伝送向け受電回路として世界最速を記録した。これにより高速に変動するマイクロ波電力に効率良く追従することが可能になるという。また、DC-DCコンバータ単体とマイクロ波整流器単体の最高電力変換効率はそれぞれ86.4％と78.5％。受電回路全体では最大64.4％となった。これはICチップの受電回路として世界最高の電力変換効率になるという。

チップ写真　（a）DC-DCコンバータ　（b）マイクロ波整流器

今回の研究は屋内での使用を想定したもので、具体的にはファクトリーオートメーションをはじめとする産業や物流向け用途や、充電スポットでのセンサー給電などへの応用が検討されている。今回の研究成果は、高効率かつ低コストの受電回路の実用化に貢献し、マイクロ波無線電力伝送の社会実装を早めることが可能だという。

なお、本研究成果は、同年2月18日〜22日までアメリカ・サンフランシスコで開催される「ISSCC 2024（国際固体素子回路会議）」で発表される。

マイクロ波無線電力伝送受電回路で、世界最高の電力変換効率と最短応答時間を達成　金沢工業大学と信州大学