JP4528958B2 - 超電導式インバータ - Google Patents

Description

本発明は、酸化物超電導薄膜で作られた超電導スイッチング素子、および液体窒素温度以下の低温領域において、直流から交流に変換することを可能にした超電導式インバータに関する。

超電導現象は直流通電ではゼロ抵抗を示し、無損失の電力輸送ケーブルを実現できる。しかし、交流通電では超電導体に損失が発生しケーブル寸法を制約する。直流超電導ケーブルであれば超コンパクトで高密度の送電が可能であり、ビル内の配電ケーブルや計算センター内の電力ケーブルに最適であり、有望視されている。しかし、今日の電気機器の殆ど全ては交流動作であるので、直流から交流に変換する変換器（インバータ）が直流ケーブルには不可欠である。通常、直流から交流に変換するインバータは、半導体素子で構成され、常温動作が不可欠である。このため、極低温の超電導ケーブルと半導体式のインバータとを接続すると、多量の寒冷材が無駄になり、直流超電導送電ケーブルの経済性が成立しなかった。

一方、超電導素子として、外部磁界により超電導材料を超電導状態から常電導状態に転移させて、常電導状態で発生する抵抗を利用して通電を制御するクライオトロンが知られている。クライオトロン技術の歴史は長く、ニオブやタンタル等の金属超電導クライオトロンを使った超電導メモリーや発振器の例がある。ジョセフソン結合素子が開発されるに至って情報機器への応用は廃れたが、図８に示すように、大電流を扱うＳＭＥＳ（超電導マグネットによる電力貯蔵システム）等の超電導電力機器の永久電流モード切り換えスイッチとして今日でも使われている。しかし、金属系超電導式のクライオトロンはＯＦＦ時の抵抗を大きくすることが難しく、高抵抗を必要とするインバータ用のスイッチング素子としては利用できなかった。酸化物超電導体が発見され、酸化物超電導体が常電導転移時に金属超電導体に比べて、遥かに高い抵抗が得られることから、インバータへの適用が再検討された。

図９は、電流切替型と呼ばれる酸化物超電導体式のクライオトロンを用いたインバータの一例を示すものである。これは一方のクライオトロンに大電流が流れているとき、クライオトロンに外部磁界を印加することによって超電導状態を壊して抵抗状態にし、もう一方のクライオトロンを超電導状態にして電流の方向を制御するものである。

第６０回１９９９年春季低温工学・超電導学会講演概要集、「磁界式ＰＣＳのスイッチング特性」 電子技術総合研究所調査報告、第２２４号、ｐ２１２−２１８、工業技術院電子技術総合研究所、１９９３年１２月

しかし、図９に示すようなインバータでは、大電流を抵抗により切り替えることになり、スイッチング動作時（ＯＦＦ時）に大きな損失を発生するため、酸化物超電導体のクライオトロンを使ってもインバータの効率が悪く、超電導インバータとしては経済的に成立しないと考えられてきた。

本発明の目的は、電磁特性の異方性の高いビスマス系またはタリウム系からなる大面積の酸化物超電導薄膜の膜面に垂直な磁界を印加することによって電気抵抗を制御する超電導インバータに好適な超電導スイッチング素子を提供することにある。また、本発明の他の目的は、Ｑ値の高いＬＣ共振回路内に酸化物超電導薄膜で作られた超電導スイッチング素子（クライオトロン）を接続し、ＬＣ共振回路のコイルＬとコンデンサＣとの間で行っているエネルギーのやり取りを、共振周波数と同じ周波数のタイミングで超電導スイッチング素子（クライオトロン）を変化させ、持続的な振動電流を発生させ、その振動電流を交流出力として得る超電導式インバータを提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するために、次のような手段を採用した。
第１の手段は、超電導スイッチング素子として、電磁特性の異方性の高いビスマス系またはタリウム系からなる大面積の酸化物超電導薄膜の膜面に垂直に磁界を印加することによって電気抵抗を制御することを特徴とする。

第２の手段は、超電導式インバータとして、直流電源と、交流出力を取り出す１対の出力端と、Ｑ値の高いＬＣ共振回路とを備え、前記直流電源を前記出力端を介して前記ＬＣ共振回路の任意の素子に接続すると共に、前記ＬＣ共振回路のコイルＬおよびコンデンサＣと直列に酸化物超電導薄膜で作られた超電導スイッチング素子を接続したことを特徴とする。

第３の手段は、第２の手段において、前記コイルＬを超電導コイルで構成したことを特徴とする。

第４の手段は、第２の手段または第３の手段において 前記直流電源と前記ＬＣ共振回路間にダイオードを設けたことを特徴とする。

第５の手段は、第２の手段乃至第４の手段のいずれか１つの手段において、前記酸化物超電導薄膜で作られた超電導スイッチング素子として、第１の手段に記載の超電導スイッチング素子を用いたことを特徴とする。

請求項１に記載の発明によれば、従来の金属系の超電導スイッチング素子に比べて、超電導スイッチング素子のオン／オフ特性を大幅に改善することができる。

請求項２に記載の発明によれば、従来の超電導式インバータに比べて、超電導スイッチング素子の抵抗状態を共振電流が小電流になる時間域に設定でき、スイッチング時の損失を小さくでき、変換効率を大幅に改善することができる。

請求項３に記載の発明によれば、ＬＣ共振回路内の抵抗を超電導スイッチング素子の抵抗に比べて遙かに小さな値とすることができ、超電導スイッチング素子の抵抗変化による時定数の変化を顕著にすることができる。また、インバータ全体を液体窒素中に構成することができるので、直流超電導送電ケーブルと低温で直結することができ、常温部との温度差による熱浸入に起因する冷凍機負荷を大幅に抑えることが可能となる。

請求項４に記載の発明によれば、ＬＣ共振回路で生成された交流電流の直流電源Ｅへの逆流を防止することができ、発生する交流電流の変換効率の向上を図ることができる。

請求項５に記載の発明によれば、超電導インバータのスイッチング特性を大幅に改善することができる。

本発明の一実施形態を図１乃至図７を用いて説明する。
図１は、本発明の超電導式インバータの超電導スイッチング素子として用いられるクライオトロンの構成を示す図であり、図２は図１に示した超電導薄膜の部分をを拡大して示した短冊状の積層された酸化物超電導薄膜を示す図である。

本発明の超電導スイッチング素子に用いられる酸化物超電導薄膜は、Ｂｉ_２Ｓｒ_２ＣａＣｕ_２Ｏ_８（Ｂｉ−２２１２）、Ｂｉ_２Ｓｒ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_１０（Ｂｉ−２２２３）、Ｔｌ_２Ｂａ_２ＣａＣｕ_２Ｏ_８（Ｔｌ−２２１２）、Ｔｌ_２Ｂａ_２Ｃａ_２Ｃｕ_３Ｏ_１０（Ｔｌ−２２２３）等のビスマス系・タリウム系酸化物超電導体を適当な基板上に成膜したものである。
この酸化物超電導薄膜は、結晶構造・電子物性の２次元性が強く、超電導性を示す平面に平行な方向（ａｂ面）と垂直な方向（ｃ軸方向）とで、電気的・磁気的特性（電磁特性）が大きく異なる、いわゆる、異方性を有する。このため大電流が流れるようにａｂ面を膜面に平行にそろえた薄膜で、膜面に平行に磁界を印加しても臨界電流はほとんど低下しないが、膜面に垂直に磁界を印加すると臨界電流は急激に減少する。さらに高い磁界を印加すると臨界電流はゼロとなり、磁束フロー状態と言われる、見かけ上常電導状態と同様の様態となる。
従って、上記のような高異方性の酸化物超電導体の大面積薄膜を用い、膜面に垂直な磁界をオン／オフすることによって臨界電流の大きな状態（磁界ゼロ）と磁束フロー状態（磁界印加）とを切り換えることにより、効率的な超電導スイッチング素子（クライオトロン）を得ることができる。
ここで問題となるのは、通電電流によって生じる発生磁界がある。これは、例えば、単一の短冊状薄膜を用いて一方向に通電すると、短冊の端部で垂直磁界成分が生じ、それによって臨界電流が減少する。そのため、通電電流によって生じる発生磁界ができるだけ膜面に平行になるようにすることが必要である。それを実現する方法としては、図２に示すように、超電導薄膜を、短冊状の薄膜を垂直に積み重ね、互い違いに電流を流し、端部における垂直磁界成分が打ち消し、磁界をほぼ膜面に平行にするように構成するとよい。図３は積み重ねた薄膜に同方向に電流を流した場合と逆方向に電流を流した場合の、通電による自己磁界の分布で、膜面に対する垂直方向成分の磁界の分布を模式的に示したものである。交互通電により、磁界の垂直方向成分が１／６以下になる事がわかった。典型的な大きさとして幅２ｃｍ、長さ２０ｃｍの短冊状基板（厚さ０．５ｍｍ）の両面（または片面）に異方性の高いビスマス系またはタリウム系の酸化物超電導薄膜を成膜したものを積層して用いる。

一般に、超電導体の特性は外部磁場で抵抗ゼロの超電導状態から有限抵抗状態まで変化するが、これを素子化したものがクライオトロンである。超電導薄膜は、磁界の印加で超電導状態を常電導状態に制御できる。
通常、酸化物超電導体は、金属超電導体に比べて常電導状態における抵抗率が大きく、クライオトロンに用いるのに適している。スイッチング素子として十分機能させるためには、Ｓ−Ｎ転移後の高い抵抗特性と、Ｓ−Ｎ転移後に速やかに超電導状態に復帰する高速応答性とが必要であるが、高速応答性を持たせるためには、薄膜形状の酸化物超電導として構成する必要がある。

図４は、本発明のインバータの回路構成の一例を示す図である。
同図において、Ｅは直流電源、Ｄはダイオード、ｒ_ｃ１は変圧器Ｔの１次側コイルＬ_１の抵抗成分、Ｔは交流出力を得るための変圧器、Ｒは負荷抵抗、ＣはＬＣ共振回路を構成するコンデンサ、Ｌは超電導コイル（または低巻線抵抗を有するコイル）からなるＬＣ共振回路を構成するコイル、ｒ_ｃ２はコイルＬの抵抗成分、ｒはクライオトロンである。

ここでは、コイルＬは、ＬＣ共振回路のＱ値を高めるために、損失の少ない液体窒素温度で動作する超電導線を使用した交流超電導コイルを使用する。また、ダイオードＤは、ＬＣ共振回路で生成された交流電流の直流電源Ｅへの逆流を防止するために設けられるものであり、これによって発生する交流電流の変換効率の向上を図ることができる。ダイオードＤは、半導体素子であるが、液体窒素温度でも完全に動作するので、超電導方式のインバータに適用可能である。なお、ダイオードＤの代わりにクライオトロンを使うこともできるが、ダイオードは安価であり、特性も良いのでダイオードを使うこととする。

ここで、ＬＣ共振回路のコイルＬのインダクタンスをＬ_０、コンデンサＣの容量をＣ_０、ＬＣ共振回路内の固有抵抗をｒ_０とするとき、ＬＣ共振回路に流れる電流ｉ_２（ｔ）は、Ａ＝√（ｂ^２−ａ^２）、ａ＝ｒ_０／２Ｌ_０、ｂ＝１／Ｌ_０Ｃ_０、ω＝√（１−Ｃ_０ｒ_０ ^２／４Ｌ_０）／√（Ｌ_０Ｃ_０）として、
ｉ_２（ｔ）＝Ａｅ^−ａｔｓｉｎ（ωｔ）・・・（１）
で表される。従って、ＬＣ共振回路の固有周波数ｆは、ｆ＝√（１−Ｃ_０ｒ_０ ^２／４Ｌ_０）／２π√（Ｌ_０Ｃ_０）となる。
（１）式において、Ｌ_０およびＣ_０が固有値であっても、固有抵抗ｒ_０を変化させると、固有振動数ｆは変動する。ＬＣ共振回路内の固有抵抗ｒ_０はほぼクライオトロンｒの抵抗とコイルＬの抵抗の和として表せるが、固有抵抗ｒ_０は、コイルＬは交流超電導コイルを用いるのでほぼ抵抗ゼロとなるため、クライオトロンｒの抵抗に左右されることになる。この固有抵抗ｒ_０を固有振動数と同じ周期で変化させると、パラメトリック発振器となり、振動電流は外部の直流電源Ｅからエネルギーをもらいながら徐々に成長し持続振動する。そのため、直流電源ＥからＬＣ共振回路に流れ込む電流（エネルギー）も正弦波振動となり、変圧器Ｔを介して振動電流のみを取り出すことができ、負荷抵抗Ｒに交流電流を得ることができる。即ち、直流から交流に変換する電力変換器（インバータ）が得られることになる。

上述のごとく、Ｌ_０およびＣ_０が固定されても、固有抵抗ｒ_０を変化させると共振周波数ｆは変化するが、固有抵抗ｒ_０が小さいために共振周波数ｆに十分な変化が得られないときは、Ｃ_０をできる限り大きく、またはＬ_０を小さく設定した方がよい。しかし、そのような設定は共振回路のＱ値を小さくし、変換効率が低下してしまう。そのため、Ｌ_０およびＣ_０を適当な値に設定する必要がある。計算機による数値解析を使ったシミュレーションによると、ｆ＝５０（Ｈｚ）の交流を得るためには、Ｌ_０＝０．１（Ｈ）、Ｃ_０＝１０５（μＦ）が適当である。ここで想定した変圧器Ｔは、１次側自己インダクタンスＬ_１＝１（Ｈ）、２次側自己インダクタンスＬ_２＝１０（Ｈ）、磁気結合係数は０．９５、負荷抵抗Ｒ＝２０００（Ω）である。

このように、本発明のＬＣ共振回路を利用した超電導インバータによれば、回路内の電流は、クライオトロンによって強制的に流れの方向を変化させるのではなく、共振回路の時定数によって自ら変化する。そのため、本発明のクライオトロンは、一般の電力変換器のスイッチング素子のように電流の向きを切り換える素子として動作するのではなく、共振回路の時定数を周期的に揺り動かすパラメトリック発振器の摂動素子として動作する。これはブランコ漕ぎと同様に、周期的に振動条件を変化させて持続振動を発生させる方法である。実際に共振回路の時定数を揺り動かすには、コイルＬまたはコンデンサＣの値を微小に変化させる方が直接的であるが、本発明のように回路内の抵抗を揺り動かしても可能である。時定数の変化は、小さな抵抗変化であっても機能するので、計算上クライオトロンオフ時の抵抗が１０Ωでも２０％以上の変換効率が得られるし、５００Ωであれば変換効率は７０％以上になり、半導体式のインバータの効率と遜色ない程度となる。また、共振回路内の抵抗変化で時定数を変化させるので、コイルＬの巻線抵抗は、クライオトロンの抵抗に比べて遙かに小さな値であることが望まれるが、コイルＬに交流超電導マグネットを使用すれば、低抵抗の所望のインダクタンスが得られる。またコイルＬを超電導コイルで構成したので常時発熱を大幅に低減でき、変換効率を向上させることができる。

また、従来の電流切り換え型の超電導インバータでは、２個のクライオトロンを必要としたのに対して、本発明の超電導インバータによれば高価なクライオトロンが１個で済み、経済性に優れたインバータが得られる。
また、コンデンサＣは低温での動作が可能なものもあるので、インバータ全体を液体窒素中に構成することができ、その場合、直流電源Ｅに相当する直流超電導送電ケーブルと低温で直結することができ、常温部との温度差による熱浸入に起因する冷凍機負荷を大幅に抑えることが可能となる。そのため、本発明のインバータは、従来、ビル内配線系統網やデータ・センター用の配電系として有望視されていたが、実用化が困難であった直流超電導送電ケーブルを本格的に実用化させる上で不可欠の電力変換器となる。

図５は、振動初期における、クライオトロンｒの抵抗値の変化および負荷抵抗Ｒに得られる交流出力を示す図である。
同図に示すように、クライオトロンｒの抵抗値は矩形波状に変化し、常電導状態において１０（Ω）であり、出力電流は、電源投入から１秒後には、最大振幅８０（ｍＡ）に達して定常状態となっている。

図６は、定常状態における共振回路電流とクライオトロンｒとの位相関係を示す図である。
同図に示すように、共振電流が小さな時期ではクライオトロンｒは抵抗状態にある。そのため、スイッチング損失は小さくなり、従来の超電導インバータに比べて、インバータ変換効率を格段に改善することができる。なお、共振回路において共振を成長させるためには、ブランコ漕ぎの原理と同様に、共振電流が減少する半サイクル間では若干低めにし、電流が増加する半サイクル間では若干高めに共振周波数を摂動すればよい。

図７は、クライオトロンの抵抗と超電導インバータの変換器としての効率との関係を示した図である。
同図においては、クライオトロンｒの抵抗を変えた場合、最適運転条件は負荷抵抗Ｒ、コンデンサＣ、クライオトロンｒを常電導化するタイミング等で微妙に影響され、必ずしも最大効率を示していないが、大凡の傾向を知ることはできる。また、同図に示すように、半導体素子を使ったインバータ並の７０％以上の効率を得るためには、クライオトロンｒを５００（Ω）以上にする必要があるが、これは超電導薄膜にミアンダ・パターン（距離を稼ぐための模様）を形成するか、超電導薄膜の電流密度を向上させ、更には薄膜化等の方法により抵抗率を上げる等によって対応可能である。

本発明の超電導式インバータの超電導スイッチング素子として用いられるクライオトロンの構成を示す図である。 図１に示した超電導薄膜の部分をを拡大して示した短冊状の積層された酸化物超電導薄膜を示す図である。 図２に示した積層された超電導薄膜に対し、同方向に電流を流した場合と互い違いに電流を流した場合の膜面に垂直な方向の磁界を示す模式図である。 本発明のインバータの回路構成の一例を示す図である。 本発明の振動初期における、クライオトロンｒの抵抗値の変化および負荷抵抗Ｒに得られる交流出力を示す図である。 本発明の定常状態における共振回路電流とクライオトロンｒとの位相関係を示す図である。 本発明のクライオトロンｒの抵抗と超電導インバータの変換器としての効率との関係を示した図である。 クライオトロンを使用したＳＭＥＳ（超電導マグネットによる電力貯蔵システム）等の超電導電力機器の一例を示す図である。 電流切替型と呼ばれる酸化物超電導体式のクライオトロンを用いたインバータの一例を示す図である。

符号の説明

Ｅ 直流電源
Ｄ ダイオード
ｒ_ｃ１ 変圧器Ｔの１次側コイルＬ_１の抵抗成分
Ｔ 変圧器
Ｒ 負荷抵抗
Ｃ ＬＣ共振回路を構成するのコンデンサ
Ｌ ＬＣ共振回路を構成するコイル
ｒ_ｃ２ コイルＬの抵抗成分
ｒ クライオトロン

Claims (4)

1. 直流電源と、交流出力を取り出す１対の出力端と、ＬＣ共振回路とを備え、前記直流電源を前記出力端を介して前記ＬＣ共振回路の任意の素子に接続すると共に、前記ＬＣ共振回路のコイルＬおよびコンデンサＣと直列に酸化物超電導薄膜で作られた超電導スイッチング素子を接続したことを特徴とする超電導式インバータ。
2. 前記コイルＬを超電導コイルで構成したことを特徴とする請求項１に記載の超電導式インバータ。
3. 前記直流電源と前記ＬＣ共振回路間にダイオードを設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の超電導式インバータ。
4. 前記酸化物超電導薄膜で作られた超電導スイッチング素子として、ビスマス系またはタリウム系からなる酸化物超電導薄膜の膜面に垂直に磁界を印加することによって電気抵抗を制御する超電導スイッチング素子を用いたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１つの請求項に記載の超電導式インバータ。

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