JP7377708B2 - 電力変換器 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換器に関する。

従来、プラズマアクチュエータによりプラズマを発生するためには、電極間に高電圧で且つ高周波の電力を供給する必要があった。プラズマアクチュエータに電力を供給するための高電圧発生装置は、一般的には昇圧回路を用いて個別に設けている。昇圧回路としては、トランスを介して一次側の低電圧を二次側に昇圧させるフライバック方式が知られている。

昇圧回路は、簡易な構成で部品点数が少ない分、安価に低電圧から高電圧を発生させることができる。

特開２０１６－１７１２３８号公報

しかしながら、昇圧回路は、電力効率が低く、効率向上や所望の交流波形や制御が必要な場合には、回路や制御方式が複雑になり、部品点数が増加する。また、要求する高電圧側の出力が増加すれば、トランス等が大きくなる。

また、プラズマを必要とする機器にとっては、プラズマを発生させる素子だけではなく、プラズマ発生に個別に必要な高電圧を発生させる高電圧発生装置（昇圧回路）が必要となる。このため、全体のサイズが増加してしまう。

そこで、本発明は、プラズマ発生に個別に必要な高電圧を発生させる高電圧発生装置を不要とすることできる電力変換器を提供することを目的とする。

本発明に係る電力変換器は、電力変換処理により所定の電力を得る電力変換装置と、電力変換装置に接続され、プラズマを発生させるプラズマ発生装置とを備える。電力変換装置は、所定の電力の内の、プラズマを発生させるために必要な電力をプラズマ発生装置に供給してプラズマ発生装置を駆動する。

本発明によれば、プラズマ発生に個別に必要であった昇圧回路等の高電圧発生装置を不要とすることができる。

本発明の第１の実施形態に係る電力変換器を示す回路図である。 本発明の第１の実施形態に係る電力変換器の入力電圧、出力電圧、プラズマ発生装置に印加される電圧の波形のタイミングチャートである。 本発明の第２の実施形態に係る電力変換器を示す回路図である。 本発明の第２の実施形態に係る電力変換器の入力電圧、出力電圧、プラズマ発生装置に印加される電圧の波形のタイミングチャートである。 プラズマ発生装置で発生するバリア放電の等価回路である。 パッシェンの法則を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る電力変換器を示す回路図である。 本発明の第４の実施形態に係る電力変換器を示す回路図である。 本発明の第４の実施形態の変形例に係る電力変換器を示す回路図である。 本発明の第５の実施形態に係る電力変換器を示す回路図である。 本発明の第６の実施形態に係る電力変換器を示す回路図である。 本発明の第７の実施形態に係る電力変換器のプラズマアクチュエータの断面図である。 本発明の第８の実施形態に係る電力変換器を示す回路図である。 本発明の第９の実施形態に係る電力変換器を示す回路図である。 本発明の第９の実施形態に係る電力変換器の各スイッチング素子の電圧及び電流を示すタイミングチャートである。 本発明の第１０の実施形態に係る電力変換器を示す回路図である。 本発明の第１１の実施形態に係る電力変換器を示す回路図である。

以下、本発明を適用した実施形態に係る電力変換器について図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）

図１は、本発明の第１の実施形態に係る電力変換器を示す回路図である。電力変換器は、電力変換装置１と、プラズマ発生装置１０とを備える。プラズマ発生装置１０は、プラズマを発生させる。

電力変換装置１は、電力変換処理により所定の電力を得る。電力変換装置１は、昇圧型のＤＣ－ＤＣコンバータ（コンバータ回路）からなり、直流電源Ｖｉｎの直流（ＤＣ）の入力電圧を昇圧変換して直流（ＤＣ）の出力電圧Ｖｏｕｔを負荷Ｒに出力する。電力変換装置１は、所定の電力の内の、プラズマを発生させるために必要な電力をプラズマ発生装置１０に供給してプラズマ発生装置１０を駆動する。

電力変換装置１は、直流電源Ｖｉｎ、コイルＬ１、スイッチング素子Ｑ１、ダイオードＤ１、コンデンサＣ１、負荷Ｒを備える。直流電源Ｖｉｎの両端には、コイルＬ１とスイッチング素子Ｑ１との直列回路が接続される。コイルＬ１の両端には、プラズマ発生装置１０が並列に接続される。

スイッチング素子Ｑ１は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）からなる。図１に示すスイッチング素子Ｑ１は、ｎチャネルのＭＯＳＦＥＴからなり、ドレインとソース間には、ダイオードＤ１とコンデンサＣ１との直列回路が接続される。コンデンサＣ１の両端には抵抗等の負荷Ｒが接続される。スイッチング素子Ｑ１のゲートには、図示しない制御回路から制御信号が印加され、スイッチング素子Ｑ１は、制御信号によりオンオフされる。

このように構成された第１の実施形態に係る電力変換器の動作を図２に示す各電圧の波形のタイミングチャートを参照しながら説明する。図２は、図1に示す電力変換器が動作し始めて安定したある時間帯の入力電圧Ｖｉｎと出力電圧ＶｏｕｔとコイルＬ１及びプラズマ発生装置１０に印加される電圧を示す。

まず、時刻ｔ１において、スイッチング素子Ｑ１をオンすると、直流電源Ｖｉｎからの入力電圧がコイルＬ１に印加されてコイルＬ１にエネルギーが蓄積される。次に、時刻ｔ２において、スイッチング素子Ｑ１をオフすると、コイルＬ１に蓄積されたエネルギーがダイオードＤ１を介して負荷Ｒに供給される。ダイオードＤ１とコンデンサＣ１により整流平滑された出力電圧Ｖｏｕｔは、所定の直流電圧となる。

出力電圧Ｖｏｕｔは、回路上の部品定数やスイッチング素子Ｑ１のオンオフのデューティ比により可変することができる。コイルＬ１に発生する電圧は、スイッチング素子Ｑ１のオンオフとは逆のタイミングで上下する。このとき、コイルＬ１に印加される電圧が正勾配時（立ち上がり時）、負勾配時（立ち下がり時）にプラズマ発生装置１０にも電圧が印加されてプラズマを発生させることができる。

図２では、基本構造の一例としてコイルＬ１に印加される電圧をパルス形状で示した。回路方式や部品数、部品定数、導入位置によってプラズマ発生装置１０に正弦波や半波等プラズマ生成に所望の電圧波形を任意に変えることができる。

（第１の実施形態の効果）
第１の実施形態に係る電力変換器よれば、電力変換装置１から、所定の電力の内の、プラズマを発生させるために必要な電力がコイルＬ１に並列に接続されたプラズマ発生装置１０に供給される。このため、プラズマ発生に個別に必要であった昇圧回路等の高電圧発生装置を不要とすることができる。

特に、ＥＶ（電気自動車）やＨＥＶ（ハイブリッド電気自動車）等の電動車に使用される電力変換器は、レイアウトサイズへの制約が多く、小型化の要求が高い。このため、電力変換とプラズマ発生を必要とするアプリケーションにおいては、サイズとのトレードオフを改善することができる。

また、電力変換器が昇圧コンバータ回路からなることで、電力変換時に生じるパルス波や回路動作によって生じる電圧変化によって、プラズマを発生させることができる。

また、プラズマ発生装置１０を電力変換装置内のコイルＬ１と電気的に並列に接続することで、誘導性リアクタンスで時系列に変化するコイルＬ１に印加される電圧によって、プラズマを発生させることができる。

（第２の実施形態）
図３は、本発明の第２の実施形態に係る電力変換器を示す回路図である。図１の電力変換器は、コイルＬ１の両端に並列にプラズマ発生装置１０を接続した。これに対して、図３の電力変換器は、スイッチング素子Ｑ１のドレインとソース間に並列にプラズマ発生装置１０を接続した。図３のその他の構成は、図１の構成と同じである。

スイッチング素子Ｑ１は、所定の電力の内の、プラズマを発生させるために必要な電力をプラズマ発生装置１０に供給する。

このように構成された第２の実施形態に係る電力変換器の動作を図４に示す各電圧の波形のタイミングチャートを参照しながら説明する。図４は、図３に示す電力変換器が動作し始めて安定したある時間帯の入力電圧Ｖｉｎと出力電圧Ｖｏｕｔとスイッチング素子Ｑ１及びプラズマ発生装置１０に印加される電圧を示す。

まず、時刻ｔ１１において、スイッチング素子Ｑ１をオンすると、スイッチング素子Ｑ１のドレインとソース間に印加される電圧は、略０Ｖとなる。このとき、直流電源Ｖｉｎからの入力電圧がコイルＬ１に印加されてコイルＬ１にエネルギーが蓄積される。

次に、時刻ｔ１２において、スイッチング素子Ｑ１をオフすると、コイルＬ１に蓄積されたエネルギーがダイオードＤ１を介して負荷Ｒに供給される。スイッチング素子Ｑ１のドレインとソース間に印加される電圧は、出力電圧Ｖｏｕｔまで上昇する。

プラズマ発生装置１０は、スイッチング素子Ｑ１と並列に接続されているので、スイッチング素子Ｑ１のオンオフのタイミングと同期してプラズマ発生装置１０に電圧が印加される。このため、プラズマ発生装置１０でプラズマを発生させることができる。

電力変換装置の動作時に回路上の電気的な寄生成分によってスイッチング素子Ｑ１に生じるサージ電圧は、スイッチング素子Ｑ１の寿命を縮めたり、破壊されたりしてしまう。プラズマ発生装置１０をスイッチング素子Ｑ１と並列に接続することで、サージ電圧が放電開始電圧を超えると、サージ電圧によるエネルギーをプラズマ発生の消費に利用することができる。このため、スイッチング素子Ｑ１の保護とプラズマ発生を行うことができ、好適に使用することができる。

プラズマ発生装置１０が誘電体バリア放電現象を用いた構造である場合には、プラズマ放電時には誘電体の静電容量がデカップリングコンデンサの役目を担うことができる。

図５は、プラズマ発生装置１０で発生するバリア放電の等価回路である。バリア放電の等価回路は、電源の両端に誘電体の静電容量Ｃｄと空気ギャップ間の静電容量Ｃｇとの直列回路が接続される。静電容量Ｃｇの両端には、極性が逆に接続されたツェナーダイオードＺ１とツェナーダイオードＺ２との直列回路が接続されている。ツェナーダイオードＺ１とツェナーダイオードＺ２とで放電部を構成している。

放電部は、一定の電圧を超えると、通電するツェナーダイオードと模擬的に表すことができる。このため、放電が開始されると、電源の両端の静電容量は、誘電体の静電容量Ｃｄのみとなり、スイッチング素子Ｑ１と並列に接続されると、放電部をコンデンサとして振る舞うことができる。

誘電体バリア放電においては、プラズマ開始電圧は、パッシェンの法則を目安にすることができる。図６は、パッシェンの法則を示す図であり、気圧と放電ギャップ距離の積と放電開始電圧との関係を示している。ギャップが短いほど、放電開始電圧が低く、空気の大気圧上では、数百ボルトから放電されることを計算及び実験でも導かれている。比較的低電圧の電力変換器においてもプラズマ発生装置１０の放電部のギャップ距離や誘電体バリア放電では、誘電体の厚みや誘電率等で低電圧にすることができる。

（第２の実施形態の効果）
第２の実施形態に係る電力変換器よれば、電力変換装置１から、所定の電力の内の、プラズマを発生させるために必要な電力がスイッチング素子Ｑ１に並列に接続されたプラズマ発生装置１０に供給される。このため、プラズマ発生に個別に必要であった昇圧回路等の高電圧発生装置を不要とすることができる。

また、プラズマ発生装置１０を電力変換装置内の半導体素子であるスイッチング素子Ｑ１と電気的に並列に接続されることで、電力変換に必要な半導体素子のオンオフのスイッチングに応じてプラズマ発生装置１０に電圧変化が生じる。これにより、プラズマを発生させることができる。

（第３の実施形態）
図７は、本発明の第３の実施形態に係る電力変換器を示す回路図である。図７の電力変換器は、スイッチング素子Ｑ１のドレインとソース間にスナバコンデンサＣ２が並列に接続されている。スナバコンデンサＣ２は、スイッチング素子Ｑ１のオンオフにより発生するリンギングを抑制する。スナバコンデンサＣ２には並列にプラズマ発生装置１０が接続されている。

（第３の実施形態の効果）
第３の実施形態に係る電力変換器によれば、スナバコンデンサＣ２に蓄積された電荷によりスイッチング素子Ｑ１のオンオフにより発生するリンギングを抑制することができる。また、スナバコンデンサＣ２に蓄積された電荷によりプラズマ発生装置１０が駆動してプラズマを発生することができる。

また、プラズマ発生装置１０を電力変換装置内のスナバコンデンサＣ２と電気的に並列に接続することで、容量性リアクタンスで時系列に変化するコンデンサＣ２に印加される電圧によって、プラズマを発生させることができる。

（第４の実施形態）
図８は、本発明の第４の実施形態に係る電力変換器を示す回路図である。図８の電力変換器は、コイルＬ１の両端に並列にプラズマ発生装置１０ａを接続し、スイッチング素子Ｑ１のドレインとソース間に並列にプラズマ発生装置１０ｂを接続した。即ち、図８の電力変換器は、図１の電力変換器の構成と図３の電力変換器の構成とを組み合わせている。

プラズマ発生装置１０ａをコイルＬ１と並列に接続することで、コイルＬ１に印加される電圧によって、プラズマ発生装置１０ａによりプラズマを発生させることができる。また、プラズマ発生装置１０ｂをスイッチング素子Ｑ１と並列に接続することで、スイッチング素子Ｑ１に印加される電圧によって、プラズマ発生装置１０ｂによりプラズマを発生させることができる。

この場合、プラズマ発生装置１０ａとプラズマ発生装置１０ｂとは、電圧変化のタイミングが異なり、プラズマが発生するタイミングが異なる。このため、プラズマ発生装置１０ａとプラズマ発生装置１０ｂとは、交互にプラズマを発生させることができる。

また、図９に示すように、電力変換器は、コイルＬ１の両端に並列にプラズマ発生装置１０ａとプラズマ発生装置１０ｂを接続しても良い。この場合、プラズマ発生装置１０ａとプラズマ発生装置１０ｂとは、プラズマが発生するタイミングが同じとなり、同時にプラズマを発生させることができる。あるいは、電力変換器は、図示していないが、スイッチング素子Ｑ１の両端に並列にプラズマ発生装置１０ａとプラズマ発生装置１０ｂを接続しても良い。

（第４の実施形態の効果）
第４の実施形態に係る電力変換器によれば、プラズマ発生装置１０ａとプラズマ発生装置１０ｂとでプラズマを発生させることができる。

（第５の実施形態）
図１０は、本発明の第５の実施形態に係る電力変換器を示す回路図である。図１０の電力変換器は、コイルＬ１（一次巻線）とコイルＬ２（二次巻線）とが磁気コアで電磁的に結合する昇圧部としてのトランスＴを備えている。コイルＬ１とコイルＬ２の●は、コイルの巻き始めを表し、コイルＬ１とコイルＬ２とは、逆相に巻回されている。コイルＬ２の両端にはプラズマ発生装置１０が並列に接続されている。

コイルＬ１の巻数ｎ１よりもコイルＬ２の巻数ｎ２の方が多い。このため、コイルＬ１の両端に発生する電圧よりもコイルＬ２の両端に発生する電圧が大きい。即ち、コイルＬ１の両端に発生する電圧が昇圧されて、コイルＬ２の両端に高電圧が発生し、高電圧がプラズマ発生装置１０に印加される。

（第５の実施形態の効果）
第５の実施形態に係る電力変換器によれば、電力変換装置１のトランスＴを用いて二次巻線側に高電圧を発生させ、高電圧をプラズマ発生装置１０に印加することでプラズマ発生装置１０によりプラズマを発生させることができる。

（第６の実施形態）
図１１は、本発明の第６の実施形態に係る電力変換器を示す回路図である。図１１の電力変換器は、図１０に示すトランスＴと同一構成のトランスＴを備えている。コイルＬ２の両端にはプラズマ発生装置１０ａが並列に接続されている。

また、スイッチング素子Ｑ１のドレインとソース間には、並列にプラズマ発生装置１０ｂが接続されている。

（第６の実施形態の効果）
第６の実施形態に係る電力変換器によれば、電力変換装置１のトランスＴを用いて二次巻線側に高電圧を発生させ、高電圧をプラズマ発生装置１０ａに印加することでプラズマ発生装置１０ａによりプラズマを発生させることができる。

また、プラズマ発生装置１０ｂをスイッチング素子Ｑ１と並列に接続することで、スイッチング素子Ｑ１に印加される電圧によって、プラズマ発生装置１０ｂによりプラズマを発生させることができる。

この場合、プラズマ発生装置１０ａとプラズマ発生装置１０ｂとは、電圧変化のタイミングが異なり、プラズマが発生するタイミングが異なる。このため、プラズマ発生装置１０ａとプラズマ発生装置１０ｂとは、交互にプラズマを発生させることができる。

（第７の実施形態）
図１２は、第７の実施形態に係る電力変換器のプラズマアクチュエータの断面図である。図１～図１１に示したプラズマ発生装置は、図１２に示すプラズマアクチュエータ１７からなる。プラズマアクチュエータ１７は、図１２に示すように、誘電体１４と、誘電体１４の上面に配置された上部電極１２と、誘電体１４の下面に配置された下部電極１３と、上部電極１２と下部電極１３とに高電圧を印加する電源装置１５とを備える。

上部電極１２と下部電極１３は、銅、アルミニウム、又は鉄等の金属材料から構成される。誘電体１４は、所定の絶縁材料から構成される。特に、絶縁材料としては、高電圧に対する耐性及び高絶縁性の観点からポリテトラフルオロエチレン、ポリイミド、又はナイロンを採用することが好ましい。電源装置１５は、交流電源により構成される。即ち、電源装置１５がプラズマアクチュエータ１７の上部電極１２と下部電極１３とに高電圧の交流電圧を印加することで、上部電極１２からＸ軸正方向にプラズマ雰囲気１６を発生させる。

（第７の実施形態の効果）
第７の実施形態に係る電力変換器によれば、プラズマ発生装置がプラズマアクチュエータ１７であることで、プラズマによる電離によりイオンと電子が発生する。電界によりイオンと電子が加速され、Ｘ軸正方向に沿って流れる誘起流と呼ばれるジェットを発生させることができる。これにより、空気等の流体を制御したり、所望の箇所にジェットを当てたりすることができる。

プラズマアクチュエータ１７の誘起流を発生させる最適な周波数は、数ｋＨｚ～１０数ｋＨｚ程度とされている。ＭＨｚ級のナノパルス（ｎｓオーダー）で、プラズマアクチュエータ１７を動作させる場合には衝撃波を発生させることができる。これにより、気体の圧力分布を変えることができるので、誘起流の流れを制御することができる。

また、プラズマアクチュエータ１７が空冷システムからなり、プラズマアクチュエータ１７が電力変換装置の電力変換によって発生する発熱を冷却するので、電力変換装置が温度上昇しない。このため、電力変換装置は、停止することなく、連続動作させることができる。

電力変換装置が自然空冷であれば、ファン等の可動品がなくても風の流れを発生させ強制空冷できるので、自己冷却できる。冷却システムにファンやフィンがある場合には、ファンの流れをアシストする形で冷却性能を向上させることができる。

また、動作モードにより電力変換装置の出力が上がるに比例して発熱量も増加するが、出力が増加するとプラズマ発生装置へ供給できる電力も増やすことができる。このため、プラズマアクチュエータ１７を冷却に用いる場合には、出力に追従して冷却性能を好適に向上させることができる。プラズマアクチュエータ１７による冷却は、回路を構成する部品に直接、当てても良いし、冷却フィンの周りの熱伝達向上に使用しても効果を発揮することができる。プラズマアクチュエータ１７は、一つの回路部品に複数設けていても良いし、複数の回路部品に複数設けていても良い。プラズマアクチュエータ１７を複数設ける場合には、プラズマアクチュエータ１７から誘起されるジェットは、一方向でなく、多方向でもよい。

（第８の実施形態）
図１３は、本発明の第８の実施形態に係る電力変換器を示す回路図である。電力変換器は、コイルＬ１の両端に、プラズマ発生装置１０とスイッチ２１の直列回路が並列に接続される。スイッチ２１は、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等の半導体スイッチからなる。スイッチオンオフ制御部２２は、スイッチ２１をオンオフさせる。

（第８の実施形態の効果）
第８の実施形態に係る電力変換器によれば、スイッチオンオフ制御部２２がスイッチ２１を所望のタイミングでオンオフさせるので、コイルＬ１からプラズマ発生装置１０に間欠的に（バースト動作）電力が供給される。このため、プラズマ発生装置１０は、間欠的にプラズマを発生させることができる。

（第９の実施形態）
図１４は、本発明の第９の実施形態に係る電力変換器を示す回路図である。図１では、電力変換装置がブーストコンバータ回路である例を示した。図１４では、電力変換装置が、共振現象を利用したＬＬＣ共振コンバータである例を示す。図１４に示す電力変換装置は、ＬＬＣ共振コンバータと、プラズマ発生装置１０とで構成される。

図１４に示すＬＬＣ共振コンバータにおいて、直流電源Ｖｉｎの両端にスイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ２との直列回路が接続されている。スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ２とは図示しない制御回路からの制御信号が各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のゲートに印加されることにより交互にオンオフする。

スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ２とは、ＭＯＳＦＥＴらかなる。スイッチング素子Ｑ１のドレインとソース間にはダイオードＤ２とコンデンサＣ２とが並列に接続される。スイッチング素子Ｑ２のドレインとソース間にはダイオードＤ３とコンデンサＣ３とが並列に接続される。ダイオードＤ２，Ｄ３は、各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の寄生ダイオードでも良い。コンデンサＣ２，Ｃ３は、各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の寄生容量でも良い。

スイッチング素子Ｑ１のソースとスイッチング素子Ｑ２のドレインとの接続端と直流電源Ｖｉｎの負極との間には、共振コンデンサＣｒと共振リアクトルＬｒとトランスＴの励磁インダクタンスＬｍとの直列回路が接続されている。トランスＴは、互いに電磁結合する一次巻線Ｐ１（巻数ｎ１）と第１の二次巻線Ｓ１（巻数ｎ２）と第２の二次巻線Ｓ２（巻数ｎ３）とを有する。共振リアクトルＬｒは、トランスＴの一次巻線Ｐ１と第１及び第２の二次巻線Ｓ１，Ｓ２の相互間のリーケージインダクタンスからなる。共振コンデンサＣｒと共振リアクトルＬｒと励磁インダクタンスＬｍとは、ＬＬＣ共振回路を構成する。

共振コンデンサＣｒと共振リアクトルＬｒとの直列回路の両端には、プラズマ発生装置１０が接続されている。第１の二次巻線Ｓ１の一端にはダイオードＤ４のアノードが接続され、第２の二次巻線Ｓ２の一端にはダイオードＤ５のアノードが接続されている。ダイオードＤ４のカソードとダイオードＤ５のカソードは、コンデンサＣ４の一端に接続されている。コンデンサＣ４の他端は、第１の二次巻線Ｓ１の他端と第２の二次巻線Ｓ２の他端との接続端に接続されている。コンデンサＣ４の両端から出力電圧Ｖｏｕｔが出力される。

次にこのように構成された電力変換器の動作を、図１５に示す各スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のタイミングチャートを参照しながら説明する。図１５において、Ｑ１ｖ，Ｑ２ｖは、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のドレインとソース間の電圧を示す。Ｑ１ｉ，Ｑ２ｉは、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のドレインとソース間に流れる電流を示す。

まず、時刻ｔ０において、スイッチング素子Ｑ１がオンすると、Ｖｉｎ正極→Ｑ１→Ｃｒ→Ｌｒ→Ｌｍ→Ｖｉｎ負極の経路で電流Ｑ１ｉが流れる。二次側では、Ｓ１→Ｄ４→Ｃ４→Ｓ１の経路で電流が流れる。このとき、共振コンデンサＣｒと共振リアクトルＬｒとが共振し、電流Ｑ１ｉが正弦波状に共振コンデンサＣｒと共振リアクトルＬｒとに流れる。時刻ｔ０から時刻ｔ２１では、電流Ｑ１ｉが上昇し、ｄＱ１ｉ／ｄｔが大きく変動する。即ち、共振現象による瞬間的な高電圧が発生する。

次に、時刻ｔ２５において、スイッチング素子Ｑ２がオンすると、Ｌｍ→Ｌｒ→Ｃｒ→Ｑ２→Ｌｍの経路で電流Ｑ２ｉが流れる。二次側では、Ｓ２→Ｄ５→Ｃ４→Ｓ２の経路で電流が流れる。このとき、共振コンデンサＣｒと共振リアクトルＬｒとが共振し、電流Ｑ２ｉが正弦波状に共振コンデンサＣｒと共振リアクトルＬｒとに流れる。時刻ｔ２５から時刻ｔ２６では、電流Ｑ２ｉが上昇し、ｄＱ２ｉ／ｄｔが大きく変動する。即ち、共振現象による瞬間的な高電圧が発生する。

（第９の実施形態の効果）
第９の実施形態に係る電力変換器によれば、電圧が変動する回路部品である共振コンデンサＣｒと共振リアクトルＬｒとの直列回路と並列にプラズマ発生装置１０を接続することで、共振現象による瞬間的な高電圧がプラズマ発生装置１０に印加される。これにより、プラズマ発生装置１０によりプラズマをより発生しやすくすることができる。

また、高電圧化と電力変換装置の高効率化、さらに冷却に適した電力変換器として効果を発揮することができる。

（第１０の実施形態）
図１６は、本発明の第１０の実施形態に係る電力変換器を示す回路図である。図１６に示す電力変換器は、３相インバータ回路と、６つのプラズマ発生装置１０ａ～１０ｆとを備えている。

３相インバータ回路は、直流電源Ｖｉｎの直流電圧を交流電圧に変換して交流電圧を３相モータ２４に供給する。３相インバータ回路は、直流電源Ｖｉｎの両端には、スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ２との直列回路と、スイッチング素子Ｑ３とスイッチング素子Ｑ４との直列回路と、スイッチング素子Ｑ５とスイッチング素子Ｑ６との直列回路とが接続されている。スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６は、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等からなる。

６つのスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６の内、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相のいずれかの一相は、上アームのスイッチング素子Ｑ１又はＱ３又はＱ５をオンする。また、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の他の一相は、下アームのスイッチング素子Ｑ２又はＱ４又はＱ６をオンし、残りの相は、スイッチング素子を上下アームともにオフさせる。どの相のスイッチング素子も、直流電源Ｖｉｎの正極と負極（グランド側）にそれぞれ１２０°の期間はオンし、６０°の期間はオフする。

スイッチング素子Ｑ５とスイッチング素子Ｑ６との接続端にはモータ２４のコイル２５ａの一端が接続されている。スイッチング素子Ｑ３とスイッチング素子Ｑ４との接続端にはコイル２５ｂの一端が接続されている。スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ２との接続端にはコイル２５ｃの一端が接続されている。コイル２５ａの他端とコイル２５ｂの他端とコイル２５ｃの他端とは、共通に接続されている。

スイッチング素子Ｑ１の両端に並列にプラズマ発生装置１０ａが接続され、スイッチング素子Ｑ２の両端に並列にプラズマ発生装置１０ｂが接続されている。スイッチング素子Ｑ３の両端に並列にプラズマ発生装置１０ｃが接続され、スイッチング素子Ｑ４の両端に並列にプラズマ発生装置１０ｄが接続されている。スイッチング素子Ｑ５の両端に並列にプラズマ発生装置１０ｅが接続され、スイッチング素子Ｑ６の両端に並列にプラズマ発生装置１０ｆが接続されている。

（第１０の実施形態の効果）
第１０の実施形態に係る電力変換器によれば、３相インバータ回路のスイッチング素子Ｑ１～Ｑ６の両端に並列にプラズマ発生装置１０ａ～１０ｆが接続されている。このため、スイッチング素子Ｑ１～Ｑ６に印加される交流電圧の変動に応じて、プラズマ発生装置１０ａ～１０ｆにも交流電圧が発生し、電圧が所望の放電開始電圧を越えると、プラズマ発生装置１０ａ～１０ｆによりプラズマを発生させることができる。

また、大出力のインバータ回路では、ｋＨｚ級で動作するものが多い。このため、プラズマアクチュエータを用いた場合に誘起流の生成に好適に用いることができる。

また、プラズマ発生装置を単体又は複数設けても良く、各アームのスイッチング素子はオンオフするタイミングが異なるので、プラズマ発生装置の動作タイミングを恣意的にずらすことができる。このため、新たな制御を用いることなく、プラズマ発生を制御することができる。

（第１１の実施形態）
図１７は、本発明の第１１の実施形態に係る電力変換器を示す回路図である。図１７に示す電力変換器は、３相インバータ回路のＵＶＷ相の２つの相間にプラズマ発生装置を接続したことを特徴とする。

具体的には、スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ２との接続端（Ｕ相）とスイッチング素子Ｑ３とスイッチング素子Ｑ４との接続端（Ｖ相）との相間にプラズマ発生装置１０ｂを接続している。スイッチング素子Ｑ３とスイッチング素子Ｑ４との接続端（Ｖ相）とスイッチング素子Ｑ５とスイッチング素子Ｑ６との接続端（Ｗ相）との相間にプラズマ発生装置１０ｂを接続している。スイッチング素子Ｑ１とスイッチング素子Ｑ２との接続端（Ｕ相）とスイッチング素子Ｑ５とスイッチング素子Ｑ６との接続端（Ｗ相）との相間にプラズマ発生装置１０ｃを接続している。

（第１１の実施形態の効果）
第１１の実施形態に係る電力変換器によれば、ＵＶ相間にプラズマ発生装置１０ｂを接続し、ＶＷ相間にプラズマ発生装置１０ａを接続し、ＵＷ相間にプラズマ発生装置１０ｃを接続した。このため、インバータの電力変換に応じて、精度良い交流電圧をプラズマ発生装置１０ａ～１０ｃに発生させることができる。このため、プラズマ発生装置１０ａ～１０ｃによりプラズマを発生させることができる。

また、各相のスイッチング素子はオンオフするタイミングが異なるので、プラズマ発生装置の動作タイミングを恣意的にずらすことができる。このため、新たな制御を用いることなく、プラズマ発生を制御することができる。

なお、本発明は、第１乃至第１１の実施形態に係る電力変換器に限定されるものではない。第１乃至第１１の実施形態に係る電力変換器の内のいくつの実施形態に係る電力変換器を組わせても用いても良い。

Ｖｉｎ 入力電圧
Ｌ１，Ｌ２ コイル
Ｌｒ 共振リアクトル
Ｌｍ 励磁インダクタンス
Ｄ１～Ｄ５ ダイオード
Ｃ１，Ｃ３，Ｃ４ コンデンサ
Ｃ２ スナバコンデンサ
Ｃｒ 共振コンデンサ
Ｃｄ 誘電体の静電容量
Ｃｇ 空気ギャップ間の静電容量
Ｚ１，Ｚ２ 放電部
Ｐ 一次巻線
Ｓ１ 第１の二次巻線
Ｓ２ 第２の二次巻線
Ｑ１～Ｑ６ スイッチング素子
Ｒ 負荷
Ｔ トランス
Ｖｏｕｔ 出力電圧
１ 電力変換装置
１０，１０ａ～１０ｆ プラズマ発生装置
１２ 上部電極
１３ 下部電極
１４ 誘電体
１５ 電源装置
１６ プラズマ雰囲気
１７ プラズマアクチュエータ
２１ スイッチ
２２ スイッチオンオフ制御部
２４ モータ
２５ａ～２５ｃ コイル

Claims (10)

1. 少なくともコイルを有する電気回路とスイッチング素子とを備えたコンバータ回路からなり、第１の電力を第２の電力に変換して負荷に出力する電力変換装置と、
   前記電気回路と前記スイッチング素子の少なくとも一方に並列に接続され、プラズマを発生させるプラズマ発生装置と
   を備え、
   前記電力変換装置は、前記電気回路と前記スイッチング素子の少なくとも一方に供給される電力を、前記プラズマを発生させるために必要な電力として前記プラズマ発生装置に供給して前記プラズマ発生装置を駆動する電力変換器。
2. 前記電気回路は前記コイルと第１コンデンサとを有する共振回路を含み、前記プラズマ発生装置は前記共振回路に並列に接続される請求項１に記載の電力変換器。
3. 前記電力変換装置は前記スイッチング素子に並列に接続された第２コンデンサを更に備え、前記プラズマ発生装置は前記スイッチング素子および前記第２コンデンサと並列に接続される請求項１または２に記載の電力変換器。
4. 前記電気回路は一次巻線としての前記コイルに発生する電圧を昇圧して二次巻線に出力するトランスを含み、前記プラズマ発生装置は前記二次巻線に並列に接続される請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電力変換器。
5. 前記プラズマ発生装置に直列に接続されたスイッチと、前記スイッチをオンオフさせるスイッチオンオフ制御部とを備える請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電力変換器。
6. 前記プラズマ発生装置は、プラズマアクチュエータを備える請求項１乃至５のいずれか１項に記載の電力変換器。
7. 前記プラズマアクチュエータは、前記電力変換装置に発生する発熱を冷却する冷却システムからなる請求項６に記載の電力変換器。
8. 前記プラズマアクチュエータは、誘起流を発生する請求項６に記載の電力変換器。
9. 前記プラズマアクチュエータは、ナノパルス放電による衝撃波を発生する請求項６に記載の電力変換器。
10. スイッチング素子を備えたインバータ回路からなり、直流電力を交流電力に変換して負荷に出力する電力変換装置と、
    前記スイッチング素子と前記交流電力の出力との少なくとも一方に並列に接続され、プラズマを発生させるプラズマ発生装置と
    を備え、
    前記電力変換装置は、前記スイッチング素子と前記交流電力の出力との少なくとも一方に供給される電力を、前記プラズマを発生させるために必要な電力として前記プラズマ発生装置に供給して前記プラズマ発生装置を駆動する電力変換器。

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