JPH10507336A - 電力変換システムで使用される極低温に冷却された電力素子の制御回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 制御回路は多相切換え変換回路の端子に選択された入力信号が搬送される順序を制御するための信号を発生する。この制御回路は選択された入力信号からガルバニ電気絶縁され、制御信号はスイッチ装置から電気的に絶縁されている。本質的に、変換回路用の制御回路は変換回路から電気的に絶縁されている。制御回路は、切換えコンバータのトポロジーと同類のトポロジーを有するように構成され、かつ従来形の切換えダイオード並びに光センサと光学的に結合された発光装置とを含んでおり、この光センサは光学的に結合された発光装置からの光線の検出に応動して対応するスイッチ装置に制御信号を送る。制御回路は更に、スイッチ装置用の駆動回路を作動するための調整され、電気的に絶縁された電力源を含んでいる。極低温冷却された切換えコンバータが、速度可変の風力駆動タービンによって発生されたＡＣ入力信号を、ＤＣ出力信号に整流するために使用され、このＤＣ信号は、固定周波数のＡＣ信号に再変換され、蓄積され、または低温冷却された超伝導線を経て遠隔地に送電される。発電システムは自然に発生する周波数変動特性を有する交流（ＡＣ）入力信号を直流出力信号に変換するための低温冷却された電力変換回路を含んでいる。前述の制御回路は電力変換回路を制御するために使用できる。

Description

【発明の詳細な説明】 電力変換システムで使用される極低温に冷却された電力素子の制御回路 本発明は電力変換電子回路装置に関する。 交流（ＡＣ）は事業用の電力配分にほとんど汎用に採用され、従って産業、商 業および家庭用の目的のための電力の標準的な形式である。発電に使用されるエ ネルギ源（例えば水力電力、原子力、太陽エネルギ、風力）に関わりなく、ＡＣ は北米では６０Hzの固定周波数で（他の地域では通常５０Hz）供給され、ユーザ ーがそこから電気を獲得する大規模な送電線網に送られる前に位相同期されなけ ればならない。 事業用の電力のほとんどは多くの理由から３相電力として発電され、配電され る。単相電力とは異なり、３相（または平衡されたいずれかの多相システム）の 瞬間電力は一定である。更に、いずれにもフィルタを使用しない場合、多相整流 器の出力電圧は単相の整流器の出力電圧よりも平滑である。多相回路の場合、変 圧器およびその他の関連装置を利用することも単相回路より進歩しており、その 結果、一般に力率が高く、高調波ひずみが少ない。 種々の電力源から発電される電力を送電線網が必要とする６０Hzの固定周波数 の、位相同期されたＡＣに適応させるために、半導体を利用した電子コンバータ が使用される場合が多い。これらの電子コンバータは一般に可変周波数の、可変 位相ＡＣ電力をＤＣに変換し、次にＤＣを再度６０HzのＡＣに変換（転換）する 。従って、整流器／インバータ回路は電動モータ用の速度調整励振器（ＡＳＤ） にも広範に使用され、多くの異なる設計技術が用いられており、その全てにはコ ンバータをインバータに連結するためのエネルギ蓄積素子が必要である。残念な ことに、ＡＣ−ＤＣ−ＡＣへの整流／転換プロセスは、特に大型のエネルギ蓄積 装置（例えばインダクタ）および半導体素子自体の内部で発生する損失により、 発生された電力の一部を無駄にしてしまう。 このような事業システムで発電される高電力の変換と調整に関連する損失を最 小限にすることが望まれる。このようなシステムではＡＣをＤＣに整流する際の 損失を低減する手段として同期整流器を使用できる。同期整流器の基本的な構想 では、抵抗値が低い半導体スイッチを公知の整流回路技術のいずれかにおける従 来形の各ダイオード素子の代わりに使用することが必要である。その結果、大規 模な産業用電力の用途では従来のダイオード整流器の機構よりも、１０キロワッ トオーダから１００キロワットオーダもの損失電力を節約できる可能性がある。 従来の高電力ダイオード整流器は導通状態から逆の阻止状態へと転流する際の回 復時間が遅い。このように回復時間が遅いことによって、ダイオードの遷移時間 中に個々の整流器相互間に短かい相間短絡状態が生ずる。それによって、相間電 圧が瞬間的に低下する。この現象は“ライン・ノッチング”として知られており 、商用線の高調波ひずみを低減するためには補足的な濾波が必要である。同期的 な整流の用例では、半導体スイッチの転流間隔が、採用した従来のダイオード整 流回路トボロジーが有する自然な転流間隔と異ならないことが重要である。すな わち、強制的な転流は相間短絡を生ずるので一般には許容されない。 単相の同期整流の場合、スイッチ動作の制御戦略は、整流される単相電圧の共 通の基準に対する瞬間的な極性に基づいて一方、または他方のスイッチを選択す る比較動作によって極めて簡単に導き出される。例えば低電圧および低い電力レ ベルで動作するスイッチ・モードの電源では、スイッチ用の制御とゲート駆動と は同じであり、代表的には整流される電圧源を付与する変圧器の出力巻線から導 出される。 一方、多相整流の場合は、転流間隔は著しく複雑さを増し、入力電圧の極性に 基づいて決定することはできない。その場合は、整流器の転流ポイントは、特定 の位相電圧が別の入力位相に対して最も正、または最も負になる遷移によって決 定される間隔において出現する。整流されＤＣ電圧の出力リップルを低減するた めに一般に用いられる、例えば４８パルス（２４相）の整流を考慮すると、複雑 さは増す。 発明の要約 本発明の基本的な一側面では、変換回路の出力負荷に入力信号を印加するため の多相切換え変換回路の複数個の転流スイッチ装置の対応する一つを各々が制御 する、複数個の転流スイッチ素子を含む制御回路を特徴としている。各々の転流 スイッチ素子はタイミング信号に応動して制御信号を発生し、各制御信号は対応 する一つのスイッチ装置を制御し、各制御信号はスイッチ装置から電気的に絶縁 されている。制御回路は比較的単純で、頑丈であり、個々のスイッチ素子が電圧 がより高い対応するスイッチ素子を切換えるのに必要な制御信号を発生する。制 御回路は代表的には変換回路の回路構造から派生する回路構造を有しており、変 換回路の高電力スイッチ装置を駆動するための適宜の回路に電気的に絶縁された 論理伝送を行う。或る用途では、スイッチ装置からの制御信号の電気的絶縁は必 要でとないこともある。 好ましい実施例では、本発明は下記の一つ、または複数の特徴を含んでいる。 タイミング信号は入力信号（単数または複数）からガルバニ電気絶縁（すなわち ＤＣ絶縁）され、その電圧レベルは入力信号（単数または複数）の電圧レベルよ りも低い。このようにして制御信号を発生するための制御論理は変換回路のスイ ッチ装置によって切換えられるより高いレベルの信号から防護される。極低温冷 却システム、例えば極低温冷凍機、または液体極低温槽は制御回路を極低温まで 冷却し、その結果、制御回路、およびこれが制御する多相切換え変換回路の電気 的な性能が高められる。例えば、切換え変換回路は、極低温において動作するだ けではなく、向上した電気的特性を示すＭＯＳ装置、好ましくはＭＯＳ電界効果 トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）を含んでいる。例えば、或るＭＯＳＦＥＴ装置を 極低温に冷却すると、そのオン抵抗並びにその切換え時間が著しく低減すること が認められている。更に、上記のＭＯＳＦＥＴのドレンとソースとの間に配置さ れた固有ダイオードの逆回復時間も極低温では著しく短縮する。実際に、これら の改良によって室温で動作した場合には現在は実現可能でもなく、市販もされて いない程の回復が速く、高電流、高電圧の整流器ダイオードの性能が得られる。 このような電気的特性の向上によって、装置内の電力損失が大幅に低減し、より 高い電流レベルでの動作が可能になる。まさに、極低温冷却されたＭＯＳＦＥＴ は、通常の周囲温度で、従来のヒートシンクまたは空気または水冷却システムを 使用して動作された場合の特定の最大の定格値を超える電流レベルで動作可能で ある。 制御回路は複数個のスイッチ装置の対応する一つへの制御信号を発生するため の光電装置を含んでいる。例えば発光ダイオードであるこの光電装置は複数個の スイッチ装置の対応する一つと光学的に結合されている。特定の実施例では、変 換回路のスイッチ装置は光電装置によって発される光線の波長に応動する光検出 スイッチ装置である。あるいは、光電装置からの光線の検出に応動して対応する スイッチ装置を駆動するために、光制御切換えＭＯＳＦＥＴまたはＪＦＥＴのよ うなセンサが、対応する光電装置に光学的に結合されている。 制御回路は光学的に結合された光電装置からの光の検出に応動してスイッチ装 置に駆動信号を送るための駆動回路を含んでいる。制御回路はゲート駆動回路を 作動するため、調整され、かつ電気的に絶縁された電力源となる補助電源を含ん でいる。 特定の実施例では、入力信号はＤＣ−ＡＣ変換回路によって搬送される直流入 力信号であり、スイッチ装置は制御信号に応動して、変換回路の出力負荷に交流 出力信号を発生する。 別の実施例では、入力信号は相互に差分移相を有する複数の交流入力信号であ る。この場合は、ＤＣ出力を発生するため、ＡＣ−ＤＣ変換回路のスイッチ装置 は制御信号に応動して変換回路の出力負荷に複数の交流入力信号のうちの選択さ れた一対の交流入力信号を搬送する。例えば、変換回路はＤＣ出力信号を発生す るため、複数の交流入力信号間の差分移相が１２０°である３層同期整流器であ ってもよい。本出願の制御回路の重要な利点は、制御信号が、電圧が相当より高 い主幹ＡＣ多相と同期化されることにある。更に、制御回路の動作の位相基準は 整流される電源から局部的に導出され、それによってこれまでは多重変圧器巻線 によって導出されてきた多相電源を備えた制御回路を使用することができる。言 い換えると、制御回路用の基準が整流される電力を供給するＹ字状回路から導出 されるならば、例えばΔ−Ｙ変圧器に固有の移相は些細なものである。更に、こ の構想は任意の多相ＡＣ電力源（単数または複数）にも拡張できる。 多相切換え変換回路は直流出力信号を例えば６０Hzの所定の周波数で交流信号 に変換するための極低温冷却されたインバータを含んでいる。多相切換え変換回 路は整流されたＤＣ信号のリップルと高調波とを軽減するために、整流器の出力 に結合された低域出力フィルタを含んでいる。転換されたＡＣ信号の高調波を軽 減するために出力フィルタを結合してもよい。フィルタ回路は高温超伝導インダ クタで製造されたインダクタを含み、このフィルタは極低温冷凍機または液体極 低温槽によって冷却される。 本発明は別の側面では、自然に発生する変動周波数特性を有する、発電機によ って発生された交流（ＡＣ）入力信号を直流出力信号へと変換するための極低温 冷却された電力変換回路を特徴としている。 発電システムは電力源（蒸気、流水、風力、日射等）と、単数または複数個の 発電機と、種々のレギュレータおよび制御システムとからなっている。旧来とは 異なる（“再生可能なエネルギ”源と呼ばれることが多い）多くの発電システム の特徴は、電力源が例えば風力発電所、または潮汐発電アレイのように天然の変 動的な電力源であることにある。発電機の性質によっては、前記の変動によって 電力が主幹送電線網に直接供給できない可変周波数、可変位相のＡＣとして発生 されることがある。太陽電池アレイの別の特徴は、電気がＤＣとして発生される ことにあり、これは固定周波数と位相でＡＣに変換されるまでは主幹送電線網に 直接供給できない。同じことが発電機ではないが、放電中の電力源である大型の バッテリー・アレイにも同じことが当てはまる。このように、上記のような旧来 とは異なるエネルギ源に基づく発電システムは通常、必然的にＡＣ−ＤＣ−ＡＣ 整流器−インバータ、またはＤＣ−ＡＣインバータからなる補足的な電力変換シ ステムが必要になる。 可変位相、可変周波数のＡＣ電力源によって発生された電力は、ＡＣ波形の正 の部分の全部または一部が波形の負の部分によって相殺される場合があるので、 通常は直接加算されることがない。このように、多数ＡＣ源によって発生される 電力は一般にＤＣに変換されてから合計される。このような交流入力信号の自然 に発生する変動周波数特性は発電機を付勢するエネルギ源の性質に起因するもの である。発電機は例えば、風、水等の瞬間速度に相関する周波数と振幅で電力を 発生する、または発電源の力の変動とともに変化する風力、潮流、または地温の エネルギ源によって駆動される速度可変タービンである。 好ましい実施例は下記の特徴の一つまたは幾つかを備えている。極低温電力素 子は直流出力信号を遠隔負荷に伝送する極低温冷却された送電線を含んでいる。 電力変換回路は複数個のスイッチ装置を含む多相切換え変換装置であり、複数個 の交流入力信号は互いに差分移相関係にある。変換回路のスイッチ装置は制御信 号に応動して、複数の交流入力信号のうちの選択された一対の交流入力信号を変 換回路の出力負荷へと伝送する。複数の交流入力信号の差分移相は３相システム では１２０°である。多相切換え変換回路を制御するにはディジタル制御回路が 使用される。あるいは、制御回路は複数個のスイッチ素子を有し、これらのスイ ッチ素子の各々が変換回路の出力負荷に少なくとも一つの入力信号を伝送するた め、対応する一つのスイッチ装置への制御信号を発生する。制御回路は少なくと も一つの入力信号からガルバニ（直流的に）電気絶縁され、制御信号は少なくと も一つの入力信号から電気的に絶縁されている。 特定の実施例では、低温電力用電子素子アセンブリは各々が交流入力信号を直 流信号へと変換する整流器回路を含んでおり、この直流信号は直流信号の総和を 得るために合計される。好ましい実施例では、ＤＣリンク・インダクタのような 超電導磁気エネルギ蓄積装置が整流器回路の出力に結合されている。このように して効率が高いＡＣ−ＤＣ変換が行われる。 複合されたＤＣ出力信号は即座に使用することもでき、または後に使用するた めに超電導エネルギ蓄積装置に蓄積しておいてもよい。超伝導エネルギ蓄積装置 は高温超伝導材料からなるインダクタ巻線、低温コンデンサ、または超伝導磁気 エネルギ蓄積装置（ＳＭＥＳ）でよい。一方、ＤＣ／ＡＣインバータを周波数お よび位相同期された送電線網に供給される前にＤＣを固定周波数出力のＡＣ（例 えば６０Hz）に変換するために使用できる。整流器およびインバータ回路は前述 のように電気的特性が向上した極低温冷却ＭＯＳＦＥＴ素子を含んでいる。 低温冷却された低域フィルタ回路はインバータ回路の出力端子に結合され、単 数または複数個の高温超伝導インダクタ巻線と、好ましくはインバータ出力の調 波内容を低減するためのこれも低温冷却された単数または複数個のコンデンサを 含んでいる。この発電システムは少なくとも１０キロワットの電力を供給する能 力がある。 前述のように、電力変換電子素子はＡＣをＤＣに変換する際に使用される装置 のある種の電気特性および熱特性を向上させる。更に、電力変換電子素子を極低 温冷却することによってシステムのコストは僅かにしか高くならない。その理由 は、電力変換システムの一部として使用される超伝導インダクタ、または超伝導 磁気エネルギ蓄積装置（ＳＭＥＳ）を冷却するために極低温コンテナが予め備え られているからである。装置内での電力損失の大幅な低減と、装置から発生され る熱の低減によって装置の信頼性と効率が高まり、ひいては電力変換システムの 動作および保守コストが低下する。このようにして、電力変換システムの全体的 な電力効率は、電力変換システムで通常使用されているエネルギ蓄積素子を低温 冷却することによって達成されるよりも著しく向上する。 本発明の別の側面では、低温冷却された超伝導エネルギ蓄積装置は例えば太陽 電池パネル・アレイからの、自然に発生する振幅変動特性を有する直流電流入力 を蓄積する。超伝導エネルギ蓄積装置は後に使用する際に必要に応じて放電され る。 好ましい実施例には下記の特徴が含まれる。すなわち、超伝導エネルギ蓄積装 置から放電された直流入力信号を交流出力信号に変換するために電力変換回路が 使用される。 図面の簡単な説明 図１は本発明に従った極低温電力変換システムの構成図である。 図２は電力素子アセンブリの同期整流器の構成図である。 図３は３相同期整流器回路の概略図である。 図４Ａ−４Ｂは３相同期整流器回路用の入力波形と出力波形とをそれぞれ示し ている。 図４Ｃは図３の整流器回路で使用されるＭＯＳＦＥＴの導通パターンを示した 表である。 図５は極低温および周囲温度の市販のＭＯＳＦＥＴ装置について、アンペア− ＤＣで示したドレン電流の関数としてオン−抵抗をミリオームで示したグラフで ある。 図６は図３の同期整流器回路用の制御回路の概略図である。 図７は電力電子回路装置アセンブリのＤＣ／ＡＣインバータの概略図である。 図８は図２の極低温電力変換システムと冷凍機の平面図である。 図９は極低温冷却された冷凍機内に配置された極低温電力変換システムの断面 側面図である。 図１０は風力発電システムの多数個の風力駆動タービンに接続された集中電力 ステーションを示している。 図１１は多数個のＡＣ／ＤＣ整流器回路を含む低温冷却電力変換システムの構 成図である。 図１２は多数個の太陽電池アレイ・ステーションに接続された集中電力ステー ションを示している。 実施例の説明 図１を参照すると、極低温電力変換システム１０は極低温冷却されたＡＣ／Ｄ Ｃコンバータ（整流器）１２と、ＤＣリンク・インダクタ１６を経て整流器１２ に結合された多相（多重位相）極低温冷却インバータ１４とを含んでいる。整流 器１２、インバータ１４、およびＤＣリンク・インダクタ１８は全て、極低温冷 凍機１８を用いて１２０°Ｋ以下の温度、好ましくは約７７°Ｋに冷却されてい る。ＡＣ／ＤＣコンバータ１２は、端子１５で、全てが時間の経過と共に変化す る電圧(Ｖ₁)、電流(Ｉ₁)、周波数(Ｆ₁)および位相特性(φ₁)を有するＡＣ信号源 を受ける。入力ＡＣ電力はＤＣ信号にするために整流され、次にＤＣリンク１６ を経てインバータ１４に送られる。ＤＣ信号は再変換され、所望の電圧(Ｖ₂)、 電流(Ｉ₂)、周波数（Ｆ₂、例えば６０Hz）および位相特性(φ₂)を有するＡＣ信 号にされる。 ＤＣリンク・インダクタ１６はインバータ１４へ電力の流れを大体一定に維持 する。コンバータ１２とインバータ１４内で半導体素子が使用される高電力の用 例では、必要な電力レベルが高まるとともに一般に電圧ではなく電流処理能力が 高められる。その理由は、比較的高い電力信号（例えば１０ないし１０００キロ ワット）を変換する際に使用される半導体素子の電圧定格は数千ボルトに限定さ れているからである。ＤＣリンク・インダクタの巻線内での比較的大きいI²Ｒ損 失とＩＲ電圧降下を軽減するため、ＤＣリンク・インダクタ１６は高温超伝導材 料から製造され、極低温冷却される。 図２を参照すると、コンバータ１２は転流スイッチ機構でＭＯＳＦＥＴスイッ チ装置を使用した３相同期整流器２０として示された多相コンバータである。後 に詳述するように、各ＭＯＳＦＥＴ素子がオン・オフに切換えられる順序は集積 回路駆動器１９を経て制御回路２１から各ＭＯＳＦＥＴのゲート端子へと印加さ れる制御信号によって指示される。 図３を参照すると、３相整流器２０は“全波”構成の６個の個々のＭＯＳＦＥ Ｔ素子２２−２７を含んでおり、各ＭＯＳＦＥＴ素子２２−２７は全波周期（す ア州エル セグンドのインタナショナル整流器コーポレーション製のモデル番号 ＩＲ２１３０）は制御回路２１（図６）とＭＯＳＦＥＴ素子２２−２７との間の 電圧および電流緩衝器として機能し、また、入力線３０に沿って供給される制御 信号に応動してＭＯＳＦＥＴをオンとオフの状態に切換えるのに必要な、ゲート ２２ａ−２７ａに送られる駆動信号を発生する。 図４Ａ−４Ｂを参照すると、出力電圧の波形は変圧器３８（図３）の二次巻線 での電圧波形を考慮して決定される。図４Ａに示すように、変圧器３８は互いに １２０°の差分位相を有する３つのＡＣ波形４０−４２を供給する。ＭＯＳＦＥ Ｔ２２−２７は変圧器３８の二次を経る電流経路を付与するために一対になって 導電し、各ＭＯＳＦＥＴは（図３および４Ａに示した実施例の場合）、電圧波形 ４０−４２の上下のエンベロープに沿った完全周期に対応する周期“Ｔ”毎に１ ２０°だけ導通する。入力信号の位相順がａ−ｂ−ｃであるとすると、ＭＯＳＦ ＥＴ２２−２７は転流の６つの別個の時間間隔で対偶で導通する。例えば図４Ｂ を参照すると、第１間隔４８では、（位相ａに関連する）電圧波形４０は最も正 であり、一方、（位相ｂに関連する）電圧波形４１は最も負である。このように 、電流は変圧器３８の端子４４からＭＯＳＦＥＴ２２と、負荷回路３７と、ＭＯ ＳＦＥＴ２６とを経て再び端子４５へと流れる。第２間隔４９の間、電圧波形４ ０は最も正の状態を継続し、一方、（位相ｃに関連する）電圧波形４２はこの時 点で最も負となる。このように、第１間隔４８の終端で変圧器３８に再度流れる 電流は、端子４４を出て、ＭＯＳＦＥＴ２２、負荷回路３７を経、ＭＯＳＦＥＴ ２７を経て再度端子４６へと流れ続ける。図４Ｃの表に示すように、このパター ンは第３から第６の間隔５０−５３まで継続し、一対のＭＯＳＦＥＴが（２３と ２７）、（２３と２５）、（２４と２５）、および（２４と２６）の順序で導通 し、その時点でパターンが反復される。その結果、ＤＣ出力を近似した図４Ｂに 示し た出力電圧波形４６は負荷回路３７に供給される。 この場合、ＭＯＳＦＥＴ２２−２７は、例えば最大定格電流が２３Ａである市 販の高電圧（６００Ｖ）ｎ−チャネルＭＯＳＦＥＴ（オレゴン、ベンド所在のア ドバンスド・パワー・テクノロジー社から市販のモデル番号ＡＴＰ６０３０ＢＮ ）である。或るＭＯＳＦＥＴ素子は極低温で動作されると熱特性および電気的特 性が大幅に向上することが判明した。例えば、７７°Ｋの温度まで冷却すると半 導体材料（例えばシリコン、ゲルマニウム、およびＧａＡｓ）の熱伝導率は５− １０倍も上昇することができる（この現象は例えば酸化ベリリウムのような或る 基盤材料でも観察されている。）。その結果、ＭＯＳＦＥＴ素子の内部接合温度 は大幅に低下する。更に、低ドープ・シリコンのドレン・ドリフト領域を有する （例えばモデルＡＰＴ６０３０ＢＮ素子のような）ＭＯＳＦＥＴは極低温では大 幅に増大した電子正孔移動度を有する。このように、このような高電圧ＭＯＳＦ ＥＴのオン抵抗（すなわちドレン−ソース間の抵抗）は定格電流範囲内で１０− ３０倍低下する。ＭＯＳＦＥＴは更に固有のドレン−ソースのオン電圧しきい値 を有していないという重要な特性を備えている。かくして、ＭＯＳＦＥＴでのオ ン抵抗および電圧降下は並列に接続された多数個のＭＯＳＦＥＴ素子を使用する ことによって随意に低減させることができる。その他の素子（例えばＩＧＢＴ、 ＧＴＯ、サイリスタ）は固有のオン電圧降下特性があるので、上記の特徴の利点 を得ることはできない。 極低温冷却されたＭＯＳＦＥＴ素子の別の重要な利点は“ライン・ノッチング ”の問題に関するものである。高電力の用途で特に重大な問題となるライン・ノ ッチングは、電流が一方のスイッチ装置から他方のスイッチ装置へと転流される 、図４Ａ−４Ｂを参照して前述したような転流構造で発生する。このような電流 の伝導は、導通を停止する寸前のスイッチ装置、および導通を開始したばかりの スイッチ装置が双方とも同時に“オン”状態にあり、導通期間の重複があること を意味している。このような重複によってＡＣ源からの平均整流電圧の低下と、 顕著な電流サージを誘発する。サージはソース・インピーダンスにおける電圧降 下に起因する各ソース位相の“ノッチ”として出現する。このようなノッチは波 形の高調波ひずみを表し、不都合な周波数で電圧および電流成分、並びに電力の 流 れが生ずる結果を招く。このようなノッチ、およびそれによって発生する高調波 周波数によって同じＡＣ位相で動作する他の装置も破壊したり、損傷したりする ことがある。極低温冷却ＭＯＳＦＥＴは逆回復時間を、ひいては重複間隔を実質 的に除去する程度まで著しく短縮することが観察されている。その結果、ノッチ ング間隔中に発生する高調波を低減する、特殊なフィルタを簡略化できることが 多い。 例えば図５を参照すると、ヒートシンクに搭載されたモデルＡＰＴ６０３０Ｂ Ｎ型ＭＯＳＦＥＴ素子のドレン電流の関数としてのオン抵抗を、室温３００°Ｋ （曲線３２）と、７７°Ｋの液体窒素に浸漬した場合（曲線３４）の双方につい て測定した値が示されている。曲線３２は、室温で動作されると、オン抵抗は１ ０Ａ以上の電流レベルで動作された場合に極めて急速に増大することを示してい る。オン抵抗のこのような増大に伴い、素子自体の内部で損失する電力量が相当 に増大して熱暴走状態が生じ、場合によっては素子の“燃焼”に至ることがある 。しかし、モデルＡＰＴ６０３０ＢＮ型ＭＯＳＦＥＴ素子を７７°Ｋまで極低温 冷却した場合は、そのオン抵抗は２Ａから優に２０Ａ以上までの範囲のドレン電 流レベルで実質的に不変のままに留まる。 図３を再び参照すると、各ＭＯＳＦＥＴ素子２２−２７はＭＯＳＦＥＴ素子の 製造時に本来備わっている内蔵のドレン−ソース・ダイオード３６を含んでいる 。冷却された状態では、固有のドレン−ソース・ダイオードを有するＭＯＳＦＥ Ｔ素子は“ＦＲＥＤＦＥＴ”（迅速回復エピタキシャル・ダイオードＦＥＴ）と 同様の性質を呈し、同期整流器２０またはインバータ８４（図７）の動作に重要 な利点をもたらす。市販の大電流、高電圧の整流器ダイオードは紛れもなく回復 が遅い。例えば、４００Ｖ、１６００Ａの素子は代表的には、小電流信号用に利 用できる代表的には２０ナノ秒の迅速回復素子と比較して、５マイクロ秒の回復 時間を要する。単数または複数個のＭＯＳＦＥＴ素子２２−２７が（駆動器１９ 、制御回路２１、またはＭＯＳＦＥＴ自体の問題により）切換えできない場合は 、ダイオード３６は素子を導通するＡＣ電流の整流を行う。実際に、ダイオード ３６は損失は大きいものの切換えＭＯＳＦＥＴ用の“支援”整流器としての役割 を果たす。このような目的を果たすダイオードは一般に、大電力整流器回路で使 用 される他の種類の素子（例えはＩＧＢＴ、ＧＴＯ、サイリスタ・ダイオード）用 に外部から追加する必要がある。ＭＯＳＦＥＴ素子を極低温冷却することによっ てドレン−ソース・ダイオード３６の逆回復時間が顕著に退縮される。同期整流 ではＭＯＳＦＥＴの固有ダイオードは使用されず、ＭＯＳＦＥＴの動作には直接 的な役割を果たさないことは重要であるので付記しておく。切換え速度が遅いの で内蔵のドレン−ソース・ダイオード３６を使用しないことが正に望ましいもの の、ＭＯＳＦＥＴが切換えを行わない場合でも、前記の速度低下は素子が冷却さ れていることにより緩和される。ＭＯＳＦＥＴを低温で動作させることによって 、通常動作で固有ダイオードが導通しないことが確実にされることに役立つ。そ の理由は、７７°Ｋでの固有ドレン−ソース・ダイオードの順方向電圧は２５℃ での順方向電圧よりも高いからである。ＭＯＳＦＥＴを低温で動作させることの 付加的な利点は、素子を冷却することによって達成される特定のドレン電流での ＭＯＳＦＥＴでの電力損失の低減により、素子の安全動作領域（ＳＯＡ）特性が 有効に拡張することにある。冷却されたＭＯＳＦＥＴによって、素子を損傷する ことがある上記の接合部温度に適することなく高パルスの電力収量を維持するこ とができる。 各ＭＯＳＦＥＴ２２−２７は、整流技術における転流の切換えの適宜のタイミ ングを決定するために、対応する論理制御信号によって制御されるゲート駆動回 路１９によって駆動される。駆動器がＡＣ入力主幹５７−５９の電位に対して浮 動（フロート）であるように制御回路２１（図６）は３相入力主幹５７−５９か らガルバニ電気絶縁され、かつゲート励振回路１９から電気的に絶縁されている 。更に、電気的に絶縁された電力源はゲート駆動回路１９を作動するために制御 回路によって供給される。 図６を参照すると、ＡＣ主幹５７−５９のそれぞれからの３つの位相ａ、ｂ、 ｃは小型の絶縁変圧器６０−６２で入力電圧の小部分(例えば、約1/9)まで降圧 される。変圧器６０−６２はＡＣ主幹５７−５９から制御回路２１をガルバニ電 気絶縁し、主幹位相ａ、ｂ、ｃの振幅が低減され、位相同期されたレプリカを制 御回路２１に供給する。このような主幹位相の振幅低減されたレプリカは組合わ せて、また任意の所与の時間にタイミング信号を構成し、これは後述するように 整流器２０の切換えＭＯＳＦＥＴ２２−２７用の制御信号を発生するために利用 される。 制御回路２１は３相同期整流器２０と類似したトポロジーを有するように構成 された制御ブリッジ整流器６４を含んでいる。制御ブリッジ整流器６４は、低電 力レベルで動作し、同じ３相トポロジーの従来形のダイオード整流器の自然な転 流間隔を伴う従来形の切換えダイオード６６−７１を含んでいる。このように、 各ダイオード６６−７１の導電間隔は、同期整流器２０内の関連する一つの出力 ＭＯＳＦＥＴ２２−２７用に電気的に絶縁された制御信号を直接導出するために 利用される。要するに、ＭＯＳＦＥＴ２２−２７の各々を切換えるための適宜の タイミングを導出するために、電力が大幅に高い３相同期整流器２０の動作を“ 模倣”するために低電力の補助的なブリッジ整流器回路が使用されるのである。 各切換えダイオード６６−７１は光電結合器の対応する発光ダイオード７２− ７７と直列に結合されている。このように、制御整流器６４のダイオード６６− ７１の転流が生ずると、対応する光電結合器の発光ダイオード内の電流パルスが 同時に発生される。発光器内の電流パルスの大きさの大部分は制御ブリッジ用の 負荷として作用する抵抗８９の値によって決定される。各発光ダイオード７２− ７７用の受光体７８−８３は低温で動作するＭＯＳＦＥＴまたはＪＦＥＴであり 、これは光制御の高速スイッチとして動作し、起動される入力線３０（図３）に 沿ってゲート駆動器回路１９に駆動論理入力を供給する。励振器回路１９は、制 御回路２１内の対応位置にある受光体７８−８３の起動された一つに従って整流 器２０の関連する極低温冷却された出力ＭＯＳＦＥＴ２２−２７のゲート２２ａ −２７で駆動信号を発生する。このようにして、同期整流器２０は制御ブリッジ 整流器６４の転流と同類の転流を行うようにされる。 更に、極低温冷却された制御回路２１の性能は大幅に向上する。例えば、発光 ダイオード７２−７７の発光効率は低温では１０倍にも高まる。従って、同じ光 結合効率を達成するのに制御ブリッジ整流器６４の駆動電流、ひいては動作電流 レベルを低減することが可能である。受光体７８−８３の光感度も低温では上昇 する。更に、受光体７８−８３はＭＯＳＦＥＴまたはＪＦＥＴ素子であるので、 それらの切換え速度は高まり、ドレン−ソース抵抗は低減する。 制御回路２１は更に励振回路１９（図３）を作動するのに必要な絶縁された低 レベルの浮動ＤＣ電力（例えば＋１５Ｖ）を供給するための補助電源１３０を含 んでいる。図６に示すように、レギュレータはツェーナダイオード１３１である が、別の実施例では能動３端子電圧レギュレータでもよいであろう。 図７を参照すると、整流器２０用の負荷は３素子ＤＣ／ＡＣパルス幅変調（Ｐ ＷＭ）インバータ１４であり、これは整流器２０の負荷とほぼ同じトポロジーを 有することが示されている。多相ＡＣからＤＣリンク電圧を発生するインバータ １４を制御するために、同期整流器（図３）に関連して前述した制御回路２１を 補足的に使用してもよい。しかし、この用途では、多相整流器に関連して前述し たように基準位相は入力信号からは導出されない。実際には、基準位相は低レベ ルで発振器からの信号として発生されるか、または商用線の主幹の周波数に位相 ロックされた発振器から導出される。また、制御信号は、所望の多相電力出力の ステップ付きバージョンが整流器の位相で生成されるように発生される。このよ うに利用されて、電力はＤＣ電圧源の形式で、従来は同期整流器の整流された出 力であった出力に供給され、多相出力は通常使用されるＡＣ入力から取り出され る。このようにして発生された制御信号は、線８５上でＭＯＳＦＥＴ８６−９１ のゲート８６ａ−９１ａに駆動信号を供給する駆動器８４に供給される。 あるいは、ＭＯＳＦＥＴ８６−９１の適宜の切換え順序を指示し、かつそれに 従って駆動回路８４に制御信号を送るようにマイクコントローラ（図示せず）を プログラムすることも可能である。各ＭＯＳＦＥＴ８６−９１の出力はパルス幅 変調信号として現れ、低域フィルタ９２が所望の振幅、周波数および位相を有す る波形を形勢するためにパルス幅変調された信号のエンベロープを回復する。マ イクロコントローラ１２８は低電圧および電流センサ（図示せず）と連動して閉 ループ制御モードで動作して、負荷の調整と誤使用保護の機能を果たす。電力事 業体での用途の場合は、振幅と周波数が同一で、差分移相が１２０°である３つ のＡＣ正弦波が発生される。 図８および図９を参照すると、同期整流器２０はデュワー槽１２０内で低温冷 却されることが図示されている。デュワー槽１２０は液体窒素を重点し、真空シ ールド１２９またはその他の遮蔽手段で冷却されない上部区画１２６から断熱さ れた低温冷却された下部区画１２４を含んでいる。液体窒素は好ましい冷却媒体 であるが、経済上の理由から、その方の任意の冷却液、または機械的な極低温冷 凍機を使用してもよい。整流器２０並びに励振器１９および制御回路２１用のプ リント基板１２２は全て液体窒素内に浸漬される。同様に、インバータ１４も極 低温冷却してもよく、極低温では動作しない部品、例えばマイクロコントローラ １２８は上部区画１２６内に配置されている。一般に、電力変換素子はＤＣリン クおよび／またはフィルタとして使用される大型の超伝導インダクタ巻線に必要 であるよりも、比較的小さい付加的なスペースしか必要としない。 電力変換素子を極低温冷却する構想は、電気信号を一方の形式から他方の形式 へと変換することに関連する損失を低減するのに必要などのシステムにも応用可 能であるが、上述のアプローチは、エネルギ源が断続的に、または常時変動する 発電システム用の特別な用途を持っている。このようなエネルギ源には例えば太 陽光線、地熱、潮流、および風力が含まれる。 多数の風力駆動タービンによって発生される可変周波数、可変位相のＡＣ入力 信号を変換するために使用される電力電子回路装置を極低温冷却することによっ て、風力発電システムの効率と信頼性を著しく高めることができる。 図１０を参照すると、平均風速が比較的高い地域（例えば山道、または沿岸の 平地）に設置された多数の風力装置を有する風力発電システム９４が示されてい る。各風力設置９５は速度可変タービン９７を駆動するシャフト上に実装された ロータ／ブレード・アセンブリ９６を備えている。或る風力発電システムでは、 ２０Hzから１００Hz以上までの範囲の可変周波数でＡＣを発生するために、例え ば速度可変タービン（ＶＳＴ）が使用されている。速度可変タービン９７によっ てロータ速度は、ロータと風の速度比を一定に保ちつつ広範囲の動作条件で風速 に追従することができる。速度可変タービン９７はロータ９６の速度に左右され る（２０Hzから１００Hz以上の範囲に及ぶ）周波数と位相で、ＡＣを発生するた めに回転する。ＡＣ−ＤＣ−ＡＣ整流／転流は一般に、速度可変タービン９７に よって発生された可変周波数のＡＣの周波数および位相を、ユーザーが電気を得 る送電線網１０２の周波数および位相と適合されうるように調整するために用い られる。周波数変動ＡＣは線９８を経て集中電力ステーション１００に送電され 、 そこで後述するように各風力装置９５のＡＣエネルギはＤＣに変換され、互いに 加算され、次にユーザーが送電線網１０２から利用できるようになる前に、６０ Hzの固定周波数でＡＣに再変換（転流）される。線９８は高温超伝導材料から製 造され、個々の風力装置９５と電力ステーション１００との間での損失を低減す るために低温冷却される。 図１１を参照すると、ＡＣ−ＤＣ−ＡＣ変換を行うための電力用電子素子アセ ンブリが比較的小型の低温コンテナ１０５内で極低温冷却されることが図示され ている。図１０に関連して上述した風力発電の用途では、電力電子回路アセンブ リ１０４は電力ステーション１００内に設置されている。極低温コンテナ１０５ は、その近傍に設置してもよいが、極低温コンテナ１０３から離れた位置に設置 されることが多い信頼性がある低温冷凍機１０９で液体窒素の環境内で７７°Ｋ の温度に保たれている。線９８が超伝導送電線である場合は、線９８を冷却する ために冷凍機１０９を使用してもよい。電力電子回路アセンブリ１０４は対応す る速度可変タービン９７から可変周波数のＡＣを受ける個々のＡＣ／ＤＣ整流器 １０６を含んでいる。リップルを軽減し、各整流器を電源のようにするために各 整流器１０６にはＬＣフィルタ回路網１０７が結合されている。フィルタ１０７ はＤＣリンク高温超伝導（ＨＴＳ）インダクタのようなエネルギ蓄積素子１１２ に結合されているので、各整流器１０６からの変換されたＤＣは容易に加算され 、総計のＤＣレベルにされる。総計のＤＣレベルは、ＤＣ／ＡＣコンバータ１１ ０がインバータ１１０への電力の流れを厳密に一定に保つために充分なエネルギ を蓄積するエネルギ蓄積素子１１２から受ける。一般に、エネルギ蓄積素子１１ ２はＡＣ出力電力の各位相毎に少なくとも１／２周期分の充分なエネルギを供給 しなければならない。６０HzのＡＣ信号の周波内容を低減するためにＤＣ／ＡＣ インバータ１１０の出力には低域フィルタ１１４が結合されている。整流器１０ ６とインバータ１１０とは図３および図７に関連してそれぞれ前述したような種 類のものでよく、図６を参照して前述した制御回路２１を使用してもよい。ある いは、ディジタルまたは磁気制御回路を含む別の制御回路を使用してもよい。 図１２を参照すると、別の用例では例えば複数個の太陽電池パネル・アレイ１ ４０を使用した発電システムからの振幅変動直流入力信号の変換に関する電力電 子回路を、損失を低減するために極低温冷却することができる。前述の風力発電 の用例とは異なり、日照時間中に集中発電所１４４で極低温冷却されたＳＭＥＳ 装置１４２を充電するために個々の太陽電池アレイからＤＣ入力が利用され、Ｓ ＭＥＳ装置はその後、需要に応じて例えば夜間に放電される。ＡＣが必要な場合 は、蓄積されたＤＣをＡＣ出力に変換するため、図７を参照して前述したものと 同様の低温冷却ＤＣ／ＡＣ変換器を使用できる。 その他の実施例も請求の範囲内にある。例えば、多様な能動冷凍機、または受 動冷却槽のいずれかを利用して、また、必要な場合は前述の液体窒素の他の多様 な冷却液のいずれかを使用して前述の回路と部品の極低温冷却を達成できる。他 の実施例では７７°Ｋ以外の温度の液体冷却媒体を使用してもよい。 用途と、当該の電力レベルに応じて前述のＭＯＳＦＥＴ２２−２７の代わりに 、任意の数の市販のＭＯＳＦＥＴまたは静電誘導インダクタ（ＳＩＴ）を使用し てもよいことを認識することも重要である。 更に、図１および図１１のそれぞれを参照して前述したＤＣリンク・インダク タ１６またはエネルギ蓄積素子１１２の代わりにその他の適宜のエネルギ蓄積装 置を使用してもよい。例えば、コンバータ１２（整流器１０６）とインバータ１ ４、１１０との間に極低温コンデンサを並列に結合してもよい。あるいは、超伝 導磁気エネルギ蓄積（ＳＭＥＳ）装置を代用してもよい。一般に、ＳＭＥＳはコ ンバータによって供給されるＤＣエネルギをより長期に亘って蓄積するために使 用できる。例えば、エネルギを夜間にＳＭＥＳに蓄積し、その後、需要が高くな る日中に放電することができる。ＳＭＥＳを使用することは図１０および図１１ に関連して前述した風力発電のような用途でも特に有利である。風力発電の用途 では、ＳＭＥＳは整流コンバータ回路（単数または複数）によって供給される変 動ＤＣ入力を短期間だけ平均化するために使用される。ＳＭＥＳと（風速が高い 場合の）ＤＣ出力レベルがピークの間にエネルギを蓄積し、出力レベルが所望の 平均レベル以下に降下した時にエネルギの蓄積を放出する。 図６に示した制御ブリッジ整流器６４に関連して、光ファイバ光導管を使用し て、発光ダイオードを出力ＭＯＳＦＥＴ整流器に密接した遠隔受光体に結合して もよい。前述したように、発光ダイオードの低温冷却によってダイオード７２− ７７の量子効率、ひいては光出力が高くなる。これは多数の並列ＭＯＳＦＥＴが 集積された高出力アレイとして製造され、かつ光ファイバ光導管とともに直接ト リガされるような用途では有利である。このような用途では、駆動回路１９は必 要なくなる。更に、或る用途では、各々の発光ダイオード７２−７７および関連 する受光体７８−８３の代わりに、必要な駆動論理入力信号を線３０を経てゲー ト励振回路１９に送る小型パルス変圧器のような磁気結合装置を使用してもよい 。 図１０および１１を再度参照すると、別の実施例では極低温冷却整流器１０６ と、これらに関連する電子回路装置（制御回路、フィルタ）が個々の風力装置９ ５内に設置されている。この実施例では、線９８は極低温冷却された超伝導送電 線であり、各整流器１０６からの整流済みＤＣを発電所１００内に設置されたエ ネルギ蓄積素子１１２とインバータ１１０とに送る。例えば太陽電池アレイによ ってＤＣが発生される用例では、整流器１０６は必要なく、発生されたＤＣエネ ルギは送電線網１０２に供給される前にＡＣに変換するため、線９８を経て直接 的にエネルギ蓄積素子１１２およびインバータ１１０へと送電される。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ミューラー オートウォード アメリカ合衆国 ニューヨーク州 12019 ボールストン レイク スウィート ロ ード 96 (72)発明者 シェンプ エラリー エフ アメリカ合衆国 マサチューセッツ州 02155 メドフォード ボストン アベニ ュー 24 【要約の続き】 を有する交流（ＡＣ）入力信号を直流出力信号に変換す るための低温冷却された電力変換回路を含んでいる。前 述の制御回路は電力変換回路を制御するために使用でき る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．選択的に制御されて、変換回路の出力負荷に少なくとも一つの入力信号を 印加する複数個の転流スイッチ装置を有する多相切換え変換回路を制御する制御 回路において、複数個の転流スイッチ素子を備え、その各々が前記複数個のスイ ッチ装置の一つに、また、一つだけに対応し、かつ各々の転流スイッチ素子がタ イミング信号に応動して制御信号を発生し、各制御信号が前記スイッチ装置の対 応する一つを制御し、かつ前記スイッチ装置から電気的に絶縁されたことを特徴 とする制御回路。 ２．前記タイミング信号が前記少なくとも一つの入力信号からガルバニ電気絶 縁されたことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の制御回路。 ３．前記タイミング信号が前記少なくとも一つの入力信号の電圧レベルよりも 低い電圧レベルにあることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の制御回路。 ４．前記多相切換え変換回路を低温に冷却する低温冷却システムを更に備えた ことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の制御回路。 ５．前記低温冷却システムが前記制御回路を低温に冷却することを特徴とする 請求の範囲第４項に記載の制御回路。 ６．前記複数個のスイッチ素子によって一方向への電流の導通が許容され、逆 方向への電流の導通が制限されることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の制 御回路。 ７．前記複数個のスイッチ素子を前記スイッチ装置の構造のトポロジーと実質 的に同じトポロジーを有するように構成したことを特徴とする請求の範囲第１項 に記載の制御回路。 ８．前記複数個のスイッチ素子が各々前記制御信号を供給する光電素子からな り、前記光電素子が前記複数個のスイッチ装置の対応する一つと光学的に結合さ れたことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の制御回路。 ９．前記光電素子が発光ダイオードであることを特徴とする請求の範囲第８項 に記載の制御回路。 10．前記多相切換え変換回路の前記複数個のスイッチ装置がさらに前記制御回 路の前記光電素子によって発光される光線の波長に応動する光検出装置を備えた ことを特徴とする請求の範囲第８項に記載の制御回路。 11．対応する光電素子に光学的に結合され、前記光電素子から光線の検出に応 動して信号を対応するスイッチ装置に供給するためのセンサを更に備えたことを 特徴とする請求の範囲第８項に記載の制御回路。 12．前記センサが光制御切換えトランジスタであることを特徴とする請求の範 囲第１１項に記載の制御回路。 13．前記光制御切換えトランジスタがＭＯＳＦＥＴまたはＪＦＥＴ素子である ことを特徴とする請求の範囲第１２項に記載の制御回路。 14．前記制御信号に応動して切換え信号を前記複数個のスイッチ装置に供給す るための駆動回路を更に備えたことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の制御 回路。 15．前記駆動回路に電力信号を供給する電力供給装置を更に備え、前記電力信 号が前記少なくとも一つの入力信号から電気的に絶縁されたことを特徴とする請 求の範囲第１４項に記載の制御回路。 16．前記少なくとも一つの入力信号が直流入力信号を含んでおり、前記複数個 のスイッチ装置が制御信号に応動して前記変換回路の前記出力負荷に交流出力信 号を発生することを特徴とする請求の範囲第１項に記載の制御回路。 17．前記少なくとも一つの入力信号が互いに差分移相の関係にある複数個の交 流入力信号を含んでおり、前記制御信号が前記スイッチ装置の選択された一つを 制御して、前記変換回路の前記出力負荷に複数の交流入力信号を印加することを 特徴とする請求の範囲第３項に記載の制御回路。 18．前記制御信号を発生するための前記タイミング信号が前記少なくとも一つ の入力信号から導出されることを特徴とする請求の範囲第１７項に記載の制御回 路。 19．前記多相切換え変換回路を極低温に冷却する極低温冷却システムを更に備 えたことを特徴とする請求の範囲第１８項に記載の制御回路。 20．前記多相切換え変換回路が、前記変換回路の出力端子に結合され、前記出 力端子で発生される出力信号のリップルのレベルを低減し、かつ高調波のレベル を抑止するための低域出力フィルタ回路を備え、前記出力フィルタ回路が前記極 低温冷却システムによって冷却される高温超伝導インダクタ巻線を含んだことを 特徴とする請求の範囲第１９項に記載の制御回路。 21．前記複数の交流入力信号の前記差分移相が１２０°であることを特徴とす る請求の範囲第１７項に記載の制御回路。 22．前記多相切換え変換回路が、前記スイッチ装置から導出された直流出力信 号を予め選択された周波数で交流信号に変換するインバータを更に備えたことを 特徴とする請求の範囲第１７項に記載の制御回路。 23．前記交流信号の前記予め選択された周波数が６０Hzであることを特徴とす る請求の範囲第２２項に記載の制御回路。 24．前記交流信号の前記予め選択された周波数が５０Hzであることを特徴とす る請求の範囲第２２項に記載の制御回路。 25．前記多相切換え変換回路が、 各々が交流入力信号を直流信号に変換する整流器回路と、 総計の直流信号を供給するために前記各整流器からの直流信号を加算する加算 回路と、 前記加算回路の出力に結合された超伝導エネルギ蓄積装置、とを備えたことを 特徴とする請求の範囲第１９項に記載の制御回路。 26．前記交流入力信号の各々が自然に発生する周波数変動特性を有したことを 特徴とする請求の範囲第２５項に記載の制御回路。 27．超伝導エネルギ蓄積装置が高温超伝導材料からなるインダクタ巻線である ことを特徴とする請求の範囲第２５項に記載の制御回路。 28．エネルギ蓄積装置が極低温コンデンサであることを特徴とする請求の範囲 第２５項に記載の制御回路。 29．エネルギ蓄積装置が超伝導磁気エネルギ蓄積装置からなることを特徴とす る請求の範囲第２５項に記載の制御回路。 30．前記多相切換え変換回路が少なくとも１０,０００ワットの電力を供給す ることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の制御回路。 31．選択的に制御されて、変換回路の出力負荷に少なくとも一つの入力信号を 印加する複数個の転流スイッチ装置を有する多相切換え変換回路を制御する制御 回路において、複数個の転流スイッチ素子を備え、その各々が前記複数個のスイ ッチ装置の一つに、また、一つだけに対応し、かつ各々の転流スイッチ素子がタ イミング信号に応動して前記スイッチ装置の対応する一つを制御するための制御 信号を発生することを特徴とする制御信号。 32．前記タイミング信号の各々が前記各々の入力信号からガルバニ電気絶縁さ れたことを特徴とする請求の範囲第３１項に記載の制御回路。 33．変換回路の出力負荷に少なくとも一つの入力信号を印加する、選択的に制 御される複数個の転流スイッチ装置を第１回路構成内に有する多相切換え変換回 路を制御する制御回路において、前記第１回路構成から派生する第２回路構成内 に複数個の転流スイッチ素子を備え、その各々が前記複数個のスイッチ装置の一 つに、また、一つだけに対応し、かつ各々の転流スイッチ素子がタイミング信号 に応動して前記スイッチ装置の対応する一つを制御するための制御信号を発生す ることを特徴とする制御回路。 34．前記制御信号が前記スイッチ装置から電気的に絶縁されたことを特徴とす る請求の範囲第３３項に記載の制御回路。 35．前記タイミング信号の各々が前記各々の入力信号からガルバニ電気絶縁さ れたことを特徴とする請求の範囲第３３項に記載の制御回路。 36．発電システムにおいて、 自然に発生する周波数変動特性を有する交流入力信号を各々が発生する発電機 と、 交流入力信号を直流出力信号に変換するための電力変換回路と、 前記電力変換回路を冷却するための極低温冷却システム、とを備えたことを特 徴とする発電システム。 37．前記直流出力信号を遠隔負荷に伝送する極低温冷却された送電線を更に備 えたことを特徴とする請求の範囲第３６項に記載の発電システム。 38．前記複数の交流入力信号が速度可変タービンによって発生されることを特 徴とする請求の範囲第３６項に記載の発電システム。 39．前記電力変換回路が複数個のスイッチ装置を含む多相切換え変換回路から なり、かつ前記複数の交流入力信号が互いに差分移相関係を有しており、前記変 換回路の前記複数個のスイッチ装置が前記制御信号に応動して前記変換回路の前 記出力負荷に複数の交流入力信号のうちの選択された一対の交流入力信号を印加 することを特徴とする請求の範囲第３６項に記載の発電システム。 40．前記複数の交流入力信号相互間の前記差分移相が１２０°であることを特 徴とする請求の範囲第３９項に記載の発電システム。 41．前記多相切換え変換回路を制御するためのディジタル制御回路を更に備え たことを特徴とする請求の範囲第３９項に記載の発電システム。 42．前記多相切換え変換回路を制御する制御回路を更に備え、前記制御回路が 複数個のスイッチ素子を備え、その各々が前記変換回路の出力負荷に少なくとも 一つの入力信号を印加するための制御信号を前記スイッチ装置の対応する一つの ために発生し、前記制御信号が前記入力信号から電気的に絶縁されたことを特徴 とする請求の範囲第３９項に記載の発電システム。 43．前記多相切換え変換回路が、 各々が交流入力信号を直流信号に変換する整流器回路と、 総計の直流信号を供給するために前記各々の整流器からの直流信号を加算する 加算回路と、 前記加算回路の出力に結合された超伝導エネルギ蓄積装置、とを備えたことを 特徴とする請求の範囲第３９項に記載の発電システム。 44．超伝導エネルギ蓄積装置が高温超伝導材料からなるインダクタ巻線である ことを特徴とする請求の範囲第４３項に記載の発電システム。 45．エネルギ蓄積装置が極低温コンデンサであることを特徴とする請求の範囲 第４８項に記載の発電システム。 46．エネルギ蓄積装置が超伝導磁気エネルギ蓄積装置からなることを特徴とす る請求の範囲第４３項に記載の発電システム。 47．前記速度可変タービンが自然エネルギ源から駆動されることを特徴とする 請求の範囲第３８項に記載の発電システム。 48．前記自然エネルギ源が風力であることを特徴とする請求の範囲第４７項に 記載の発電システム。 49．発電システムにおいて、 自然に発生する振幅変動特性を有する直流入力信号を各々が発生する発電機と 、 前記直流入力信号を蓄積するための超伝導エネルギ蓄積装置と、 前記エネルギ蓄積装置を冷却するための極低温冷却システム、とを備えたこと を特徴とする発電システム。 50．前記超伝導エネルギ蓄積装置から放電された蓄積された直流入力信号を交 流出力信号に変換するための電力変換回路を更に備えたことを特徴とする請求の 範囲第４９項に記載の発電システム。 51．前記発電機が太陽電池パネル・アレイであることを特徴とする請求の範囲 第４９項に記載の発電システム。