岩田 明彦

高周波電圧型インバータにPDM 制御を適用した放電レ ーザー用パルス電源を開発した。まず，非線形な放電負 荷に安定的に電力を供給するための回路構成について検討した。次にレーザーの出力安定性に着目して，レーザーガスの上準位緩和速度とバースト周波数の関係につい て検討し，PDM 制御のためのバースト周波数設定方法と，それを実現する制御回路の構成について検討した。 最後に放電実験を実施し，放電の部分点灯，放電の乱れ，およびストリーマ放電がないことを確認した。

HVDC に用いられるDABコンバータに2S/3PのIGBTを適用し，変圧器巻線数を削減しシステムの大型化を抑制する。IGBT2 直列時の電圧アンバランス解消のために、DABコンバータのZVS用のスナバキャパシタの容量を最適化し、スナバ容量の短絡損失も抑制する。また、並列IGBTの分流については電流経路のインピーダンスを均一化する。最後に試作機のスイッチング試験結果についても報告する。

<p>This paper proposes countermeasures to reduce radiated AM radio frequency noise caused by the VVVF (variable-voltage/variable-frequency) inverter system incorporated with an electric railway car. First, the common-mode current flowing through a cooling fin earth line is studied, and the connection change of the line shows good attenuation of the 1.26MHz resonance component. Second, the common-mode current flowing though the motor earth line with a capacitor is focused upon, and the modified connections of the line to the outside of the input common-mode core achieves fine noise reduction in the range from 500kHz to 1.5MHz. In such cases, the existing input common-mode core is utilized to establish the impedance, which is efficient in both the noise reduction and the countermeasure cost reduction. Finally, a current simulation model which is paid attention to the AM radio frequency range is examined with the measured impedance data of the VVVF inverter system. The currents flowing thorough the cooling fin earth line and the motor earth line is simulated, and these simulated currents show good agreement with the measured one.</p>

This paper presents the STATCOM using the new concept of an inverter system which consists of three inverter units connected in series, and each inverter unit generates a different input voltage such as V(C), 2V(C), 4V(C). This inverter system can output a high-quality voltage by a low-frequency switching operation. Thus, it can combine low loss and high quality. In this paper, we show the technique to apply STATCOM which uses the inverter system,and examination results.(C) 2009 Wiley Periodicals, Inc.Electr Eng Jpn, 168(4):58-65,2009; Published online in Wiley InterScience(www.interscience.wiley.com). DOI 10.1002/eej.20823

電気自動車やハイブリッド自動車は,直流電圧源の電力をDC/DCコンバータにより昇圧し,その電力をインバータで交流電力に変換する昇圧システムを備えている。本論文では,DC/DCコンバータとインバータを協調的に動作させることで,DCリンクコンデンサのリプル電流を低減する手法を提案し,シミュレーションと実験により,その効果を検証した。

This paper presents the STATCOM using gradationally controlled voltage inverter. It consists of three inverter units connected in series, and each inverter unit generates a different output voltage such as Vc, 2Vc, 4Vc. This inverter can output 15 levels of voltage waveform by combinational output voltage of inverter units. The inverter units of output voltage 2Vc, 4Vc supply reactive power by a low switching frequency operation. The other inverter unit of output voltage Vc forms current waveform by PWM operation. Thus it can unite a low loss and a high quality. In this paper, we show the technique to apply STATCOM using the inverter system, and its experimental results.

This paper has proposed a self-turn-on type current by-pass circuit which is a new circuit method. The main circuit current can continuously flow in this circuit, even if several of the current drive devices connected in series are open due to breakdowns. The composition, operation, and the circuit design method of the proposed circuit have been described in detail. Moreover, the method of constructing a simulation model of the fuse, which is an element of the circuit, was described. Moreover, the proposed circuit was simulated using that fuse model, the circuit constant was set, and the circuit operation was confirmed. As a result, a circuit that operated without increasing the MOSFET loss was achieved. Moreover, the proposed circuit was constructed for trial purposes, and a current by-pass examination when the diode was opened was executed. As a result, it was proven to be able to pass a current of 60 A continuously even when the diode was open.

高ピーク・短パルスのCO2レーザー駆動を実現するため,高電圧を直接高周波に変換する「5kV/50A/2MHzトランスレス高圧インバータ」を開発した。開発したインバータは,パワーMOSFETを6直列・4並列接続して高耐圧化したスイッチを1ユニットとし,それを4つ組合せたフルブリッジインバータで構成した。

階調制御型変換器を用いた三相200V級のSTATCOM(自励式無効電力補償装置)を試作し,力率改善と高調波補償に関する実証試験の結果について検討した。実験的に装置の制御定数を求めた後,力率改善試験,高調波補償試験,系統電圧不平衡試験を行い,採用した制御法により良好に力率改善および高調波補償が行えることを確認した。

リニアシンクロナスモータ)駆動用階調制御型インバータの階調の切り替え時に発生するサージ電圧の抑制法を検討した。同期化制御は,インバータのデッドタイムによる電圧形成時間のシフトを予測し,マルチレベルインバータの切り替えタイミングを制御するものである。実験の結果,切り替えサージを大幅に低減し,同期化制御無しの場合と比較して零相電流を1/10に低減した。

リニアシンクロナスモータ駆動用トランスレス階調制御インバータで,ゼロ相を発生しない空間電圧ベクトルのみを用いた電流制御法を提案した。零相電圧キャンセル制御を行わない場合に比べ1/10に低減した。上記の結果から,提案した制御法は出力電流の波形精度改善とゼロ相電流の低減を同時に実現できることを示した。

直列多重インバータから出力される電圧の組み合わせで,多レベル電圧を発生させる階調制御型インバータを用いた瞬低補償装置を開発した。開発機は常時効率が実測で99%以上を実現し,瞬低補償特性は半導体製造装置規格SEMI F47を満たすことを確認した。また,高速充電回路により繰り返し瞬低にも対応できた。

リニアシンクロナスモータ駆動用トランスレス階調制御インバータで,ゼロ相を発生しない空間電圧ベクトルのみを用いた電流制御法を提案した。零相電圧キャンセル制御を行わない場合に比べ1/10に低減した。上記の結果から,提案した制御法は出力電流の波形精度改善とゼロ相電流の低減を同時に実現できることを示した。

標記オゾナイザにおいて放電負荷の特性と電源回路の相関を解析し,放電安定制御法を提案した。電力変動時の電流電圧特性を詳細に分析して,電力の変動現象が放電領域饒辺かと共振回路とのマッチングとの相乗効果で引き起されることを明らかにした。

PowerUPS(Uninterruptible Power Supply)'は,電圧調整機能,力率調整機能を持ち,高効率,薄型化を実現する新しいラックマウント型UPSである。PowerUPSの構成と動作について述べる。その中で,新しい3進数階調制御型インバータについて詳細に説明する。また,PowerUPSの各特性について述べている。

PFCガスの分解装置に用いる高出力マグネトロンに適した駆動電源を開発した。マグネトロン出力電流と出力電力を解析し,インバータ出力に適正な負荷線形化リアクトルを挿入して,パルス幅に対してマグネトロン電流と出力電力をほぼ線形に制御できることを示した。50kHzフルブリッジインバータと倍電圧整流回路を用いて試作し,マグネトロン出力を線形かつ安定に制御できることを実証した。

We have developed a gradationally controlled voltage inverter which is capable of outputting a high-precision waveform even at low switching frequencies and have succeeded in putting it to practical use. This inverter uses plural inverters which have a binary or ternary DC-link voltage ratio with one another, and are connected in series to output the sum of their output voltages. The waveform of the resultant output voltage is quasi-sinusoidal. In this paper, a new UPS applying this technology is explained. The UPS with the high efficiency of 97% and the thin size of 29 mm/kVA has been realized by the miniaturization of the LC output filter and the loss reduction of the power devices.

階調制御電圧による瞬停補償装置のさらなるコンパクト化・低コスト化方策として,高速なコンデンサ充電制御方式の開発を行った。試験結果,負荷供給電圧の低下を5%程度に収めつつ,階調制御によるインバータシステムを通じてコンデンサを所定の電圧まで高速に充電できることを実証できた。

蛍光ランプのアーク放電の電気特性の簡単で新規な回路モデルを開発した。電気回路設計に必要な内容を有し,放電ランプの幾つかの異常状態を含む電気的挙動を考慮した回路シミュレーションを行うことができる。用いている方程式は簡単な多項式であるが,各項が物理的な意味を有しており,非線形・非定常な放電現象を完全にモデル化した。提案モデルはランプ点灯状態の大部分の状態を表現することができ,広い運転周波数に対して定量的に正しい結果を与えることができる。モデルは単純な回路要素の組合せによって構成されており,汎用回路シミュレータを用いて設計した安定器回路と組み合わせた回路解析を簡便に行うことができる。

電源系統で発生する瞬時電圧低下を補償する小型・低価格の瞬低補償装置を提案し,動作を検証した。提案の補償装置は2n倍ずつ異なるコンデンサ充電電圧をエネルギー源として,系統に直接挿入した直列多重インバータで階調制御された出力電圧を組合せて,高精度の近正弦波電圧で系統側の電圧低下分を瞬時に補償する。補償装置を試作し,330V単相系で実験し,THD2.1%の良好な補償動作が得られることを確認した。

階調制御電圧による瞬間電圧低下補償装置におけるコンデンサ蓄積エネルギーを高効率で利用する方法を提案し,試作装置で補償可能時間の延長効果を実証した。試作実験で蓄積エネルギーの利用率が5.4%増加することを確認した。

A new voltage sag compensator with a gradationally controlled voltage inverter which exceeds SEMI F47 standard has been developed. It consists of a gradationally controlled voltage inverter in which inverters are connected in series and are charged at different voltages to each other, and which outputs the sum of each output voltage. This system is small and with an extremely low loss.

A 6 kV, 60 A, 2 MHz AC power supply for driving high peak and short pulse CO2 lasers with a silent discharge has been developed. The developed power supply has a full-bridge inverter that combines four switches that connect power MOSFET with 6 in series and 4 in parallel. The inverter directly switches the high voltage of 6 kV DC, and converts the voltage directly into 2 MHz AC. The developed power supply can output much higher electric power than a conventional one, because it doesn't have a step-up transformer with a large leakage inductance. A peak laser power of 20 kW, 7 times a conventional one, and a laser pulse width of 1 microsecond, 1/10 of a conventional one, was obtained by using this power supply for silent discharge excitation type CO2 lasers. © 2005 IEEE.

階調制御型変換器を用いた三相200V級のSTATCOM(自励式無効電力補償装置)を試作し,力率改善と高調波補償に関する実証試験の結果について検討した。実験的に装置の制御定数を求めた後,力率改善試験,高調波補償試験,系統電圧不平衡試験を行い,採用した制御法により良好に力率改善および高調波補償が行えることを確認した。

PDPの可視光利用効率ηvisibleが低い原因の一つとして,バス電極による光の遮へいが挙げられる。本論文では,ηvisible向上を目的として,透明電極とバス電極を構造的に分離し,バス電極上で放電させない「透明電極‐バス電極分離型PDP(TB分離型PDP)」を提案する。測定の結果,従来と比較して,発光効率が22%向上することを示す。

逆導通型GCT(RCGCT)サイリスタの直列接続に適用でき,大幅に損失を低減できる新しい二つの保護回路を提案した。一つはクランプコンデンサの初期電圧が均等分担電圧より高く設定した「クランプ電圧上昇スナバ回路」であり,他は直列接続したRCGCTサイリスタの漏れ電流差を補って分圧バランスを保つ「静的クランプ回路」である。

加速器用クライストロンのパルス電源における出力波形の平坦性を増大するため,制御勾配電圧を用いた階調制御型の電圧サグ補償回路を開発した。各静電容量はそれぞれ異なる電圧で充電され,n2−1階調の補償電圧を半導体スイッチで生成する。この方式による5ユニットで補償電圧波形は31階調で,6.2kVまで得られる。この補償回路をパルス幅700μs,7kVパルス電源に適用し,サグ補償が可能なことを示した。

低温poly‐Siプロセスは駆動回路とLCDパネルを一体化できるので,LCDパネルモジュールの薄型化,高信頼性化,低コスト化が実現できる。一方低温poly‐Si TFTは単結晶Si MOSFETに比べて特性ばらつきが大。本論文では,従来のオフセットキャンセル技術を低温poly‐Si TFTに適用した場合に生じるオフセット電圧検知時の発振状態を防ぐ検出分離型オフセットキャンセラ回路と,入力回路からの電荷移行を補償する引込み電荷補償型オフセットキャンセラを提案し、実証した。

PDPでは、パネル内のセルの放電特性が微妙に異なり、壁電荷の状態が印圧変動に影響されやすい。自己放電をよりよく利用するにはパルス幅を広くして立ち上り放電時の壁電荷蓄積量を増やす必要があり,立ち上り放電時に発生する空間電荷を用いて自己放電開始電圧を低くするにはパルス幅を狭める必要がある。実験の結果,0.6μsで最も自己消去放電が生じやすいこと,このとき電圧を270Vにすると広い動作マージンが得られることがわかった。

AC型プラズマディスプレイパネル(PDP)において,従来の動作マージンを維持しながら,自己消去開始電圧を制御することによって発光効率を改善する手法を提案する。ここれらの結果を40in.XGAパネルに適用し,同一設定電圧で発光効率を15%改善できた。また,自己放電を積極的に誘発できるパルス波形を提案し,この波形によってミニパネルの発光効率を総合的に32%向上できた。

We have developed a simple method of modeling the electrical characteristics of a plasma display panel discharge. We analyze the discharge phenomena of coplanar plasma display panels (PDPs), and the model is sufficiently simple to express the electrical characteristics of the phenomena. Being a combination of primitive electric elements, this model can be calculated using a general-purpose circuit simulator, which enables us to simulate the PDP electrical characteristics easily and promptly. This model can quantitatively predict the discharge current waveform, and its dependence on the power supply condition and electrode geometry within the range of practical conditions. We can state that this model is a very useful tool for the analysis and design of PDP apparatus.

MOSFETモジュールを用いたエキシマレーザー用高電圧半導体スイッチを開発し,ターンオン時間40ns,スイッチ電流立ち上り速度26kA/μsを得た。この半導体スイッチにより,磁気圧縮回路を用いないでエキシマレーザー用励起回路を構成することが可能となる。この高電圧半導体スイッチを用いてＫｒＦエキシマレーザーの1.5kHzの高繰返し動作を実現した。

高電圧パルス電源の半導体スイッチとして,直列接続最下段の導通とともに流れる変位電流を各直列段のゲートに導き,全段を同時に導通させる従属駆動方式を採用した。この方式を用いて56個のIGBT素子を直列接続して高電圧スイッチを構成し,50kV,2kAのスイッチングを実現した。約30kV,2kAの条件で3か月の昼夜連続運転を行い,5×107shotsが安定して動作することを実証した。

加速器用のクライストロンの電源のパルス変調器の補償電圧,補償タイミングをダイナミックに制御してパルス波形成形回路(PFN)バンクの出力波形の平坦化補償を行う補償回路を開発した。PFN充電電圧12kV,最高3kVの補償電圧によりPFN出力電流波形のトップ部分の前後に波形補償回路からの補償電流を加えて,PFN出力電流のフラットトップ領域を拡大できることを示した。また,トップ部分の電流リプルをピーク値の±0.1%以内に低減した。

アクティブマトリックス形液晶ディスプレイの駆動回路においてドライバICのさらなる低電力化のために,クロック信号の立ち上がりと立ち下がりの両方で映像信号をサンプリング(倍周波)することにより,クロック周波数をサンプリング周波数の1/2にする方式と,シフトレジスタ回路をブロック化し,必要な期間のみクロックパルスを供給する方式を複合化したサンプリング信号発生回路を開発した。

最先端のプリント基板にCO2レーザーによる微小な穴あけ技術について述べた。CO2レーザーのパルス幅は100μsでピーク出力はキロワット級のレーザーで行なった。このレーザーを主体とする工業的なインプロセスの穴あけシステムを設計し装備した。この装置では最小50μm径の穴をあけることができた。

直接反転方式による電力回収回路につき検討し,以下の結果を得た。パルスの立ち上り時間が長い,維持パルス周波数が高いと放電開始電圧は低下する。回収回路の抵抗とインダクタンスから維持パルス発生回路の効率が決まり,その立ち上り時間はインダクタンスに依存することなどを明らかにした。また,回路定数を最適化して正負パルスの間にブランキング時間を設けて還流型とした回収回路と,電流パス切替え型回収回路を提案した。これらから,従来に比較してパネル容量による損失を82%に抑えた。

種火放電数の低下により暗コントラストを増大させる手法を提案した。この手法は,種火と消去の機能を分離し,それぞれについて予備放電パルスのパルス幅と電圧特性を求め,種火パルス,消去パルスとしてそれぞれを最適化する。種火放電数の低減による画質の変化を調べた結果,放電回数の低下に比例して暗コントラストは増大し,この手法の有効性を確認できた。

立ち上りの急峻な矩形パルスによって駆動されるプラズマディスプレイ(PDP)の放電について,電圧立ち上がり速度を変化させた場合の放電特性の変化について調べた。結果から,PDP放電は低周波無声放電の領域に近づいていると考えられる。また,PDPの電力投入の理論式を導出した。PDPの設計上非常に有益であると述べた。

ac‐PDP(Plasma Display Panel)の放電計測にV‐Q リサージュ図形を用いた。実際にPDPの放電計測を行い,壁電荷の移動の様子および放電ギャップ間の電圧の変化を定量的に測定した。さらに,PDPの放電とオゾナイザ等の低周波無声放電との放電現象の違いについて考察し,PDPの放電解析法として確立した。この解析方法を用いて,放電開始電圧および放電終了電圧の印加電圧依存性および維持周波数依存性を調べ、値が電圧の波形条件に大きく依存することを示した。

面放電型ACプラズマディスプレイを高精細化する場合の誤放電現象について調べた。その結果、AC型の特長である''メモリ機能''がない現象が観察された。これらの結果及び考察より,狭隣接セル間ギャップにおいても放電遅れを短くすることによって,不安定メモリ動作を抑制することができ,高精細化への可能性を見出した。

導通時間を高速化できる駆動方式を提案した。試作により最下段の導通で他の段が一斉に導通でき,全スイッチの導通特性が単体素子並の導通特性で実現できることを実証した。導通時間(10%〜90%)として24nsが得られた。4個直列の高電圧FETスイッチの導通特性と6個直列5個並列高電圧スイッチの導通波形を示した。

This paper describes a high voltage switch with MOSFETs connected in series employing a novel driving method in which the turn-on of the master stage by the input signal simultaneously puts other stages in conduction. Stages comected in series except for the master one are driven using the displacement current which flows just when the master stage is turned on. The displacement current can simultaneously drives those stage because the current flows in series through those stages. Hence, the fast switching speed can be obtained even with many stages connected in series. A prototype high voltage switch has been built and its characteristics has been investigated. We found that the parasitic capacitances between the stages and the ground position make the switching characteristics worse and that optimizing the circuit condition makes fast switching possible even with the parasitic capacitances. We have showed that the rise time is almost constant even with the increase in the series number, and that the rise time of 22ns in obtained with 10 MOSFETs' stage in series under an output power condition of 8 kV and 120 A. © 1997, The Institute of Electrical Engineers of Japan. All rights reserved.

銅蒸気レーザーのパルス波形整形機能を備えたパルス出力発生回路を試作し,レーザー出力特性の改善を検討した。本文では,パルス波形整形法,後続電流抑制実験によるレーザーの基礎特性,レーザー出力の評価等について述べる。後続電流抑制により,投入電力一定の条件でトータル光が約9%,510nmのレーザー光が約12%,効率が約13%それぞれ増加した 。

FETの配置と電流のフィードバック回路を同軸に構成した同軸形FETスイッチの構造と直並列接続の分流・分圧の均等化設計法を述べ,保護回路の構成と後続電流を抑制する逆電流抑制素子の動作を明らかにした。半導体方式パルサを搭載した銅蒸気レーザーMOPAチェーンの出力特性を検討した。

同位体分離用として注目されている半導体方式ダイレクトドライブパルサの構成,動作および試作時の課題と対策,特に直並列接続時の電流・電圧均等化について述べた。銅蒸気レーザーへの適用例として,半導体方式ダイレクトドライブパルサを用いた口径80mmレーザー管の112W大出力発振結果を報告した。