JPH11285268A - 電力変換装置および電力開閉装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】低損失化、小型化および高速化を同時に満足で
きる単相並列インバータ回路を実現すること。 【解決手段】１次側コイル２に流す交流電流の生成手段
として２つの電界放出型冷陰極素子７で構成された電界
放出型冷陰極素子部１を用いる。これらの電界放出型冷
陰極素子７の一方のアノード電極１０は１次側コイル２
の一端に接続し、他方のアノード電極１０は１次側コイ
ル２の他端に接続する。そして、２つの電界放出型冷陰
極素子７のゲート電極９を交流ゲート電圧源６に接続す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、直流電流を交流電
流に変換するための電力変換装置および複数の電力伝送
路のうちの１つに電力を選択的に送電するための電力開
閉装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、電力用半導体素子の１つであ
るサイリスタにより構成された電力変換装置（直流・交
流変換装置）が広く用いられている。このような電力変
換装置では、サイリスタが有する２つの状態、つまり導
通状態および非導通状態の２つの状態間の遷移を利用し
ている。

【０００３】しかしながら、この種の電力変換装置には
以下のような問題があった。

【０００４】まず第１に、サイリスタが導通状態のとき
には、半導体中に電流が流れるためにジュール熱による
スイッチング損失が必ず発生する。したがって、発熱に
よるスイッチング損失を小さくすることが困難であると
いう問題があった。

【０００５】第２に、サイリスタが非導通状態のときに
は、半導体自身に高い電圧が印加されるために素子には
高い電圧が印加される。耐圧を確保するためには素子を
形成する半導体基板を厚くする必要がある。したがっ
て、装置の小型化が困難であるという問題があった。ま
た、この場合、順方向電圧降下が大きくなって損失が増
し、放熱性の改善も困難であるという問題があった。

【０００６】第３に、サイリスタは通電能力を高めるた
めに高注入状態で利用するため、ターンオンの際のキャ
リアの蓄積時間、ターンオフの際のキャリアの排出時間
は長くなる。したがって、スイッチング速度の高速化が
困難であるという問題があった。

【０００７】ところで、サイリスタを用いて構成された
他の電力装置としては電力開閉装置が知られている。

【０００８】電力開閉装置は、主電力伝送路に挿設され
た第１の電力遮断器と予備電力伝送路に挿設された第２
の電力遮断器を有し、通常は第１の電力遮断器が閉じ、
第２の電力遮断器が開いている。すなわち、発電所が主
電力伝送路を介して変電所に繋がるように第１，第２の
電力遮断器の開閉状態は設定されている。

【０００９】一方、主電力伝送路に問題が起きた場合に
は、第１の電力遮断器が開き、第２の電力遮断器が閉じ
る。すなわち、発電所が予備電力伝送路を介して変電所
に繋がるように第１，第２の電力遮断器の開閉状態は設
定される。

【００１０】しかしながら、この種の電力変換装置には
以下のような問題があった。

【００１１】すなわち、電力変換装置はサイリスタで構
成されているため、高い耐圧（５０〜１００ｋＶ以上）
を実現するのが困難であるという問題があった。このよ
うな問題は、サイリスタ等の電子デバイスを用いない機
械式の電力変換装置を採用することにより解決できる
が、今度は切換速度が遅くなるという問題が起こる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】上述の如く、従来のサ
イリスタを用いて構成された電力変換装置は、サイリス
タが半導体で形成されたデバイスであることから、低ス
イッチング損失化、小型化および高速化を同時に実現す
ることが困難であるという問題があった。

【００１３】また、従来の電力開閉装置は高耐圧化およ
び高速化を同時に実現することが困難であるという問題
があった。

【００１４】本発明は上記事情を考慮してなされたもの
で、その目的とするところは、低損失化、小型化および
高速化を同時に実現できる電力変換装置を提供すること
にある。

【００１５】また、本発明の他の目的は、高耐圧化およ
び高速化を同時に実現できる電力切換装置を提供するこ
とにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】［構成］上記目的を達成
するために、本発明（請求項１）に係る電力変換装置
は、基板上に形成され、かつ電界放出により荷電粒子を
放出するエミッタ、前記電界放出を制御するゲート電
極、および前記荷電粒子が照射される複数のアノード電
極を有する電界放出型冷陰極素子部と、直流電流が流さ
れ、かつ両端がそれぞれ別の前記アノード電極に接続さ
れたコイルと、前記コイルに接続されたそれぞれの前記
アノード電極に前記荷電粒子を交互に照射するために、
前記荷電粒子の軌道を制御する軌道制御手段とを備えた
ことを特徴とする。

【００１７】また、本発明（請求項２）に係る他の電力
変換装置は、請求項１に記載され、かつ互いに位相の異
なる交流ゲート電圧が与えられる複数の電力変換装置
と、前記複数の電力変換装置の各々のコイルに対応して
設けられ、これらのコイルとともにトランスを構成する
他の複数のコイルとを備えたことを特徴とする。

【００１８】また、本発明（請求項３）に係る電力開閉
装置は、基板上に形成され、電界放出により荷電粒子を
放出し、かつ電力電源に接続されたエミッタ、前記電界
放出を制御するゲート電極、および前記荷電粒子が照射
され、かつ互いに異なる電力伝送路に接続された複数の
アノード電極を有する電界放出型冷陰極素子部と、前記
複数のアノード電極の１つに前記荷電粒子を選択的に照
射するために、前記荷電粒子の軌道を制御する軌道制御
手段とを備えたことを特徴とする。

【００１９】［作用］本発明に係る電力変換装置は、電
界放出型冷陰極素子部を有し、その構成は基本的には電
界放出型冷陰極素子と同じである。電界放出型冷陰極素
子は、電界放出を利用した素子であり、具体的にはゲー
ト電極もしくはアノード電極に電圧を印加することによ
りエミッタに電界を形成し、その電界によりエミッタか
ら電子等の荷電粒子を放出させるという動作を行う素子
である。

【００２０】このエミッタから放出された荷電粒子がア
ノード電極に達することにより電流が流れる。ここで、
エミッタ、ゲート電極、アノード電極を真空内に設けれ
ば（通常の電界放出型冷陰極素子はそうなっている）、
荷電粒子は真空中を走行することになる。

【００２１】したがって、本発明（請求項１，２）のよ
うに、コイルに交流電流を流す手段として電界放出型冷
陰極素子で構成された電界放出型冷陰極素子部を用いれ
ば、導通時は電気抵抗が無くなりジュール熱が発生しな
くなるので、装置の低スイッチング損失化を実現できる
ようになる。

【００２２】また、非導通時はエミッタとアノード電極
の間に電圧がかかるが、これらの間は真空であるため、
その絶縁性は極めて高い。すなわち、エミッタとアノー
ド電極の間の距離を短くしても必要な耐圧を確保でき
る。

【００２３】具体的には、エミッタとアノード電極の間
の距離がサイリスタのアノード・カソード間距離の１０
分の１以下であってもサイリスタと同じ耐圧を確保する
ことができる。言い換えれば、エミッタとアノード電極
の間の距離を長くすれば十分な耐圧を得ることができ
る。

【００２４】したがって、本発明（請求項１，２）によ
れば、エミッタとアノード電極の間の距離を短くでき、
装置の小型化を実現できるようになる。

【００２５】また、荷電粒子が空間中（真空中）を走行
する場合には、固体中（導体中）中を流れる場合とは異
なり、電界や磁界により荷電粒子の軌道を空間的に制御
することができる。

【００２６】そのため、荷電粒子が空間中（真空中）を
走行する場合には、荷電粒子の軌道を変えることによ
り、コイルの一端に接続されたアノード電極に荷電粒子
が照射され、他端に接続されたアノード電極に荷電粒子
が照射されない状態から、荷電粒子が照射されるアノー
ド電極が逆となる状態に切り換えることができる。すな
わち、荷電粒子の軌道を制御することにより、スイッチ
ング動作を行うことができる。

【００２７】この場合、サイリスタ等のように素子自身
がスイッチング（ターンオン、ターンオフ）するのでは
なく、電界放出型冷陰極素子自身が通電した状態で、荷
電粒子の軌道を制御するだけなので、極めて高速な動作
が可能となる。

【００２８】したがって、本発明（請求項１，２）によ
れば、素子が通電した状態で、荷電粒子の軌道を軌道制
御手段により制御することにより、装置の高速化を実現
できるようになる。

【００２９】また、前述したように、エミッタとアノー
ド電極との間の距離を広くすれば、十分な耐圧を確保で
き、また素子が通電したまま荷電粒子の軌道を制御する
ことにより、高速化を実現できる。

【００３０】したがって、本発明（請求項３）のよう
に、電力電源からの電力を電界放出型冷陰極素子部を介
して電力伝送路に伝送するとともに、電力を伝送するべ
き電力伝送路に繋がったアノード電極のみに電子が照射
されるように、エミッタから放出した電子を軌道制御手
段により制御することにより、装置の高耐圧化および高
速化を同時に実現できるようになる。

【００３１】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態（以下、実施形態という）を説明する。 （第１の実施形態）図１は、本発明の第１の実施形態に
係る単相並列インバータ回路を示す模式図である。

【００３２】この単相並列インバータ回路は、大きく分
けて、電界放出型冷陰極素子部１と、この電界放出型冷
陰極素子部１に接続された１次側コイル２と、この１次
側コイル２とともにトランス３を構成する２次側コイル
４と、この２次側コイル４に接続された誘導性の負荷５
と、電界放出型冷陰極素子部１の２つのアノード電極１
０に電子を交互に照射するために、電子の放出を制御す
る交流ゲート電圧源６とから構成されている。

【００３３】電界放出型冷陰極素子部１は、２つの電界
放出型冷陰極素子７で構成されている。電界放出型冷陰
極素子７は、図示しない基板上に形成され、かつ電界放
出により電子を放出するエミッタ８と、交流ゲート電圧
源６に接続され、電界放出を制御するゲート電極９と、
エミッタ８から放出した電子が照射されるアノード電極
１０とから構成されている。

【００３４】エミッタ８の材料としては例えばＭｏ、Ｗ
またはＣ、ゲート電極９の材料としては例えばＳｉ、Ａ
ｌ、アノード電極１０の材料としては例えばＣｕまたは
Ａｌがあげられる。エミッタ８の形成方法としては例え
ば転写モールド法、ＣＶＤ法、回転蒸着法またはリフト
オフ法があげられる。

【００３５】また、エミッタ８、ゲート電極９、アノー
ド電極１０は真空容器１１の中に納められ、エミッタ８
から放出した電子は真空中を走行するようになってい
る。また、１次側コイル２は直流電圧源１２に接続して
いる。

【００３６】このように構成された単相並列インバータ
回路によれば、交流ゲート電源６により２つのゲート電
極９に交互に電圧を印加することにより、２つのエミッ
タ８から電子が交互に放出する。

【００３７】その結果、２つのアノード電極１０に電子
または電子流（以下、単に電子という）が交互に照射さ
れることにより、直流電源１２が中点に接続されたトラ
ンス３の１次側コイル２に交流電流が流れ、これにより
トランス３の２次コイル４を通じて負荷５に交流電流が
流れるようになる。

【００３８】本実施形態の単相並列インバータ回路は２
つの電界放出型冷陰極素子７で構成された電界放出型冷
陰極素子部１を有している。電界放出型冷陰極素子７は
電界放出を利用した素子であり、具体的にはゲート電極
９に電圧を印加することによりエミッタ８に電界を形成
し、その電界によりエミッタ８からの電子等の荷電粒子
の放出を制御するという動作を行う素子である。

【００３９】エミッタ８から放出された電子がアノード
電極１０に達することにより電流が流れる。ここで、エ
ミッタ８、ゲート電極９、アノード電極１０は真空容器
１１内に設けれられているので、電子は真空中を走行す
る。

【００４０】したがって、本実施形態のように、１次側
コイル２に交流を流す手段として、電界放出型冷陰極素
子部１を用いれば、導通時は電気抵抗が無くなりジュー
ル熱が発生しなくなるので、装置の低スイッチング損失
化を容易に図ることができるようになる。

【００４１】また、非導通時はエミッタ８とアノード電
極１０の間に電圧がかかるが、これらの間は真空である
ため、その絶縁性は極めて高い。すなわち、エミッタ８
とアノード電極１０の間の距離を短くしても必要な耐圧
を確保できる。

【００４２】具体的には、エミッタ８とアノード電極１
０の間の距離がサイリスタのアノード・カソード間距離
の１０分の１以下であってもサイリスタと同じ耐圧を確
保することができる。より具体的には、５０ｋＶの耐圧
を確保するためには、エミッタ８とアノード電極１０の
間の距離を１ｍｍ〜２ｍｍ程度に設定すれば良い。

【００４３】したがって、本実施形態によれば、エミッ
タ８とアノード電極１０の間の距離を短くでき、小型化
を容易に図ることができるようになる。

【００４４】また、本実施形態によれば、通電時に故障
が起きた場合には、ゲート電極９に適切な電圧を印加す
ることにより、つまりエミッタ８からの電子の放出をオ
フにすることにより容易に回路を遮断することができ
る。

【００４５】なお、便宜上、アノード電極１０の各々に
対してエミッタ８は図中１つずつ描かれているが、１つ
のアノード電極１０に対して複数のエミッタ８が存在し
ても良い。 （第２の実施形態）図２は、本発明の第２の実施形態に
係る３相並列インバータ回路を示す模式図である。な
お、図１の単相並列インバータ回路と対応する部分には
図１と同一符号（添字が異なるものを含む）を付してあ
り、詳細な説明は省略する（他の実施形態においても同
様）。

【００４６】本実施形態の３相並列インバータ回路は、
図１の単相並列インバータ回路を３つ組み合わせて３相
動作を可能としたものである。そのために、３つの交流
ゲート電圧源６₁ 〜６₃ の位相は互いに１２０度ずつず
らしてある。 （第３の実施形態）図３は、本発明の第３の実施形態に
係る単相並列インバータ回路を示す模式図である。

【００４７】本実施形態が第１の実施形態と異なる点
は、エミッタ８とアノード電極１０との間に偏向電極１
３を設け、この偏向電極１３に偏向電圧源１４により交
流電圧を印加することによって、２つのアノード電極１
０に電子を交互に照射することにより、１次側コイル２
に交流を流すことにある。

【００４８】この場合、ゲート電極９はエミッタ８から
電子が常時放出されるようにゲート電圧を設定しておけ
ば良い。そのため、本実施形態では、交流ゲート電圧源
６の代わりに直流ゲート電圧源６ａを用いている。

【００４９】本実施形態でも第１の実施形態と同様な効
果が得られる。また、電子の軌道を偏向電極１３により
制御していることにより、動作速度をより速く、スイッ
チング損失をより小さくすることが可能となる。また、
負荷にモータなどを接続した場合、低損失できめ細かい
制御が可能となる。また、電界放出型冷陰極素子部１を
構成する電界放出型冷陰極素子７は１つで済むので、装
置をより小さくすることが可能となる。

【００５０】なお、本実施形態では電界を用いて電子の
軌道を制御したが、磁界を用いて電子の制御を行っても
良い。

【００５１】また、本実施形態では、サイリスタ等のよ
うに素子自身がスイッチング（ターンオン、ターンオ
フ）するのではなく、電界放出型冷陰極素子７が通電し
た状態で、２つのアノード電極１０に交互に電子が照射
されるように、偏向電極１３により電子の軌道を制御す
るだけなので、極めて高速な動作が可能となる。 （第４の実施形態）図４は、本発明の第４の実施形態に
係る３相並列インバータ回路を示す模式図である。

【００５２】本実施形態の３相並列インバータ回路は、
図３の単相並列インバータ回路を３つ組み合わせて３相
動作を可能としたものである。そのために、３つの偏向
電圧源１４₁ 〜１４₃ の位相は互いに１２０度ずつずら
してある。なお、図中、１３₁ 〜１３₃ は変更電極を示
している。 （第５の実施形態）図５は、本発明の第４の実施形態に
係る単相並列インバータ回路を示す模式図である。

【００５３】本実施形態の特徴は、ゲート電極およびア
ノード電極としてそれぞれ２つに分割されたゲート電極
９ａ，９ｂおよびアノード電極１０ａ，１０ｂを用い、
そして分割された２つのゲート電極９ａ，９ｂに交互に
電圧を印加することによって、分割された２つのアノー
ド電極１０ａ，１０ｂに電子を交互に照射することによ
り、１次側コイル２に交流電流を流すことにある。

【００５４】この場合、電界放出型冷陰極素子部１を構
成する電界放出型冷陰極素子７は１つで済み、しかも偏
向電極などの外部制御回路が不要なので装置の構成はさ
らに簡単になる。 （第６の実施形態）図６は、本発明の第６の実施形態に
係る３相並列インバータ回路を示す模式図である。

【００５５】本実施形態の３相並列インバータ回路は、
図５の単相並列インバータ回路を３つ組み合わせて３相
動作を可能としたものである。そのために、３つの交流
ゲート電圧源６₁ 〜６₃ の位相は互いに１２０度ずつず
らしてある。 （第７の実施形態）図７は、本発明の第７の実施形態に
係る単相並列インバータ回路を示す模式図である。

【００５６】本実施形態の単相並列インバータ回路は、
図５の単相並列インバータ回路の直流電圧源１２の電源
ライン１５にフィルタ１６を挿入した構成になってい
る。

【００５７】インバータ回路は交流を発生させるので、
その交流がノイズとなって直流電圧源に影響を与えるこ
とがある。しかし、本実施形態のように直流電圧源１２
の電源ライン１５にフィルタ１６を挿入すれば、直流電
圧源１２と単相並列インバータ回路が高周波的に分離さ
れるので、そのような不都合を防止できる。 （第８の実施形態）図８は、本発明の第８の実施形態に
係る３相並列インバータ回路を示す模式図である。

【００５８】本実施形態の３相並列インバータ回路は、
図７の単相並列インバータ回路を３つ組み合わせて３相
動作を可能としたものである。そのために、３つの交流
ゲート電圧源６₁ 〜６₃ の位相は互いに１２０度ずつず
らしてある。

【００５９】また、フィルタ１６は直流電圧源１２の電
源ライン１５にまとめて１つ挿入すれば原理的にはノイ
ズを押さえることができるが、本実施形態のように各相
毎にフィルタ１６を挿入すると効果はより高くなる。

【００６０】なお、第７、第８の実施形態におけるフィ
ルタ１６は他の実施形態の全てに適用できる。 （第９の実施形態）図９は、本発明の第９の実施形態に
係る単相並列インバータ回路を示す模式図である。

【００６１】本実施形態の単相並列インバータ回路は、
図３の単相並列インバータ回路の２つのアノード電極１
０の間に絶縁遮蔽板１７を設けた構成になっている。

【００６２】このような絶縁遮蔽板１７を設けることに
より、２つのアノード電極１０の間を電子が走行するこ
とを防止でき、また電位分布も安定する。これにより電
子の軌道をより確実に変えられるようになる。また、ア
ノード電極１０間の耐圧も向上する。 （第１０の実施形態）図１０は、本発明の第１０の実施
形態に係る３相並列インバータ回路を示す模式図であ
る。

【００６３】本実施形態の３相並列インバータ回路は、
図９の単相並列インバータ回路を３つ組み合わせて３相
動作を可能としたものである。そのために、３つの偏向
電圧源１４₁ 〜１４₃ の位相は互いに１２０度ずつずら
してある。 （第１１の実施形態）図１１は、本発明の第１１の実施
形態に係る単相並列インバータ回路を示す模式図であ
る。

【００６４】本実施形態の単相並列インバータ回路は、
図５の単相並列インバータ回路の２つのアノード電極１
０の間に絶縁遮蔽板１７を設けた構成になっている。本
実施形態では第５の実施形態による効果に加えて、第９
の実施形態による効果も得られる。 （第１２の実施形態）図１２は、本発明の第１２の実施
形態に係る３相並列インバータ回路を示す模式図であ
る。

【００６５】本実施形態の３相並列インバータ回路は、
図６の単相並列インバータ回路の２つのアノード電極１
０の間に絶縁遮蔽板１７を設けた構成になっている。本
実施形態では第６の実施形態による効果に加えて、第９
の実施形態による効果も得られる。 （第１３の実施形態）図１３は、本発明の第１３の実施
形態に係る単相並列インバータ回路を示す模式図であ
る。

【００６６】本実施形態の単相並列インバータ回路は、
図３の単相並列インバータ回路において、一方のアノー
ド電極１０を他方のアノード電極１０と一部重なるよう
に上方向にずらして配置し、さらに重なった部分の間に
絶縁遮蔽板１７を設けた構成になっている。

【００６７】このような絶縁遮蔽板１７を設けることに
より、電子の軌道が変化する際に少なくとも一方のアノ
ード電極１０には電子が照射されている状態を確実に実
現できる。これによりスイッチング損失をさらに小さく
できるようになる。 （第１４の実施形態）図１４は、本発明の第１４の実施
形態に係る単相並列インバータ回路を示す模式図であ
る。

【００６８】本実施形態の単相並列インバータ回路は、
図１３の単相並列インバータ回路において、上方にずら
したアノード電極１０を折り曲げて、上方にずらしたア
ノード電極１０に照射する電子の経路の距離が、他方の
アノード電極１０のそれと同じになるようしたことにあ
る。これにより１次側コイル２に良好な波形の交流電流
を流すことができるようになる。

【００６９】なお、２つのアノード電極１０の間の距離
Ｌは耐圧を確保するために０でないことが好ましい。例
えば、直流電圧源１２が１０ｋＶであれば、距離Ｌは数
１００μｍであることが好ましい。 （第１５の実施形態）図１５は、本発明の第１５の実施
形態に係る単相並列インバータ回路を示す模式図であ
る。

【００７０】本実施形態の単相並列インバータ回路は、
図１１の単相並列インバータ回路において、一方のアノ
ード電極１０ｂを他方のアノード電極１０ａと一部重な
るように上方向にずらして配置し、さらに重なった部分
の間に絶縁遮蔽板１７を設けた構成になっている。本実
施形態では第１１の実施形態による効果に加えて、第１
３の実施形態による効果も得られる。 （第１６の実施形態）図１６は、本発明の第１６の実施
形態に係る単相並列インバータ回路を示す模式図であ
る。

【００７１】本実施形態の単相並列インバータ回路は、
図１５の単相並列インバータ回路において、上方にずら
したアノード電極１０ｂを折り曲げて、この上方にずら
したアノード電極１０ｂに照射される電子の経路の距離
が、他方のアノード電極１０ａのそれと同じになるよう
したことにある。本実施形態では第１１の実施形態によ
る効果に加えて、第１４の実施形態による効果も得られ
る。 （第１７の実施形態）図１７は、本発明の第１７の実施
形態に係る単相並列インバータ回路を示す模式図であ
る。

【００７２】本実施形態の単相並列インバータ回路の基
本構成は、図１３の単相並列インバータ回路において、
エミッタ８の数を２個に増やした構成になっている。ま
た、エミッタ８の数が２個に増えたことに伴ってゲート
電極９の数も２個に増えている。

【００７３】本実施形態によれば、１次側コイル２によ
り大きな交流電流を流すことができるので、より大きな
交流電流に変換できるようになる。

【００７４】ここで、エミッタ８の数が増えても、アノ
ード電極１０の数は基本的には２個で良いが、この場
合、電子の軌道を大きく切り換える必要があるので、高
速動作の点で不利になる。

【００７５】そこで、本実施形態では、アノード電極１
０を２個ずつ組にして上下方向に交互にずらして配置す
ることによって、各エミッタ８から放出した電子の軌道
を切り換える際の電子の軌道の変化が小さくて済むよう
にすることにより、高速動作を維持するようにしてい
る。

【００７６】なお、本実施形態ではエミッタ８の数を２
個にしたが、エミッタ８の数は３個以上でも良い。 （第１８の実施形態）図１８は、本発明の第１８の実施
形態に係る単相並列インバータ回路を示す模式図であ
る。

【００７７】本実施形態の単相並列インバータ回路は、
図１７の単相並列インバータ回路において、上方にずら
したアノード電極１０を折り曲げて、上方にずらしたア
ノード電極１０に照射される電子の経路の距離が、他方
のアノード電極１０のそれと同じになるようしたことに
ある。本実施形態では第１７の実施形態による効果に加
えて、第１４の実施形態による効果も得られる。 （第１９の実施形態）図１９は、本発明の第１９の実施
形態に係る単相並列インバータ回路を示す模式図であ
る。

【００７８】本実施形態の単相並列インバータ回路の基
本構成は、図１５の単相並列インバータ回路において、
第１８の実施形態と同様に、エミッタ８、ゲート電極９
ａ，９ｂの数を２個に増やすとともに、１組目のアノー
ド電極１０ａ，１０ｂのアノード電極１０ｂが２組目の
アノード電極１０ａ，１０ｂのアノード電極１０ａと重
なるように、４つのアノード電極を交互に上下方向にず
らして配置した構成になっている。本実施形態では第１
５の実施形態による効果に加えて、第１７の実施形態に
よる効果も得られる。 （第２０の実施形態）図２０は、本発明の第２０の実施
形態に係る単相並列インバータ回路を示す模式図であ
る。

【００７９】本実施形態の単相並列インバータ回路は、
図１９の単相並列インバータ回路において、上方にずら
したアノード電極１０ｂを折り曲げて、この上方にずら
したアノード電極１０ｂに照射される電子の経路の距離
が、他方のアノード電極１０のそれと同じになるようし
たことにある。本実施形態では第１９の実施形態による
効果に加えて、第１４の実施形態による効果も得られ
る。 （第２１の実施形態）図２１は、本発明の第２１の実施
形態に係る電力開閉装置を示す模式図である。

【００８０】本実施形態の電力開閉装置は、大きく分け
て、図３の電界放出型冷陰極素子部１と、この電界放出
型冷陰極素子部１の２つのアノード電極１０の一方に電
子を選択的に照射するために、エミッタ８から放射した
電子の軌道を制御する偏向電圧源１４ａとから構成され
ている。

【００８１】電界放出型冷陰極素子部１の一方のアノー
ド電極１０は第１の電力遮断器１８_１に接続し、他方の
アノード電極１０は第２の電力遮断器１８₂ に接続して
いる。これらの電力遮断器１８₁ ，１８₂ は安全性をよ
り高くするためのものであり、必ずしも必要ではない。

【００８２】また、エミッタ８は発（変）電所１９に接
続し、第１、第２の電力遮断器１８₁ ，１８₂ は変電所
２０に接続している。また、第１の電力遮断器１８₁ と
変電所２０との間の主伝送路２１には第３の電力遮断器
１８₃ 、第２の電力遮断器１８₂ と変電所２０との間の
予備伝送路２２との間には第４の電力遮断器１８₄ が挿
設されている。なお、第１〜第４の電力遮断器１８₁ 〜
１８₄ は機械式である。

【００８３】通常は第１〜第４の電力遮断器１８₁ 〜１
８₄ は閉じ、そして第１の電力遮断器１８₁ に接続した
アノード電極１０に電子が選択的に照射されるように、
偏向電圧源１４ａの極性が選ばれている。

【００８４】一方、主電力伝送路２１に問題が起きた場
合には、第２の電力遮断器１８₂に接続したアノード電
極１０に電子が選択的に照射されるように、偏向電圧源
１４ａの極性が選ばれ、しかる後、第１、第３の電力遮
断器１８₁ ，１８₃ は閉じられる。その結果、発（変）
電所１９は予備電力伝送路２１を介して変電所２０に繋
がる。

【００８５】ここで、前述したように、エミッタ８とア
ノード電極１０の間の距離を短くしても必要な耐圧を確
保できる。これは、言い換えれば、エミッタ８とアノー
ド電極１０の間の距離を長くすれば十分な耐圧を得るこ
とができることを意味している。

【００８６】したがって、本実施形態によれば、サイリ
スタで構成された従来の電力開閉装置とは異なり、高い
耐圧（５０〜１００ｋＶ）を容易に実現できるようにな
る。また、機械式の電力開閉装置の場合とは異なり、切
換速度が遅くなることもない。

【００８７】なお、本実施形態では機械式の電力遮断器
１８₁ 〜１８₄ を有するが、界放出型冷陰極素子部１で
構成された電力開閉装置により電力を切り換えた後（こ
の時点で主電力伝送路２１から呼び電力伝送路２０に切
り替わっている）、遮断するべき主電力伝送路２１の機
械式の電力遮断器１８₁ ，１８₃ を開くだけなので、切
換速度が遅くなることはない。

【００８８】また、本実施形態では予備電力伝送路２２
が１本の場合について説明したが複数本あっても良い。 （第２２の実施形態）図２２は、本発明の第２２の実施
形態に係る電力開閉装置を示す模式図である。

【００８９】本実施形態の電力切換装置が第２１の実施
形態と異なる点は、図３の電界放出型冷陰極素子部１の
代わりに、図５の電界放出型冷陰極素子部１を用いたこ
とにある。本実施形態でも第２１の実施形態と同様な効
果が得られる。また、偏向電極などの外部制御回路が不
要なので第２１の実施形態の場合よりも装置の構成は簡
単になる。 （第２３の実施形態）図２４は、本発明の第２３の実施
形態に係る単相並列インバータ回路を示す模式図であ
る。

【００９０】本実施形態の単相並列インバータ回路が第
１の実施形態と主として異なる点は、トランス３の１次
側にフリーホイールダイオード２３が取り付けられてい
るこにある。

【００９１】本実施形態でも第１の実施形態と同様な効
果が得られる。さらに本実施形態によれば、素子のスイ
ッチングで生じる逆起電力をフリーホイールダイオード
２３に吸収させることができるので、電界放出型冷陰極
素子７を逆起電力から保護することができる。すなわ
ち、電界放出型冷陰極素子７の耐圧を向上することがで
きる。

【００９２】また、本実施形態では、交流ゲート電源６
₁ ，６₂ により２つのゲート電極９に交互に電圧を印加
することにより、２つのエミッタ８から電子を交互に放
出するようにしている。 （第２４の実施形態）図２５は、本発明の第２４の実施
形態に係る単相並列インバータ回路を示す模式図であ
る。

【００９３】本実施形態の単相並列インバータ回路が第
２３の実施形態と異なる点は、フリーホイールダイオー
ド２３のカソードがスナバコンデンサ２４を介してグラ
ンドに接続していることにある。

【００９４】本実施形態でも第２３の実施形態と同様な
効果が得られる。さらに本実施形態によれば、素子のス
イッチング時に生じるサージ電圧をスナバコンデンサ２
４に吸収させることができるので、電界放出型冷陰極素
子７をサージ電圧から保護することができる。

【００９５】さらに本実施形態によれば、サージ電圧の
エネルギーがスナバコンデンサ２４に蓄積されるので、
スナバコンデンサ２４を直流電圧源１２の補助電源に使
用することができる。これにより、直流電圧源１２の安
定化を図ることができる。 （第２５の実施形態）図２６は、本発明の第２５の実施
形態に係る単相並列インバータ回路を示す模式図であ
る。

【００９６】本実施形態の単相並列インバータ回路が第
２３の実施形態と異なる点は、２つのエミッタ８ａ，８
ｂから放出された電子の真空中の走行経路を偏向電極９
ａ，９ｂに印加する電圧によって制御し、２つに分割さ
れたアノード電極１０ａ，１０ｂに電子を交互に照射す
ることによって、１次側コイル２に交流電流を流すこと
にある。

【００９７】ここで、直流ゲート電圧源６ａの電圧は、
エミッタ８ａ，８ｂから電子が常時放出される値に設定
しておけば良く、第２３の実施形態のように、２つの電
界放出型冷陰極素子７を交互にスイッチングさせる必要
はない。

【００９８】本実施形態でも第２３の実施形態と同様な
効果が得られる。さらに本実施形態によれば、偏向電極
１３を用いた第３の実施形態と同様な効果も得られる。
なお、本実施形態では、２つのエミッタ８ａ，８ｂを用
いたがさらに多くのエミッタを用いても良い。 （第２６の実施形態）図２７は、本発明の第２６の実施
形態に係る単相並列インバータ回路を示す模式図であ
る。

【００９９】本実施形態の単相並列インバータ回路が第
２５の実施形態と異なる点は、フリーホイールダイオー
ド２３のカソードがスナバコンデンサ２４を介してグラ
ンドに接続していることにある。

【０１００】本実施形態でも第２５の実施形態と同様な
効果が得られる。さらに本実施形態によれば、第２４の
実施形態と同様な効果も得られる。 （第２７の実施形態）図２８は、本発明の第２７の実施
形態に係る単相並列インバータ回路を示す模式図であ
る。

【０１０１】本実施形態の単相並列インバータ回路が第
２３の実施形態と異なる点は、２つに分割されたゲート
電極９ａ，９ｂに交互に電圧を印加することによって、
２つに分割されたアノード電極１０ａ，１０ｂに電子を
交互に照射することにある。図中、点線で結ばれたゲー
ト電極同士は互いに電気的に接続されていることを示し
ている。

【０１０２】本実施形態でも第２３の実施形態と同様な
効果が得られる。さらに本実施形態によれば、１つの交
流ゲート電圧源６で済むので、第２３の実施形態に比べ
て装置構成を簡単にできる。 （第２８の実施形態）図２９は、本発明の第２８の実施
形態に係る単相並列インバータ回路を示す模式図であ
る。

【０１０３】本実施形態の単相並列インバータ回路が第
２７の実施形態と異なる点は、フリーホイールダイオー
ド２３のカソードがスナバコンデンサ２４を介してグラ
ンドに接続していることにある。

【０１０４】本実施形態でも第２７の実施形態と同様な
効果が得られる。さらに本実施形態によれば、第２４の
実施形態と同様な効果も得られる。 （第２９の実施形態）図３０は、本発明の第２９の実施
形態に係る単相並列インバータ回路を示す模式図であ
る。

【０１０５】図２７の単相並列インバータ回路をそのま
ま大面積の素子に適用することが難しい場合には、本実
施形態のように、素子をいくつかの領域に分割し（図に
は２つに分割した例が示されている。）、各領域ごとに
偏向電極１３を設けると良い。このような構成であれ
ば、各領域毎に電子の軌道を制御すれば良いので、効率
の良い電力変換を行うことができる。

【０１０６】なお、本発明は、上記実施形態に限定され
るものではない。

【０１０７】例えば、上記実施形態の３相並列インバー
タ回路はＹ結線であったが、Δ結線であっても本発明は
有効である。図２３に、第２の実施形態（図２）の３相
並列インバータ回路をΔ結線に変えた場合の模式図を示
す。

【０１０８】素子側の構成は同じであり、負荷側の構成
が図示の通りに変わる。他の実施形態の３相並列インバ
ータ回路についても同様にΔ結線に変えることができ
る。

【０１０９】また、フリーホイールダイオード２３、ス
ナバコンデンサ２４を追加する実施形態は第１の実施形
態だけではなく、例えば第２の実施形態等の他の実施形
態にも適用できる。

【０１１０】その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲
で、種々変形して実施することができる。

【０１１１】

【発明の効果】以上説明したように本発明（請求項１，
２）によれば、コイルに流す交流電流の生成手段として
電界放出型冷陰極素子で構成された電界放出型冷陰極素
子部を用いることにより、低スイッチング損失、小型か
つ高速な電力変換装置を実現できるようになる。

【０１１２】また、本発明（請求項３）によれば、電力
電源からの電力を電界放出型冷陰極素子部を介して電力
伝送路に伝送するとともに、電力を伝送するべき電力伝
送路に繋がったアノード電極のみに電子が照射されるよ
うに、エミッタから放出した電子を軌道制御手段により
制御することにより、高耐圧かつ高速な電力開閉装置を
実現できるようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態に係る単相並列インバ
ータ回路を示す模式図

【図２】本発明の第２の実施形態に係る３相並列インバ
ータ回路を示す模式図

【図３】本発明の第３の実施形態に係る単相並列インバ
ータ回路を示す模式図

【図４】本発明の第４の実施形態に係る３相並列インバ
ータ回路を示す模式図

【図５】本発明の第５の実施形態に係る単相並列インバ
ータ回路を示す模式図

【図６】本発明の第６の実施形態に係る３相並列インバ
ータ回路を示す模式図

【図７】本発明の第７の実施形態に係る単相並列インバ
ータ回路を示す模式図

【図８】本発明の第８の実施形態に係る３相並列インバ
ータ回路を示す模式図

【図９】本発明の第９の実施形態に係る単相並列インバ
ータ回路を示す模式図

【図１０】本発明の第１０の実施形態に係る３相並列イ
ンバータ回路を示す模式図

【図１１】本発明の第１１の実施形態に係る単相並列イ
ンバータ回路を示す模式図

【図１２】本発明の第１２の実施形態に係る３相並列イ
ンバータ回路を示す模式図

【図１３】本発明の第１３の実施形態に係る単相並列イ
ンバータ回路を示す模式図

【図１４】本発明の第１４の実施形態に係る単相並列イ
ンバータ回路を示す模式図

【図１５】本発明の第１５の実施形態に係る単相並列イ
ンバータ回路を示す模式図

【図１６】本発明の第１６の実施形態に係る単相並列イ
ンバータ回路を示す模式図

【図１７】本発明の第１７の実施形態に係る単相並列イ
ンバータ回路を示す模式図

【図１８】本発明の第１８の実施形態に係る単相並列イ
ンバータ回路を示す模式図

【図１９】本発明の第１９の実施形態に係る単相並列イ
ンバータ回路を示す模式図

【図２０】本発明の第２０の実施形態に係る単相並列イ
ンバータ回路を示す模式図

【図２１】本発明の第２１の実施形態に係る電力開閉装
置を示す模式図

【図２２】本発明の第２２の実施形態に係る電力開閉装
置を示す模式図

【図２３】第２の実施形態の３相並列インバータ回路の
変形例を示す模式図

【図２４】本発明の第２３の実施形態に係る単相並列イ
ンバータ回路を示す模式図

【図２５】本発明の第２４の実施形態に係る単相並列イ
ンバータ回路を示す模式図

【図２６】本発明の第２５の実施形態に係る単相並列イ
ンバータ回路を示す模式図

【図２７】本発明の第２６の実施形態に係る単相並列イ
ンバータ回路を示す模式図

【図２８】本発明の第２７の実施形態に係る単相並列イ
ンバータ回路を示す模式図

【図２９】本発明の第２８の実施形態に係る単相並列イ
ンバータ回路を示す模式図

【図３０】本発明の第２９の実施形態に係る単相並列イ
ンバータ回路を示す模式図

【符号の説明】

１…電界放出型冷陰極素子部 ２…１次側コイル ３…トランス ４…２次側コイル ５，５ｕ，５ｖ，５ｗ…負荷 ６，６₁ 〜６₃ …交流ゲート電圧源（軌道制御手段） ６ａ…直流ゲート電圧源 ７…電界放出型冷陰極素子 ８…エミッタ ９…ゲート電極 ９ａ，９ｂ…分割されたゲート電極 １０…アノード電極 １０ａ，１０ｂ…分割されたアノード電極 １１…真空容器 １２…直流電圧源 １３，１３₁ 〜１３₃ …偏向電極（軌道制御手段） １４，１４₁ 〜１４₃ …偏向電圧源（軌道制御手段） １４ａ…偏向電圧源 １５…電源ライン １６…フィルタ １７…絶縁遮蔽板 １８₁ 〜１８₄ …電力遮断器 １９…発（変）電所 ２０…発電所 ２１…主伝電力送路 ２２…予備電力伝送路 ２３…フリーホイールダイオード ２４…スナバコンデンサ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板上に形成され、かつ電界放出により荷
   電粒子を放出するエミッタ、前記電界放出を制御するゲ
   ート電極、および前記荷電粒子が照射される複数のアノ
   ード電極を有する電界放出型冷陰極素子部と、 直流電流が流され、かつ両端がそれぞれ別の前記アノー
   ド電極に接続されたコイルと、 前記コイルに接続されたそれぞれの前記アノード電極に
   前記荷電粒子を交互に照射するために、前記荷電粒子の
   軌道を制御する軌道制御手段とを具備してなることを特
   徴とする電力変換装置。
2. 【請求項２】請求項１に記載され、かつ互いに位相の異
   なる交流ゲート電圧が与えられる複数の電力変換装置
   と、 前記複数の電力変換装置の各々のコイルに対応して設け
   られ、これらのコイルとともにトランスを構成する他の
   複数のコイルとを具備してなることを特徴とする電力変
   換装置。
3. 【請求項３】基板上に形成され、電界放出により荷電粒
   子を放出し、かつ電力電源に接続されたエミッタ、前記
   電界放出を制御するゲート電極、および前記荷電粒子が
   照射され、かつ互いに異なる電力伝送路に接続された複
   数のアノード電極を有する電界放出型冷陰極素子部と、 前記複数のアノード電極の１つに前記荷電粒子を選択的
   に照射するために、前記荷電粒子の軌道を制御する軌道
   制御手段とを具備してなることを特徴とする電力開閉装
   置。