(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体素子を並列接続してなる半導体スイッチであって、
前記並列接続された半導体素子に電力を供給するための配線を常電導材料及び前記常電導材料と並列に配置された超電導材料で形成し、
前記並列接続された半導体素子を制御するための配線を常電導材料で形成し、
前記並列接続された半導体素子の電力供給端子を前記並列に接続された半導体素子に電力を供給するための前記常電導材料及び前記超電導材料の双方の配線に接続し、
前記並列接続された半導体素子の制御端子を前記並列接続された半導体素子を制御するための前記常電導材料で形成された配線に接続することを特徴とする半導体スイッチ。
【請求項２】
請求項１に記載の半導体スイッチにおいて、
前記半導体素子は、基板上に配置され、
前記超電導材料で形成された電力を供給するための配線は、前記半導体素子が配置された基板に積層されていることを特徴とする半導体スイッチ。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の半導体スイッチにおいて、
前記半導体素子は、ＭＯＳ−ＦＥＴであることを特徴とする半導体スイッチ。
【請求項４】
永久電流スイッチと、
前記永久電流スイッチに並列接続された請求項１〜請求項３の何れかに記載の半導体スイッチと、
前記永久電流スイッチ及び前記半導体スイッチのオン／オフの制御を行う制御手段と、
を備えたことを特徴とする永久電流スイッチシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超電導材料により形成された配線により電力供給を受ける半導体スイッチ及びそれを用いた永久電流スイッチシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
超電導コイルに永久電流が流れる永久電流モードで超電導コイルを運転するためには、超電導コイルの端子間を短絡するための永久電流スイッチが必要である。この永久電流スイッチとして、従来、熱式永久電流スイッチが用いられていた。
【０００３】
この熱式永久電流スイッチは、超電導材料からなる永久電流スイッチを加熱し、超電導材料を熱的に常電導転移させることで、永久電流スイッチに抵抗を発生させてオフとする。逆に、冷却して超電導材料を超電導転移させてオンとするものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
ところが、熱式永久電流スイッチは、オン時に抵抗がゼロになるものの、抵抗がゼロになるまでに時間がかかる、つまり、スイッチング速度が遅いという特性がある。
本願出願人は、特願２００６−０１２７７９において、複数の半導体スイッチを並列接続してバイパススイッチを構成し、熱式永久電流スイッチと並列接続することで熱式永久電流スイッチのスイッチング速度が遅い場合であっても、正常に超電導コイルを永久電流モードで運転する技術を提案した。
【特許文献１】特開平８−１３８９２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところが、上記のように複数の半導体素子を並列接続する際にスペースが限られている場合には、複数の半導体を並列接続するための配線部分については、配線部分を形成する導体の量を限られたスペースの中で半導体素子の数に比例して増加させることができないため、配線部分の抵抗値を低減させることが困難であった。
【０００６】
つまり、半導体素子の抵抗を少なくしても配線に起因する抵抗を低減することが困難であるため、配線部分を含めた半導体スイッチ全体としてのオン抵抗を低減することが困難であるという問題があった。
【０００７】
本発明は、こうした問題に鑑みなされたもので、配線部分を含めた全体の抵抗値を低減させた半導体スイッチ及びそれを用いた永久電流スイッチシステムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
かかる問題を解決するためになされた請求項１に記載の半導体スイッチ（１：この欄においては、発明に対する理解を容易にするため、必要に応じて「発明を実施するための最良の形態」欄において用いた符号を付すが、この符号によって請求の範囲を限定することを意味するものではない。）は、半導体素子（４０）を並列接続してなる半導体スイッチ（１）であって、並列接続された半導体素子（４０）に電力を供給するための配線（１０，２０）を常電導材料及び常電導材料と並列に配置された超電導材料で形成し、並列接続された半導体素子を制御するための配線を常電導材料で形成し、
並列接続された半導体素子（４０）の電力供給端子を並列に接続された半導体素子に電力を供給するための常電導材料及び超電導材料の双方の配線に接続し、並列接続された半導体素子（４０）の制御端子を並列接続された半導体素子（４０）を制御するための常電導材料で形成された配線に接続することを特徴とする。
【０００９】
このような半導体スイッチ（１）では、並列接続された半導体スイッチ（１）に対して電力を供給するための配線（１０，２０）が超電導材料で形成される。
つまり、並列接続された半導体素子（４０）に超電導材料の配線（１０，２０）で電力が供給される。この状態で、半導体スイッチ（１）が極低温に冷却されると、超電導状態となるので、配線部の抵抗値が０になる。
【００１０】
つまり、極低温状態では、半導体スイッチ（１）の抵抗は半導体の微少抵抗のみとなるので半導体スイッチ（１）全体の抵抗値が低減される。
また、半導体スイッチ（１）は、並列接続された半導体素子（４０）に電力を供給するための配線（１０，２０）を常電導材料及び常電導材料と並列に配置された超電導材料で形成することを特徴とする。
【００１１】
このような半導体スイッチ（１）では、並列接続された半導体スイッチ（１）に対して電力を供給するための配線（１０，２０）が常電導材料及び超電導材料で形成される。また、超電導材料で形成された配線（６０）は、常電導材料で形成された配線（５０）と並列に配置される。
【００１２】
つまり、並列接続された常電導材料の配線（５０）と超電導材料の配線（６０）とによって、並列接続された各半導体素子（４０）に電力が供給される。この状態で、半導体スイッチ（１）が極低温に冷却されると、半導体素子（４０）は並列接続されているので抵抗値が低減する。また、常電導材料の配線（５０）と並列接続された超電導材料の配線（６０）も極低温状態に冷却され、超電導状態となるので、抵抗値が０になる。
【００１３】
つまり、極低温状態では、半導体スイッチ（１）の抵抗は半導体の微少抵抗のみとなるので半導体スイッチ（１）全体の抵抗値が低減される。
ところで、複数の半導体素子（４０）を並列接続して半導体スイッチ（１，２）とする場合、複数の半導体素子（４０）を基板（７０）上に配置することがある。その場合には、請求項２に記載のように超電導材で形成された電力を供給するための配線を半導体素子（４０）が配置された基板（７０）に積層するとよい。
【００１４】
このように超電導材で形成された配線を基板（７０）に積層すると、積層された超電導材料の結晶配向が良好となり臨界電流密度が大きくなるので、積層面の幅を細くすることができる。また、超電導材料の配線部分の面積が小さくなるので半導体素子（４０）を基板（７０）上に配置する際の配置位置の選択の自由度が高くなる。したがって、半導体素子（４０）の基板（７０）への実装が容易になるので、実装密度を大きくできる。
【００１５】
半導体スイッチ（１，２）に用いる半導体素子（４０）としては、請求項３に記載のようにＭＯＳ−ＦＥＴであるとよい。ＭＯＳ−ＦＥＴを並列接続し、極低温にした場合、他の半導体素子（４０）に比べ抵抗値が低くなるので、高性能の半導体スイッチ（１，２）とすることができる。
【００１６】
請求項４に記載の永久電流スイッチシステム（５）は、永久電流スイッチ（８４）と、永久電流スイッチ（８４）に並列接続された請求項１〜請求項３の何れかに記載の半導体スイッチと、永久電流スイッチ（８４）及び半導体スイッチ（１，２）のオン／オフの制御を行う制御手段（９２）と、を備えたことを特徴とする。
【００１７】
このような永久電流スイッチシステム（５）では、永久電流スイッチ（８４）に並列接続された請求項１〜請求項３の何れかに記載の半導体スイッチ（１，２）により永久電流スイッチに流れる電流をバイパスすることができる。したがって、半導体スイッチ（１，２）のスイッチング速度が永久電流スイッチ（８４）のスイッチング速度よりも早いので、永久電流スイッチシステム（５）全体のスイッチング速度を永久電流スイッチ（８４）のスイッチング速度よりも早くすることができる。
【００１８】
また、配線部分を含めた半導体スイッチ（１）の抵抗値が低いので、半導体スイッチ（１）を流れるバイパス電流による発熱などの損失が小さくなり、効率のよい永久電流スイッチシステム（５）とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明が適用された実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明の実施の形態は、下記の実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採りうる。
［第１実施形態］
（半導体スイッチ１の構成）
図１は、半導体スイッチ１の接続状態の概略を示す図である。半導体スイッチ１は、ＭＯＳ−ＦＥＴ４０を並列接続してなるスイッチであり、図１に示すように、第１電流配線１０、第２電流配線２０、制御配線３０及びＭＯＳ−ＦＥＴ４０を備えている。
【００２０】
第１電流配線１０及び第２電流配線２０は、同一の構成であり、常電導材配線５０及びそれに並列配置された超電導材配線６０を備えている。
常電導材配線５０は、断面５×０．５ｍｍの銅線であり、超電導材配線６０は、同じ断面寸法のＢｉ２２２３高温超電導線である。また、制御配線３０は、常電導材配線５０と同じ銅線である。
【００２１】
ＭＯＳ−ＦＥＴ４０は、常温におけるオン抵抗１．８ｍΩ、液体窒素温度におけるオン抵抗０．５ｍΩのＭＯＳ−ＦＥＴである。
ＭＯＳ−ＦＥＴ４０は、ソース端子４２（以下、Ｓ端子４２とも略称する。）、ドレイン端子４４（以下、Ｄ端子４４とも略称する。）及びゲート端子４６（以下、Ｇ端子４６とも略称する。）を有している。
【００２２】
Ｓ端子４２は、第１電流配線１０にハンダ付けで接続されている。この接続の際、Ｓ端子４２の端部が第１電流配線１０を構成する常電導材配線５０と超電導材配線６０の両方に接触するように接続される。
【００２３】
Ｄ端子４４は、第２電流配線２０にハンダ付けで接続されている。この接続の際、Ｄ端子４４の端部が第２電流配線２０を構成する常電導材配線５０と超電導材配線６０の両方に接触するように接続される。
【００２４】
同様に、Ｇ端子４６は、制御配線３０にハンダ付けで接続されている。
（半導体スイッチ１の作動）
半導体スイッチ１は、ＭＯＳ−ＦＥＴ４０のＳ端子４２が第１電流配線１０に接続され、Ｄ端子４４が第２電流配線２０に接続されている。そして、Ｇ端子４６に制御配線３０が接続され、その制御配線３０を介して後述する制御装置９２からＧ端子４６にオン／オフ指令信号が入力され、そのオン／オフ指令信号によりソース−ドレイン間が短絡・開放、つまりオン／オフ作動がなされる。
【００２５】
（半導体スイッチ１の性能）
以上のような半導体スイッチ１を液体窒素中に浸し各部分の抵抗値を測定したところ下記（１）〜（４）に示すような値が得られた。
【００２６】
（１）第１電流配線１０、第２電流配線２０の常電導材配線５０の抵抗：２２．０μΩ
（２）第１電流配線１０、第２電流配線２０の超電導材配線６０の抵抗：  １．５μΩ
（３）ＭＯＳ−ＦＥＴ４０の抵抗：                                    ４．５μΩ
（４）半導体スイッチ１の全体の抵抗：                                ６．０μΩ
（半導体スイッチ１の適用例）
次に図２に基づいて、半導体スイッチ１の適用例について説明する。図２は、半導体スイッチ１をバイパススイッチとして用いた超電導コイルシステム８０の概略の構成図である。
【００２７】
超電導コイルシステム８０は、図２に示すように、超電導コイル８２、永久電流スイッチシステム５、第１切替スイッチ８６、第２切替スイッチ８８、直流電源９０を備えている。
【００２８】
超電導コイル８２は、電力を磁気エネルギーとして貯蔵するものであり、Ｂｉ２２２３高温超電導線で形成されており、液体窒素や液体ヘリウム等で冷却されて超電導状態となる。
【００２９】
永久電流スイッチシステム５は、熱式永久電流スイッチ８４、半導体スイッチ１、第１電流配線１０、第２電流配線２０及び制御装置９２を備えている。
熱式永久電流スイッチ８４は、超電導材料に図示しないヒータが設けられたものであり、超電導コイル８２とともに極低温に冷却された状態で使用される。つまり、ヒータによって超電導材料を加熱しなければ、冷却されているので極低温状態になっている。したがって、抵抗が０の超電導状態となって永久電流が流れる。この状態をオンという。
【００３０】
逆に、ヒータによって加熱すれば、超電導状態が崩れ、抵抗が発生し永久電流が遮断される。この状態をオフという。この、熱式永久電流スイッチのオン／オフ、つまり、ヒータの加熱／非加熱の制御は、制御装置９２からのオン／オフ指令信号によって行われる。
【００３１】
また、熱式永久電流スイッチ８４の両端は、図２に示すように超電導コイル８２の両端に接続されており、オンのときに超電導コイル８２の両端を短絡して閉回路（以下、超電導回路とも称する。）を作って超電導コイル８２に永久電流を流すように構成されている。逆に、オフのときには閉回路をオープンにし、超電導コイル８２に流れている永久電流を遮断する。
【００３２】
半導体スイッチ１は、熱式永久電流スイッチ８４と並列に接続、つまり、ＭＯＳ−ＦＥＴ４０のＳ端子４２とＤ端子４４とが各々熱式永久電流スイッチ８４の両端に接続されている。
【００３３】
そして、半導体スイッチ１を構成するＭＯＳ−ＦＥＴ４０のＧ端子４６に制御装置９２からの制御ラインが接続され、その制御線を介して制御装置９２からゲートにオン／オフ指令信号が入力され、そのオン／オフ指令信号によりソース−ドレイン間が短絡・開放、つまりオン／オフ作動がなされる。
【００３４】
このＭＯＳ−ＦＥＴで構成された半導体スイッチ１は、熱式永久電流スイッチ８４よりもスイッチング速度が速く、かつ、前述のように並列化されたり、あるいは冷却されたりすることにより抵抗値が低下するという特性を有している。
【００３５】
超電導コイル８２の一端は、第１電流配線１０及び第１切替スイッチ８６を介して直流電源９０のプラス端子に接続され、他端は、第２電流配線２０及び第２切替スイッチ８８を介して直流電源９０のマイナス端子に接続されている。
【００３６】
第１切替スイッチ８６及び第２切替スイッチ８８は、制御装置９２からのオン／オフ指令信号に基づいて、直流電源９０から供給される電流を超電導コイル８２に供給／遮断するためのスイッチである。
【００３７】
第１切替スイッチ８６及び第２切替スイッチ８８は、制御装置９２からのオン指令信号を受けオンとなり、直流電源９０から超電導コイル８２に電流を供給し、オフ指令信号を受けオフとなって、直流電源９０からの電流を遮断する。
【００３８】
直流電源９０は、超電導コイル８２に電流を供給するための装置であり、第１切替スイッチ８６及び第２切替スイッチ８８を介して第１電流配線１０及び第２電流配線２０によりプラス端子とマイナス端子とが各々超電導コイル８２の両端に接続されている。
【００３９】
制御装置９２は、熱式永久電流スイッチ８４、半導体スイッチ１、第１切替スイッチ８６及び第２切替スイッチ８８にオン／オフ指令信号を出力し、熱式永久電流スイッチ８４、半導体スイッチ１、第１切替スイッチ８６、第２切替スイッチ８８をオン／オフさせるものである。
【００４０】
冷却部９４は、超電導コイル８２、熱式永久電流スイッチ８４、半導体スイッチ１を冷却するための容器である。そして、内部には、液体窒素や液体ヘリウムなどの冷却媒体が充填され、その冷却媒体に超電導コイル８２、熱式永久電流スイッチ８４、半導体スイッチ１が浸され、超電導状態になるように冷却される。
【００４１】
また、冷却部９４の冷却媒体は、図示しない冷却装置、例えば、パルス管冷却装置により冷却され、超電導コイル８２等を超電導状態に冷却する。
（超電導コイルシステム８０の不安定性の解消）
半導体スイッチ１の利用方法の一例として、超電導コイルシステム８０において、熱式永久電流スイッチ８４が偶発的な事由により発熱し、超電導回路が不安定になった場合に、その不安定性を解消する場合について、図３に基づき説明する。
【００４２】
図３は、超電導コイルシステム８０の不安定性を解消する際の超電導コイルシステム８０の作動を説明するための作動説明図である。なお、図３においては、制御装置９２を省略している。
【００４３】
超電導コイルシステム８０では、図３（ａ）において破線で示すように永久電流が流れている。この状態で何らかの偶発的な事由により熱が発生し、熱式永久電流スイッチ８４が加熱されて一時的にオフ状態、つまり抵抗が発生した状態になった場合、超電導コイルシステム８０には大電流が流れているため、熱式永久電流スイッチ８４で発生した抵抗におけるジュール加熱で、更に加熱が促進される。
【００４４】
つまり、熱式永久電流スイッチ８４に偶発的な事由による発熱があると、抵抗が発生し、その抵抗により更に加熱されるというサイクルに入ってしまうので、冷却により熱式永久電流スイッチ８４を超電導状態、つまりオン状態に復帰させることが難しい。
【００４５】
したがって、偶発的な事由により熱式永久電流スイッチ８４が発熱すると、超電導回路に流れる電流が急激に減衰する。
そこで、偶発的な事由により熱式永久電流スイッチ８４が発熱した場合、制御装置９２から半導体スイッチ１へオン指令信号を出力し、半導体スイッチ１をオンする。すると、発熱により熱式永久電流スイッチ８４に発生した抵抗値よりも、ＭＯＳ−ＦＥＴ４０を並列接続して構成された半導体スイッチ１の抵抗の方が小さくなるので、図３（ｂ）に示すように電流は、ほとんど半導体スイッチ１を流れる（抵抗に逆比例した値の電流が流れる。）。
【００４６】
つまり、熱式永久電流スイッチ８４には、電流がほとんど流れなくなるので、ジュール加熱による発熱がなくなる。したがって、熱式永久電流スイッチ８４を発熱させる偶発的な事由が解消され、冷却能力が熱式永久電流スイッチ８４の発熱量を上回って熱式永久電流スイッチ８４が所定の温度以下に冷却されれば、熱式永久電流スイッチ８４を速やかに超電導状態、すなわちオン状態を回復させることができる。
【００４７】
このようにして熱式永久電流スイッチ８４をオン状態に回復させた後、制御装置９２から半導体スイッチ１へオフ指令信号を出力し、半導体スイッチ１をオフする。
（半導体スイッチ１の特徴）
以上のような半導体スイッチ１では、並列接続された半導体スイッチ１に対して電力を供給するための配線である第１電流配線１０及び第２電流配線２０が常電導材配線５０及び超電導材配線６０で形成される。また、超電導材材料で形成された超電導材配線６０は、常電導材料で形成された常電導材配線５０と並列に配置される。
【００４８】
つまり、並列接続された常電導材配線５０と超電導材配線６０とによってＭＯＳ−ＦＥＴ４０に電力が供給される。この状態で、半導体スイッチ１が極低温に冷却されると、ＭＯＳ−ＦＥＴ４０は抵抗値が低減する。また、常電導材配線５０と並列接続された超電導材配線６０も極低温状態に冷却され、超電導状態となるので、抵抗値が０になる。
【００４９】
つまり、極低温状態では、半導体スイッチ１の抵抗は半導体の微少抵抗のみとなるので半導体スイッチ１全体の抵抗値が低減される。
また、半導体スイッチ１には、ＭＯＳ−ＦＥＴ４０が用いられている。ＭＯＳ−ＦＥＴ４０を並列接続し、極低温にした場合、他の半導体素子に比べ抵抗値が低くなるので、高性能の半導体スイッチ１とすることができる。
【００５０】
［第２実施形態］
次に図４に基づき、基板７０に超電導膜を形成した半導体スイッチ２について説明する。図４は、基板７０に超電導膜を形成した半導体スイッチ２の概略の構成を示す図である。半導体スイッチ２は、図４に示すように、第１電流路１２、第２電流路２２、制御線３２、ＭＯＳ−ＦＥＴ４０及び基板７０を備えている。
【００５１】
基板７０は、略長方形のサファイヤ板７２に第１電流路１２、第２電流路２２及び制御線３２が蒸着されて形成されている。
第１電流路１２及び第２電流路２２は、イットリウム系などの高温超電導材料の薄膜であり、酸化マグネシウムやサファイヤなどの基板７０の表面に蒸着されている。
【００５２】
第１電流路１２は、略長方形のサファイヤ板７２の短辺のうちの一辺以外の２つの長辺と他の短辺（つまり、サファイヤ板７２の３辺）の縁部に沿って形成されており、第２電流路２２は、第１電流路１２が形成されていない短辺の縁部から他の短辺に向けてサファイヤ板７２の中央部に形成されている。
【００５３】
制御線３２は、サファイヤ板７２に銅を第１電流路１２と第２電流路２２の間に長辺方向に２本形成されており、２本の制御線３２の各々に、第１電流路１２が形成されていない短辺の縁部近傍において短辺方向に外部の接続するための接続部が形成されている。
【００５４】
ＭＯＳ−ＦＥＴ４０は、第１実施形態におけるものと同じであり、Ｓ端子４２と第１電流路１２、Ｄ端子４４と第２電流路２２及びＧ端子４６と制御線３２とが高温超電導材又は短尺の高導電率常電導材のワイヤーボンディングによって接続されている。
【００５５】
このような半導体スイッチ２では、並列接続された半導体スイッチ２に対して電力を供給するための配線である第１電流路１２及び第２電流路２２が超電導材料で形成されている。
【００５６】
つまり、並列接続されたＭＯＳ−ＦＥＴ４０に超電導材料の膜（第１電流路１２及び第２電流路２２）で電力が供給される。この状態で、半導体スイッチ２が極低温に冷却されると超電導材部分の抵抗値が０になる。
【００５７】
つまり、極低温状態では、半導体スイッチ２の抵抗は半導体の微少抵抗のみとなるので半導体スイッチ２全体の抵抗値が低減される。
また、超電導材料の第１電流路１２及び第２電流路２２を細くできるので、ＭＯＳ−ＦＥＴ４０を基板７０上に配置する際の配置位置の選択の自由度が高くなるので、ＭＯＳ−ＦＥＴ４０の基板７０への実装が容易になり実装密度を大きくできる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】半導体スイッチ１の接続状態の概略を示す図である。
【図２】半導体スイッチ１をバイパススイッチとして用いた超電導コイルシステム８０の概略の構成図である。
【図３】超電導回路の不安定性を解消する際の超電導コイルシステム８０の作動を説明するための作動説明図である。
【図４】基板７０に超電導膜を形成した半導体スイッチ２の概略の構成を示す図である。
【符号の説明】
【００５９】
１，２…半導体スイッチ、５…永久電流スイッチシステム、１０…第１電流配線、１２…第１電流路、２０…第２電流配線、２２…第２電流路、３０…制御配線、３２…制御線、４０…ＭＯＳ−ＦＥＴ、４２…ソース端子（Ｓ端子）、４４…ドレイン端子（Ｄ端子）、４６…ゲート端子（Ｇ端子）、５０…常電導材配線、６０…超電導材配線、７０…基板、７２…サファイヤ板、８０…超電導コイルシステム、８２…超電導コイル、８４…熱式永久電流スイッチ、８６…第１切替スイッチ、８８…第２切替スイッチ、９０…直流電源、９２…制御装置、９４…冷却部。
【図１】
0005356663.tif 000002
【図２】
0005356663.tif 000003
【図３】
0005356663.tif 000004
【図４】
0005356663.tif 000005