Proceedings of the 25th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 12-14, 2000, Himeji, Japan)[12P-39]

DEVELOPEMENT OF IEGT SWITCH FOR A KLYSTRON MODULATORK. Okamura*), C. Yamazaki, Y. OhnishiA), T. HoriB) and H. HanakiB)
Toshiba Corporation Information and Industrial Systems & Services Company
1, Toshiba-cho, Fuchu-shi, Tokyo, 183-8511 JAPANA)Toshiba Corporation Power Systems & Services Company
8, Shinsugita-cho, Isogo-ku, Yokohama, 235-8523 JAPANB)Japan Synchrotron Radiation Research Institute (JASRI/Spring-8)
Koto 1-1-1, Mikazuki-cho, Sayo-gun, Hyogo, 679-5198 JAPANAbstract
To replace a thyratron which is used in a klystron modulator, we have developed a high voltage switch utilizing
IEGT which is recently developed semiconductor power device. We confirmed that an IEGT device successfully
conducted current of almost 6 kA and that the IEGT switch had a satisfactory performance.

クライストロンモジュレータ用ＩＥＧＴスイッチの開発
1.

はじめにクライストロンを駆動するパルス変調器のスイッチとしてはこれまでサイラトロンが用いられてきた。しかしサイラトロンは放電管であるため寿命や品質の偏差が問題となりまた経年変化を補正するためにリザーバ電圧を調整する必要があるなど保守上の問題がある。そのためこれを半導体で置き換えるべく IEGT を用いたスイッチを開発した。
２．I E G T
ＩＥＧＴ（Injection Enhanced Gate bipolarTransistor）は近年になって開発された半導体パワー素子であって高速のスイッチングが可能でありかつ高い定格電圧でもエミッタ側からの電子注入促進作用によって低い飽和電圧が維持されるという特徴がある[1]。
プレーナゲート型ＩＥＧＴ（P -IEGT）の模式断面図とキャリア密度分布を図１に示す｡P-IEGT は従来型素子のＩＧＢＴ（Insulation Gate BipolarTransistor)とよく似た構造を持つ素子であり機能的には MOSFET とバイポーラートランジスターの複合素子である。したがって電界制御による高速スイッチング特性とバイポ ーラ通電による大電流密度を両立させることができる。さらに IEGT ではゲ
ート幅 Wg がＩＧＢＴに比べて広いのが特徴である｡
ＩＥＧＴではゲート幅 Wg が広くなることによりコレクタ側から注入されたが直接エミッタに通り抜けにくくなりｎ−層のエミッタ側に正孔が蓄積されそのことによって電気的中性を維持しようとチャnpWg/2n-n+p

図 1 プレーナゲート型ＩＥＧＴの模式断面図とキャリア密度分布ネルを介して電子の注入が促進される。その結果､エミッタ側のキャリア密度が増加し結果的にＧＴＯサイリスタと類似のキャリア密度分布が実現して低い飽和電圧が得られる｡
IEGT は圧接型パッケージのものとパワーモジュール型 パッケージのものが開発されているが今回は低インダクタンスでパルス通電に適した圧接型パッケージのものを採用した。
図２に今回用いた IEGT 素子（S6X02(P))の外観を、表 2 に主な定格を示す。
なお今回使用した素子は特別にキャリア寿命制御を抑制しコレクタ・エミッタ間飽和電圧を低くし*) K. Okamura, 042-333-2308, katsuya.okamura@toshiba.co.jp−243−

IC(500A/div)
VCE(500(V/div)
VCE(10(V/div)

図４スイッチング波形の例（２μs/div）

図 2 IEGT（S6X02(P))の外観

ついては拡大波形も合わせて示している。
またこの電圧・電流波形より IEGT の損失を評価したところ 3.7J であった。これは充電エネルギーに対して約７％であり、効率に換算すると 93％であった。
図 5 に充電電圧を変えたときの電流ピーク値とオン電圧の変化を示す。 この結果本試験パラメー
タの範囲では電流が充電電圧にほぼ比例して増加し、またオン電圧の変化も小さいことから IEGT が健全に動作していると判定できる。

表１ IEGT（S6X02(P))の主な定格
項目
コレクタ・エミッタ間電圧
コレクタ電流DC１ｍｓ
コレクタ・エミッタ間飽和電圧*1
ポスト直径
最大外径
厚さ
圧接力
質量値
4500
750
1500
2.685
1202631.5
1400

単位
VAA
Vmm
mmmm
kNg

7000
6000（A)

L2156nH

L3161nH

L4165nH

C2286nF

C3286nF

C4304nF

L5169nH

25PFN２並列

4000

電流３．素子単体の短パルススイッチング特性
最初に素子単体でのスイッチング特性を調査した。評価回路は図３に示した PFN 回路である。本PFN 回路は特性インピーダンス 0.8Ωの PFN を３並列にしたものである。素子評価実験においては充電電圧と PFN の並列数を変えて IEGT に流れる電流を調整した。
スイッチング波形の例を図４に示す。図４ではスイッチング時のコレクタ・エミッタ間電圧（VCE）とコレクタ電流（IC）を示している。また VCE に
L1138nH30PFN３並列

5000*1 Ic=750A

RL3520PFN３並列3000

152000

10PFN２並列

1000

5001000

2000
3000
充電電圧 （V)04000

図 5 電流ピーク値、オン電圧の充電電圧依存性

L6176nH

L7186nH

L8199nH

L9218nH

L10248nH

L11303nHL12444nH

0.8Ω

C1268nF

C5304nF

C6322nF

C7340nF

C8376nF

DUT同上

同上

図３

素子単体スイッチング特性評価回路

C9412nF

C10500nF

C11626nF

C121250nF

オン電圧 （V)て通電損失が小さくなるようにしたものである。

4.２ 設計
表２よりスイッチに印加される電圧は最大25kV である。IEGT 素子単体の最大電圧は 4.5kVであるがこれは絶対最大定格であり実際の設計にあたっては直流連続印加に対する寿命、分圧アンバランス、ターンオン過電圧などを考慮する必要があり今回は直列数を１０として素子 1 個あたりの平均電圧が 2.5kV となるようにした。
定格運転時の素子 1 個あたりの発熱は大型の圧接型パワーデバイスとしてはきわめて小さな値であり自冷とすることも可能であったがフィンを極力小さくすること及び将来的なパワー増強も考慮して強制風冷方式とした。
図６にスイッチの外形を示す。

1.51.4不平等能率

４．I E G T スイッチ
4.1 定格
表２に今回製作した IEGT スイッチの設計定格を示す。
表 2 IEGT スイッチの定格項目値
単位
出力パルス電圧12.5kV
出力パルス電流1248A
出力パルス幅10µs
最大繰り返し60pps
出力インピーダンス
10Ω
PFN 充電電圧
25.0kV

1.3
1.2

過渡分担電圧

1.1
10.9
0.8
0.7
0.6

直流分担電圧0.5
IEGT- IEGT- IEGT- IEGT- IEGT- IEGT- IEGT- IEGT- IEGT- IEGT12345678910
素子番号

図７5.2 スイッチング
図８に模擬負荷を接続し、定格電圧を充電した時のスイッチング波形を示す。
電流の立ちあがり時間は 750ns であり十分サイラトロンを置き換えうるほどの性能が得られることが確認できた。なお図６において電流波形の立下り部においてピークがあるのは試験に用いた PFNの固有の特性でありスイッチに起因するものではない。

VCE(5kV/div)

図８

図６スイッチの外形

５．試験結果5.1 電圧分担
図７に直流印加時ととスイッチング時の各素子の分担電圧特性を示す。ここで不平等倍率とは個々の素子の最高分担 電圧
不平等倍率 =平均分担電圧で定義した。直流分担電圧、過渡分担電圧ともに均等であることが分かった。

電圧分担特性IC(250A/div)

定格電圧印加時のスイッチング波形(2µs/div）

６．まとめ
新しく開発された半導体パワーデバイス IEGTを用いてクライストロンモジュレータ用スイッチを試作し良好な特性が得られることを確認した。本スイッチは現在 Spring-8 の試験用モジュレータに組み込み長期運転評価を行っている。
[1]

松田：「IEGT の開発状況」、電学誌、118 巻、p.278、（1998)