Proceedings of the 25th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 12-14, 2000, Himeji, Japan)[12P-31]

HIGH VOLTAGE TRANSISTOR SWITCH FOR KLYSTRONMODULATING ANODE MODULATOR
T. Nakamura, M. Yuura, M. Ono *), M. Kawamura*) and S. Anami*)
Pulse Electronic Engineering Co.,Ltd.
274, Futatuzuka, Noda-Shi, Chiba-ken, 278-0016 JAPAN*)

KEK, High Energy Accelerator Research Organization
1-1 Oho, Tsukuba-Shi, Ibaraki-ken, 305-0801 JAPANAbustract
We developed a high voltage solid state switch that consists of FET transistors. The switch is designed to meetthe requirements for generating the modulating anode pulse for the JHF 3-MW klystron. The maximum ratings of thisswitch are 120kV (DC), 3A(peak), 700μs (pulse width) and 50pps, respectively. The test at the actual klystronoperation showed the quite stable performances.

クライストロン アノード変調器用高圧半導体スイッチ
1. はじめに
長パルス大電力クライストロンの M・アノード変調器は従来、スイッチとして電子管（四極管）が使用されているが電子管自体の需要減少に伴い、より高耐圧、高速性の新たな電子管の開発は期待できない傾向にある。 又、電子管は寿命が短く、損失が大きくドライブ回路が複雑でスペースファクタの良くないものであった。 この度,これらの欠点を解決するため使用電圧 120KV、電流 3A 、パルス幅

図 1.クライストロンアノード変調回路

700μs 、繰返し 50pps の FET 素子を使用した高圧半導体スイッチを開発し、実際にクライストロン稼3. 電子管と高圧半導体スイッチの比較動に用い良好な結果を得たので報告する。

従来使用されてきたスイッチング用電子管
TH5188（トムソン社製）と今回開発した高圧半導体

2. アノード変調回路

スイッチとを使用条件の 120KV,3A,700μs,50pps

クライストロンの M・アノード変調回路は図 1.
であり、直流高圧電源と抵抗及びスイッチからで電力損失を比較して見ると、電子管（TH5188）ではプレート損失、ヒータ損失、グリッド損失等、総成り、そのスイッチが高速動作することによりクラ合で 467W である。

イストロンがアノード変調されるもので、そのスイッチは高耐圧、高速性が要求される。

一方、高圧半導体スイッチでは FET の ON 抵抗損失並びにスイッチ駆動回路損失を含めて 95W となった。このため熱損失が 1/5 に低減され省エネルギー化はもとより、他の回路部品におよぼす熱の影響が軽減され小型となる。

−219−又、電子管の寿命は数千時間と言われ約１年から２年程度で交換が必要である。

影響なく均等化されて、高電圧に適した半導体スイ今後の寿命評価ッチとなっている。 又、FET のゲート回路は整流を待たなければならないが、FET 自身は半永久的で方式としているため、短パルス動作から長パルス動あり、電子管に比べ飛躍的な寿命が期待できる。

作まで幅の広いスイッチ動作が可能である。

又、電子管を駆動するには、電子管のカソード電位にヒータやグリッド回路を構成しなければならなかったため大きなスペースを必要としたが、高圧半導体スイッチでは、スイッチ部のみが完全に高電位に置くことができ、グランドレベルでドライブができるため、パルス回路全体が非常に簡素化できる。

5. 耐電圧試験
高圧半導体スイッチの両端間に DC150KV, 10 分間印可し異常がないことを確認した。 その時のリーク電流は 40 μ A で、半導体スイッチに内蔵の分担抵抗値 3.75 GΩに流れる電流と一致した。

4. 高圧半導体スイッチ性能及び構造今回開発した高圧半導体スイッチの性能は表 1.の通りでスイッチの両端子はそれぞれグランドレベル（供給電源電位）に対し DC150KV の絶縁耐力がある。
使用条件

絶縁油（トランス油）

耐電圧

DC 150KV

最大動作電圧DC 120KV

ピーク電流3 A

パルス幅700 μs

繰返し50 pps

供給電源

AC.100V, 0.5A

信号入力

TTL 又は光信号表 1. 高圧半導体スイッチの性能

図 2 . 高圧半導体スイッチブロック図

図 2. は高圧半導体スイッチのブロック図を示す。
同図ではトリガー入力信号は光信号を使用し、ドライブユニットより高圧半導体スイッチユニットへ高周波パルストランス駆動用信号を高絶縁ケーブルにて供給している。
図 3. は高圧半導体スイッチの構造図で、半導体スイッチ部が直径 Φ320, 高さ 370 mm で、重量は約 12 Kg である。 また、ドライバーユニット部は350(W)×210(H)×200(D),重量 4 Kg である。
半導体スイッチ部は 5 個のスイッチユニットからなり、そのスイッチユニットは FET 素子を 30 個直列接続している。
ユニットは円形の基板とし、ユニット間にはコロナリングで電位固定している。

このため、電位分担がよく、各 FET 素子に加わる電圧も外部環境に

図 3 . 高圧半導体スイッチ構造図

6. 単発パルス動作試験

上の連続試験を行った。 図 6. はその時のアノード

図 4. は単発パルス動作試験を行った回路図を示す。

変調電圧波形である。この波形の立上り立ち下がり

ここでは 0.1μ F のコンデンサーに 120KV

時間は外部回路の定数によって決まっており、高圧まで充電し 40KΩの抵抗を介して高圧半導体スイ半導体スイッチ自身は十分に速く動作している。

ッチオンで 600μs 間放電させた。

その時の電圧、電流波形が図 5.である。 なお電圧波形観測
用高圧プローブはパルス電子技術（株）製 EP-150KPで分圧比は 1/10,000 である。

又、電流波形観測

用 C.T はピアソン社製．MODEL-110 で感度は0.1V/A である。

（上）カソード電圧波形 20kv/div（下）アノード電圧波形 20kv/div
時間軸 100μS/div
図 6. アノード変調電圧波形

8. むすび今回、クライストロンアノード変調器用として
図 4 . 単発パルス動作試験回路図

FET 素子を用いた高圧半導体スイッチを開発し120KV, 3A, 700μs, 50pps の動作が確認された。 当スイッチは高電圧、低損失、長寿命、小型化が達成でき、アノード変調器以外の高圧パルス発生回路においても応用の可能性を示すことができた。
なお、FET 素子の定格電流は 20A（ピーク）である
ため、その評価は今後のテーマである。

（上）電圧波形 50kv/div, （下）電流波形 5A/div
時間軸 100μS/div
図 5．単発パルス動作試験データ

7. クライストロン実動試験
開発した高圧半導体スイッチをクライストロン試
験用としているモジュレータに取付けて、直流電圧95KV、パルス幅 700μs、繰返し 50pps で 48 時間以