Proceedings of the 25th Linear Accelerator Meeting in Japan (July 12-14, 2000, Himeji, Japan)[13B-04]

DEVELOPMENT OF A 45KV, 6KA SEMI-CONDUCTOR SWITCH
FOR KLYSTRON MODULATORSM. Akemoto*), H. Honma and S. Anami
High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
Oho 1-1, Tsukuba-shi, Ibaraki-ken, 305-0801 Japan
Abstract
We are developing a solid-state switch to replace thyratrons for klystron pulse modulators. The solid-state switch
has the potential to operate with higher efficiency than thyratron switch and with a much longer lifetime. The SI-thyristor
designed for pulsed power applications is suitable for this purpose because of its high-power handling and fast turn-on
capabilities. We have designed and built a 45 kV solid-state switch which consists of 15 SI-thyristors stacked in series.
The switch has been successfully operated at 45 kV, 6000 A peak current, 6 µs pulse-width and 25 Hz repetition rate.

クライストロン電源用４５kV、６kA
1. はじめに半導体スイッチの開発観を示す。各段には、ゲートドライブ回路及び直流電圧

近年、半導体パワーデバイスは目覚ましい発展をとげバランスをとるための分圧抵抗(1MΩ/10W 2並列)、スイており、装置の寿命・品質を向上させるために、スイッッチング時のバランスをとるための分圧コンデンサチング素子の半導体化が積極的に進められている。[1]大(220pF)、デバイスを過電圧破壊から守るためのアレスタ型の線形加速器に用いる大電力クライストロン用パルス(3.7kV)がSIサイリスタに並列接続されている。
この本体電源では、電圧・電流・高速スイッチングの仕様が非常は冷却と電気的絶縁のために円柱型（高さ550mm、直径に高いために従来サイラトロンスイッチのみが用いられ300mm）の絶縁油タンクに収納し、冷却のために絶縁油てきているが、これを半導体スイッチに置き換える技術を循環させる。また低インダクタンスにするために、タ開発は大いに期待される。

ンクをその外導体とする同軸構造にした。

SIサイリスタ(Static Induction Thyristor)[2]は、高耐圧化が容易で、低損失・大容量・高速デバイスであり[3]、大電力クライストロン用パルス電源用スイッチに対して非常に高い適正を有している。本稿は、このSIサイリス
タを１５素子直列接続した 45kV 半導体スイッチを試作し、実際のクライストロン用パルス電源で大電力評価試験を行ったのでその報告をする。

2. 半導体スイッチの概要
表１に半導体スイッチの目標性能を示す。使用した SIサイリスタは、日本ガイシ（株）で開発されたもので、SI サイリスタとフリーホイーリング・ダイオードを一体化した逆導通型デバイスで、平型圧接パッケイジ、4kV耐圧、RT103Nである。この SI サイリスタの性能から、素子を並列化しないで直列接続のみで構成することができる。図1に15素子を直列接続した半導体スイッチの外
図１ 半導体スイッチの外観*)

M. Akemoto, 0298-64-5200-4246, mitsuo.akemoto@kek.jp−86−

表１ 半導体スイッチの主な性能

4.1 通電特性
図３に充電電圧 45kV での半導体スイッチのアノード

パルスピーク電圧

最大45kV

パルスピーク電流

6kA

電圧・電流波形を示す。この波形からピーク電流 6000A

パルス幅6µsを得た。またdI/dtは10kA/ µsであった。図４に、同じ条

パルス繰り返し50Hz

件でのサイラトロンスイッチ（EEV 社製 50kV 耐圧

スイッチング時間200nsCX1536A）を使用した時の、アノード電圧・電流波形を示す。両者を比較すると、スイッチング時間（アノード電圧立ち下がりの90%-10%間の時間）は、半導体スイッ3. 試験回路実際のクライストロンパルス電源[4]を使用して、半導体スイッチの大電力試験を行った。サイラトロンスイッ
チとの性能比較をするため、スイッチのみを置き換えるかたちで試験を行った。図２に試験に使用したパルス電源の回路構成を示す。逆導通型デバイスを使用した半導体スイッチであるので、パルス成形回路(PFN)の逆充電を防止するためのEnd of Line Clipper(EOLC)回路がPFNに接続されている。またこの電源ではインバータ電源を用いたコマンド充電方式を採用している。PFN は 0.045µFのコンデンサを9 段接続したものを 2 並列とし、インバータ電源によって19ms で 45kV まで定電流で PFN を充電し、ホールド時間5ms後半導体スイッチを点弧して放電させ、1:15 のパルストランスによって出力電圧を 15倍に昇圧し、SLAC製の5045型クライストロンに印加する。半導体スイッチのアノード電圧は高圧プローブ（岩チは208nsで、サイラトロンスイッチは40nsであった。
5 倍の差違はあるが、電流の立ち上がりは、ほとんどパルストランスを含む出力回路の時定数で決まっているので、両者の出力波形の立ち上がりには大きな違いは現れていない。しかし、半導体スイッチのゆっくり立ち下がる分は、スイッチの損失となり発熱となる。以上の結果から、この半導体スイッチは大電力サイラトロンに匹敵する十分なスイッチング能力があることが確認できた。
図５に充電電圧 45kV でのクライストロンの電圧・電流波形を示す。この波形が示す、ピーク電圧 361kV、ピー
ク電流 376A、パルス幅 6µs から、ピーク出力電力は136MWであることが分かる。今までサイラトロンスイッチのみ可能であった 100MW 級の大電力パルススイッチ
ングを、今回の半導体スイッチで実現できることが確認できた。

崎通信機製 HV-P60）で測定し、アノード電流は PFN の戻りのラインに挿入したCT(Pearson製 Model 3025)を用いて測定した。また同時にクライストロンの印加電圧、ビーム電流はパルストランス内にある容量分圧器及びCTでそれぞれ測定した。

図３ 半導体スイッチの電圧・電流波形

図2 パルス電源の回路構成

4. 試験結果
パルス電源は繰り返し25Hz（充電器の最大能力）で運転を行った。PFN充電電圧を 20、30、40、45kV と徐々に上げて、各電圧での波形とスイッチの損失の熱量測定を行った。
図４ サイラトロンスイッチの電圧・電流波形

った。その結果は、大電力サイラトロンに匹敵する十分なスイッチング能力があることを示した。またスイッチの損失はPFNに蓄積されたエネルギーの約５％損失することことが分かった。高い繰り返しではかなりの損失になるので、今後の課題になるが、大電力クライストロン
用パルス電源のサイラトロンスイッチの半導体化に対して大きな見通しを得たと言える。
表2 スイッチの損失とPFN充電電圧の関係
図５ クライストロンの電圧・電流波形

4.2 スイッチ損失

PFN
PFN蓄積 スイッチ
スイッチの損失の内訳
充電電圧 エネルギー の損失 分圧抵抗 ゲート回路 デバイス
(kV)
(J/pulse)(J/pulse) (J/pulse) (J/pulse) (J/pulse)
20162303654064845820

スイッチの損失は通常スイッチ電圧・電流波形から求められるが、大電力のもとで精度の高い測定は困難なため、ここでは信頼性の高い熱量測定の方法で半導体スイッチの損失を評価した。半導体スイッチの冷却システム
はスイッチ本体が入っている絶縁油タンク、ポンプとラジエーターから構成される密閉循環システムである。タンクの入出口の熱電対により油の温度を常時モニターし、度の温度差で 130W のスイッチの損失になる。タンク内の温度が定常となまでに約 1 時間の連続運転が必要であった。表2にPFN充電電圧20、30、40、45kVのときのPFN の蓄積エネルギーとスイッチの損失の関係を示す。
PFN 充電電圧 45kV では、タンクの出口と入口の温度差は、8.5℃まで上昇し、スイッチの損失が 1.1kW に達する。当然、高い繰り返しでは大きなエネルギー損失になる。表からスイッチの損失が PFN 蓄積エネルギーの約５％占めていることが分る。また、この損失はPFN充電電圧の二乗に、即ち蓄積エネルギーに比例して増加していることも分かった。
スイッチの損失は分圧抵抗、ゲート回路そしてデバイスによるものとに分類することができる。分圧抵抗は充電電圧波形から計算し、ゲート回路は基板に送られる電力の実測値から見積もった。その残りをデバイスの損失

0.98(10.5%)
1.92(9.0%)
2.77(8.5%)
3.10(7.4%)

0.8(8.5%)
0.8(3.8%)
0.8(2.4%)
0.8(2.4%)

9.6(81.0%)
18.6(87.2%)
29.2(89.1%)
37.2(90.7%)（）内はPFN蓄積エネルギーに対する割合、スイッチの損失の内訳（）内は全損失に対する割合

その温度差と流量(4.7l/min.）からタンク内に発生した熱量、すなわちスイッチの損失を測定した。この試験では19.4(5.8%)
21.3(5.8%)
32.8(5.1%)
41.1(5.0%)

謝辞
本研究に際し、菅原機構長、木原加速器研究施設長、高田加速器研究総主幹にご理解と多くのご指導を頂きました。ATFグループの方々には試験の協力を頂きました。
日本ガイシ（株）清水尚博氏、小松製作所（株）吉田大輔氏に大変お世話になりました。ここに感謝の意を表します。

参考文献[1] K. Sato et al., “Development of Long-Pulse, HighFrequency Pulse Modulator for S-band Klystron,” Proc.
of the 24th Linear Accelerator Meeting in Japan,(1999)206.
[2] N. Shimizu et al., “4kV Reverse Conducting StaticInduction Thyristor,” 10th SI Device Symposium,SSID-97-6, 1997.とした。表2にそれぞれのPFN充電電圧での損失を示す。
充電電圧45kVでは、デバイスによる損失割合が90%に達し、スイッチの損失は殆どデバイスの損失であることが分かる。従って、スイッチの損失の低減には、デバイ[3] M. Akemoto et al., “Development of a High-PowerKlystron Modulator with SI-Thyristor Switch,” Proc. ofthe 24th Linear Accelerator Meeting in Japan,(1999)101.

スの改善が強く要求される。

5. まとめSIサイリスタを15素子直列した45kV半導体スイッチを試作し、実際のクライストロンパルス電源で試験を行[4] S. Morita et al., “Test Operation of the Klystron
Modulator Using Inverter Power Supply,” Proc. of the23 rd Linear Accelerator Meeting in Japan, (1998)255.