J. Plasma Fusion Res. Vol.94, No.4 (2018)１
９１

小特集

パワー半導体を利用した高繰り返しパルスパワー電源の進展
Recent Progress of High-Repetition Pulsed-Power Source
by Using Solid State Device

１．はじめに
1. Introduction
江偉華

JIANG Weihua
長岡技術科学大学（原稿受付日：２
０
１
８年３月５日）高繰り返しパルスパワー電源のスイッチング素子としパワー発生方法とその応用て，半導体パワーデバイスが活躍している．昔から電力変

（江

偉華，徳地

明，須貝太一（長岡技科大））換や電動機制御のために開発されてきたパワーデバイスがLTD と呼ばれるパルスパワー発生用回路方式につ

パルスパワーの発生に適用された背景には，主に二つの技

いて解説し，代表的な実験結果を紹介すると同時に術動向がある．一つは半導体パワーデバイスの進歩と普及

LTD の特徴をまとめている．パルスパワー電源としてであり，その定格が年々向上しており，安定性と入手性はほかの回路方式と比較したうえで，将来へ向けた技術

他のスイッチング素子と比べて高まっている．もう一つは的展望を述べる．

パルスパワーが重視するスイッチングパラメータの変化で３．誘導加速シンクロトンに用いるパルスパワー電源あり，即ち電圧と電流よりも，安定性，再現性，繰り返し（岡村勝也（KEK），高木浩一（岩手大））

率及び寿命などの性能の注目度が顕著に上がっている．そ比較的新しい粒子加速器方式として誘導加速シンクの結果，従来のガス放電方式のスイッチに比べて許容電力

ロトロン（IS）が提案・実証されている．IS に用いるが低くても，ほかの優れた性能が得られるため，半導体ス

パルスパワー電源に関する動作原理と技術詳細を述べ

イッチが広く採用されている状況に変化している．

ている．高エネルギー加速器用パルス電源の半導体化

なお，半導体パワーデバイスの単体では，ほとんどの場と SiC 化は急速に進んでいる．

合，パルスパワー電源が要求する高電圧，大電流と短パル

４．パワーデバイスと磁気スイッチを用いたパルスパワー

スを同時に満たすことができない．このギャップを補うの発生装置と最近の応用（佐久川貴志（熊本大学））

は，電源設計における回路技術と制御技術である．本小特全固体パルスパワー電源のカギを握るパワー半導体

集は，このような観点から，パルスパワー電源を動かす半デバイスと磁気スイッチの原理と特徴について解説

導体パワーデバイスを活用する方法について，最近の研究

し，それぞれを用いた回路方式と出力特性について紹開発進展を報告する．

介する．代表的な応用として，エキシマレーザー，ア

本小特集の構成は次のとおりである．

オコ処理，OH ラジカル生成及び細胞印加などに関する研究開発の動向についてレビューする．

１．はじめに（江

偉華（長岡技科大））５．おわりに（江

偉華（長岡技科大））２．Linear Transformer Driver を用いた波形重畳型パルス

Nagaoka University of Technology, Nagaoka, NIIGATA 940-2188, Japanauthor’s e-mail: jiang@vos.nagaokaut.ac.jp

１９１!2018 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

J. Plasma Fusion Res. Vol.94, No.4 (2018)１
９２‐１９６

小特集 パワー半導体を利用した高繰り返しパルスパワー電源の進展

２．Linear Transformer Driver を用いた波形重畳型
パルスパワー発生方法とその応用
2. Pulsed Power Generation and Application Based on
Pulse Adding of Linear Transformer Driver江

偉 華，徳 地明，須 貝 太 一JIANG Weihua, TOKUCHI Akira and SUGAI Taichi
長岡技術科学大学極限エネルギー密度工学研究センター（原稿受付：２
０
１
８年２月２
８日）

Linear transformer driver（LTD）は比較的新しいパルスパワー発生回路方式である．本章は，パワー半導体を用いた小型高繰り返しパルスパワー電源として全固体 LTD の開発状況を簡潔にレビューする．回路構成と動作原理から技術課題や他の回路方式との比較まで述べ，将来の技術傾向について著者の観点から展望する．
Keywords:
pulsed power, high voltage, power electronics, power semiconductor, discharge, plasma２．
１ まえがきまた，LTD のモジュール化された構造は，システムの調整

Linear transformer driver（LTD）は，比較的新しいパルと変更に柔軟性を与え，構成要素の生産性や再利用にも有

スパワー発生法の一つであり，従来のパルス圧縮法とコン利である．

セプトが異なる．図１はその違いを示す．伝統的なパルス

最初に提唱された LTD は，加速器や核融合研究装置にパワー発生法では，一定の電気エネルギーの時間幅を圧縮使用される大型のものであった［９‐１２］．動作電圧と動作電することにより大きな瞬間出力パワーを得る［１‐８］．これに対して LTD では，低エネルギーを持つ多数の短パルスを重畳することにより必要なピークパワーに到達する．
典型的な LTD 等価回路を図２に示す．LTD に基づくパルスパワー発生器は多数の基本回路から構成される．基本回路として，コンデンサーとスイッチの組み合わせだけの場合が多い．これらの基本回路から生成された短パルスを適切に合成すれば，原理的に任意の出力電流と出力電圧を得ることができる．電流の合成は単純な並列接続により実現され，電圧の合成は誘導的な重畳で行われる．例えば#個の基本回路が並列接続してモジュールを成し，更に

図１"個のモジュールが重畳して構成されるシステムについて

パルスパワー発生方式，a）
パルス圧縮と b）
パルス合成．

考える．もし基本回路の出力電圧と出力電流を $と !としたら，LTD システムの出力電圧と出力電流は そ れぞれ"$と #!となる．すなわち，基本回路に比べて，システムの出 力 パ ワ ー は "#倍 と な り，出 力 イ ン ピ ー ダ ン ス は"!
#倍となる．
従来のパルスパワー発生法に比較して，LTD の長所はス
トレス分散とモジュール化構造である．パルス圧縮法に基づく装置において，メインスイッチと呼ばれる部品は欠かせない．このスイッチがシステムの出力を直接制御するため，その性能はシステムの性能を制約する．一方，LTD

図２

においてこのようなボトルネック的な部品は存在しない．

LTD 方式パルスパワー発生の等価回路．

Nagaoka University of Technology, Nagaoka, NIIGATA 940-2189, Japancorresponding author’s e-mail: jiang@vos.nagaokaut.ac.jp

１９２!2018 The Japan Society of Plasma
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Special Topic Article

2. Pulsed Power Generation and Application Based on Pulse Adding of Linear Transformer Driver

W. Jiang et al.

流の大きさから，スイッチとしてガス放電式のスパーク

荷へエネルギーを出力する．もしコアの損失を無視できれギャップを使うしかなく，コンデンサーの放電を途中で遮ば，一次電流と二次電流がほぼ等しくなり，効率よくパル断することができない．このため，回路動作は典型的なスパワーを発生することができる．
しかし，磁性体コアが飽和すれば，誘導電圧を発生しな

RCL 挙動となり，負荷とインピーダンスが整合している場

くなり，出力が著しく低下する．したがって，LTD が正常

合，充電電圧の約半分が出力される．
近年，パワー半導体デバイスを用いた小型 LTD は一般に動作するため，コアの飽和を常に回避しなければならな

産業用パルスパワー電源として研究開発されてきた［１３‐い．これによって，出力できるパルス幅が制限され，繰り

１５］．このような小型 LTD は，大型のものに比べて，電流返し動作の場合磁束をリセットする必要も生じる．

遮断能力と高繰り返し性能などの面で優れている．半導体

図５は LTD 基板設計例を示す．ここで，MOSFET とスイッチのオンとオフで定義された出力パルスは，方形波フィルムコンデンサーから構成される基本回路は基板上に的な形状を持ち，波高値が充電電圧に近い．更に，各モ

計２４セット配置されている．採用された主な回路部品はジュールの動作タイミングを個別に制御すれば，多彩な出

表１にまとめている．この LTD モジュールの定格動作電力波形を合成することができる［１６，１７］．

圧と最大動作電流はそれぞれ 1 kV と 250 A である．磁束のリセットには，約２A の直流電流を用いて行う．MOSFET

本章では，このような小型 LTD に関する研究開発と応用現状についてレビューし，パルスパワー電源としての特のゲート制御は，図６に示す回路によって行われている．

徴および技術としての将来性について展望する．

外部からの制御信号は光に変換され，ファイバー経由で基板に送信される．受信された信号は増幅器を経て各基本回

２．
２ 基本構造と動作原理

路のドライバーへ送られる．各回路間遅延のばらつきは 1

図３は典型的な LTD モジュールの断面構造を示す．円〜2 ns 程度と推定される．

形の PCB 基板上，同心円状に磁性体コア，コンデンサー，

同様な LTD モジュールを多数積み上げれば，図２のよスイッチ及びドライバーを並べている．等価回路は図４に

うな電圧重畳を実現することができる．図７は３０個のモ示すものである．基本的な動作原理は，１：１のトランスジュールで構成される LTD システムを示す．各モジューとして理解することができる．コンデンサーが外部電源に

ル基板の裏面は導電コーディングで覆われているため，どよって 予 め 充 電 されている 状 態 で，スイッチ（MOSFET）のモジュールもその上に別のモジュールが載ると，自然にが導通したら，コンデンサーから図の実線に示される経路

図３のような構造ができ上がる．スタック全体の上下だで放電する．これはコアを囲む一次側電流となり，これにけ，別の金属製フランジを設けている．全ての基板とフラよって誘起される二次電流は図の破線のループで流れ，負ンジが接地していることは，モジュールの充電，制御およびノイズ対策にとって非常に便利である．

図３

図４

LTD モジュールの断面構造．

LTD モジュールの等価回路．ここで，実線と破線はそれぞれ一次側と二次側電流の方向を表す．
表１

図５

全固体 LTD モジュール基板．

LTD モジュールで使用した主な部品．

DeviceMOSFET
Driver IC
Capacitor

Manufacturer
IXYS
Microchip
MurataModel
IXFT6N100F
MCP1407
GRM55DR73A

Magnetic Core

Sichuan Liyuan Electronics

1K107

Optic Module
Diode

HitachiVishayDR9300UF5408

１９３

Specifications
1000 V, 6 A (DC)
4.5〜18 V, 6 A
1 kV, 100 nF
130 mm (outer dia.)
86 mm (inner dia.)
5 mm (thickness)

Number per module
24
25
72

DC 〜 50 Mb/s
1000 V, 3 A (DC)1
41

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.94, No.4 April 2018

図６

MOSFET ゲート制御信号回路の概略図．
図７ ３０個のモジュールで構成される全固体 LTD システム．

２．
３ 典型的な動作特性
図８は，図７の LTD システムを用いて得られた出力電圧波形を示す．
３０個のLTDモジュールに計７２０個MOSFETが実装され，これらのスイッチを同時にオンすれば，負荷（１２０Ω）に対して充電電圧の約３０倍の電圧が出力される．
また，これらのスイッチを同時にオフすれば，出力が終了する．即ち，オンとオフの時間間隔を持って，出力パルス
幅を任意に変えることができる．図９はこのことを実験的に証明している．しかし，ここで二つの要素について考慮しなければならない．一つは磁性体コアの飽和であり，出力が保障されるのはコアの非飽和範囲だけである．もう一つはコンデンサ放電による電圧の低下であり，図８と図９からも見えるように出力電圧が僅かに右下がりしている．
実際，全てのモジュールを同時にスイッチングさせる必要がない．図４にある保護用ダイオードは，モジュールの

図８

各充電電圧の条件で得られた LTD の出力電圧波形．

図９

各制御信号パルス幅で得られた LTD の出力電圧波形．

MOSFET を保護する役割だけでなく，当該モジュールが動作しなくても回路電流をバイパスする機能も持っている．即ち，出力させたいモジュールだけ動作させることができ，その分だけの電圧が負荷に印加される．これを確かめるための実験結果は図１０に示される．ここで，すべてのモジュールを1 kVの電圧で充電している状態で，３０個のモジュールを全て別々のタイミングで動作させている．その結果，３０個の約 1 kV のパルスが出力された．この特性を利用すれば，多数のモジュールで構成された LTD システムに対して，各モジュールの動作時間を適切に調整すること
により比較的多様な出力波形を出力することが可能になる．

２．
４ 波形制御の応用例
LTD の出力波形柔軟性の応用例として，大気圧放電実験

形の制御は実用的に重要な意味を持つ．例えば，図１１の放を行った．放電電極の配置は図１１（a）に示され，直径 1 mm

電負荷に対して，LTD の出力電圧を印加した結果を図１２にの銅線と内半径 10 mm のサス円筒で構成される．放電時の示す．電圧パルスの時間幅が十分短い場合比較的小さい放時間積分写真を図１１（b）に示す．

電電流が流れるが（図１２（a）），パルス幅を長くすると放電

大気圧気体放電は急激に変化するインピーダンスが特徴

電流が顕著に増大する（図１２（b））．これは印加電圧の維持である．この変化は印加電圧に強く依存するため，電圧波により電極プラズマの成長が促進された効果と考えられる．
１９４

Special Topic Article

2. Pulsed Power Generation and Application Based on Pulse Adding of Linear Transformer Driver

気体の絶縁破壊を起こすために十分高い電圧が必要であW. Jiang et al.

ば，LTD のユニークな特徴を明らかにしている．

る．しかし，放電を持続させるにはこの高電圧まで必要と２．
５ LTD の性能特徴

しない．したがって，急峻な高電圧パルスの後に波高値が下がった電圧波形が望ましい．LTD のモジュール単独制御

全固体 LTD は，新しいパルスパワー発生方式としてそ機能を活かして，図１２（c）のような出力波形を発生するこの基本性能が実証されている．しかし，ほかのパルスパとができる．ここで，３０モジュール中の１２個をパルス途中

ワー発生方式と比べて，LTD 方式の長所と短所は，その将で切ることによって，電圧波形の段差を実現している．更来性を大きく左右する．

に，パルスの後半において，必要に応じて電圧を再び上げ

産業用高繰り返しパルスパワー発生方法はいくつか実用ることも可能である．図１２（d）は，１２モジュール中の９個されている．代表的なものは磁気パルス圧縮（MPC）法でを再度出力させて，後半の電圧を変えた実験結果を示す．

ある．主にレーザー励起の目的で開発され［１８，
１９］
，その後

この実験は，電圧制御により，放電電流の値を適切にコン

広範囲のパルスパワー応用に用いられた MPC 法は，磁性トロールできることを証明している．その実用的な意義は

体コアの飽和特性をスイッチとして利用し，従来のギャッ応用によって異なるが，パルスパワー発生の観点から見れプスイッチを大きく上回る繰り返し率を実現できる．一方，MPC はパルス圧縮法に属し（図１参照），LTD のようなモジュール性と出力柔軟性が得られない．また，中間エ
ネルギー蓄積素子（コンデンサー）を欠かせないため，体積と重量の面でも限界がある．
最近，全固体 MARX 回路も急速に発展している［２０‐２３］．LTD と MARX は，両方モジュール構造を持ち，電圧重畳が得られる回路方式であるが，最も重要な相違点はトランス使用の有無である．トランスは LTD の主要回路素子として，一次側回路と二次側を切り離す機能を果たす．
その結果，すべてのモジュールの一次側回路を接地するこ

図１０ ３０モジュールの制御信号を全て異なる時間に設定して得られた LTD の出力電圧波形．

とができ，充電と制御からノイズ対策まで非常に便利となる．一方，トランスの影響により，回路インダクタンスの上昇と磁性体飽和によるパルス幅の制限を無視できない．
対照的に MARX 回路はトランスを使用しない．コンデンサーの直接接続により電圧の重畳を得ているため，各モジュールの電位が異なり，これによる電位差は絶縁設計上配慮しなければならない．勿論トランスを使わない利点もたくさんある．特に重量，コスト，及びパルス幅の自由度

図１１ LTD テスト用同軸型放電負荷，（a）
電極配置と（b）
放電の時
間積分写真．

などの面での優位性は，実用上非常に魅力的である．一般
的に，LTD は比較的短パルスと大電流のパルス発生に適し，MARXは比較的長パルスと高インピーダンスの負荷に向いている．

２．
６ 今後の展望
半導体デバイスをスイッチとして用いた全固体 LTD は
産業用高繰り返しパルスパワー発生器として開発されている．本論文はこれまでの研究状況をまとめながら，LTDとほかのパルス発生回路との比較を整理した．これからも，LTD は進化し続ける．この進化を左右するカギは，回路方式，スイッチング素子及び制御技術にある．
回路方式について，バイポーラー化は注目される開発動向の一つである．両極性のパルス電圧を必要とする応用があり，近年バイポーラー MARX が開発されている．LTDのモジュール構造によりバイポーラー型 LTD システムが比較的容易に実現できるが，コアの磁束制御は主な技術課
題と考えられる．
全固体 LTD システムは数百から数千個のスイッチング

図１
２ LTD の波形制御機能を利用して得られたパルス電圧と放電
電流波形．

デバイスを使用している．コストパフォーマンスの観点か
ら，全てのスイッチは同じ種類のものである必要がない．
１９５

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.94, No.4 April 2018(2016).
［７］B. M. Novac et al., IEEE Trans. Plasma Sci. 34, 1814 (2006).
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［１２］P. Zhang et al., IEEE Trans. Plasma Sci. 44, 803 (2016).
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［１４］W. Jiang and A. Tokuchi, IEEE Trans. Plasma Sci. 40, 2625
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［１５］W. Jiang et al., IEEE Trans. Plasma Sci. 42, 3603 (2014).
［１６］M. R. Kazemi et al., IEEE Trans. Plasma Sci. 45, 247 (2017).
［１７］M. R. Kazemi et al., IEEE Trans. Plasma Sci. 45, 2323
(2017).
［１８］R. Ness et al., IEEE Trans. Plasma Sci. 28, 1324 (2000).
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(2012).
［２１］L. Xiong et al., IEEE Trans. Dielectrics and Electrical Insulation 22, 1887 (2015).
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［２３］J. Rao et al., IEEE Trans. Dielectrics and Electrical Insulation 20, 1123 (2013).

即ち，負荷の要求によって，多品種デバイスの組み合わせ
で LTD システムを構築することが考えられる．例えば，特定の気体放電応用は急峻な電圧パルスの後に安定な電流を要求する．この場合，比較的高速立ち上がりの MOSFETと比較的大電流の IGBT を用いて，いわゆるハイブリッド
LTD をつくることができる．また，コストの観点から，比較的安価の Si デバイスと比較的高性能の SiC デバイスとの組み合わせも考えられる．
LTD 特徴の一つは出力の柔軟性である．これを最大限に発揮させるには，相応しい制御が欠かせない．本論文で紹介した LTD 実験における制御はまだ初級的なものしか過ぎない．FPGA という強力なロジックデバイスの性能を更に活かして，遥かに多彩で，かつスマートな LTD 制御技術の導入を期待したい．

参考文献［１］E. Schamiloglu et al., Proc. IEEE 92, 1014 (2004).
［２］E. L. Neau, IEEE Trans. Plasma Sci. 22, 2 (1994).
［３］W. Jiang et al., Proc. IEEE 92, 1180 (2004).
［４］H. Akiyama et al., IEEE Trans. Dielectrics and ElectricalInsulation 14, 1051 (2007).
［５］J. Mankowski and M. Kristiansen, IEEE Trans. Plasma
Sci. 28, 102 (2000).
［６］J. Deng et al.,Matter and Radiation at Extremes 1, 48

１９６J. Plasma Fusion Res. Vol.94, No.4 (2018)１
９７‐２０１

小特集 パワー半導体を利用した高繰り返しパルスパワー電源の進展

３．誘導加速シンクロトロンに用いるパルスパワー電源
3. Pulsed-Power Supply for Induction Synchrotron
岡 村 勝 也， 高 木 浩 一１）
OKAMURA Katsuya and TAKAKI Kouichi１）
高エネルギー加速器研究機構，１）岩手大学理工学部（原稿受付：２
０
１
８年１月２
３日）

誘導加速シンクロトロン（IS）は KEK において開発された誘導加速原理に基づくシンクロトロンである．ISの代表である KEK デジタル加速器ではアインツェルレンズチョッパー，静電入射キッカー，誘導加速セルドライバー
等にパルスパワー電源を用いているが，固体スイッチ方式としているところに特徴がある．誘導加速セルドライ
バーは，より小型，高信頼性をめざして Si 半導体に代わって SiC-MOSFET に置き換える研究が進行中である．
Keywords:
induction synchrotron, einzel lens chopper, marx generator, pulse density modulation, SiC, SiC-MOSFET

３．
１ はじめにイラトロン）を使用せず，積極的に半導体化を計った加速

誘導加速シンクロトロン（IS）は従来の高周波加速シンク器である点においても他に類をみないユニークなものとロトロンとは異なり，パルス電圧を用いた誘導加速を前提なっている．本章ではイオン源の Einzel レンズビ ー ムにしたシンクロトロンである［１］．IS の原理を図１に示

チョッパーに用いる Marx 電源，リング入射部の静電キッ

す．誘導加速セルは電気的には巻数比１対１のトランスとカー用スイッチ，そして誘導加速セル駆動用パルス電源に等価である．誘導加速セルは高速半導体パワーデバイスをついて述べる．

用いたパルス電源（Switching Power Supply: SPS）によっ

３．
２ Einzel レンズビームチョッパー用パルス電源て駆動される．パルス電源はイオンビームが加速セル部を通過するタイミングに同期してビーム閉じ込め，ビーム加

Einzel レンズビームチョッパーの原理を図３に示す［７］．

速 と い う２種 類 の パ ル ス 電 圧 を 発 生 す る．IS は 高 山，

ビームチョッパー電極には正極性の直流電源と負極性のパ

木 代 に よ っ て２００
０年 に 提 案 さ れ［２］，そ の 後２
００６年 にルス電源が直列で接続される．パルス電圧が重畳されない

KEK１２GeV 陽子加速器を用いてその 原 理 が 実 証 された

とき，イオン源から到達するビームはブロックされ，パル［３］．現在は旧 KEK-500 MeV ブースターリングを誘導加ス電圧が重畳されている間だけ，ビームが後段に伝達され速方式に改装し，KEK デジタル加速器（図２参照）としてるようになっている．このパルス電源には市販の高電圧

精力的にビームコミッショニングが行われ［４］，高度なを３並列で用いた４段 Marx 方式
MOSFET（!!""!4 kV）

ビームハンドリング性能の実証［５］，完全電離炭素イオンのパルス発生器が用いられている．Marx 方式パルス回路

ビームの直接入射［６］など，次々に誘導加速シンクロトロの外観を図４に示す．このチョッパーを用いることによ

ンならではの成果をあげている．

り，元々のイオン源ではパルス幅が 5 ms であったものがKEK デジタル加速器はパルス電源に電子管（真空管，サ

図１

誘導加速シンクロトロンの原理（左：パルス発生法
加速パルスとバンチ閉じ込めパルスの概念）
．

右：
図２

KEK デジタル加速器の構成．

High Energy Accelerator Research Organization, Tsukuba, IBARAKI 300-3256, Japancorresponding author’s e-mail: katsuya.okamura@j-parc.jp

１９７!2018 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.94, No.4 April 2018

静電入射キッカーのスイッチとしては，当初はサイラトロンが用いられていたが，その後 SI サイリスタを１０段直列接続したスイッチに交換された［８］．図８に SI サイリスタ方式のスイッチ外形と使用されている素子を示す．図９に高圧電極の波形を示す．スイッチがオフ状態の時は高圧電極には直流電圧が印加されており，この状態においてビー
ム入射が行われる．スイッチが投入されると，伝送ケーブ
ルの往復時間後に高圧電極の電圧は０になり，周回ビーム
は静電キッカーの影響を受けずにリングを周回できるようになる．サイラトロンと SIサイリスタを比較するとSIサイ
図３

リスタの場合は電極電圧の立ち下がり時間が若干鈍ってい

Einzel レンズチョッパーの構成図．

るが，入射ビームがリングを周回して入射点が戻るタイミ
ング（約 5 μs 後）には十分減衰しており，ビームに対する影響は無視することができる．

図６
図４

静電キッカーの回路．

Marx 方式パルス回路．

5 μs のパルスとなって取り出される．図５にイオン源のビーム波形とビームチョッパーによって取り出されたビーム波形の例を示す．

３．
３ 静電入射キッカー
次に静電入射キッカーについて述べる．高エネルギーのビームを円形加速器に入射する場合，キッカー電磁石を用いることが多いが，KEK-DA では電界でビーム軌道を曲げる静電キッカー方式を採用している．これは KEK-DA では
直線加速器を前段に用いず，低エネルギー入射を行うの

図７

静電キッカーの断面写真．

で，電界だけで十分な偏向角が得られるためである．静電
キッカーは電極間の僅かな静電容量の充放電エネルギーしか要しないため，磁石方式にくらべてドライブが容易という特徴がある．図６に静電キッカーの回路を，図７に静電キッカーの断面写真を示す．主電極間には中間電極が挿入され，抵抗分圧した電圧を印加することによって空間的に均一な電界が得られるように工夫されている．

図５

イオン源ビームの波形（左）とビームチョッパーによって切り出された波形（右）
．

図８

１９８

Si サイリスタ方式の高電圧スイッチ．

Special Topic Article

図９

3. Pulsed-Power Supply for Induction Synchrotron

静電キッカーの電極波形．

K. Okamura and K. Takaki

図１０ 誘導加速セルドライバー用 SiC-JFET.

３．
４ 誘導加速セルドライバー用パルス電源
最後に誘導加速セルドライバー用パルス電源（SPS）について述べる．
３．
４．
１ 第一世代パルス電源
デジタル加速器では SPS はイオンビームの周回に同期したパルスを発生させる必要がある．発生周期はビーム入射時には低いが，加速とともに上昇し最大で 1 MHz にも達する．これを実現するために，IS の原理実証器，そして現在のデジタル加速器においても電圧定格，放熱容量の観点か
ら市販のシリコン半導体 MOSFET を７直列にしたスイッチを用いてきた［９］．しかし，７個の素子を直列接続したスイッチは素子それぞれの電位が異なるために個々の素子

図１
１ SiC-JFET パルス通電波形．

に駆動回路を接続せねばならず，それらの駆動回路への電源供給とゲートパルス信号も独立したものとする必要があ

表１

るなど複雑な構成となって，装置が大型化するだけでなくRing circumference
Bending radius
Maximum B Field
Mass/Charge
Acceleration Voltage
Orbital period(Injection →Extraction)
Extraction Energy

信頼性の低下を招く懸念があった．
３．
４．
２ 第二世代パルス電源
前項の課題を解決するため従来のSiデバイスに代わる素子として SiC 素子に置き換える研究が行われている．SiC
は Si に比べると禁制帯の幅が大きい，いわゆるワイドバン
ドギャップ半導体であり，絶縁破壊電界が１０倍高い，高温加速実験パラメータ．
37.7 m3.3 m
0.23 T
4
747 V
12 us → 2.1 us
6.9 MeV

動作に耐える，高い熱伝導度を有するなどパワーデバイスに適した様々な特徴を有する［１０］．KEKの高山グループでラメータを示す．加速に必要な電圧は（１）式で表される．

は早くからこの SiC の特徴に着目し，誘導加速セルドライ#$& $"###,!
,$

バーへの適用を目的とした研究を行ってきた．最初に用いられたのは SiCED 社（独）によって開発された SiC-JFET（１）

である．JFET は比較的単純な構造のため材料として SiC

ここで，"：加速器の周長（m），#：偏向電磁石の曲率半を用いたパワーデバイスとしては最も早い段階で実用に耐径（m），,%!
（T/s）であ,$：偏向電磁石の磁束密度変化率

えうるサイズの素子が提供されたためである．KEK ではる．
KEK デジタル加速器では電磁石電源に周波数10 Hzの共SiCED 社からデバイスチップを購入し，それを独自開発の振電源を用いているので，磁束密度は

高放熱パッケージにマウントすることで，IS への適用をめざした［１１］．図１０に KEK において開発された SiC-JFET!$

パッケージの外観を，図１１にパルス通電波形の例を示す．素子単体の特性としてドレイン電圧 1 kV，ドレイン電流 27 A，!($*!!(')&
%
"&
"!+
/0%
#!
%
&
"!(')
#

（２）

パルス幅 100 ns のスイッチングが確認された．また，本素と表される．ここで !($*：最大磁束密度（T），!(')：最小子を水冷ヒートシンクにマウントすることで 1 MHz 連続

磁束密度（T）
である．したがって（１）式はでの通電も確認された．素子単体でのこのような評価結果#$& $"!
"%!($*!!(')&"$.%#!
#"###0&を踏まえて本素子を用いた誘導加速セルドライバーも試作（３）となる．このように加速に必要な電圧は正弦波形となる

され，実際の加速実験にも供された．表１に加速実験のパ
１９９

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.94, No.4 April 2018

が，デジタル加速器ではイオンバンチが加速セルを通過す
るときに感じる電圧は基本的に ""，０，−""の３種類しかない．但し，""は SPS の直流電圧である．デジタル加速器
では""と０のみを使い，パルス密度変調を行うことにより等価的に正弦波電圧を得ている．また，加速に伴って，イ
オンバンチの周回周期が変化するので SPS のゲートタイミ
ングも制御する必要があるが，KEKデジタル加速器ではこれら の 計 算 を 全 て FPGA（Field Programmable Gate Array）で計算し，ゲートパルスを発生させている［１２］．この加速実験では素子耐圧，過渡的なオーバーシュート等を考慮して SPS の直流電圧を 800 V とし，磁場の強さは加速電圧に適合するように設定した．図１２
（a），
（b），
（c）に入射（a）
入射直後（100 μs/div．
）

直 後 の 500 ms 区 間，約 20 ms 後 に お け る 100 ms 区 間，
35 ms 後における 100 ms 区間の各区間における加速セル入
力電圧波形とバンチ信号を示す．バンチ信号とセル波形の比 較 に よ り，そ れ ぞ れ に お け る パ ル ス 密 度 は 0.073，
0.91，0.78 となっていることが分かる．但しここでパルス密度は区間内における（パルス発生数／バンチ数）として定義した．これらの値を（２）式を用いて計算したグラフ上にプロットしたものを図１３に示す．実測した実効加速電圧が理論的に計算した加速電圧とよく一致しており，PDM の制御が機能していることが確認された．
このように PDM は一定の波高値のパルス電圧においても等価的に正弦波に近い加速電圧を得る有効な手法ではあるが，ビームバンチが１ターン毎に加速セルを通過する時（b）
20 ms 後（20 μs/div．
）の加速電圧という観点からすると必ずしも磁場強度と適合しているとは言えない点がある．このことは今後よりビー
ムパワーの増大化を図っていく上ではビーム損失の増加に繋がる懸念がある．これを解決するためには直流電圧を連続的に変化させる必要があるが，これについては今後の研究課題である．
３．
４．
３ 第三世代パルス電源
最後に現在研究が進められている SiC-MOSFET 方式のパルス電源について述べる．前述したように SiC 方式のパルス電源は当初 JFET から始まった．しかし，JFET はノーマリーオンであることから負バイアスが必要であり，一般
産業用として は 使 い に く い と い う 課 題 が あ っ た．一方
MOSFET はゲート絶縁膜の信頼性という観点から開発が（c）
35 ms 後（20 μs/div．
）

遅れていたが，ノーマリーオフであることから鉄道，モー

図１２ 加速実験におけるバンチ信号と誘導加速セル電圧．

タードライブなどの一般産業への応用が広く見込まれ，現在 の 開 発 の 主 流 と な っ て い る．特 に 最 近 高 電 圧 の
MOSFETの開発が目覚ましく進み3.3 kV級MOSFETも開発されるに至った［１３，１４］．KEK においてもローム社製の3.3 kV SiC-MOSFET を適用する研究が 進 ん で い る［１５］．
図１４にドレイン電圧を 2.5 kV とした時のスイッチング波形の例を示す．負荷抵抗が 220 Ω と 100 Ω の時はオン電圧は極めて小さいが，50 Ω というような重負荷においてはオン
電圧が急激に大きくなっているが，それよりも軽負荷の領域ではオン抵抗は十分小さい．負荷抵抗が 100 Ω の時の上
昇時間 !!と下降時間 !#はそれぞれ 76 ns と 88 ns であった．
さらに素子の直並列を行わない 1s‐１p 構成のパルス電源も
図１
３ 必要加速電圧と実効加速電圧実測値の比較．

試作され，短時間のバースト運転ながら 2.5 kV−20 A のパ
２００

Special Topic Article

3. Pulsed-Power Supply for Induction Synchrotron

K. Okamura and K. Takaki

図１
５ 3.3 kV SiC-MOSFET を用いて試作されたパルス電源の出力
波形．

参考文献
［１］堀岡一彦 他：プラズマ・核融合学会誌 86, 269, (2010).
［２］K. Takayama and J. Kishiro. Nucl. Instrum. Methods. A
451, 304 (2000).
［３］K. Takayama et al., Phys. Rev. Lett. 98, 054801-4 (2007).
［４］T. Iwashita et al., Phy. Rev. ST-AB, 14, 071301 (2011).
［５］T. Yoshimoto et al., Nucl. Instrum. Methods. A797, 191(2015).
［６］N. Munemoto et al., Phys. Rev. Accel. Beams 20, 080101(2017).
［７］T. Adachi et al., Rev. Sci. Instrum. 82, 083305 (2011).
［８］H. Kobayashi et al., Proc. the Euro-Asian Pulsed Power
Conference, Kumamoto, Japan OB1-2 (2014).
［９］K. Koseki et al., IEEJ Trans. FM, 126, 121 (2006).
［１０］T. Shinohe, 東芝レビュー 59, 49 (2004).
［１１］P. Friedrichis, Proc. the 2010 IPEC, 3241, Sapporo, Japan(2010).
［１２］T. Yoshimoto et al., Nucl. Instrum. Methods. A733, 141(2014).
［１３］S. Mori et al., Proc. the 2016 28th ISPSD, June 12-16,
Pragee, Czech Republic (2016).
［１４］T. Tsuji et al., Materials Science Forum 858, 962 (2016).
［１５］K. Okamura et al., Proc. IPAC2017, Copenhagen, Denmark, WEPVA056 (2017).
［１６］Leo K.W. et al., Phys. Rev. ST-AB 19, 042802 (2016).
［１７］K. Takayama et al., Phys. Rev. ST-AB 18, 050101 (2015).

図１
４ 3.3 kV SiC-MOSFET のスイッチング波形．

ルス発生が確認された（図１５）．連続運転とするには素子の並列接続を行って発熱を分散させる必要があるが，並列接続は直列接続に比べてはるかに容易であり，今後実加速実験への適用が期待される．

３．
５ おわりに
現在なおも積極的に開発が進められている KEK デジタ
ルアクセラレータ（KEK-DA）に使用されている，パルス
パワー電源の開発状況について述べた．これまで多くのシンクロトロンにおいてはパルスパワー電源の高電圧スイッ
チとして，サイラトロンに代表される電子管スイッチが用いられてきたが，KEK-DA においては当初より全固体化を指向し，実現してきた．これらの技術は今後 KEK-DA から派生し建設されるであろう各種の新加速器［１６，１７］にも当然搭載されるであろうし，従来型のシンクロトロンにも適用範囲が広がっていくものと期待される．

２０１

J. Plasma Fusion Res. Vol.94, No.4 (2018)２０２‐２０９

小特集 パワー半導体を利用した高繰り返しパルスパワー電源の進展

４．パワーデバイスと磁気スイッチを用いた
パルスパワー発生装置と最近の応用
4. Recent Progress and Applications of Pulsed Power Generator
Using Power Devices and Magnetic Switches
佐 久 川 貴 志１）
SAKUGAWA Takashi１）
１）

熊本大学パルスパワー科学研究所（原稿受付：２
０
１
７年１
２月２
６日）

リソグラフィー光源のドライバとして産業用に活躍しているパワーデバイスと磁気パルス圧縮（MPC）回路を用いたパルスパワー発生装置について述べ，同種の装置を用いた衝撃波生成，細胞印加，化学活性種生成などの例を基にパルスパワー放電とその応用をいくつか紹介する．また近年市場に登場し次世代のパワーデバイスとして注目されているワイドギャップ半導体の中の SiC デバイスのパルスパワー発生回路への適用例などを概説す
る．
Keywords:
power device, magnetic switch, pulse compression circuit, silicon carbide, excimer laser

４．
１ はじめにた高電界を発生して細胞に印加し，その生体応答を観察し大電力を扱うことのできるパワーデバイスと呼ばれる半ているバイオ応用研究がある．

導体スイッチングデバイスが年々発達しており，パルスパ

前述のリソグラフィー用エキシマレーザーのパルスパ

ワー発生回路に適用する研究が増えている．しかしながら

ワー発生装置は仕様が決まっているためカスタマイズされその適用研究から派生した応用技術が実用化して産業に貢た装置である．近年は１つの光源に発振器が２台構成（In-献している例は少ない．数少ない実用化に成功し量産化さ

jection Lock 方式または MOPA 方式）になっており，それれ現代の情報化社会に貢献し我々の生活を豊かにしているに伴ってパルスパワー電源も２セット必要となっている．

技術がある．半導体リソグラフィー光源の心臓部といえる

その他の応用分野においては研究段階であるため汎用性

エキシマレーザーの駆動電源である［１‐３］．このパルスパが求められている．個々の発生装置においても出力電圧，

ワー発生装置の主回路はパワーデバイスと磁気スイッチ

パルスエネルギーや繰り返し周波数などが様々である．そ（MS: Magnetic Switch）を用いた磁気パルス圧縮（MPC:のため回路構成も異なっていることが多い．本章では近年

Magnetic Pulse Compression）回路から構成されている．

市場に登場してきたワイドバンドギャップ半導体材料を用

現在このエキシマレーザー用のパルスパワー発生装置の回

いたパワーデバイスのパルスパワー回路への適用例をファ

路には IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor）がパルス

ストリカバリダイオード（FRD: Fast Recovery Diode）を発生の主スイッチとして用いられている．更に昇圧トラン

含めたパワーデバイスと MS を用いた様々なパルスパワー

スと MS を用いて高電圧パルスを圧縮し，数 10 kV の電圧発生装置の回路構成を概説し，その応用分野を紹介する．

を 100 ns 以下の時間で負荷であるレーザーヘッドに印加している．当初繰り返しパルス発生数は 1 kpps（kilo pulses

４．
２ パワーデバイスと磁気スイッチ

per second）であったが最近の装置は 6 kpps と高繰り返し

本節ではパルスパワー回路に用いられる半導体パワーデ化されている．

バイスの種類と MPC に用いられる磁性材料の特性及び可同様の回路構成で環境改善やバイオ応用等の研究に用い飽和インダクタや可飽和トランスとしての MS について概られている［４‐６］．環境改善研究では水が関与する放電プ説した後，それらを用いた回路について紹介する．またラズマを利用することが多い．針状の高電圧電極を水中にFRD を用いた回路についても述べる．

設置して放電を行うとストリーマ状の放電が電極の先端か

４．
２．
１ パワーデバイス

ら放射状に進展する．この時に生成される化学活性種や衝シリコン（Si）をベースとした半導体が多くパワーデバ

撃波を利用して環境改善に利用する研究が活発である．まイスとしてパルスパワーのスイッチ回路に用いられていInstitute of Pulsed Power Science, Kumamoto University, KUMAMOTO 860-8555, Japanauthor’s e-mail: sakugawa@cs.kumamoto-u.ac.jp

２０２!2018 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

Special Topic Article

4. Recent Progress and Applications of Pulsed Power Generator Using Power Devices and Magnetic Switches

T. Sakugawa

る．一般的にスイッチングパワーデバイスの傾向としてス

チャージャで 1 kV にキャパシタ !!を充電してスイッチン

イッチング容量の大きなデバイスはスイッチング周波数がグ動作を行っている．ユニポーラデバイスとバイポーラデ

低く，スイッチング周波数の高いデバイスはスイッチング

バイスの違いはあるがそれぞれのデバイスの仕様は SiC-

容量が小さい．近年ディスクリート型のパワーデバイスに

MOSFET と IGBT 共に 1200 V，250 Ap と同等である．しワイドバンドギャップ半導体であるシリコンカーバイド

かし両者のスイッチング波形において顕著な違いが見られ（SiC）製 の MOSFET（Metal Oxide Semiconductor Field

る．SiC-MOSFET の方が理想的なスイッチングに近く，電Effect Transistor）が市場に現れている．まだ，その潜在能

圧降下が速く数 10 ns で 0 V 付近に達している．スイッチン

力を引き出しているとは言い難いがパワースイッチングデ

グ損失は109 mJ/pulseでIGBTの約1/4と低損失である．パ

バイスとして期待できるデバイスである．図１にスイッチ

ルストランス PT の１次側から２次側への電荷転送（LC

ングパワーデバイスの電力容量と動作周波数の関係をマッ

共振による）時間は IGBT の 3.36 μs に対して SiC-MOSFET

ピングしたものを示す．SiC-MOSFET は Si-MOSFET の動では 2.71 μs である．図４に各スイッチング電圧における損作周波数を維持しつつ IGBT の電力容量に近づいている．

失率を示す．低電圧（500 V 付近まで）領域ではあまり差が図１には記載してないがワイドバンドギャップ半導体材料

見られないが高電圧領域では損失率に顕著な差が現れていのガリウムナイトライド（GaN）製のMOSFETも市場に現るのがわかる．IGBT が高電圧領域で損失率が増加していれつつあり GaN 製 MOSFET により動作周波数が向上するるのに対して SiC-MOSFET はほぼ一定である．

ものと考える．近い将来電力容量と動作周波数のマッピン

ワイドバンドギャップ半導体がSi半導体に比べ潜在能力

グ図が書き換えられることになりそうである．

が高いことは物性値を比較すれば明らかである．表１に半図２に プ リ ン ト 基 板 実 装用 の デ ィ ス ク リ ー ト 型 SiC-

導体材料としての Si，SiC，GaN，ダイアモンドの主な物性

MOSFET とシリコン製 IGBT を６並列実装したスイッチ

値を示す．Si に比べてバンドギャップ（禁制帯幅）が大き

ングモジュール外観を共に示す．図３には試験回路とス

な SiC，GaN，ダイアモンドは絶縁破壊強度 "(が高い．電イッチング電流電圧を示す．図３（下）の Vsw はスイッチン

子移動 度 !(は Si に 劣 る も の の "(は SiC や GaN で は Si

グ電圧，#
!は６並列素子を流れるスイッチング電流，$#"に比べ約１桁高い値である．"(が大きいと不純物濃度を上はトランス２次側に接続されたキャパシタ !" の電圧とげ，ドリフト層幅を小さくすることができるため，導通時$%&''はスイッチング時の損失を示している．キャパシタ

図１

スイッチングパワーデバイスの電力容量と周波数の関係．

図２６並 列 ス イ ッ チ ン グ モ ジ ュ ー ル の 外 観（左：SiCMOSFET）（右：IGBT）．

図３

６並列スイッチングモジュールの試験回路（上）とスイッ
チング波形（下）
．

図４

２０３

６並列スイッチングモジュールの損失率．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.94, No.4 April 2018

表１
Material
Band gap[eV]Electron mobility%&[cm2/Vs]
Breakdown strength[kV/cm]!$Thermal conductivity[W/cmK]$
Relative permittivity#(

半導体材料の物性値．

pression）回路に用いるMS用磁性体の典型的なB-Hカーブ

Si
1.12

SiC(4H)
3.26

GaN
3.39

Diamond
5.47

1400

1000

900

2200

300

2500

3300

10000

1.5

4.9

1.3

20

11.8

9.7

9

5.5

2.2×107

2.7×107

2.7×107を示す．磁心材の形状はトロイダルで逆バイアス電流を
10 A/m 程度流した状態から MS 巻き線の両端に高電圧を印加した B-H カーブである．未飽和領域での透磁率 μ が非常に大きくこの状態で高インダクタンスのインダクタとしSaturated drift velocity
1.0×107"*#+[cm/s]て電流をほとんど流さずブロックしている状態である．一方飽和領域では真空の透磁率に近く空心の低インダクタン
スのインダクタとして短絡状態になり一気に電流を流す．
実行動作磁束密度量が大きいのも特徴でこの場合 2.5 T 程度である．表２に MS に用いられる代表的なコア材料３種
類の物理特性を示す．MS には半導体スイッチングデバイ
スのような耐電圧や許容電流の制約は無い．しかし半導体の抵抗を極端に小さくできる．しかしながら現状のデバイ

スイッチングデバイスとは異なり能動的に ON/OFF 制御

ス開発においては Si デバイスに比べて SiC デバイスは充分できるものではない．MS が未飽和状態を維持できる時間に性能を引き出しているとは言い難い．今後デバイスの作は保持する電圧と密接な関係がある．その電圧時間積と磁り込みが進んでいくことでそのスイッチング性能の飛躍的

束密度変化量との関係は次式のようになる．

な向上が見込まれる．SiC については熱伝導率 λ が Si の３"!& ' *%*%& #! "%)#!(""$ !
!
*倍以上となっており，産業用途としては排熱効果の良い特（１）(性を持つ SiC デバイスは非常にありがたい．

ここで $は MS に施す巻き線の巻数，&*は電圧が印加され

４．
２．
２ 磁気スイッチてから磁気飽和するまでの時間，'%*&は印加される電圧，

磁気スイッチ（MS: Magnetic Switch）は磁性材料の未飽
和時と飽和時の極端な透磁率差を利用して電流を高インダ!( はコア断面に占める磁心材断面積，""は磁束密度変化

クタンスで遮断し，低インダクタンスで通流するものであ量である．保磁力より充分大きな逆バイアス磁界を発生でる．図５に 磁 気 パ ル ス 圧 縮（MPC: Magnetic Pulse Com-

きるリセット電流を流すことで磁束密度変化量は（２）式のように最大となる．
""$")!%!"(&#")""(（２）

MS の磁心材料選定において重要な指標は残留磁束密度 "(と飽和磁束密度 ")の比（"(!
")：これを角形比という）がある．理想スイッチに近い性能を要求するなら角形比が１に近いものを選ぶ必要性がある．また漏れ電流を抑制するには未飽和時の透磁率の大きなものを選ぶのであるが周波数が高いと一般的に比透磁率が低下する．よってパルス回路のおける等価周波数を考慮して磁心材料を選定する必要がある．リセット電流やヒステリシス損失を考えると保磁力の小さな磁心材がよいと言える．高い周波数領域で使用
図５

MS 用磁性体（鉄系ナノ結晶）の B-H カーブ．
表２

磁性材料
飽和磁束密度 ")（T）
残留磁束密度 "(（T）
初透磁率（at 0.02T）%'
比透磁率（at 100kHz）%)
飽和時比透磁率 %)*保磁力 #$（A/M）
半周期（0.5us）コア損失 %$（J/m3）
飽和磁歪 $*（×10−6）
キューリー温度 &$（℃）
低効率 &（μΩ-m）する MS のコア損失はヒステリシス損失の他に渦電流損失

MS 用磁性体材料の物理特性．
鉄基
ナノ結晶質合金
（FT‐
３H）

コバルト基
アモルファス合金（２７１
４）

Mn-Zn フェライト

1.23
1.09
−
5000
〜1
0.6
710
0
570
1.2

0.57
0.52
170000
80000
〜1
0.2
−
0
225
1.42

0.44
0.26
5300
5300
〜3
8
70
0.6
＞150
1×1012

２０４

Special Topic Article

4. Recent Progress and Applications of Pulsed Power Generator Using Power Devices and Magnetic Switches

T. Sakugawa

が加わる．飽和までの時間が短いとコア損失は指数関数的の短時間でエネルギー転送を行っているのがわかる．MPCに増加する傾向があるので注意する必要がある．機械的なは数 Ω 以下の低インピーダンス負荷であるエキシマレー

経年劣化を考えると磁歪の無い材料が優れる．産業用途とザー等に適している．
次に可飽和トランスを MS として用いてファストリカバ

しては熱による磁気特性の変性は抑えたいのでキューリー
温度の高い材料が良い．

リダイオード（FRD: Fast Recovery Diode）と組合せた回

４．
２．
３ 半導体スイッチと磁気パルス圧縮回路

路で高速高電圧発生回路について説明する．ダイオードに半導体パワーデバイスと MS を組み合わせてパルスパ

逆電圧が印加されると逆電流が流れる現象が見られる．逆ワー発生装置を製作する場合の主回路構成は初段に半導体電流を急速に遮断して回復させる特性を持つダイオードがスイッチング回路，昇圧パルストランスを介してトランス

FRD である．
（３）
式や図８に示すように回路内のインダ

２次側に MS を用いたパルス圧縮回路となる．図６に半導クタンス "と逆電流遮断時の電流変化率 $!!
$&により高電体スイッチにディスクリート型 SiC-MOSFET を６並列素

圧 # が発生する．

子で構成されたモジュールを更に１０並列構成して各スイッ

#!"$!
$&

チングモジュールをそれぞれパルストランス１次側に繋ぎ，２次側に２段の MPC を構成した図を示す．図７に各部（３）の電圧波形を示す．スイッチングモジュールは正極性で充一般的な電気回路では電流遮断によるサージ電圧は敬遠さ電されているがパルストランス２次側は負極性で出力してれるため回復時の電流変化率を徐々に小さくするソフトリ

いる．スイッチングモジュールにはエネルギー蓄積キャパ

カバリタイプが主流である．逆に回復時の急峻な電流変化

シタがあり，スイッチングモジュールの充電電圧 #&' は約率を高速パルス発生に利用する目的で電流変化率を緩和さ

900 V である．#&'が放電してパルストランス２次側のキャせないハードリカバリタイプの高逆電流の高電圧 FRD が

パシタ #! に電荷転送する時間が初段パルス幅となり，こロシアの Rukin 等によって開発され，このデバイスを SOS

こでは3.8 μsである．可飽和インダクタであるMSを介して（Semiconductor Opening Switch）ダイオードと呼ばれるキャパシタ#!" #"，#"" #%と順次MSのインダクタンス

［７，
８］．

を減少させてパルス圧縮しながらエネルギー転送を行って図９に FRD と MS に可飽和トランス ST を用いた高速高

いる．#%を充電する電圧は 46 kV，100 ns（１０−９０％）以下

電圧パルス発生回路を示す．ST は昇圧しながらキャパシ
タ #! を充電する．こ の 時 FRD に は 順 方 向 電 流 が 流 れる．あるタイミングで ST が磁気飽和すると ST の２次巻線
は空心のインダクタンスとなり FRD に逆電圧が印加され逆方向に電流が流れる．その動作を図１０に示す．通常のトランス動作時には順方向電流 %$でキャパシタ C を昇圧充電する．あるタイミングで ST が磁気飽和すると FRD に逆電

図６

SiC-MOSFET 並列スイッチングモジュールと２段 MPC.

図８

図７

SiC-MOSFET 並列スイッチングモジュールと２段 MPC の各部の電圧波形．

図９２０５

FRD による高速高電圧パルス発生の模式図．

可飽和トランスと FRD を用いた高速高電圧パルス発生回路．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.94, No.4 April 2018

して問題となる事がある．藍藻の中でもミクロキスチス（Microcystis）
属が生産するミクロシスチン（Microsystin）
は特に毒性が強く，それを含んだ水を飲んだ家畜や野生生物の死亡，またミクロキスチスが大量発生した水系の魚類の大量死が社会問題になる．日本のアオコはミクロキスチ
スを主体とするものが各地で観察されている．アオコ大量発生の原因は経済成長に伴う水環境の富栄養化によるものと考えられる．有毒藍藻は世界各地で出現が報告されていて世界規模の問題となっている．ミクロキスチスは細胞の中にガス胞を持っており，通常水面に漂っている．植物細胞であるので水面近くで光合成を行い細胞増殖する．アオ

図１
０ 可飽和トランスによる FRD への逆電圧印加の模式図．

コが水面で日光を遮ると水中の生態系にも影響を及ぼす．
流!
１に図９の回路で発生させたFRDの電流!が流れる．図１

アオコ対策としては直接採取や超音波照射による死滅処理と FRD の逆回復による高速立ち上がり高電圧波形を示す．

があるが効果的な対策が無いのが実情である．立ち上がり

逆電流のピーク値は−108 A，電圧ピーク値は 2.6 ns の立ちの急峻なパルスパワーを用いると水中放電による衝撃波の上がり時間で 46 kV に達している．

生成が可能である．ガス胞を持つアオコに立ち上がりの急峻な衝撃波を照射すると細胞壁や細胞膜はそのままでガス

４．
３ 応用例

胞のみが消滅して細胞不活化した状態で水底に沈んでいく

４．
３．
１ エキシマレーザー［４，
１１］．半導体スイッチングデバイスと MS を用いたパル

前述の通り半導体スイッチングデバイスと MS を用いた

スパワー発生装置で繰り返し水中放電によるアオコ処理がパルスパワー発生装置が産業用途として最大の貢献を果た

試みられている．この装置のシステム構成を図１４に，そのしたのはリソグラフィー用エキシマレーザーの駆動電源装

外観を図１５にそれぞれ示す．電力源は太陽電池を用いてお置である．全世界のほぼ全てのCPUや電気的なメモリーはエキシマレーザーリソグラフィーの量産ラインから生産されている．リソグラフィー用エキシマレーザーの駆動電源がサイラトロン放電スイッチから半導体スイッチと MPCにより全固体化されたことで出力安定性（電圧精度および出力ジッタの改善）と装置寿命が桁違いに改善された．このことにより CPU に代表されるマイクロプロセッサやメモリーの高歩留まりによる量産化，低コスト化と高性能化が進み高度情報化に大きく貢献している．図１２にエキシマ
レーザー用パルスパワー発生装置のシステム構成を示す［９］．放電観測や電源の故障診断等緻密な制御を行っている．図１３にリソグラフィー用エキシマレーザー装置の外観を示す［１０］．この中にパルスパワー発生装置も組み込まれている．繰り返しパルス周波数は 6 kpps，スペクトル狭帯域化（0.35 pm）されたレーザー平均出力は 60 W，レーザー
媒質は ArF である．

図１
２ パルスパワー発生装置のシステム構成．

４．
３．
２ アオコ処理夏期に湖沼やダムで大量発生するアオコと呼ばれる原核
藻類の藍藻（Cyanobacteria）
が景観や従来の水環境を破壊

図１
１ ４並列 FRD の電流波形と高速高電圧出力波形．

図１
３ リソグラフィー用エキシマレーザーの外観．

２０６

Special Topic Article

4. Recent Progress and Applications of Pulsed Power Generator Using Power Devices and Magnetic Switches

T. Sakugawa

圧パルスを印加している．水面より高い位置に高電圧電極を配置して水底に平板の接地電極を配置している．放電プ
ラズマは気相と液層の界面で発生し，この場合，水が OH
ラジカルの原料となる．図１７（a）に放電電流電圧波形，（b）に水面真上から見た放電進展の様子を示す．細長いガイドを用いて一本に放電進展方向制御を行っている［１２］．この装置を用いて生成したラジカル種の放電発光スペクトル分
光計測した結果を図１８に示す．紫外域に OH ラジカルの強いスペクトルが観測されているのがわかる．図１９にパルスパワーの出力電圧と発光スペクトル強度の関係を示す．電圧の増加と共に OH ラジカルを含む各活性種のスペクトル強度が増加している．
４．
３．
４ 細胞印加
近年立ち上がりの速いパルス高電界を細胞に印加してアポトーシスの誘発等その生体応答制御を試みて医療応用を目指している研究が盛んである［１３，１４］．ns オーダーの短パルス高電界を細胞に印加すると μs-ms オーダーのパルス

図１
４ パルスパワーを用いたアオコ処理装置の構成．

高電界とは異なる応答を示すことがわかっているため短パ
ルス印加できる電源の開発も活発である．図２０は細胞高電界印加用に開発されたパルスパワー印加装置である．大きさは（498 mm×323 mm×472 mm）でテーブルトップでの使用ができる．装置の上部にキュベットホルダーが内蔵されており細胞を入れたキュベットを差し込むだけでパルス
高電界を容易に印加できる．印加電圧，パルス繰り返し周
波数，パルス印加回数が自動設定できるようになっている．出力電流電圧波形を図２１に示す．パルス幅や電流値は印加されるキュベットの抵抗値によって変化するが 40 ns
で 12 kV 以上に電圧値が達しているのがわかる．パルス発
生には高速サイリスタとパルストランス，２段 MPC で構成されている．
更に高速立ち上がりのパルス高電界を印加するには前述
図１
５ ダム湖で稼働中のアオコ処理装置．

の ST と FRD を用いた回路が適用できる．製品化された装置もあり小型に仕上がっている．その外観を図２２に示す．

りアオコ活性時の晴天に稼働する独立電源となっている．

最大電圧は 25 kV，電圧立ち上がり時間は 10 ns 以下，パル発電した直流電力を蓄電池に貯めインバータで AC100Vに変換してコントローラを介して充電器に電力を供給し，パルス発生回路に 1.2 kV でパルス発生回路の初段キャパシ
タを充電している．スイッチングデバイスには IGBT を使用しており初段パルスを発生している．パルストランス
PT で 30 kV に昇圧後２段の磁気パルス圧縮により水中放電生成衝撃波を用いてアオコ処理を行っている．
４．
３．
３ OH ラジカル生成
近年パルスパワー放電による化学活性種の生成及びその

図１
６ SiC-MOSFET と１段 MPC を用いたパルスパワー電源．

応用研究が活発である．化学活性種には OH ラジカルの他にも O ラジカル，H2O2 等がある．いずれもパルス放電プラ
ズマにより生成可能である．とりわけ強い酸化力を持つ
OH ラジカルは難分解性物質の処理や殺菌への応用に実用化の期待が集まる．図１６にラジカル生成に用いたパルスパ
ワー電源の概略を示す．インバータを用いたコマンド充電器で初段エネルギー蓄積キャパシタ C０を急速充電して
SiC-MOSFET のスイッチングによりパルスを発生，PT

図１
７ （a）
電流電圧波形：左と（b）
放電進展の様子：右．

で昇圧して磁気パルス圧縮後負荷へ高速立ち上がりの高電
２０７

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.94, No.4 April 2018

図１
８ OH ラジカルの放電発光スペクトル分光計測．

図１
９ ラジカル発光スペクトル強度の電圧依存性．

図２
１ 細胞印加装置の出力電流電圧波形例．

図２
２ ST と FRD を用いた超短パルス発生装置．

１９８０年代後半にエキシマレーザーの駆動回路をサイラトロンから半導体スイッチ等で置き換える全固体素子化の開図２０ 高電圧パルス細胞印加装置外観．

発が盛んになり，同時期に MS 特性に優れる強磁性材料の開発も進展した．当時レーザーを駆動できる大容量の半導ス繰り返し周波数は 1000 pps である．寸法は 330 mm×体スイッチはサイリスタに限定されていて，パルスパワー

150 mm×375 mm で制御回路から充電回路，パルス発生回用途に改良された素子開発も行われていたが半導体スイッ路が筐体に収められており超小型のパルスパワー発生装置

チだけで高速パルスの発生は不可能であったため MPC とと言える．

組み合わせて高繰り返しのパルスパワー電源を構成するのが主流であった．

４．
４ まとめ

当初リソグラフィー用のエキシマレーザーの発振周波数

MPC の 歴 史 を 遡 る と１
９５１年 に 英 国 の W.S. Melville にが 500〜600 Hz でそれを駆動するパルスパワー電源のス

よって報告されている［１５］．当時はまだパワー半導体ス

イッチングデバイスは高速サイリスタや GTO サイリスタ

イッチングデバイスが存在せずサイラトロンや放電ギャッで十分対応できていた．処理ウェーハーの大型化とスルー

プスイッチを用いていた．MPC の歴史は古いのだがそのプットの増大の要求に対してレーザーの発振周波数は現在

後大きな進展は無かった．

6 kHz に増加しておりサイリスタ系のパワーデバイスでは
２０８

Special Topic Article

4. Recent Progress and Applications of Pulsed Power Generator Using Power Devices and Magnetic Switches

T. Sakugawa

高周波化に対応できなくなり積極的にターンオフできる

電源屋にとっては回路が単純化する寂しさはあるが SiC

IGBT がスイッチングデバイスとして利用されている．パ

等の新しい半導体材料の進展によってパルスパワー発生技

ワーデバイスの高電圧化や高速スイッチング等の性能向上

術やその応用技術も新たな段階に入るのではなかろうか．

は急速に進展してきている．しかしながら半導体スイッチ

現在はかなり高価であるが SiC デバイスの普及が促進されのみで数 10 kV の高電圧高速パルス（数 10 ns の立ち上がればコストダウンへの期待も持てる．

り）を直接発生することができないため依然として昇圧パ

本章で紹介した資料の一部はギガフォトン株式会社，株

ルストランスと可飽和インダクタ等の MS を併用している

式会社明電舎，株式会社末松電子製作所からご提供頂いたのが現状である．

ものを利用させて頂きました．ここに謝意を表します．

パルスパワー用途での半導体スイッチの最大の課題は高電圧化ではないかと思う．半導体スイッチを用いた高電圧

参考文献

パルスパワー発生においてパルストランスを用いず高電圧［１］W. Partlo et al., Proc. SPIE No.2440, 90 (1995).
［２］H. Mizoguchi et al., Proc. SPIE 2726, 831 (1996).
［３］佐久川貴志：プラズマ・核融合学会誌 79, 15 (2003).
［４］T, Sakugawa et al., IEEE Transactions on Plasma Science, 42, 794 (2014).
［５］H. Akiyama et al., Bioelectrics (Springer, 2016) 389.
［６］佐 久 川 貴 志 他：プ ラ ズ マ・核 融 合 学 会 誌 81, 350(2005).
［７］高田育紀：プラズマ・核融合学会誌 81, 367 (2005).
［８］G.A. Mesyats, PULSED POWER (Springer, 2005) 338.
［９］http://www.meidensha.co.jp/products/industry/prod
̲04/prod̲04̲02/index.html［１０］ http : / / www. gigaphoton. com / ja / products / excimerlaser/arf-immersion/gt63a［１１］S. Gnapowski et al., IEEJ Trans. Fundamentals and Materials, 133, 198 (2013).
［１２］杉山祐樹 他：静電気学会誌 41, 274 (2017).
［１３］S.J. Beebe et al., IEEE Trans. Plasma Sci. 30, 286 (2002).
［１４］H. Ishizawa et al., IEEE Trans. Plasma Sci. 43, 1093 (2015).
［１５］W.S. Melville, Proc. Inst. Elec. Eng. Radio Section 98, 185(1951).

をスイッチングするには数 kV の素子を多数個直列接続するため素子毎に直列段のゲート回路が必要となり，各段のゲート回路の絶縁をとらなければならない．また同期トリ
ガ信号の問題も生じる．高耐圧素子として期待されるのはSiC で あ る．表１で 示 し た よ う に Si の 約３倍 の バ ン ド
ギャップを持つ．現在ディスクリート型の SiC-MOSFETが数多く市場に登場しているが半導体としての優れた物性
値を持ちながら，そのスイッチングデバイスとしての潜在能力を充分に発揮できていないし性能に見合ったコストでもないと思う．物性限界に近づいている Si に比べるとコス
トパフォーマンスは劣るものの，高耐圧低損失といった優れたスイッチング特性を有している．素子を薄くすることができ，また熱伝導率が高いので冷却装置の簡略化や高温での安定動作が期待できる．SiC デバイスのスイッチング
特性の飛躍的向上により MS を不要としたエキシマレー
ザー駆動用パルスパワー電源が登場するのもそう遠くない
将来であろう．スイッチング回路の負荷軽減のために昇圧回路，パルス圧縮回路やパルス整形回路等をいじくり回す

２０９

J. Plasma Fusion Res. Vol.94, No.4 (2018)２
１０

小特集 パワー半導体を利用した高繰り返しパルスパワー電源の進展

５．おわりに
5. Summary
江偉華

JIANG Weihua
長岡技術科学大学（原稿受付日：２
０
１
８年３月５日）高繰り返しパルスパワー電源は，スイッチングデバイスの性能と回路方式の進化によって，現在も進歩し続けている．スイッチとしての半導体パワーデバイスについて，炭化ケイ素に代表される新材料の登場は，パワーエ
レクトロニクスだけでなくパルスパワーにとっても大きな変革をもたらすに違いない．これらの半導体材料に基づく新しいデバイスは，電力容量，スイッチング速度，動作環境などの面で，パルスパワー電源の性能向上に大きく寄与し，電源の応用範囲を広げると期待される．
一方，回路方式について，磁気パルス圧縮（MPC）や LTD，MARX などの回路トポロジーが更に多様化し，これらの組み合わせも可能である．半導体パルスパワー電源回路のモジュール化の傾向は一層強まり，量産に向けた電源回路の標準化も視野に入るだろう．さらに，波形制御とエネルギー効率を重視しながら，立ち上がり時間とパルス幅の短縮が今後の課題となる．また，制御がアナログからデジタルへ移行し，複雑なロジック機能を持たせた

スマートパルスパワー

をめざすことも期待できる．

高繰り返しパルスパワーの応用分野は，光源から始まり，その後材料，加速器，環境，生物・医療などへと広範囲の拡がりをみせている．これからも電源性能の向上と伴に更に高度な役割を担うことができ，科学技術の最前線から日常生活の隅々まで活躍すると期待したい．

Nagaoka University of Technology, Nagaoka, NIIGATA 940-2188, Japanauthor’s e-mail: jiang@vos.nagaokaut.ac.jp

２１０!2018 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion Research

!!
こう

い

江

偉 華

小特集執筆者紹介

か長岡技術科学大学原子力システム安全工学専
攻教授．１
９
９
１年長岡技術科学大学大学院エネ
ルギー・環境工学専攻修了．工学博士．長岡技術科学大学工学部助手，講師，助教授，准教授を経て２００
７年より現職．主な研究分野は，パルスパワーの発生と応用，パルス粒子ビームの発生と応用，大電力マイクロ波の発生と応用．２
０
１
４年から IEEE Fellow.
おか

むら

かつ

込む．著書は「農学概論」，「高電圧パルスパワー工学」
，
「電
気数学」
，
「電気回路教室」，「はじめてのエネルギー環境教育」など２０冊．小中高校への出前授業は年約４０回．こども科学館のサイエンスショーも担当．趣味は登山．過去にモンブラン（4,811 m），エベレストベースキャンプ（5,350 m）などの登山歴があるが，現在はメタボ対策．
さ

こう

がわ

たか

し

１
９
８
９年３月九州大学大学院総合理工学研究科修了．同年４月㈱明電舎入社．主としてリソグ
ラフィー用高繰り返しパルスパワー発生装置の研究開発，高出力気体レーザーの研究に従
事．２
０
０
４年１
０月より熊本大学地域共同研究センター助教授，現
在は熊本大学パルスパワー科学研究所教授．博士（工学）．最近はワイドバンドギャップパワーデバイスを用いたスイッチ
ングモジュールの開発および医療設備向けパワーモジュレー
タの研究開発とバイオ応用の研究を行っている．レーザー学
会，応用物理学会，電気学会，静電気学会，IEEE 会員．

や高エネルギー加速器研究機構教授．１９８０年大阪大学工学研究科大学院博士前期課程終了．
同年㈱東芝入社．２
００
５年高エネルギー加速器研究機構に採用．２
０１
６年４月より現職．趣味はランニング．フルマラソンのベストタイムは３時間３１分だが，最近は４時間切りも難しくなっている．
きく

佐 久 川 貴 志

岡 村 勝 也

たか

""

いち

高 木 浩 一岩手大学理工学部教授．専門は高電圧パルス
パワー・プラズマ工学．かみなりキノコなどの研究が「世界を変える１０
０人の日本人」，「おは よ う 日 本」，
「夢 の 扉」，「所 さ ん の 目 が テン」などで取りあげられ，ときどき農学部宛ての郵便物が舞い

２１１