Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
October 18 - 21, 2022, Online (Kyushu University)

PASJ2022 THP040

13kV SiC- MOSFET を用いた高電圧パルス電源の開発
DEVELOPMENT OF HIGH VOLTAGE PULSED POWER SUPPLYUSING 13kV SiC- MOSFET中田恭輔#, A), 徳地明 A), 東使潔 B) , 小林進二 B)
Kyosuke Nakata #, A), Akira TokuchiA), Kiyoshi TohshiB), Shinji KobayashiB)
A)
Pulsed Power Japan Laboratory Ltd. (PPJ)B)
Kyoto University

Abstract
In fusion researches and accelerator researches, vacuum tubes such as thyratrons and tetrodes have been widely used
for high-voltage pulse power supplies. But these devices have many problems such as short life and reduced production,and so on. In order to solve these problems and sustain these researches, we have been developing a high-voltage pulsed
power supply using SiC-MOSFETs with a very high rated voltage of 13 kV. The recent status of development is reported.

1.

はじめに加速器研究や核融合研究において、高電圧大電力を出力するパルスパワー電源を必要とするものが多い。このような出力電圧数十 kV、出力電流数百 A オーダーの電源にはサイラトロンや四極管といった真空管が広く用いられている。真空管は半導体と比較して高耐圧や高速な立ち上がりといったメリットもあるが、寿命があり特性が変動するデメリットもある。また、近年真空管の生産量が低下し入手し辛くなっているため、現在は寿命が半永久的な半導体に置き換えようとする動きが強まってきている。
Heliotron J 装置は、京都大学エネルギー理工学研究所附属エネルギー複合機構研究センターで稼動している中型の先進ヘリカル系プラズマ実験装置である[1]。

Figure 2: NBI power supply configuration.

2.

Figure 1: Heliotron J.
本装置の NBI 加速電源、減速電源に出力電圧の制御ため用いられている四極管が製造中止となった。この加速電源、減速電源を独立行政法人産業技術総合研究所の開発した 13 kV SiC-MOSFET と 13 kV SiC-SBD を用いて半導体化を試みたので本項にて報告する。

___________________________________________# nakata@myppj.com

半導体減速電源の開発

四極管を用いている減速電源（以下現行機）の外観と内部の回路図を Fig. 3 に示す。現行機は外部の高圧直流電源より、内部のメインコンデンサを充電したあと、四極管を用いたシリーズレギュレータ方式にて出力電圧を制御する。四極管にて生じた電圧降下は全て熱となるため、四極管を水冷する必要があった。この四極管を半導体化した、半導体減速電源の外観と回路図を Fig. 4 に示す。また、現行機との性能比較表を Table 1 に示す。
半導体減速電源は 13 kV SiC-MOSFET と 13 kV SiCSBD を用いることで、スイッチングレギュレータ方式にて出力電圧を制御する。シリーズレギュレータ方式と比較して損失が少なく、空冷にて定格運転が可能となった。
模擬抵抗負荷に定格の 3 kV 12 A を 200 ms 出力した時の波形を Fig. 5 に示す。要求仕様である出力電圧 3kV 以上や出力電流 12 A 以上を満たしており、フラットトップの平坦度は±0.5%以下となった。

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PASJ2022 THP040(a) Appearance of New deceleration power supply(a) Appearance of current deceleration power supply(b) Schematic of the New deceleration power supply
Figure 4: New deceleration power supply.

(b) Schematic of the current deceleration power supply
Figure 3: Current deceleration power supply.
Table 1: Deceleration
Comparison

Power

SupplyCurrent

Performance
New

Input Voltage-6 kV

Output Voltage-3 kV

Output Current

12 A

Pulse Width

200 msPeak Power36 kWPulse Energy

7.2 kJ

Rep. Period

3 minutes(a)Output voltage and current waveforms to resistive load

Control Device

Tetrode13 kV SiC-MOSFET

Control Method

Series Regulator

Switching Regulator

Efficiency

Lower

Higher

Cooling

Water

Air

Size

LargerSmaller(b) Enlarged view of output voltage waveform to resistive
load
Figure 5: Output voltage waveform of new deceleration
power supply.

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3.

半導体加速電源の開発

四極管を用いている加速電源(以下現行機)の外観をFig. 6 に示す。内部の回路図は基本的に減速電源と同じであるが、Table 2 の性能表に示す通り出力電圧や出力電流が減速電源よりも大きくなっている。現行機の四極管を半導体化した、半導体加速電源の外観と回路図を Fig. 7 に示す。半導体加速電源も半導体減速電源と同様に 13 kV SiC-MOSFET と 13 kV SiC-SBD を用いることで、スイッチングレギュレータ方式にて出力電圧を制御する。ただし、定格入力電圧+50 kV に対して十分な耐圧が必要なため 13 kV SiC-MOSFET と 13 kV SiCSBD を 6s に接続している。また、その 6s にした高圧基板を 10p かつ位相を 1/10 ずらしてスイッチングを行うことで実効的にスイッチング周波数を高めている。これは、高圧基板 1 枚当たりの負担電流を減らすほか、出力電圧のリプル低下や出力の LC フィルタの定数を小さくする狙いがある。LC フィルタの定数が小さくなると、加速管短絡時に短絡箇所に入力されるエネルギーが小さくなるため、加速管の損傷が少なくなる。

(a) Appearance of New Acceleration power supply(b) Schematic of the New Acceleration power supply
Figure 7: New Acceleration power supply.
低い充電電圧にて模擬抵抗負荷へ半導体加速電源の出力試験を行った際の試験結果を Fig. 8 に示す。高圧基板 10p の位相をそれぞれ 1/10 ずつずらすことでリプルの低減や出力電圧の制御ができることを確認した。

Figure 6: Current acceleration power supply.
Table 2: Acceleration
Comparison

Power

SupplyCurrent

Performance
New

Input Voltage+50 kV

Output Voltage+30 kV

Output Current

100 A

Pulse Width

200 msPeak Power3 MW

Pulse Energy

600 kJ

Rep. Period

3 minutes

Figure 8: Output voltage waveform of new acceleration
power supply.

4.

Control Device

Tetrode13 kV SiC-MOSFET

Control Method

Series Regulator

Switching Regulator

Efficiency

Lower

Higher

Cooling

Water

Air

Size

LargerSmaller

まとめと今後の展望

Heliotron J 向け NBI 電源装置の加速電源と減速電源を 13 kV SiC-MOSFET と 13 kV SiC-SBD を用いて半導体化し模擬抵抗負荷への出力を確認した。今後、減速電源、加速電源共にさらなる検討を重ね、実負荷運転を行う予定である。

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謝辞本研究の一部は、共同研究体「つくばパワーエレクトロニクスコンステレーション（ＴＰＥＣ）」の事業として行われた。また、共同研究を行って頂いた京都大学エネルギー理工学研究所の方々に感謝の意を表する。

参考文献[1] K. Nagasaki et al., “Heliotron J 実験”, J. Plasma FusionRes., Vol.96, No.9, pp. 475‐518, 2020.

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