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

PASJ2022 WEP049

半導体クローバスイッチのための自己給電回路の開発
DEVELOPMENT OF A SELF-POWER FEEDING CIRCUIT FOR
SEMICONDUCTOR CROWBAR SWITCHES
生駒直弥 ∗,A) , 亀崎広明 A) , 森均 A) , 徳地明 A) , 小野 礼人 B) , 高柳智弘 B) ,不破康裕 B) , 篠崎信一 B) , 堀野光喜 C) , 植野智晶 C)
Naoya Ikoma∗ , A) , Hiroaki Kamezaki A) , Hitoshi Mori A) , Akira Tokuchi A) , Ayato Ono B) , Tomohiro Takayanagi B) ,Yasuhiro Fuwa B) , Shinichi Shinozaki B) , Koki Horino C) , Tomoaki Ueno C)
A)
Pulsed Power Japan LaboratoryB)
J-PARC/JAEAB)
NAT CorporationAbstract
We have been developing a semiconductor crowbar switch for the J-PARC LINAC klystron power supply to replace
ignitrons. A semiconductor crowbar switch consists of many semiconductor devices connected in series. A self-power
feeding circuit based on a flyback converter has been developed to drive semiconductor devices floating at high voltages.
A switching test of the semiconductor crowbar switch equipped with the self-power feeding circuit was conducted andswitching at rating voltage of -30 kV was successfully demonstrated.
増加を CT で検出し，水銀を封入した放電管の一種であるイグナイトロンを点弧させ，短絡電流をバイ加速器用大電力パルス電源におけるスイッチング パスする．このように，クローバ回路はクライストロ
デバイスには，高電圧，大電流，高速といった非常 ンの保護に欠かせないが，水銀を使用した機器へのに厳しい性能が要求されるため，日々の調整が欠か 規制強化により，イグナイトロンに代わるスイッチせず短寿命であるにも関わらず，従来より真空管 · ングデバイスの開発が求められている状況にある．
我々はこれまで，J-PARC LINAC のクライストロ放電管が広く使用されてきた．しかし近年，半導体ン電源への応用を目指し，MOSゲートサイリスタとデバイスの高耐圧化 · 高速化に伴い，それらの特性呼ばれる半導体素子を用いたクローバスイッチの開を活かした半導体パルスパワー技術が登場し，加速器における最も重要な要素技術の 1 つである大電力 発を進めてきた [1–6]．このようなスイッチでは，半高周波源の分野でも，電源の半導体化の研究が進ん 導体素子を多数直列にすることで放電管に匹敵する高い定格電圧を得るが，高電圧に浮いた素子に対し，でいる．
Figure 1 に，変調アノード型クライストロン電源 それらのゲート駆動電力を如何に供給するかが重要の概略図を示す．カソード及び変調アノードに DC- な開発課題となる．この度，DC かつ 100 kV を超え
110 kV が印加されており，スイッチを閉じたときに る電位に浮いた素子に対し，半導体素子を実装したカソード-変調アノード間に生じる電位差によって， 基板モジュールに 印加された高電圧から自身の駆動電子ビームが引き出される．このような電源では，負 電力を得る「自己給電回路」を開発したので，報告
荷短絡（クライストロン内部での放電）の際にコン する．
デンサバンクからの短絡電流がクライストロンを流れ，電極を損傷するのを防ぐために，クローバ回路 2 . 半導体クローバスイッチが設けられる．クローバ回路は，短絡による電流の半導体クローバスイッチの仕様を Table 1 に示す．

1.

はじめに1 枚の基板（Fig. 2）に対し，MOS ゲートサイリスタ（IXYS 社製，MMIX1H60N150V1，定格電圧 1.5 kV）が 3 直列，16 並列で実装されている．この基板を 10枚で 1 ユニット（定格 30 kV）とし，それらをさらに 4 ユニット，油タンク中で直列に接続することで，120 kV，40 kAp のスイッチを実現する．現在の開発状
況については，本会議の小野礼人氏の発表（TUP038）を参照されたい．

3.
Figure 1: A schematic of a klystron power supply.

∗ ikoma@myppj.com

自己給電回路

高電圧に浮いた基板に対して，地上から電力を供給するためには，一般的に Fig. 3（左）のように絶縁トランスが用いられる．しかし，電圧が DC かつ数10 kV を超える場合，一次巻線と二次巻線及びコア間- 663 -Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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PASJ2022 WEP049の絶縁確保のためにトランスが大型化 · 大質量化す みを最適化するようにバラバラに動作した結果，分る．一方で，Fig. 3（右）のように，基板自身に印加さ 圧のアンバランスが生じた．すなわち，あるタイミれている高電圧（我々の場合は 120 kV/40 枚=3 kV） ングにおいて各段の消費電力にバラツキが生じ，消から，降圧比の非常に大きな DC/DC コンバータに 費電力の小さな（高圧電源から見るとインピーダンよって 5 V の電圧を作り，基板自身の駆動電力を得 スの大きな）基板に電圧が集中した．そこで，1 段目る手法も考えられ，このような手法を「自己給電（又 の出力電圧のみを監視，地上でフィードバック制御し，全ての段を同じ周波数，タイミングで駆動するは主回路給電）」と呼ぶ．
我々は，DC/DC コンバータのうち，少ない部品点 「マスタースレーブ制御」を採用した．
開発した自己給電回路基板を Fig. 5 に示す．
数で構成できる「フライバックコンバータ」をベースとした自己給電回路を開発した．まず，印加電圧
800 V までは，定電流回路によりフライバックコンバータのゲート駆動回路に給電する（Fig. 4，青のライン）．そして，800 V を超えると，フライバックコンバータが起動し，そちらからの給電に切り替わると同時に，定電流回路は停止する（Fig. 4，赤のライン）．
なお，今回の用途では降圧比が 1/600 と大きく，スイッチング周波数は一定で duty を変化させる PWM（Pulse Width Modulation）制御では，定格電圧付近において duty が小さくなりすぎ，動作が不安定になることが判明したため，パルス幅一定（4 µs）で周波数を約 70 kHz～5 kHz まで変化させる PFM（PulseFrequency Modulation）制御を採用した．
また，直列スイッチにおいては，ただ給電出来れFigure 3: Two types of power feeding method.
ば良い訳ではなく，各段の分圧を均等に維持しなければならないという要求もある．当初，それぞれの自己給電回路基板内にフィードバック制御回路を設けていたが，各々の基板が自身の基板の出力電圧のTable 1: Requirements for the J-PARC LINAC Crowbar
SwitchVoltage-120 kV

Current

40 kApPulse width
Switching device
Switch configuration
Repetition

50 µs

Figure 4: A schematic of a developed power feeding circuit.

MOS-gated-thyristor(IXYS, MMIX1H60N150V1)
3s16p/board×40 boards
Single shot

Figure 2: A picture of a semiconductor crowbar switch
board.

Figure 5: 3D model of a developed self-power feedingboard.

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4.

評価試験

製作した 10 枚の自己給電回路基板に対し，クローバ基板の消費電力（5 W）を模擬した 5Ω の抵抗を接続し，最大 3 kV までの電圧を印加し，消費電流を測定した．Figure 6 に示すように，ほぼ同じ V-I 特性が得られていることを確認した．
次に，それらを実際にクローバ基板に搭載し，10段積み，充電電圧-30 kV での充放電試験を実施した．
Figure 7 に試験セットアップを示す．臨界制動の電流波形となるように，コンデンサバンク，リアクトル，抵抗，そして半導体クローバスイッチを直列に接続した．各段にかかる電圧波形，および放電電流を高電圧プローブ，ロゴスキーコイルでそれぞれ測定した．放電試験の結果を Fig. 8 に示す．分圧を均等に維持しつつ，各基板に給電できており，1 ユニットの定格である-30 kV，40 kAp でのスイッチングが達成できた．

Figure 8: Waveforms of discharge voltage and current.

5.

まとめと今後の予定

J-PARC LINAC 向け半導体クローバスイッチ用に，フライバックコンバータをベースとした自己給電回路を開発した．製作した 10 枚の自己給電回路基板に対し，それぞれ単体で電圧-電流特性を測定し，ほぼ同じ特性を有することを確認した．それらを実際にクローバ基板に搭載し，10 段積み，充電電圧-30 kVでの充放電試験を実施し，分圧が崩れることなく給電できていることを確認した．本試験により基本的な動作は実証されたので，今後はスケールアップしていき，40 枚で定格-120 kV の動作を目指す．
Figure 6: V-I characteristics of self-power feeding boards.

参考文献[1] T. Takayanagi et al., Proceedings of the 16th Annual Meetingof Particle Accelerator Society of Japan, Kyoto, Japan, Jul.
31-Aug. 3, 2019, THOH02.
[2] A. Ono et al., Proceedings of the 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, Kyoto, Japan, Jul. 31-Aug.
3, 2019, WEPH038.
[3] A. Ono et al., Proceedings of the 17th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, Online, Japan, Sep. 2-4,2020, THPP45.
[4] H. Kamezaki et al., Proceedings of the 17th Annual Meetingof Particle Accelerator Society of Japan, Online, Japan, Sep.
2-4, 2020, WEPP39.
[5] A. Ono et al., Proceedings of the 18th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, Online, Japan, Aug. 9-12,2021, THP015.
[6] H. Kamezaki et al., Proceedings of the 18th Annual Meetingof Particle Accelerator Society of Japan, Online, Japan, Aug.
9-12, 2021, TUP046.

Figure 7: Experimental setup of switching test.

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