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

PASJ2022 TUP037

動作範囲の広いサイリスタアバランシェモードスイッチの開発

DEVELOPMENT OF A THYRISTOR AVALANCHE MODE SWITCH WITH A WIDEOPERATION VOLTAGE
内藤孝#, 明本光生
Takashi Naito #, Mitsuo Akemoto
KEK, High Energy Accelerator Research Organization

Abstract

A pulse current over 1kA is used at the kicker magnet of the accelerator. A gas discharge tube called a thyratron is usedas the pulse power source. Attempts to replace the thyratron to semiconductors are being tested in many laboratories. We
are developing a circuit using avalanche mode thyristors (AMTs). It has following futures, a faster switching speed forthe normal mode switching and does not have tirgger circuit. We already confirmed a hicurrent pulse of 1.5 kA or more
can be generated. The AMTs must apply an appropriate operation voltage, which means the opration rage is limited. In
the case of the kicker application, the pulse current needs to be variable as an accelerator device. This time, we havedeveloped the circuit of the avalanche mode thyristors with a wide operating range. In this report, we report on thedevelopment status.

1.

はじめにの問題を解決するためにサイリスタの回路構成を変え動作電圧の広い回路を開発した。

加速器のキッカーマグネットなどで使用する大電流、高電圧のパルス電源には、これまでサイラトロンと呼ばれるガス放電管が使われてきた。サイラトロンは大電流、高電圧のスイッチが可能である反面、寿命があり放電特性も周囲の温度に影響されるなどの問題があるため半導体に置き換える試みが多くの研究所などで行われてきた[1, 2]。我々は以前より開発しているサイリスタのアバランシェモードを使った大電流スイッチ[3, 4]を使ったパルス電源を開発し、サイラトロンを使ったパルス電源と置き換えることを提案している。サイリスタは Fig. 1 に示すように通常アノードとカソードの間に電圧 V を印加しておきゲートに電流 IG を流すことでアノード-カソード間
Figure 1: Layout of ATF accelerator.
(A-K 間)の電圧がオフ状態からオン状態に移行することによって電流が流れる。ゲート電流(IG)が大きいと印加電圧が低くても容易にオン状態になる。反対に印加する電圧が高いと IG が低くてもオン状態に2. AMT を使ったスイッチ回路なる。さらに印加電圧が大きくなると IG がゼロで
Figure 2 に AMT を使ったスイッチ回路を示す。こあってもオンになる。この IG がゼロであってもオンの回路の動作について説明する。最下段のサイリスに な る 電 圧 を ブ レ ー ク オ ー バ ー 電 圧 (Break overvoltage)と呼ぶ。この様な動作はバイポーラ半導体で タは通常のゲート入力によるスイッチ回路であり、はよく知られ電流が半導体内部で電子雪崩をおこす ２段目以降はゲート入力をショートした AMT であことからアバランシェモードスイッチと呼ばれる。 る。試験は MMIX1H60N150V1(IXYS 社)のサイリス
我々はこのモードでスイッチするサイリスタをアバ タを用いた。
各段にはあらかじめ十分な電圧が印加されており、ランシェモードサイリスタ(AMT)と呼び、AMT を初段がゲート信号によってスイッチしてA-K 間の電使った大電流、高電圧のスイッチを開発している。
圧が下がると２段目にはあらかじめ印加されていた通常のゲート電流によるスイッチと比較して AMTは高速でスイッチする特性を有しているが、スイッ 電圧に加えて初段に印加されていた電圧が印加されチ動作は A-K 間に印加される電圧によって決まるた る。この電圧がブレークオーバー電圧を超えると２め、動作電圧が限定される。加速器のパルス電源と 段目もオン状態となり同様に A-K 間の電圧がゼロにして使用する場合、低い電圧で調整運転する場合が なる。以降３段目には印加電圧+初段,２段目の電圧あり動作電圧が限定されるのは使い勝手が悪い。こ が印加されて３段目もオン状態となり最上段まで連続的にオン状態になる。この様にして最下段のサイ____________________________________________#
リスタにゲート信号を入力するだけで直列接続されtakashi.naito@kek.jp- 391 -

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た全てのサイリスタをオンにすることが出来る。
従って、２段目以降のゲートトリガー回路は不要となる。サイリスタがオンになることで C に蓄えられた電荷はグラウンドに流れ負荷抵抗(RL)に負荷電流が流れることで出力となる。また、Fig. 2 の回路でマグネチックスイッチ(MS)は、サイリスタがオンになってから負荷電流が流れるまでの時間を遅らせる効果を持つ[5]。サイリスタはオン状態になり AK 間の電圧が下がってもオン抵抗は十分に下がらない。チップの面積が広いためチップ全体にキャリアが行きわたる時間が必要となる。そのためサイリスタがオンになった直後に大電流を流すと故障の原因となる。Figure 3 は、AMT 17 段の波形を示す。印
加電圧 28kV, 負荷電流 1.5kA を計測している。サイリスタがオンになり電圧が下がってから負荷電流が流れ始めるまで約 300ns の時間差がある。Figure 4
は負荷に PFL を接続した場合の波形を示す。立ち下がり時間は 200ns が実現されている。

Figure 4: Test circuit of the multi-stage AMT with
Magnetic Switch(MS).
AMT を使った Fig. 2 の回路で高電圧、大電流のスイッチが可能であることが確認されたが、この回路は印加電圧の可変範囲が狭い。動作範囲は最大印加電圧の 70~80%程度の電圧からである。これは AMTがブレークオーバー電圧によってスイッチするため、各サイリスタに十分な電圧を印加した状態でないとスイッチしないためである。加速器のパルス電源として使用する場合調整などのために低い電圧で使用する場合があり、動作範囲の広いパルス電源が望まれる。

3.

Figure 2: A circuit of the multi-stage AMT with MagneticSwitch(MS) .

Figure 3: Waveform of the AMT test circuit with acapacitor - Anode voltage(pink): 28kV, Loadcurrent(green): 1.5kA, Horizontal time scale: 200ns/div.

動作範囲の広い AMT 回路

AMT を使ったスイッチ回路の動作範囲を広げるた
めに Fig. 5 の回路を考案した。Figure 2 の回路では初段のサイリスタがオンになった時に、その直上段のAMT がブレークオーバー電圧を超える必要があるが、ブレークオーバー電圧はサイリスタの最大定格電圧の２倍近い電圧であるため両方に最大定格電圧に近い電圧を印加しておかなければならない。さらに上位の AMT が連続的にスイッチするためには各段のAMT にもある程の印加電圧が必要である。AMT は直流の印加電圧が低くてもドライブする電圧との合計がブレークオーバー電圧を十分越えればスイッチするのでゲートトリガーでスイッチするドライブサ
イリスタの段数を増やし、VGT+VAMT の合計がブレークオーバー電圧を超えるよう設計すれば低い電圧でも AMT をスイッチすることが出来る。トリガー回路には光トリガー回路を用い、ドライブサイリスタ各段のゲートに入力パルスを供給している。光受信機を含むゲート回路への電力は接地電位の発信機と高電圧電位の受信機をパルストランスで絶縁する構成の DC-DC コンバータによって供給している。実験
ではドライブサイリスタ４段、AMT 7 段の合計 11 段構成の回路で、最低動作電圧は７kV から 19kV まで電圧を可変出来ることを確認した。Figure 6 に電圧電流特性を示す。実験では C1 の容量を少なくしてピーク電流を少なくしてあるが、最大電圧 20kV に対して７kV 程度から動作することを確認した。実験- 392 -

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ではドライブサイリスタへのゲート信号は光トリガー回路を使用したが、Fig. 7 に示すようなパルストランスを用いたトリガー回路でも同等の動作が可能であることを確認している。トリガーパルスを高速の MOS-FET を使い高電圧電位のゲートに供給する。パルストランスを介することによって各段は絶縁されている。パルストランスを用いたトリガー回路は安価である反面ノイズなどの影響を受けやすい傾向がある。

Figure 7: Test circuit of the multi-stage AMT with
Magnetic Switch(MS).

Figure 5: Waveform of the AMT test circuit with acapacitor - Anode voltage(pink): 28kV, Loadcurrent(green): 1.5kA, Horizontal time scale: 200ns/div.

Figure 6: Waveform of the AMT test circuit with a pulse
forming network - Anode voltage(pink): 10kV, Loadcurrent(green): 320A, Horizontal time scale: 200ns/div.

4.

今後の展望

ドライブサイリスタと AMT の段数を適した段数で構成することによって動作範囲の広い AMT スイッチ回路を開発した。(特許出願中:特願 2022117311) このスイッチによって加速器のキッカーで使用しているサイラトロンの代替を目指す。
ドライブサイリスタと AMT の段数の割合は、最大動作電圧に対して動作範囲をどこまでとするか設計により決められる。ドライブサイリスタを多くす
れば動作範囲は広がるが、トリガー回路などの付帯回路が多くなり、動作も通常のゲートトリガーに近いものになる。また、上段のドライブ回路は高電圧電位になるため DC-DC コンバータは高耐圧のものが必要と成る。反対にドライブサイリスタを少なくするとトリガー回路が省略でき、トリガー回路は高電圧まで電圧が印加されないため耐圧も低いものを使うことが出来る。動作も AMT の高速性が得られる
反面、動作範囲が狭くなる。加速器のキッカー用パルス電源では 10kV~30kV 程度の範囲で可変に出来れば十分使用出来るので、今回の実験と同程度の比率で段数を増やし 20 段程度の構成で実現可能と思われる。
また、今回はドライブサイリスタのトリガー回路に光トリガーとパルストランスをテストした。パルストランスによる安価なトリガー回路を使ったスイッチでも動作することを確認した。用途によっては安価なスイッチとして使用されることが期待される。

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謝辞

本研究は科研費 JP21K12527 の助成を受けたものです。また、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ました。本研究を支援していただきました小関施設長、増澤主幹に感謝致します。

参考文献[1] C. Kondo et al., PASJ2020 FRPP35, Aug (2020).
[2] A. Tokuchi et al., “Development of a high-power solid-stateswitch using static induction thyristors for a klystron
modulator”, NIM-A 769 (2015) 72-78.
[3] T. Naito et al., PASJ2019 THPH030, Aug (2019).
[4] T. Naito et al., PASJ2020 FRPP47, Aug (2020).
[5] T. Naito et al., “A High Voltage Pulse Generator using
Avalanche-mode Thyristors”, IEEJ Transactions on
Fundamentals and Materials, Vol.141 No.1 pp.48-55,
DOI: 10.1541/ieejfms.141.48- 394 -