KEK におけるる SLAC P22 Marx 型クライス型
ストロン電
電源のテスストスタン
ンドTEST STAND FOR THE
E SLAC P2 MARX KL
LYSTRON
N MODULAATOR AT KEK中島啓光光#), 明本光生
生, 設楽哲夫,, 本間博幸, 松本利広, 福田茂樹,福道園
園真一郎#)
Hiromitsu Nakajima , Mitsuo
MAkemmoto, Tetsuo Shidara, Hiroyu
uki Honma, Toshihiro
TMatssumoto, Shigeeki Fukuda,
Shinnichiro Michizzono
Higgh Energy Acccelerator Reseearch Organizaation

Abstract
A unit of thet P2 Marx, whichw
has beeen developed anda already teested as a pulsse power supply for a 10MWW multi-beammklystron for the Internatioonal Linear Collider
Cat SLLAC Nationall Accelerator Laboratory, is being man
nufactured forrevaluation puurpose at KEKK. The P2 Marx consists ofo 32 cells, eaach of which has
h control syystem “hardw
ware manager””
and four gatee drivers, which have hardw
ware for fast detection
dand response to faaults. It is essential that eacch of the cellss
and the gate drivers be tessted before dooing the test off the whole thhe P2 Marx. ThisT paper describes the 2 cells
ctest standd
and the gate driver tester at
a KEK.

1.

はじめ
めに各段段の ON/OFF のタイミングをコントロロールすることににより、出力パルス電圧波波形の調整がが可能となる。
Marx
x 型の電源はは、低い充電電電圧でも段段数を増やす
す
こととによって、高電圧を得るることができ
き、各段のス
イッ
ッチにかかる電圧は、充電電電圧と同じじであるため、低電電圧の半導体スイッチが使使用できる。ILC 用の電電源ととしては、Marx 回路の各各段の充電電電圧、出力パパルス
ス電圧の補正の方式等によより、いくつつかのタイプ
プが研研究、開発されれている。

国際リニアコライダーー（ILC）ではは、RF 源として10MW マル
ルチビームクライストロンンが使用されれる予定となっている。高エネルギー加速器研究機構（KEK）で
では、これまでで 10MW マルチビーム
マムクラ
イストロン用の電源としして、パルスストランスをを使用したバウンサー回路付ききの電源の開開発を行っててきた[1]。しかし、、要求されるるパルス幅が 1.65ms と長長く、パルストランスとそのオオイルタンク
クが大きくななって+Vin+しまうことなどから、ILLC の Techniical Design Report
R（TDR）では、10MW マルチビーム
マムクライストロン用の電源として、パルスストランスをを使用しないい半導体スイッチを使用した Marx 型の電電源がベーススラインデザインに採用された
た[2]。KEK では、昨年度で度から長岡技術科学学大学との共共同研究で ILLC 用の Marrx 型クライストロン電源の開開発を行ってている [3]。一
一方、
SLAC Natioonal Acceleraator Laboratory（SLAC）では、 +Vin
ILC 用のクライストロンン電源としてて、半導体ススイッチを使用した Marx 型のの電源の開発が 10 年以上
上前から進められており、すででに第二世代代となる P2 Marxが開発され、試験運転がが行われていいる[4, 5]。KEKK では、今年度、長岡技術科科学大学とのの共同研究と平行して、P2 Marx
M型のクラライストロンン電源をそのの評価のために製作作することととなった[6]。

2.

P2 Marx2.1

半導体体スイッチを使使用した Maarx 電源

Vout(a) Cllassic Marx toopology (3 celll).

Vout(b) Soliid-state Marx topology (3 cell).
cFigure 1: Simplified
Sof the Marx topoology.

Marx 型のの電源は、Figgure 1（a）にに示すようにに、充 2.2 P2 Marx の概概要
電抵抗を介して、複数ののコンデンササを並列に充充電し、ILLC におけるクライストロロン用電源にに要求されるギャップスイッチによっってそれらをを直列に放電電する
主なな仕様をTabl
le1に示す。
。ILCの主ラライナックででことで、コンデンサの充充電電圧の段段数倍のインンパル
は、378台のクライストロン
ン用電源が使使用されるたたス電圧が得られるものでである。半導導体スイッチ
チを使め、コスト、信頼性、メンテテナンス性、サイズ、効効用した Marrx 型の電源ででは、Figure 1（b）のよように率な
arxは、これなども重要となる。P2
M
れらを考慮しし充電と放電のスイッチにに半導体スイイッチを使用用し、て SLAC
S
で設計計、開発されたたものでありり、すでに試
試____________________________________________#
験運
運転が行われ、、その性能がが確認されてている。
hiromitsu.naakajima@kek.jpp

Table 1: ILC Klystrron Modulatorr Parameters-120kVV
Output Volttage
Output Currrent
140A
Pulse Widthh (flat-top)
1.65m
ms
Pulse Repettition Frequenncy
5Hz
Output Pulsse Flat-top< 0.55%
P2 Marx は、32はcell で構成されてでており、各 ceell を3.75kV に充充電することで、-120kV のパルス電電圧を出力する。各
各 cell の最大大充電電圧はは、-4kV でああり、2 cell が故 障しても-1220kV のパルルス出力が可可能となっている。
。また、各 cell のサイズ
ズと重量は、メンテナンス性を考慮したもものとなってており、筐体体の前面から容易 に交換可能なな物となってている。P2 Marxの cell のパラメーターをを Table 2 に示示す。

2.4

P22 Marx の 制 御 系 は 、 各 cell の 制 御 を 行 う
harddware manageer 、 P2 Marrx 全 体 の 制 御 を 行 うappliication managger、充電電源源のコントロ
ローラ、ユーー
ザーーインターフェースとなるる PC で構成成されている。
P2 Marx
Mの制御系系のブロック
ク図を Figure 3 に示す。
PC
Ethernett

…

2.3

<50lb
13.75””29.5” 8”
32-4kV
4.48kWW

Applicatioon
Managerr… Trigger Inhibit

Hardwaare
ManageerTTable
2: P2 Marx
M
Cell Paraameters
Cell Weighht
Cell Dimennsions
Number of Cells
Output Volttage (Max)Average Ceell PowerP2 Marx の制御系

GGate
GateGate
GGate
Driver Driver
Drriver Driver D

Poweer Supply
Conntroller
PowerSupplyy(-4kVV)

Power
Supply(-1kV)

Cell 1 … Cell 32
gure 3: Block diagram
dof thee P2 Marx con
ntrol system.
Fig

P2 Marrx の cell の動動作

各 cell の 制 御 は 、 FPGAA を 使 用 し た hardwaree
P2 Marx の各 cell は、メインパルルス回路とそそこにmanaager によってて行われ、ゲゲートドライ
イバーへのト直列に接続されたパルス
ス補正回路にによって構成成され、リガガーの供給、各モニター値値のデジタルル化、リレーー
1.7ms のフ ラットなパ ルス電圧が 出力できる 。P2の制制御等を行っ ている。またた、IGBT の過電流等のののMarx の celll の回路図を Figure 2 に示示す。Figure 2 にイン
ンターロックはは、各 cell に 4 つあるゲゲートドライ
おいて、Qmmc がメインパルス回路のの充電用の IGBT、I
バーーでそれぞれれハード的に行行われているる。hardwaree
Qmd が放電電用の IGBT、、Cm がメイ
インパルス回回路のmanaager は、光ファイバによよって絶縁さされ、グランンコンデンサであり、出力力のパルス電電圧は、Cm の充ドレレベルの Gigaabit Ethernet ススイッチに接接続されていい電電圧で決まる。パルスス補正回路はは、メインパパルスる。
デンサ、Qcd をス
回路の放電中には、Cc を入力コンデ
P2
2 Marx 全体のの制御は、appplication maanager によっ
イッチ、Cff1、Cf2 を出出力コンデンンサとした 0～て行行われており 、モジュレレータ全体にに関わるインン
700V 出力ののバックコンンバータ回路路として動作作する。
ターーロック、各 cell に供給しているトリ
リガー信号ののパルス補正
正回路の出力電電圧は、PC 上で計算された制御
御、充電電源へのインヒビビット信号のの制御を行っパターンによる PWM 制御によって制て調整されるる。まていいる。また、--4kV と-1kV
V の充電電源源の制御、モモ位相をずらすすことで、322 cell
た、各 cell の PWM の位
ニタ
ターは、充電電源コントロ
ローラによっって行われ、圧のリップルルを抑えることが全体での出力パルス電圧
appliication manaager と充電電電源コントロ
ローラは、共共できる。に Ethernet
Eに接続続されているる。
Cell Outt
ユーザーインタユ
ターフェーススとなる PC は、Ethernett
Q
Qmc
を介介して、hardw
ware manager、applicationn manager、Qmd
充電電電源のコンントローラと 通信を行いい、各種のス
テーータスやモニター値の表示
示、ON/OFF の制御、充充電電電圧の設定等を行う。またた、PWM のパターンはのは、PC 上で出力のパパルス電圧ががフラットにになるようにに計算算され、各 ceell の hardwarre manager に送信されるに。
Cm
Qcd

Qcc
Cc

-4kV

-1kV

Cf1

Cf2

Ceell In

Figure 2: Simplified ceell schematic ofo the P2 Marrx.

3.

試験装置
置

3.1

試験装置のの概要

P2
2 Marx は、32 cell で構構成されるが、各 cell は
hard
dware manageer によって独独立に制御さされており、動作作試験は、celll ごとに行ううことができきる。また、
各 cellc には、4 つのゲートドライバーががあり、それれぞれれ独立にインターロックのの回路を持っっている。各
各

cell 及び、ゲートドライバーの動作は、IGBT 及び負荷であるクライストロンの保護に関わる重要なものであり、その動作試験が必要不可欠となる。
3.2

ゲートドライバーのテスター

ゲートドライバーは、hardware manager からトリガー信号をもらい、IGBT を駆動するゲート信号を出力する。各 cell には、メインパルス回路の充電用と放電用、パルス補正回路の充電用と放電用で 4 つのゲートドライバーがある。ゲートドライバーのテスターは、ゲートドライバーにトリガー及び過電流の信号を入力し、ゲート電圧波形の確認、各インターロックの動作確認を行うためのものである。
ゲートドライバーのテスターのブロック図を Figure
4 に示す。また、主な確認項目を下記に示す。
 VGE のパルス電圧の確認
 VCE のパルス電圧の確認
 IPK インターロックの動作確認
 DI/DT インターロックの動作確認
 VGE ショートのインターロックの動作確認からメインパルス回路の充電電圧を設定しているが、テストスタンドではローカルで行う。
模擬負荷は、8kV、140A、1.7ms、5pps の運転を行うと、約 60Ωで約 10kW の抵抗が必要となる。抵抗は、空冷式あるいは、水冷式を検討しており、それぞれファンまたは、冷却水のインターロックをapplication manager に入力する予定である。また、
負荷短絡試験のために、模擬負荷に並列にギャップスイッチ等を入れることを検討している。
PC

InhibitDelay
Adjuster

Air Flow/
Water Flow

Power Supply(-1.2kV)
Selector

Dummy
Load

Cell 1

Power Supply(-4.2kV)

Pulse Signal

VGE Short
Test SW

IGBT

Trigger

OutputOptical Fiber

Interlock
Signal

Optical Fiber

Ethernet Switch

Gate Driver Tester
Trigger

Application Manager

Door SW

Cell 2Test Stand

Figure 5: Block diagram of the 2 cell test stand.
TriggerGate Signal

IPKDI/DT

Gate Driver
Figure 4: Block diagram of the gate driver tester.
3.2

テストスタンド

KEK では、2 cell の試験を行うためのテストスタ
ンドを製作する予定であり、現在、詳細に関する検討 を 行 っ て い る 。 テ ス ト ス タ ン ド は 、 application
manager、PC、充電電源（-4.2kV、-1.2kV）、模擬負荷、及び 2 cell を収容するケースで構成される。テストスタンドのブロック図を Figure 5 に示す。
テストスタンドでは、2 cell を収容するケースの扉のインターロック等を受けて、各 cell へのトリガー信号、充電電源へのインヒビット信号の制御を行うために、application manager が必要となる。また、application manager を Ethernet に接続することによって、PC から充電の ON/OFF、トリガーのON/OFF を行えるようにする。
テストスタンドで必要となる充電電源は、2 cellでフルスペックの運転をした場合、メインパルス回路用で約 10kW、パルス補正回路用で約 2kW の容量が必要となる。また、それぞれの充電電源は、application manager からのインヒビット信号を受けて、充電を停止する必要がある。P2 Marx では、PC

4.

まとめと今後の予定

KEK では、P2 Marx 型のクライストロン電源の制作のために必要となるゲートドライバーのテスター、2 cell のテストスタンドの設計、製作を進めている。
ゲートドライバーのテスターは、部品がほぼ揃い、現在、製作中となっている。2 cell のテストスタン
ドに関しては、現在、詳細に関する検討を行っており、年内の完成を目標としている。

参考文献[1] M. Akemoto, et al., “KEK 超伝導加速器試験施設（STF）に於ける 10MW クライストロン用長パルスモジュ
レ ー タ の 開 発 ”, Proceedings of Particle Accelerator
Society Meeting, pp.773-775, 2009.
[2] ILC Technical Design Report Volume 3 – Accelerator,
2013,
http://www.linearcollider.org/ILC/Publications/TechnicalDesign-Report.
[3] Y. Kozasa, et al., “ILC 用半導体マルクス電源”, theseproceedings, SAP055.
[4] M.A. Kemp, et al., “Final Design of the SLAC P2 Marx
Klystron Modulator”, Proceedings of Pulse Power
Conference, Chicago, IL, USA, 2011.
[5] M.A. Kemp, et al., “The SLAC P2 Marx”, Pulse Power
Proceedings of International Power Modulator and High
Voltage Conference, San Diego, CA, USA, 2012.
[6] M. Akemoto, et al., “KEK における ILC クライストロン
電源開発の現状”, these proceedings, MOOL07.