J. Plasma Fusion Res. Vol.87, No.3 (2011)２
０２‐２１５講座 パルスパワー技術入門

４．パルスパワー発生回路の設計と実践
高 木 浩 一，高 橋 克 幸１），上 野 崇 寿２），秋 山 雅 裕３），佐 久 川 貴 志３）
岩手大学，１）シシド静電気"，２）大分工業高等専門学校，３）熊本大学（原稿受付：２
０
１
１年１月２
７日）

パルスパワーは，軍事や慣性核融合を目的に，世界中の発電電力規模の，大型な装置技術として発達してきた［１‐４］．このため，世に広く普及とまではいかず，限られた施設や研究グループのみで扱われてきた．しかし
ちょっとした パルスパワー（ちょいパル？）が使えると便利なことも多い．水処理，殺菌，ナノパウダー，オ
ゾン生成，きのこ増産，イオンドープ，食品保存，バイオ応用，医療応用など多くの場面で活用できる［１‐８］．また園児・児童・生徒を相手にしたサイエンス教室でも，１００円かみなり，脱色やプラズマのデモなどに使用できる［８‐１２］．ここでは，学術を少し離れ，簡単に，安価なパルスパワー発生回路を作ることに比重をおく．想定
は，４．
１，４．
４節は理系コースの高校生（物理履修）が，４．
２，４．
３節は電気系大学生が作ることになる．ここで取り扱う回路は，電圧が数 kV〜数十 kV（数万ボルト）で，製造コストはお菓子の買える価格帯（１００円程度）から高級家電（数十万）になる．
Keywords:
pulsed power, high-voltage, power device, plasma, magnetic compression, semiconductor switch, FPGA

４．
１ 直流高電圧の発生とパルス化に，鉄心と呼ばれる口の形をした鉄板（けい素鋼板）を重

家庭のコンセントに来ている電気は，交 流１００ボ ルト

ねたものに複数のコイルを巻きつけた結合インダクタで，（AC100 V）である．周波数は，西日本で６
０ヘルツ
（Hz）
，

磁束をつくる電流が小さく，また漏れる磁束がほとんどな

東日本で 50 Hz である．これから数万ボルトのパルス電圧

く，電圧や電流の大きさを変える際によく用いられる．２を作り出す場合，１）電圧の大きさを増やす（昇圧），２）電つのコイルをもつ変圧器の場合，１次側と２次側の巻数を

圧の形をパルスに変える（パルス化）が基本になる［２，
４］．

$"，$#とし，１次側と２次側の交流電圧 ""，"#，交流電流

ここでは，変圧器（トランス），整流素子（ダイオード），!
"，!
#とすると，上記した特徴は次のような簡単な関係式

蓄電素子（コンデンサ），半導体やギャップなどのスイッで表すことができる［１４］．

チを用いた，直流高電圧の発生と，パルス電圧の発生につ$# "# !
" " "$" "" !
#

いて述べる．
４．
１．
１ 家庭用コンセントから直流高電圧の発生（１）

家庭コンセントの電気は AC100 V である．したがって，したがって，一次側の入力を 100 V とすると，巻き数比

例えば 10 kV（１万ボルト）を作る場合，１００倍に増幅する$"）を１０とすると 1 kV が，（"$#!
１００とすると 10 kV が，計ことが必要になる．このように電圧を増幅する（昇圧）す

算上は得られる．現実には，二次側の電流による影響や絶る際に用いられる手法に，１）トランスを用いる，２）ダイ

縁設計上の制限などがあり，通常のトランスで巻き数比をオードとコンデンサを多段に接続する方法（コッククロフ

大きくしようとすると，電源が体積・重量ともに大型とな

ト・ウオルトン回路）がある［２］．ここでは，それらの具体る．このため，ネオントランス（磁気漏れ変圧器）などが例とその動作について述べる．

よく用いられる．これは，磁束の漏れ部の回路を設けるこ（１）ネオントランスを用いた直流高電圧の発生とで，二次側の出力の負荷変動を回避するもので，入手が図１に，トランスを用いて AC100 V から直 流 電圧を得容易なものは，入力 100 V に対して出力が 15 kV のものがある．

る，基本的な回路構成と動作を示す．入力となる AC100 V は，
図 に 示 す よ う に，三 角 関 数 の 正 弦 波 の 形 式

交流から直流への変換は，電圧の正負の一方向のみ取り

（"!!#
；#
は周波数［Hz］，%は時間［秒］，#は初
"#
%
$
%#
#
!#$
%&

出す整流回路と，脈動を抑えて直流に近づける平滑回路で期 位 相）と な っ て お り，最 大（ピ ー ク）値 は 141.4構成される．整流回路は，大きくは，図１に示す一方向の［V］，東日本の周波数 50 Hz を用いると，周期は（""!!#%）
20 ms（0.02 秒）である［１３］．トランスは，図２に示すよう電圧を取り出し，逆方向をカットする半波整流回路と，逆方向の電圧も，電圧の向きを変えて出力する全波整流回路

4. Design and Practice of Pulsed Power Circuit
TAKAKI Koichi, TAKAHASHI Katsuyuki, UENO Takatoshi, AKIYAMA Masahiro and SAKUGAWA Takashi
corresponding author’s e-mail: takaki@iwate-u.ac.jp

２０２!2011 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion ResearchLecture Note

4. Design and Practice of Pulsed Power Circuit

K. Takaki et al.

（a）
図２

（b）
変圧器の基本構成と回路図

流高電圧発生回路の写真と，その出力を示す．回路図は，図１に示している．入力を 100 V とした場合，ネオントラ
ンスの二次側の出力は 15 kV となる．このため，ピーク電圧は約 21 kV（!!#"" ）となる．この電圧は，1 nF のコンデ
図１

ンサと，10 MΩ の抵抗で平滑化される．しかしながら，周ネオントランス（変圧器）を用いて AC100 V から直流高電圧を得るための基本回路と動作．（v1：ネオントランス一次側電圧，v2：二次側電圧，vo：平滑回路の出力電圧）期が 20 ms と長いこともあり，時定数 RC で，21 kV から，
約 11 kV まで減衰している．ダイオードには，前述のオリジン電気製（型番：ED-24H1）を用いている．

になる．整流にはダイオードが用いられ，高電圧用のダイ（２）100 V 直流電源とインバータネオントランスを用いた
高電圧発生

オードは，オリジン電気!（http://www.origin.co.jp/）などで販売されている．平滑回路には，コンデンサと抵抗がスイッチング素子を組み込んで交流を作り（インバー用いられる．高耐圧のコンデンサは村田製作所（http://タ），さらに共振トランスで昇圧するものを，インバータ

www.murata.co.jp/index.html）等 で 入 手 で き る．た だ

トランスと呼び，蛍光灯など照明器でよく利用されていし，数 kV〜数十 kV の高耐圧で，安価に入手できるものはる．市販もされているため，容易に入手できる．出力電圧

セラミックスコンデンサとなり，比較的低容量（2 nF 程は，9 kV が一般的だが，15 kV まで販売されている（http:度）になる．このため平滑に必要な抵抗は，商用周波数//www.lecip.co.jp/lecip/product/product12-01.htm）．こ50 Hz の場合，10 MΩ 程度（#!"!；#：周期，"：抵抗値，のトランスは，巻線型ネオントランスに比べて小型で，コ!：容量）と大きな値となる．

ンパクトな電源作成に適する．巻線型ネオントランスを，

図３に，構成の一例として，定格 15 kV の巻線型ネオン

インバータネオントランスで置き換えて使うことも可能でトランス（長野愛知電機!，ネオン変圧器１５）を用いた直ある．しかし，100 V の定電圧電源（例えば http://www.

（a）写真
図３

（b）各部の波形．
ネオントランスを用いた直流高電圧発生回路と出力波形（v2：ネオントランス二次側電圧，vo：平滑回路の出力電圧）

（a）写真
図４

（b）各部の波形．
インバータネオントランスを用いた直流高電圧回路と出力波形（v2：トランス二次側電圧，vo：平滑回路の出力電圧）

２０３

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.3 March 2011

matsusada.co.jp/dcps/pl/）を用いることで，インバータの電力スイッチを用いてパルス化すれば得られる．このよう周波数の 20 kHz で電圧を取り出せる．この結果，時定数はに直流電圧をパルス化するする手法に，１）コンデンサと通常のネオントランスの 1/400 程度になる．一例として，

短絡スイッチで正弦（三角）波を得る，２）同軸ケーブルな

図４に，100 V 直流安定化電源（型番：TEXIO Co., PA120

どの分布定数線路で方形波（ナノ秒オーダ）を得る，３）コ-06B）とインバータネオントランス（型番：レシップ!，

ンデンサとコイルを多段接続して方形波（マイクロ秒オー

Alpha Neon M-5）
，前述のダイオードとコンデンサで構成ダ）を得るなどがある．ここでは，それらの具体例とそのした直流高電圧発生回路と出力の様子を示す．写真より，動作について述べる．

巻線型電源に対して小型になっていることがわかる．加え（１）コンデンサと短絡スイッチによるパルス発生（集中定数回路）て，図３の波形に対して出力電圧の変動が小さいこともわ
かる．

直流高電圧を利用してパルスを発生する方法は，コンデ（３）コッククロフト・ウォルトン回路

ンサ等のエネルギー蓄積素子に蓄えられたものを，短時間

コッククロフト‐ウォルトン（Cockcroft-Walton）
回 路 は，

かつ高電圧駆動のスイッチで取り出すのが一般的である．

コンデンサとダイオードを多段式に組み合わせたもので，スイッチには，半導体などの電力素子（MOS-FET; Metal

低電圧の交流電源を高電圧の直流電源へ変換できる．二段

Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，IGBT; Insu-のものは，倍整流回路とも呼ばれる［２］．一例として，前述

lated Gate Bipolar Transistor）を使う方法や
［１５］
，簡便な

のインバータネオントランスとセラミックコンデンサを４ギャップスイッチなどが用いられる．典型的な回路構成を段使用したものを，図５に示す．またその出力を図６に示
電圧が上がる様子などが確認できる．インバータネオント

図７（a）に，また出力電圧の模式図を示す．短絡スイッチの""（負荷のイン
動作前の充電電圧を $!として，# !# !!
!
ピーダンスが回路のインピーダンスに対して十分大きい）

ランスの出力は 20 kHz だが，入力が商用周波数の 50 Hz．
とした場合，出力電圧 '!は，以下の式となる［２］す．条件として，段数を変えており，段数が増えると出力! &となっており，このため電圧の上昇に，多少の時間を要す

!#&

'!#
&
% !# !% " $$"$! #る．一次側に，直流安定化電源を用いることで，出力電圧（２）一例として，もっとも簡単に，安価にパルスを作り出すの調整や出力までに要する時間の低減などが可能である．
４．
１．
２ 直流高電圧からパルス高電圧の発生方法として，ギャップスイッチを短絡スイッチとして構成

前節では，コ ン セ ン ト の 電 気 AC100 V か ら，例 え ばしたものを，図８（a）に示す．ギャップスイッチは，気体等

10 kV（１万ボルト）などの直流高電圧を得る手法についのギャップの媒体の絶縁降伏（インピーダンスが非常に大て述べた．パルス高電圧は，基本的には直流高電圧を，大きな状態；数百 MΩ から短絡へ近い状態；ミリ Ω オーダへ（a）回路図．
図５（b）写真

４段で構成したコッククロフト・ウォルトン回路．

（a）出力の過渡特性
図６（b）出力電圧と入力電圧の関係

段数を１から４まで変化させたコッククロフト・ウォルトン回路の出力特性．

２０４

Lecture Note

4. Design and Practice of Pulsed Power Circuit

（a）回路
図７

（b）出力波形

クロージングスイッチを用いた正弦（三角）波の発生回路．

（a）写真
図８

K. Takaki et al.

（b）出力波形

ギャップスイッチを用いた正弦（三角）波の発生回路とその出力．

短時間に変化する現象）を利用する．写真のギャップス
イッチは，ネジ等で電極間の距離（ギャップ長）を変えることで動作電圧を変えている．例えば，大気中で動作させた場合，おおよそギャップ長 1 ㎜あたり 3 kV となる．したがって，出力電圧を 15 kV に設定したい場合，ギャップ長を 5 mm 付近に設定し，あとは出力電圧をモニターしながら微調整を行う．実用上は，ギャップスイッチだと動作が
図９

安定しないことなどもあり，大電力用の半導体スイッチを同軸線路とその等価回路．

用いる．半導体スイッチの耐圧は，キロボルトオーダと，それぞれ !と "とするとき，それほど大きくないこともあり，通常は，次節で述べるパルストランスやブルームライン回路を用いて昇圧して用い$! ! ! "
" "!
#"
#
"!

ることが多い．図８の回路の出力波形の一例を図８（b）に
示す．

（３）

同軸ケーブルなど分布定数線路（回路寸法が電圧や電流，!
$で与えられる［２］．ここで，"は光速（＝3×108 m/s）と "$はそれぞれ媒質の比誘電率と比透磁率である．長さをの周期に対して短い回路）を用いることで，方形波などの#の同軸ケーブルの一端から取り出 さ れ る パ ル ス 幅 !

パルス波形を形成できる．基本的な考え方は，すでにこのは，前進波と後退波のパルス幅の和，（２）同軸ケーブルを用いたパルス発生（分布定数線路）講座の１回目に記載されている［１６］．ここでは，考え方に#"!!"#!"#!
#"#""! ""!
$

ついて簡単に触れたのち，安価に購入できる同軸ケーブルを用いたパルス電源の構成例を紹介する．

（４）

図９に代表的な伝送線路である同軸線路を示す．円筒形となる．同軸ケーブルの媒質によるが，おおよその値としの内部導体と外部導体からなり，その間には誘電体が存在て，ケーブル 1 m あたりパルス幅 10 ns（RG-58U での計算する．したがって伝送線路は同図に示すように，はしご型値）となる［１７］．

等価回路の分布定数回路で表すことができる．無損失の場

同軸ケーブルを利用したパルス発生方式の利点として，合，その一端に進入した電圧パルス波（あるいは電流パル

市販されている同軸ケーブルが利用できるため，安価に構ス波）は，減衰することもひずむこともなくその波形形状成できる点以外にも，同軸ケーブルを複数組み合わせるこを保ったまま伝搬して，他端に到達する．

とで，容易に電圧を積み重ねて大きくとれることになる．

分布定数線路において，その特性を与える代表的な要素

この方式はブルームライン線路（Blumlein-line）と呼ばれが特性インピーダンスと，伝搬速度 $である．特性インている．一例として，同軸ケーブルを６本用いて構成したピーダンスは，伝送線路の形状と伝送線路に詰められた媒

３段 ブ ル ー ム ラ イ ン 線 路 の 構 成 と 写 真 を 図１０に 示 す

質によって定まり，伝搬速度は，媒質の誘電率と透磁率を［１８］．６本の同軸ケーブルを，それぞれ渦巻状に巻き，各２０５

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.3 March 2011

ケーブル端を接続するなどして構成する．ケーブル長を変

タンスが小さいために生じる．このため，一般的にはマイえた場合の出力波形を，図１１に示す［１８］．各ケーブルのイ

クロ秒を超える，比較的長いパルスを形成する場合，図９

ンピーダンスは 50 Ω であり，これが６段になっているたに示す等価回路の，キャパシタ部とインダクタ部に，耐圧め，おおよそ 300 Ω の負荷で整合がとれる．ケーブル長がの高いコンデンサや，大電流を流すことのできるコイルを

12 m から 8 m，4 m と減らすことで，パルス幅は 120 ns

配置する．これは PFN（Pulse Forming Network）と呼ばから 80 ns，40 ns と減少する．しかし回路のインダクタン

れている．構成を，図１２に示す．直流高電圧の発生には，前ス成分も影響し，短いケーブルを用いた場合，パルス形状

述のコッククロフト・ウォルトン回路を用いている．PFN

は方形波から正弦波に近づく．

は，１０段（#!"!）で，すなわち１０個のコンデンサと，１０（３）コンデンサとコイルを用いた方形波生成

個のコイルより構成されている．PFN の最大出力電圧

前述の同軸ケーブルを用いたパルス電源の場合，必要とは，コンデンサの耐圧で決定され，図１２の場合，40 kV であするパルス幅がマイクロ秒を超えると，必要となるケーブ

る．パルス幅は，コンデンサの静電容量を !#，コイルのイルの長さは100 mを超え，電源の寸法も大きなものとなる．

ンダクタンスを "#とすると，以下の式で表すことができ

これは，ケーブルの単位長さあたりの静電容量やインダク

る．

（a）回路

（b）写真

図１
０ ３段ブルームライン積み重ね線路［１８］．

（a）12 m（b）8 m（c）4 m

図１
１ ケーブルの長さを変えた場合の出力電圧波形［１
８］
．

（a）回路

（b）写真
図１
２ PFN 回路．

２０６

Lecture Note

4. Design and Practice of Pulsed Power Circuit&##$(#+!+

K. Takaki et al.

ると，接点 a の電位が GND（接地電位；0 V）となるため，（５）bの電位は−'となる．この瞬間，ギャップスイッチ②には

図１２では，!+#2 nF，#+#1.25 μH，$#"!であるので，パ

2 V の電圧がかかり動作する．その後，ギャップスイッチ

ルス幅 &は約 1.0 μs となる．図１３に，充電電圧を 5 kV とし③には，3 V の電圧がかかり，'*-,には−3 V の電圧最大値たときの出力電圧波形を示す．負荷として，回路の特性イを持つパルス波が出力される．つまり，マルクス発生器とンピーダンス（*#+!
!+）と等しい 25 Ω の抵抗を接続し!#(た．パルス幅が約 1 ms，大きさが約 5 kV のパルスが出力さは，並列に充電したコンデンサをギャップスイッチによって直列に接続しインパルスを得る装置である．マルクス発

れていることがわかる．また，点線は回路シミュレータ

生器において，'$まで充電したコンデンサを$［個］接続し（マイクロネット，Circuit viewer 3.0）を用いた解析結果にた場合，出力の電圧最大値 '(&.は $"'$
［V］で与えられる．

なる．解析と計測結果が，おおよそ一致する様子も確認で

図中の出力の極性は負であるが，充電側の極性を入れ替えきる．

る，即ち負とすることで正出力が可能である．その時の動（高木浩一，高橋克幸）

作原理は，極性が入れ替わるのみで同一である．

４．
２ パルス圧縮と昇圧（２）マルクス発生器の製作

前章では，直流高電圧の発生と電圧のパルス化について

マルクス発生器を製作する際，素子のパラメータの選定述べた．これでひとまずパルス高電圧を作り出すことはでが必要となる．ここでは，その選定方法について説明する．

きる．しかし，用途によっては，さらなる短パルス化（パa．抵抗 Rルス圧縮）や高電圧化（昇圧）が必要になる．加えて，電%の選定にあたっては，動作周波数および出力パルス幅

源の小型化や低コスト化，高効率化を図る上でも，パルスを考慮し決定する．動作周波数 (［Hz］とすると，周期 "［s］!
(

圧縮や昇圧過程が必要になる．ここでは，主に半導体スの間にマルクス発生器のすべてのコンデンサへの充電が完

イッチング素子を用いた，パルス圧縮や昇圧過程を含む電了しなければならないので，"!
($#"$"%"! を満たす必要源について述べる．

がある．また，出力波形 の パ ル ス 幅 を &*［s］
とした場
,

４．
２．
１ MARX 型パルス発生回路

合，マルクス発生器のギャップスイッチが動作した瞬間か（１）マルクス発生器の動作原理

ら ! は %によって短絡され放電が始まるので，!"%$&*-,

マルクス発生器は，２０世紀初頭にマルクスによって考案を満たす %を選定しなければならない．これを満たさないされ，その回路構造の簡易さから幅広く利用されているイと，ギャップスイッチの動作時に ! が急激に放電してしま

ンパルス発生回路である．図１４に回路図を示す．

い，所望のパルス幅を持った出力を得ることができない．
いずれの場合も，%"!の積によって満たすべき条件となる'')に高電圧直流電源等を接続し，コンデンサ C を ' まで充電する．この時，各ギャップスイッチには ' の電圧がため，! の容量を変化させ調整させても良い．

印加されている．ここで，ギャップスイッチ①を動作させ

b．コンデンサ C［V］から［J］と充電電圧'$!の選定は，入力エネルギー"
決定され，!##""!
'$#で決定される．また，! の電圧変化が急激なため，コンデンサの材質も考慮し，損失が小さく，電圧の急激な変化に強いコンデンサを利用する必要がある．
c．ギャップスイッチ
ギャップスイッチは，そのギャップ間隔により動作電圧を調整する．ギャップスイッチの動作電圧を '%［V］とすると，充電中の動作を防ぐために '% "'$ としなければなら% "）ない．また，充電側から数えて )個（)#のギャップスイッチには，マルクス発生器動作時に )"'! !'! #'! &)!"'の電位が加わるので，'$&)!"'$'% として確実に動作する様にしなければならない．

図１
３ PFN の出力波形（点線：計算結果，実線：測定結果）．

（３）ギャップスイッチの半導体スイッチへの置き換え
上述のようにマルクス発生器のスイッチングとして用いられているのがギャップスイッチであるが，絶縁を保つための装置の大型化，それに伴うインダクタンスの増加，加えて，ギャップスイッチ短絡動作時に自己破壊電圧を利用しているため，動作時間のずれやミスファイアといった欠点を持っている．これらの欠点を解消し，小型化および立
ち上がりの高速化の手法として，半導体スイッチの１つである接合型トランジスタ（Bipolar Junction Transistor: BJT）

ギャップスイッチの利用がある（図１５）．

図１４ マルクス発生器の構成図．

BJT の適用は，寿命，信頼性そして小型化といった多く
２０７

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.3 March 2011

図１
５ 小信号用 BJT 外観写真，回路図記号．
（a）

（b）

図１
６ ブレイクダウン現象発生時の電圧電流波形．（a）
ブレイクダウン現象発生前，（b）
ブレイクダウン現象発生後．

の点において，ギャップスイッチと比較して有用である．
しかし，そのスイッチング速度が非常に遅いという欠点も併せ持っている．これは，BJT のスイッチング速度は，PN接合領域に蓄積された蓄積キャリアによって制限されており，通常動作させる場合では，ベース電流の調整によってコレクタ電流（キャリア）の制御を行っているためである．
図１
７ マルクス発生器回路図．

そこで，この欠点を解消するために，ブレイクダウン現象と呼ばれる現象を意図的に起こし，BJT を動作させる．これにより，通常動作で得られるマイクロ秒のスイッチング

表１

時間をナノ秒オーダまで縮めることができ，非常に高速な

使用素子
抵抗 R
コンデンサ C
BJT
段数

スイッチング速度を実現することが可能となる．その現象の発生には，コレクタ−エミッタ間に定格を超える電圧を加える必要があるが，そのコレクタ電流を制限することにより，素子破壊に至らずに繰り返し動作が可能となる．

マルクス発生器構成．
値
3.3 kΩ
100 nF
2SC2655
３０段

図１６にブレイクダウン現象発生前後の電圧電流波形を示
す．１つ あ た り２００円 以 下 の 小 信 号 用 BJT（2SC2655，

回路を図１７，作製に用いた素子の値，構成を表１に示す．

，"，東芝社製）を利用し，コレクタ#!" !50［V］! !2［A］［nF］とした．充電にはコッククロ
段数は３０段とし，!!100−エミッタ間にコンデンサ 100 nF を接続したときの充電

フト・ウォルトンを利用した．初段を除くすべての BJT

電 源 電 圧（##$），コ レ ク タ−エ ミ ッ タ 間 の 電 圧 波 形のベース抵抗は，0 Ω（ベース−エミッタ間を短絡）として（#!"），コレクタ電流波形（"!）である．ブレイクダウン現いる．これにより，ブレイクダウン現象発生時にスイッチ

象発生 前 の図１６（a）で は，#!" !48 V，最大 "! !7 A で ス

ング時間が最小，かつ出力電圧が最大となる［１９，２０］．

イッチングを行っているが，#!" を増加させブレイクダウ

充電電圧 150 V，負荷抵抗 3.3 kΩ の時の出力波形を図１８ン 現 象 が 発 生 し た 後（図１６（b））で は，定 格 の３倍 のに示す．最大電圧 3.9 kV，立ち上がり時間6.7 nsの電圧出力#!" !150 V，最大 "! !100 A を超えるスイッチングが可能が確認できる．立ち上がり時間はナノ秒であるが，立ち下である．#!"，"! 共に定格を超えているが，コンデンサの容がりは負荷の抵抗と発生器全体のコンデンサ容量で与えら量による制限を行うことで，繰り返し動作が可能である．

れる時定数によって決定されるので，マイクロ秒と長くな（４）マルクス発生器の作製る．

ギャップスイッチをBJTに置き換えたマルクス発生器の２０８

Lecture Note

4. Design and Practice of Pulsed Power Circuit

K. Takaki et al.

図１
８ シングルマルクス発生器と出力波形．

表２（５）おわりに

パルスパワー回路に利用される磁心材料の物理特性．

本節では，ギャップスイッチを半導体素子である BJT

鉄基
コバルト基
鉄基
Mn-Zn
ナノ結晶質合金 アモルファス合金 アモルファス
フェライト
（２
７
１
４）
（FT-3H） （２６０５CO） 合金

磁性材料

へ置き換えたマルクス発生器を紹介した．BJT の単価が安く，構成素子もコンデンサ，抵抗であるため発生器のコス

飽和磁束密度 Bs
（T）

1.23

1.8

0.57

残留磁束密度 Br
（T）

1.09

1.6

0.52

0.26

発生器以外にもナノ秒短パルス［２１］を出力するものやパル

初透磁率（at 0.02 T）$&

−

14000

1700005300

ス幅を可変できるマルクス発生器［２２，２３］も存在する．い

比透磁率
（at１
０
０kHz）$(

5000

5000

80000

5300

ずれも安価で研究室にある材料でパルスパワーを発生でき

飽和時比透磁率 $(
)

〜1

〜1.3

〜1

〜3

ることが大きな魅力の１つである．これらの製作を通し

保磁力 Hc（A/m ）

0.6

4

0.2

8

て，パルスパワーへの興味や理解が深まれば幸いである．

半周期（0.5us）コア損失 Pc（J/m3）

710

1680

−

70

トも低く抑えることが可能である．今回紹介したマルクス（上野崇寿）
４．
２．
２ パルストランスと磁気圧縮回路
本節では強磁性体を用いたパルストランスと磁気パルス

0.44

０−6）
飽和磁歪 #（
) ×１

0

35

0

0.6

キューリー温度（℃）

570

415

225

＞ 150

抵抗率 %
（μΩ-m）

1.2

1.23

1.42

1×10１２圧縮回路について述べる．パルストランスや磁気パルス圧
縮用可飽和インダクタに用いられる磁性材料の特性を表２に示す［２４］．形状としては図１９に示すようなトロイダル形
状がよく用いられる．これら磁心材は大きさにもよるが小型の汎用品だと数千円から入手できる．パルストランスも一般的な AC トランスと同様に一次巻線とに二次巻線の巻%"）で昇圧比が決まる．当然のことながら磁気飽
数比（%#!
和させないように設計する必要がある．磁気飽和したトラ
ンスでは一次巻線と二次巻線の磁気結合が無くなりエネル
ギー転送がうまくいかない．磁気飽和しないパルストラン

図１
９ トロイダル磁心材．

スの設計にはパルストランス一次側に入力されるパルス電
圧波形を見積もる必要がある．パルストランス設計におい（ただし "(は残留磁束密度）として利用することで高価なてトランス一次側の電圧時間積と磁心材の磁束密度変化の磁心材料の容積を軽減して使用できる．パルスパワー用の関係は次式のようになる．

パルストランスの一次巻線はできるだけインダクタンスを小さくする必要がある．リッツ線を用いたり，巻線の並列

#)

! $$
'
%'
%
#%"! "%&"%"!'""!

!'

数を増やして低インダクタンス化を計る必要がある．パル（６）

ストランスは一次側の入力電圧が数 kV，二次側出力電圧

ここで #$は電圧が印加される時間，$$'%はトランス一次は数 kV から数 100 kV の高電圧を発生することが多い．そ側に印加される電圧，%" はトランス一次の巻数，!' は巻のためパルストランスの巻線は十分耐電圧のある高電圧線部の磁心材断面積，Δ" は磁束密度変化量である．通常ケーブルを用いる．シリコンケーブルが扱いやすいが安価

AC トランスでは """#"$（ただし "$は飽和磁束密度）でな架橋ポリエチレンケーブル等もよく利用されている．

あるが，パルストランスでは正負どちらかの片極性である

磁気パルス圧縮（MPC ; Magnetic Pulse Compression）回

ため """"$となる．保持力以上の逆バイアス磁界を発生

路とは磁気スイッチとして機能する可飽和インダクタを用させる三次巻線（リセット巻線）を施して """"$!"(

いて電流パルスを時間圧縮していく回路である．電流パル
２０９Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.3 March 2011

心材断面積，!" は磁束密度変化量である．磁気パルス圧
縮回路は LC 共振回路であり，パルス幅 ##は次式で表すことが出来る．
#%#!%,%
##$
"$
#""

（８）

ここで %#は電流ループ I2 の漂游インダクタンス，%'は SI1の飽和後のインダクタンス，##$は #"と ##の直列接続時の合成容量である．この値をいかに小さくするかが短パルス化につながる．
#" 充電直後に SI1 がオン（飽和）し #" が放電して ##に電荷転送が行われる．この時も同様に SI2 がオフ（未飽和）状態を維持するように設計すると##は効率よく充電される．同様に ##充電直後に SI2 がオン（飽和）して #+を高速充電（パルス圧縮）し負荷にパルスパワーを印加する．
図２０ ２段磁気パルス圧縮回路と各部の電流電圧波形．

（佐久川貴志）４．
２．
３ 誘導性パルス発生回路

スを圧縮することで電流のピーク値が増加する．可飽和イ

半導体オープニングスイッチを用いた誘導性エネルギーンダクタとは強磁性体の透磁率の非線形現象を用いること

蓄積型パルスパワー電源［２，１６］の回路図を図２１に示す．回で通電しない状態（非飽和時）と通電する状態（飽和時）を

路は，充電コンデンサ #"，ギャップスイッチ，パルストラ

作ることができる．図２０に典型的な２段磁気パルス圧縮回ンス（２：１０），１次エネルギー蓄積コンデンサ ##，２次エ路と各コンデンサ（#"，##，#+）の電流電圧波形の模式図

ネルギー蓄積インダクタ %，半導体オープニングスイッチを示す［２５］．SI０〜SI２は可飽和インダクタ，PTは昇圧用の（SOS ; Semiconductor Opening Switch）ダイオード（Volt-

パルストランスである．#!##+は充放電用のコンデンサ

age multiplier, K100UF）によって構成している．パルスト

である．SW は半導体スイッチである．動作としてはまず

ラ ン ス に は 可 飽 和 磁 性 体 コ ア（日 立 金 属 株 式 会 社 製

充電器でコンデンサ #!を充電する．#!充電後 SW をオン

FT-3L）に２：１０の比率で巻き線したものを用いた．

すると #!に充電されていた電荷は放電し PT を介して昇圧

コンデンサ #"が直流電圧 ('によって充電されギャップ比に対応した電圧で #"を充電する．このとき SW オン後数スイッチが短絡すると，パルストランスを介して，#" からマイクロ秒 SI0 が高インダクタンス状態で電流を流さない##にエネルギーが転送される．##が充電され，磁性体コアようにする．そのことで電圧と電流の位相差が生じ，結果が磁気飽和すると，そのインピーダンスが急激に低下し，的に電圧と電流の積で決まるスイッチング時の電力損失がほぼ導通状態となる．そのため，SOS ダイオードに順方向低減できる．これを磁気アシストという．#"は#!の充電電に電流が流れ，インダク タ %にエネルギーが転送され圧より昇圧された電圧で充電される．このとき SI1 はオフ

る．その後，##と %およびパルストランスのインダクタン（未飽和）状態を維持するように設計すると高インダクタ

ス成分による LC 振動によって電流が反転する．順方向電ンス状態で電流を流さないようにして効率よく #!から #"流が流れ込む SOS には少数キャリアの蓄積が起こり，続くに電荷の転送が行われる．SI1 の未飽和状態を維持する時

極性反転時には，蓄積したキャリアは逆方向電流となって間は，式（６）同様，次式のように求めることができる．

流れる．ある時間を経て空乏層の蓄積電荷が消滅したときに急激な電流遮断が起こり，SOS ダイオード両端に以下の'"! (# $,(,%"*&$ ! "(+"*&$!)!"
!

"

"

"

!)

式に示すパルス電圧 -*が生じる．

（７）()-*"% '&'(,

こ こ で '" は #" の 充 電 電 圧 が 最 大 に な る ま で の 時 間，,(# $%は #"の充電電圧，*'% は SI1 の巻数，!) は SI1 の磁
"

（９）

"

（a）回路

（b）写真
図２
１ SOS ダイオードを用いたパルス電源．

２１０

Lecture Note

4. Design and Practice of Pulsed Power Circuit

K. Takaki et al.

図２
３ ダウンロードケーブル．

図２
２ SOS ダイオードを用いたパルス電源の電流・電圧波形．

図２２に，出力端を解放とした場合の，ギャップスイッチ
両端の電圧 $!，SOS ダイオードへの電流 #$#$，出力電圧$%の波形をそれぞれ示す．このとき，"，!"はそれぞれ9.1 μH，2 nF とした．充電電圧は約 6 kV である．図より
230 ns の時点で，電流の急激な遮断が生じ，約 28 kV のパルス電圧が発生していることがわかる．パルス幅は，半値
幅で約 50 ns となっている．ギャップスイッチ部を MOSFET などの半導体スイッチにすることで繰り返し周波数も大きくとれる．

（高木浩一，高橋克幸）
図２
４ FPGA ブレッドボード．

４．
３ 高度な制御
ここでは，実際に開発したパルスパワー発生装置を例

FPGA ブレッドボードは多くの企業が販売しており，本開に，組み込みシステムを用いた高度な制御について述べ

発では価格が安く小型なヒューマンデータ（http://www.

る．FPGA（Field Programmable Gate Array）を磁気パル

hdl.co.jp/）のブレッドボードを購入した．HW-USB-G のダ

ス圧縮回路（MPC ; Magnetic Pulse Compression）方式のパ

ウンロードケーブルは USB で接続でき，FPGA ブレッド

ルスパワー発生装置へ組み込み，ソフトウェアを用いて高ボード上の JTAG ポートと接続させ，作成したソフトウェ

度な制御を行う．

アを簡単に FPGA へ書き込むことができる．

４．
３．
１ 組み込みシステムを用いた制御

FPGA のハードウェア記述言語として，主に VHDL と電子機器の制御はロジック IC などを用いた電子回路やVerilog HDL の２種類が対応している．本研究では Verilog

機械的な操作で実現していたが，テレビや冷蔵庫，携帯電

HDL を用いて開発を行った［２７］．Verilog-HDL は C 言語と話など，現在の電子機器は組み込みシステム［２６］を用いる

プログラムコードが似ており，演算式や条件判断文などのことが一般的である．近年はパルスパワーを用いた応用研

記述はほとんど同じである．

究・産業応用の発展に伴い，パルスパワー発生装置の制御（２）ハードウェアとソフトウェア
図２５にロジック IC を用いたコントローラ，図２６に FPGAが複雑化し，組み込みシステムを用いた制御が有効となってきた．

を用いたコントローラを示す．FPGA の導入によって電子（１）開発環境の準備
開発環境は下記である．
FPGA：Xilinx 社 Spartan-3
開発言語：Verilog HDL
統合開発ツール：Xilinx 社 ISE Design Suite 12.1
ダウンロードケーブル：Xilinx 社 HW-USB-G（図２３）
FPGA ブレッドボード：ヒューマンデータ社
Spartan-3 VQG ブレッドボード（図２４）
コンパイルなどの機能を持った統合開発ツールは，Xilinx のウェブページ（http://japan.xilinx.com/）から無償でインストールできる．FPGA，水晶発振器，ダウンロード
図２
５ ロジック IC を用いたコントローラ．

用の JTAG ポート，LED や操作用スイッチなどを搭載した
２１１

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.3 March 2011

図２
８ タイミングチャート．
図２
６ FPGA を用いたコントローラ．

図２
９ FPGA で作成した制御信号．

図２
７ パルスパワー発生装置の構成．

部品の数を減らすことができ，柔軟な仕様変更，高度な制御の実現など，様々なメリットが得られる［２８］．
図２７にパルスパワー発生装置の構成を示す．パルスパ
ワ ー 発 生 装 置 は，FPGA を 用 い た コ ン ト ロ ー ラ，充 電器，パルスパワー発生装置で構成される．FPGA は，操作部からの操作命令，充電器および MPC からの異常信号の受け取り，MPC へのトリガ信号と異常制御，充電器への異常制御と充電制御，表示部への表示命令を送っている．コ
ントローラの操作部は，周波数設定用スイッチ，電圧設定
用メーター，電源スイッチ，トリガスイッチ，リセットス
イッチを持っており，表示部はパルスカウンタ，異常個所の LED 表示などを行っている．
パルスパワーの出力に関するタイミングチャートを図２８に示す．周波数の立ち上がりと同時に充電禁止信号を OFFにし，この仕様では 1.5 ms の間充電を行う．その後，50 μsの保護時間をおいて，トリガ信号を ON にすることでパル
図３０ フローチャート．

スパワ ー が 出力 さ れ る．図２９は FPGA で 作 成 し た 周 波
数，充電禁止，保護時間およびトリガの信号であり，この信号で充電時間およびパルスパワーの出力制御を行っていがり（OFF から ON）を検出し，周波数信号が立ち上がりる．

であれば７〜１６行の充電制御へ移行する．充電制御へ移行

これらの FPGA の信号はプログラミングで作成でき，仕後は，充電禁止信号を許可にして 1.5 ms の間コンデンサの様変更や制御の追加などに柔軟な対応ができる．図３０にフ充電を行い，次の保護時間制御へ移行する．保護時間制御

ローチャート，図３１に作成したプログラムのソースコードが終わるとトリガ制御へ移行し，パルスパワーが発生すを示す．

る．トリガ制御が終わると，周波数の立ち上がり検出を待作成したプログラムは，１〜６行で周波数信号の立ち上つ状態へ戻り，その後は同じ処理を繰り返す．
２１２

Lecture Note

4. Design and Practice of Pulsed Power Circuit

K. Takaki et al.

図３
２ パルスパワー制御のイメージ．

図３
３ MPC 方式パルスパワー発生装置の回路図．
図３
１ プログラムのソースコード．

る．また，初段コンデンサ（C０）の充電電圧を制御すれば，
パルスパワーの電圧値が制御できる．制御に少しの工夫を

１０行目の if 文の成立条件を == ではなく， ＞＝ と記入れることで，様々なパルスパワーの制御が実現する．

述した理由は，FPGA がパルスパワー発生時の EMI ノイズ（秋山雅裕）の影響を受けやすく，条件文の判定が頻繁に抜けてしまう

４．
４ 目的別マニュアルためである．一般的には使用しない記述だが，パルスパ
ワーのノイズ対策として非常に有効であった．

ここまで家庭のコンセントに来ている AC100 V の電圧

４．
３．
２ パルスパワーの制御を，昇圧およびパルス圧縮して，数万ボルトのナノ秒もし組み込みシステムをパルスパワー発生装置へ導入するこ

くはマイクロ秒パルス高電圧の発生する方法について述べとで，プログラミングによる高度な制御が可能となった．

てきた．ここでは，より時間がない人のために，市販のプログラミングを用いた制御を工夫することで，装置だけグッズを利用してパルス電圧を得る方法や，適当なパルス

ではなく１ショット毎のパルスパワーを制御することもで電源を購入もしくは作成の相談先の情報を記載する．

きる［２９］．図３２にパルスパワー制御のイメージ図を示す．

４．
４．
１ １時間以内にパルスがほしい；ピエゾ素子

高繰り返し動作中の周波数変更，パルス間のインターバ

最も安価・容易に高電圧パルスを発生させることができ

ル，出力回数の指定など，様々な制御が可能である．

る手段の一つとして，ピエゾ素子（圧電素子）が挙げられ

パルスパワーの出力のタイミングは，図３３のトリガ信号

る．ピエゾ素子は，振動や圧力が加わると電圧が発生し，によって制御されている．プログラミングで作成した制御

素子に電圧が加えられると伸縮する素子で，ライターやガ信号をトリガ信号として使用すれば，パルス間のインタースの着火や，スピーカーなど幅広く用いられている．図３４

バルや出力回数の指定など，図３２のパルス制御が実現す（a）に，市販の電子ライター（１００円で２個入り）から取り（a）写真（b）出力電圧波形（c）ミニかみなりの生成デモ

図３
４ ピエゾ素子を用いたパルス高電圧の発生の様子．

２１３

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.3 March 2011

出したピエゾ素子部を示す．ボタンを押すと素子に圧力が術，試作，技術移転等を行う．窓口は，取締役副社長

加わることにより，図中矢印間に高電圧パルスが発生すの秋山秀典（fusiontechs@fusiontech.jp）．

る．図３４（b）に，発生する電圧波形を示す．図より，12 kV○ PPJ!パルスパワー技術研究所：（1.2 万ボルト）が容易に発生できることがわかる．高電圧

http://www.myppj.com/

発生部をある程度近づけると，図３４（c）に示すように，火花パルスパワーを専門として発生と制御に関する技術支放電が発生する［９］．ライターやガスコンロでは，この火花

援・実験品試作・共同研究などを行っている．

によって燃料ガスに着火し火を灯している．５０円で作るこ○ "末松電子製作所：http://www.suematsu-el.jp/とのできるパルス電源となる．

出力パルスの立ち上がり時間が数十ナノ秒の小型で安４．
４．
２ 安価な既製品を活用したい；スタンガン

価なパルスパワー電源の販売を行う．国外の販売に対

図３５（a）に，スタンガン（タイタン QUASAR；１３万ボル

応している．

ト；定 価 15,800 円）の 外 観 を 示 す．ス タ ン ガ ン は 電 気○ シシド静電気!：http://www.shishido-esd.co.jp/

ショックを与える機器で，護身用に用いられる．定価は主に除電などの静電気障害対策を目的とした小型の高15,800 円だが，ネット販売では 3,980 円である．販売されて圧電源の設計製作を行っている．窓口は，新横浜工

いる種類も多く，発生する電圧は製品によって異なるが，場・研究開発センターの竹内隆一（メール：r̲takeuchi@

一般的に数万〜数十万ボルトである．電圧は電池（９ボルshishido-esd.co.jp，電話：０４５‐９４８‐４４１０，FAX：０４５‐

ト程度）を，半導体スイッチを用いて交流に変え，先に述９４８‐４４１５）．
（高木浩一，高橋克幸）

べたコッククロフト・ウォルトン回路などによって昇圧している．図３５（b）に，スタンガンで発生する電圧波形を示す．図より，0.5 μs（一千万分の５秒）程度の時間で，38 kV

４．
５ おわりに（3.8 万ボルト）の電圧が発生していることがわかる．電圧

今回の講座では，誰でも気軽にパルスパワーが利用できがある程度高くなると（絶縁破壊電圧に達すると），図３５るように， ちょいパル （ちょっと，パルスパワー）と（c）に示すように，電極間で火花放電が生じる．火花放電のいったコンセプトでパルスパワーの生成方法について記載

インピーダンス（電気の流れを妨害する尺度）は，空気にした．パルスパワーの生成方法は，その規模や用途によっ比べ，非常に小さい．その結果，図３５（b）に示すように電圧て多岐に分かれ，サイズや価格帯も幅が大きい．ここで紹が急激に低下する．

介した記事が入り口となり，気軽にパルスパワーを使い，

４．
４．
３ 目的に適した電源に仕上げてもらいたい；ここに

パルスパワー人口が増えれば，筆者等の喜びである．

相談！
ここまで述べてきたパルスパワー電源の作成や購入に関

参考文献

しては，もちろん筆者らに連絡をいただければ，相談にの［１］八井 浄，江偉 華：パルス電磁エネルギー工学（電気学
会，２
０
０
２年）
．
［２］秋山秀典編著：高電圧パルスパワー工学（オーム社，
２
０
０
３年）
．
［３］京都ハイパワーテクノロジー研究会：パルスパワー工学の基礎と応用−プラズマ・レーザ・粒子ビーム・X
線の発生と応用−（近代科学社，１
９
９
２年）
．
［４］H. Bluhm, Pulsed Power Systems (Berlin: Springer, 2006).
［５］H. Akiyama, T. Sakugawa, T. Namihira, K. Takaki, Y.
Minamitani and N. Shimomura, IEEE Trans. Dielectric

ることは可能である．ただ， お金はある．時間はない．誰か適当な電源を作成してほしいと考える場合，電源メー

カーへの問い合わせとなる．以下に，電源メーカーなど，
相談先について記載する．
○ "融合技術開発センター：
http://fusiontech.jp/index.html
パルスパワーに関する融合技術開発コンサルタント，
環境エネルギー機器・医療バイオ機器・組み込み技（a）写真（b）出力電圧波形（c）放電発生部の様子

図３５ スタンガンを用いたパルス高電圧の発生の様子．

２１４

Lecture Note

4. Design and Practice of Pulsed Power Circuitand Electrical Insulation, 14(5), 1051 (2007) .
［６］高木浩一，浪平隆男：電気学会誌 126, 784 (2006).
［７］高木浩一：電学論 A 130, 963 (2010).
［８］秋山秀典，勝木 淳，浪平隆男：放電学会誌 45, 2 (2002).
［９］高木浩一，猪原 哲，高橋 徹，杉山敏樹：プラズマ・核融合学会誌 80, 669 (2004).
［１０］高木浩一：応用物理 77, 426 (2008).
［１１］高木浩一：静電気学会誌 32, 104 (2008).
［１２］高木浩一，高城 大，井上祥史，加藤 正，笠木俊一：エ
ネルギー環境教育研究 5, 86 (2010).
［１３］高木浩一，佐藤秀則，高橋 徹，猪原 哲，向川政治：大学一年生のための電気数学（森北出版，２
０
０
６年）
．
［１
４］高木浩一，佐藤秀則，高橋 徹，猪原 哲：できる！電気回路演習（森北出版，２
０
０
９年）
．
［１
５］江 偉華，高木浩一：プラズマ・核融合学会誌 87, 669(2011).
［１６］江 偉華：プラズマ・核融合学会誌 87, 46 (2011).
［１７］M.A. Jani, K. Takaki and T. Fujiwara, J. Phys. D: Appl.
Phys. 32, 2560 (1999).
［１８］T. Namihira, S. Tsukamoto, D. Wang, S. Katsuki, R.
Hackam, H. Akiyama, Y. Uchida and M. Koike, IEEE
Trans. Plasma Sci. 28, 434 (2000).

K. Takaki et al.

［１９］上野崇寿：大分工業高等専門学校紀要 45, 16 (2008).
［２０］上野崇寿，渡邊一光，猪口 誠，佐久川貴志，秋山秀典：
パルスパワー放電研究会 PPT-09-103, 7 (2009).
［２１］上 野 崇 寿，佐 久 川 貴 志，秋 山 雅 裕，浪 平 隆 男，勝 木
淳，秋山秀典：静電気学会誌 32, 216 (2008).
［２２］内田香輝，上野崇寿：平成２２年度高専連携教育研究プ
ロジェクト発表会資料 22 (2009).
［２３］上野崇寿：ミニチュアパルスパワー電源の開発とその応用（熊本大学大学院自然科学研究科 複合新領域科学専攻博士論文，2009.3）．
［２４］佐久川貴志，秋山秀典：機械の研究 62, 949 (2010).
［２５］佐久川貴志：プラズマ・核融合学会誌 76, 15 (2003).
［２６］藤広哲也：よくわかる組み込みシステムの基本と仕組
み（秀和システム，２
０
０
５年）
．
［２
７］堀桂太郎：図解 Verilog HDL 実習（森北出版株式会社，
２
０
０
６年）
．
［２
８］秋山雅裕，猪口 誠，佐久川貴志，秋山秀典，上野崇寿，
末松謙一，甲田 忠：プラズマ・核融合学会誌 85, 631(2009).
［２９］M. Akiyama, T. Sakugawa, S. Hamid R. Hosseini, E.
Shiraishi, T. Kiyan and H. Akiyama, IEEE Trans. Plasma
Sci. 38, 2588 (2010).

２１５