J. Plasma Fusion Res. Vol.87, No.10 (2011)７２４‐７２７

研究技術ノート

FPGA を用いたパルスパワーの電圧制御
秋 山 雅 裕，坂 本 達 朗２），高 橋 克 幸３），上 野 崇 寿４），佐 久 川 貴 志２）， 秋 山 秀 典２）
一関工業高等専門学校，２）熊本大学，３）シシド静電気"，４）大分工業高等専門学校（原稿受付：２０１０年１２月１日／原稿受理：２０１
１年８月３１日）

様々な分野でパルスパワーを用いた研究は行われており，パルスパワー発生装置には高度な制御が求められるようになってきた．その１つとして，パルスパワーの出力電圧の制御があげられる．本研究では，磁気パルス圧縮（Magnetic Pulse Compression: MPC）回路方式パルスパワー発生装置にプログラミングによる制御が可能なFPGA（Field Programmable Gate Array）を組み込み，パルスパワーの出力電圧制御を行った．重要なパラメータである出力電圧を制御することで，水質浄化，オゾン生成，細胞の分化制御など，幅広いパルスパワー応用研
究につながり，さらには産業創生が期待される．
Keywords:
Pulsed Power, FPGA, MPC, Electric discharge in water

１．はじめにショット毎に制御できる MPC 回路方式パルスパワー発生

パルスパワーを用いた研究は多く，次世代半導体リソグ装置を開発した．また，高繰り返し動作中の出力電圧を１ラフィー用極端紫外光輻射のための高エネルギー密度プラショット毎に変更したパルスパワーを水中放電に適用し，ズマ生成［１］，極短パルスを用いた窒素酸化物の処理［２］，高速度カメラを用いて放電の様子を観測した．本研究成果

シイタケ栽培等食品へのパルスパワー利用［３，４］，液中放は，パルスパワーを用いた大気圧放電プラズマ，液中放電電における加圧の化学反応や放電への影響［５］，医療応用

プラズマ，超臨界流体中放電プラズマの生成やパルス電界などのバイオエレクトリクス［６］などの研究が盛んに行わのバイオへの作用等の研究に対して，これまで出来なかっれている．

た新しい研究領域を提供する．例えば，水中放電プラズマ

パルスパワー発生装置の研究に目を向けると，半導体開では，一定の印加電圧においてパルスパワーの繰り返し周放スイッチを用いたパルス高電圧発生装置開発［７］，BJT

波数が低い場合はストリーマ状放電プラズマが生成される（Bipolar Junction Transistor）の 降 伏 現 象 を 用 い た ミ ニが，周波数が高くなってくると，電極先端に気体領域が形

チュアマルクス発生装置開発［８］，IGBT（Insulated Gate

成され気体内の放電プラズマとなる［１３］．電圧をショット

Bipolar Transistors）と MPC（Magnetic Pulse Compres-毎に変えることにより，この二つの放電プラズマ形態の制sion）回路方式を用いたパルスパワー発生装置の開発と出御が可能となる．

力波形へのピーキングコンデンサや負荷の影響調査［９］，２．FPGA を用いた電圧可変型 MPC 回路方式パルスパワー発生装置の開発

パルス幅と極性可変のブルームラインパルス発生装置開発［１０］などが行われている．
様々な分野でパルスパワーを用いた研究が盛んになるに

MPC 回路方式パルスパワー発生装置の電圧制御をする伴い，パルスパワー発生装置の高度な制御が求められるよ

ためには，ロジック ICを用いた既存のコントローラでは回うになってきた．FPGA（Field Programmable Gate Array）

路が複雑になり，かつ柔軟性がないため，FPGA を用いてをパルスパワー発生装置に導入することにより，コンパク作成した．本研究で使用している FPGA の開発環境は下記

ト化及び仕様変更時の柔軟性向上［１１］，FPGA を用いたである．

MPC 回路方式パルスパワー発生装置のシステム制御とパFPGA ボード：ヒューマンデータ社 XC3S200-4VQG100C

ルスの出力タイミング制御［１２］等の高度な制御が研究され

FPGA：Xilinx 社 Spartan-3 XCM-301-200ている．小型化や出力タイミングの制御だけではなく，さ開発言語：Verilog HDLらなる高機能化が求められており，その中でも重要な制御開発ツール：Xilinx 社 ISE Design Suite 12.1

としてショット毎の出力電圧可変があげられる．

ダウンロードケーブル：Xilinx 社 HW-USB-G

本研究では，FPGA を用いてパルスパワーの出力電圧をVoltage Control of Pulsed Power using FPGAAKIYAMA Masahiro, SAKAMOTO Tatsurou, TAKAHASHI Katsuyuki, UENO Takahisa, SAKUGAWA Takashi and AKIYAMA Hidenori
corresponding author’s e-mail: akiyama@ichinoseki.ac.jp

７２４!2011 The Japan Society of Plasma
Science and Nuclear Fusion ResearchResearch and Technology Note

Voltage Control of Pulsed Power using FPGA

M. Akiyama et al.

２．
２ 電圧制御システム

FPGA の導入により小型化も実現し，ロジック IC を用いた既存の MPC コントローラの容積の約４分の１となった．

FPGA は，繰り返し周波数，充電時間，トリガ信号，パ

図１に FPGA 組み込み型の MPC コントローラを示す．

ルスパワー発生回数のカウントなどの既存制御に加え，２．
１ ハードウェア構成DA コンバータの出力電圧の制御を行う．図４にパルスパ

パルスパワー発生装置は，図２に示すように，MPC 回路ワー発生までの信号列を示す．

方式パルス パ ワ ー 発 生 装 置，直 流 高 電 圧 充 電 器（TDK

任意に設定した繰り返し周波数（図４では 500 Hz 設定

LAMBDA 社 152A-1.5 KV-POS），MPC コントローラで構時）において，波形の立ち上がりから初段のコンデンサを成さ れ て い る．MPC コ ン ト ロ ー ラ の 電 圧 制 御 部 に は，1.5 ms の間充電する．充電電圧は DA コンバータからの制FPGA 及び DA コンバータ（ANALOG DEVICES 社

御電圧で決まる．その後，トリガ信号をオンすることでパAD

７２２４）を用いている．FPGA からの制御電圧用デジタル信ルスパワーが出力される．これらの制御システムにより，号を DA コンバータからなる電圧制御回路で制御電圧用アパルスパワーの出力電圧を制御している．パルスパワー発ナログ信号に変換して，充電器に信号を送っている．充電生装置内素子の温度が 60℃ 以上の場合，接点式の温度セン器制御では充電器のオンとオフを制御している．

サー（NEC トーキン社 OHD3-60M）がオンとなり，温度異MPC 回路方式パルスパワー発生装置の回路図を図３に常信号が FPGA に送られ，充電器がオフとなる．いくつか示す．パルスパワーの出力電圧の制御は，初段のコンデンの充電電圧パターンを FPGA に書き込み，プッシュスイッサを充電する充電電圧を制御電圧によって変えることで実チによって，パターンを選んでいる．

現させている．充電器には 0〜10 V の制御電圧で 0〜1.5 kV３．電圧制御を用いた水中放電プラズマの生成の充電電圧を制御するポートがあり，0〜10 V は DA コンバータで作成している．パラメータ表示用に液晶ディスプ

本研究で開発した電圧制御を用いて水中放電プラズマをレイ（Sunlike Display Tech 社 SC2004CSLB）を使い，マ生成した．高繰り返し動作中の出力電圧を１ショット毎にイクロコントローラ（ATMEL 社 ATmega328P）が搭載制御した．

された ArduinoNano3.0 で制御を行っている．

３．
１ 実験環境図５にリアクタの概略図を示す．開発した電圧可変型
MPC 回路方式パルスパワー発生装置を水中に置かれたステンレスの棒電極（直径 0.5 mm）に印加し，水中でストリーマ状の放電を生成した．棒電極は先端を除いてプラス

図３
図１

FPGA 組み込み型 MPC コントローラ（a：FPGA, b：液晶ディスプレイ用マイクロコントローラ，c：液晶ディスプ
レイ，d：DA コンバータ，e：フォトカプラ，f：24 V DC
電源，g：DC-DC コンバータ用ヒートシンク，h：FPGA
出力のレベルシフタ）．

MPC 回路方式パルスパワー発生装置．
2 ms (500 Hz)๟ ᵄᢙ (FPGA)ల㔚ᤨ㑆 (FPGA)

1.5 ms10 V೙ᓮ㔚࿶

5V(DA䉮䊮䊋䊷䉺)

1.5 kV750 Vల㔚㔚࿶䊃䊥䉧ାภ (FPGA)OFFOFFON䊌䊦䉴䊌䊪䊷

図２パルスパワー発生装置の構成．

図４７２５パルスパワー発生までの信号列．

Journal of Plasma and Fusion Research Vol.87, No.10 October 2011

チックで絶縁されている．アース電極として，ステンレスクスに入れること，素子や配線のレイアウトに気を付けるの板が容器の底に置かれている．容器は 100×100×100 mm

こと，及びノイズの継続時間を考慮して FPGA のソフトとし，水道水（導電率 180 μS/cm）を 60 mm まで入れ，棒ウェアを工夫する等の対策を行っている．

電極とアース電極間の距離を 40 mm とした．放電の観測には高速度カメラ（キーエンス VW-6000）を使用し，フレームレート５００フレーム／秒および露光時間 2 ms で撮影した．

4030302020101000-10-10

パルスパワー発生装置の初段コンデンサを 1.35 kV と750 V の電圧で交互に充電し，パルスパワーの出力電圧をVoltage [kV]second）とした．図６に電圧制御時の充電電圧波形を示し，図７（a）に 充 電 電 圧 1.35 kV の 出 力 電 圧・電 流 波 形，
図７（b）に充電電圧750 Vの出力電圧・電流波形を示す．充
電電圧 1.35 kV 時のピーク電圧は 34 kV，750 V 時のピーク
電圧は 22 kV が出力された．
図８に電圧制御を用いた放電の様子を示す．５００フレー
ム／秒で撮影された動画を１フレーム毎に切り取った写真-20

750 V 時の放電，放電なしの順に繰り返していることが分

24Time [ǴU]かる．これらの結果から，パルスパワーの柔軟な電圧制御（a）であり，充電電圧 1.35 kV 時の放電，放電なし，充電電圧-2068-20404030302020101000-10-10が成功したといえる．また，MPC コントローラは，パルスパワー発生装置や負荷からの EMI（Electromagnetic interference）ノイズに敏感であるため，トリガ信号と FPGA

Voltage [kV]間を電気的に絶縁すること，コントローラをシールドボッ-4-20-4-2024Time [ǴU]68

Current [A]

１ショット毎に変更した．繰り返し周波数は 250 pps（pulses perCurrent [A]40３．
２ 電圧制御を用いた水中放電プラズマ-20（b）
図７

図５

出 力 電 圧・電 流 波 形（a）
充 電 電 圧 1.35 kV，（b）
充電電圧750 V．

リアクタの概略図．

1500
1st framefram

2nd framefram

3rd framframe

4th frame

5th frame

6th frame

7th frame

8th frame

framame9th frame

10th frame
fram

11th frame
framame12th frame

13th frame

14th frame
fram

15th framframe

16th frame

Voltage [V]1000
5000-500-20

図６24 6 8Time [ms]10 12 14
図８電圧制御時の充電電圧波形．

７２６電圧制御時の水中放電の様子．

Research and Technology Note

Voltage Control of Pulsed Power using FPGA

［２］T. Matsumoto, D. Wang, T. Namihira and H. Akiyama,IEEE Trans. Plasma Sci. 38, 2639 (2010).
［３］塚本俊介，前田貴昭，池田元吉，秋山秀典：プラズマ・核融合学会誌 79, 39 (2003).
［４］高木浩一：電気学会論文誌 A 130, 963 (2010).
［５］K.Y. Shin, R. Burlica, W.C. Finney and B.R. Locke, IEEETrans. Industry Appl. 45, 630 (2010).
［６］K. Schoenbach, S. Katsuki, R. Stark, E.S. Buescher andS.J. Beebe, IEEE Trans. Plasma Sci. 30, 293 (2002).
［７］江 偉華：電気学会論文誌 A 130, 538 (2010).
［８］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).
［９］D. Wang, J. Qiu and K. Liu, IEEE Tans. Plasma Sci. 38, 2633
(2010).
［１０］A. Andrea, K. Juergen, Z. Luigi and K. Schoenbach, Rev.
Sci. Instrum. 79, 044301 (2008).
［１１］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).
［１２］M. Akiyama, T. Sakugawa, S.H.R. Hosseini, E. Shiraishi,
T. Kiyan and H. Akiyama, IEEE Trans. Plasma Sci. 38,2588 (2010).
［１３］上野崇寿，廣野佳那子，秋山雅裕，秋山秀典，佐久川貴
志：電気学会論文誌 A 130, 567 (2010).

４．まとめ
パルスパワーの出力電圧を柔軟に制御できる MPC 回路方式パルスパワー発生装置を開発した．制御部には FPGAを用い，複雑な制御がプログラミングによって実現した．
部品数も減らすことができ，既存の MPC コントローラの容積の約４分の１まで小型化できた．本研究で開発した装置を用いて，水中放電で１ショット毎に印加電圧を変化した．電圧電流波形と高速度カメラの動画から，高繰り返し動作中でパルスパワーの柔軟な電圧制御が成功したといえる．
パルスパワーの重要なパラメータである出力電圧を制御することで，幅広い応用研究につながると考えられる．また，これらの研究は，パルスパワーの産業応用にも寄与すると期待される．

謝M. Akiyama et al.

辞

この研究の一部は，グローバル COE プログラム「衝撃エネ
ルギー工学グローバル先導拠点」，および科学研究費補助金（基盤研究（A））によってサポートされた．

参考文献［１］勝木 淳，秋山秀典：応用物理 7, 375 (2008).

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