Accelerator Laboratory

高周波源の考え方とその設計（２）明本

光生

高エネルギー加速器研究機構〒305-0801茨城県つくば市大穂1-1

高エネルギー加速器セミナー
OHO2006 超伝導リニアコライダー
２００６年９月１日

内容
Accelerator Laboratory（１）ILCパルス電源に要求される性能（２）ベースライン電源
・概要
・要素部品
・LCバウンサー式電源の基本動作（３）ベースライン電源の実例（４）ベースライン電源の今後の展開（５）その他の電源方式（６）まとめILCパルス電源に要求される性能(1)Accelerator Laboratory

10 MW Multi-Beam KlystronSpecifications• Operating Frequency• RF Pulse Width• Peak Output Power• Number of Beams• Beam Voltage• Beam Current• Micro-Perveance• Repetition Rate
• Efficiency

1.3 GHz
1.5 ms
10 MW
6120 kV140 A
3.45 pps
60 %Toshiba
MBK

ILCパルス電源に要求される性能（２）Accelerator Laboratory

2トンネルの断面図

RFパルス幅

1.5 ms

電源パルス幅

1.7 ms

パルス立上り/立下り時間

0.2 ms

クライストロン電圧

120 kV

クライストロン電流

140 A

パルス平坦度±0.5%

パルス当たりのエネルギー

29 kJ

ガン放電時クライストロン許容注入エネ
ルギー< 20 J

パルス繰返し

5 Hz

電源効率

85 %

1台当たりのACライン入力

168 kW

全電源のACライン入力

106 MW

電源の数630 台

ILCパルス電源に要求される性能（３）Accelerator Laboratory

電源の高信頼化（長寿命化）
・コンポーネントの長寿命化・スイッチの半導体化

コストの低減（低価格化）
・部品コストの低減
・組み立てコストの低減

電力効率の改善（省エネルギー化）
・コンポーネントの低損失化
・波形効率の改善

MA/22ベースライン電源（１）Accelerator Laboratory

10kV
1.7kA

パルス電源としては長年TTF(TESLA Test Facility)で開発、運転されたバウンサー方式パルス電源
パルストランス及びサグ補償付ダイレクトスイッチング(ハードチューブ)パルス電源-120kV
140A
1.7 ms5Hzベースライン電源（２）Accelerator Laboratory

Switch

Vk=120kV
Drサグ
クライストロン抵抗負荷
R=120kV/140A
=857Ω

C

V = V0 ⋅ e
C=t−
CR

τ

R ⋅ Dr
1
E = CVk22

τ=1.7ms
Dr=1%
R=857Ω

τ
パルス幅

Dr=20%まで許されるならばC, Eは1/20になる。

パルストランス2次側換算値
C=198µF
1kWヒータ
24分間使用E=1.4MJできる。

コンデンサバンク
費用、スペース 1/20

C=9.9µF (2次側)
C=1426µF(1次側)ベースライン電源（３）LCバウンサー回路

Accelerator Laboratory

C過電圧放電用スイッチ充電用ダイオード•FNAL Quentine Kerns氏の発明
起動用SCR(調整必要）＋C

安全用短絡スイッチ特長
L •回路が単純でコンパクト。
•20%サグを1%に出来る。
•調整が簡単。
•製作費が安い。
仕様
電圧：±1kV, 電流：

Accelerator Laboratory

ベースライン電源（４）シリーズスイッチ仕様
電圧：10kV
電流：1.7kA
負荷短絡した場合 、スイッ
チが動作するまでの時間遅れから~2500Aまで上昇する。その場合ターンオフ時に、半導体素子に最大の電圧が発生するので、素子の最大定格電圧を超えないように設計しなければならない。

GTO(Gate turn-off thyristor )、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristor)

Accelerator Laboratory

ベースライン電源（５）コンデンサバンクコンデンサのエネルギー密度•No-Healing
誘電体フィルムW 12= εrε0 Ev 250~100V/µm
メタリコン

金属薄~7µm•Self-Healing(SH)W：蓄積エネルギー(J)v：誘電体の体積(m3)誘電体フィルム

εr：誘電体の比誘電率ε０：真空の誘電率(8.85x10-12F/m)
E：電位傾度(V/m)

メタリコン

誘電体：コンデンサ薄紙(εr~4.5)、プラスチックフィルム(εr=2.0~2.3)、

誘電体フィルム

蒸着薄膜
数100オングストローム~200V/µm

ベースライン電源（６）コンデンサバンク

Accelerator Laboratory

Self-Healing Type Capacitor

Test Capacitor

Breakdown Capacitor Element

Down-sizing of capacitor
Case volume V of capacitor:
V =2W
ηεE2

W : stored energy
ε : dielectric constantη : packing factor
E : field strength( ~ 60 V/µm for no-healing capacitor)

Accelerated Life Test
Electric field strength vs Lifetime
300

Electric field strength(V/µm)

SH
NH

250

Ref(n=20.8)

200

LL0⎛ V ⎞ −n= ⎜⎜ ⎟⎟⎝ V0 ⎠150

Capacitor
Volume
1/4

100
50

ATF Modulator

0

Cross section of dielectric/electrodeConfigulation(not to scale)

105

106

107

108

109

1010

Lifetime(Shots)

50pps X 7,000H X 8 Years

Accelerator Laboratory

ベースライン電源（７）
コンデンサ
NHSH

133kJ/m3

ベースライン電源（８）パルストランス

Accelerator Laboratory•コアの断面積(A)•パルスの立ち上がり時間(tr)Ll(リーケイジインダクタンス)

NpNs

Llt r = 2.2 ⋅RA

120kVVs ⋅ τ
A=N s ⋅ ∆Bクライストロン
抵抗負荷
R=120kV/140A
=857Ω

1.7ms

1
Ll = µ ∫ H 2 dv ∝ N s22t r ⋅ R 100µs ⋅ 857Ω
Ll === 39mH
2.2
2.2~2T(dcバイアス）

Accelerator Laboratory

ベースライン電源（９）パルストランス

STF#1パルストランスの仕様• Primary voltage
21.7 kV• Primary current
588 A• Primary impedance
36.8Ω• Secondary voltage
130 kV• Secondary current
98 kV• Secondary impedance 1327 Ω• Flat-top pulse width
1.5 ms• Rise-time(10-90%)
40µs• Pulse droop< 3%• Step-up ratio
1:6• Pulse repetition rate
5pps

コアの組み立てCores• 25 Cores used for JHF pulse transformer werereused in total number of 39 cores for cost saving.
• Material is 0.22mm thick silicon steal ribbon.
• 4.4 tons in weight

Design Feature• DC bias• Auto winding• Heater transformer is isolation transformer type.

Accelerator Laboratory

ベースライン電源（１０）
パルストランス

1255mm

設計値 (2次側）• Primary inductance : 60 H
• Leakage inductance : 20 mH• Distributed capacitance : 570 pF
Ll=28 mH@ABB
167T 65T 65T

1710mm

パルストランスの組立

660mm

31465T158T

2巻き線方式

パルストランス本体：4.8t
タンク１式：1.84t
油：2.5t
総重量：9.14t

Accelerator Laboratory

ベースライン電源（１１）
パルストランス•ABB 社製パルストランス

リーケイジインダクタンス(2次側):28mH
サイズ： 2590(W)x1200(D)x1340(H)mmAccelerator Laboratory

ベースライン電源（１２）バウンサー方式電源の基本動作

E
VS =LCR⎛ ωt ⎞sin⎜ p ⎟⎝ 2 ⎠LC sin⎛ ωtp ⎞ cos ωt − cos⎛ωt + ωtp ⎞⎜ ⎟ ( b)
⎜ b
⎟
2R2 ⎠
⎝ 2 ⎠⎝

Accelerator Laboratory

ベースライン電源（１３）バウンサー方式電源の基本動作

運転開始時のシミュレーション

ベースライン電源（１４）LC値の求め方

Accelerator Laboratory•バウンサー回路はLC共振回路
Z=LCT = 2π L ⋅C

•LCを書き換えるとT 1
L=2 π ⋅Z

T Z
C=2π

T/2>パルス幅
Z~ 負荷インピーダンスの5%程度.

•最終決定はシミュレーションで確認する。
•STF#1の場合
T/2=2.2ms, Z=1.7Ω
L=412µH, C=1190µF

C=1200µF
L=420µHに決定。

Accelerator Laboratory

ベースライン電源（１５）バウンサー方式の運転実例• Peak Output Power• Secondary Output Voltage• Secondary Output Current• Pulse width• Flat-top width• Rise time(10-90%)• Flatness• Repetition Rate
• Pulse Transformer Ratio• Capacitor Bank• LC Bouncer
Inductance
Capacitance• Series SwitchVoltage
Current

11.4 MW
130 kV
98 A
1.7 ms> 1.5 ms< 0.1ms
±0.5%
5 pps
1:6
282 µF
1.2 mH
0.42 mF
21.7 kV
588 A

TH2104A
5MW KlystronAccelerator Laboratory

ベースライン電源（１６）
バウンサー方式の運転実例~100m High-Voltage Coaxial Cable

Klystron
TH2104IGBT
Switch-22kV

1:6

Use existing components possible• Add 150µF capacitor
Bouncer• Install a bouncer circuitCircuit• Change to new pulse transformer for long pulse operation
0.42mF

1.2mHHeaterTransformer

Accelerator Laboratory

ベースライン電源（１７）バウンサー方式の運転実例

Capacitor Bank and Crowbar unit

VCB
SCR unit

DC Power Supply(Tent House)Accelerator Laboratory

ベースライン電源（１８）バウンサー方式の運転実例
Klystron
TH2104
BouncerCircuit

IGBT Switchunit

Pulse Transformer

STF Klystron Gallery

Accelerator Laboratory

ベースライン電源（１９）バウンサー方式の運転実例•IGBT Switch
Use 36 IGBTs in series
Trigger: Optical fiber cable

IGBT Driver Board

IGBT
Mitsubishi CM600H-24H
Rated Voltage : 1200V
Rated Current : 600A

Switch unitAccelerator Laboratory

ベースライン電源（２０）バウンサー方式の運転実例•バウンサー回路
Clipper
Diode

SCR

Inductor

Bouncer unit

Capacitor

Inside of Bouncer Circuitベースライン電源（２１）
バウンサー方式の運転実例

Accelerator Laboratory•バウンサー回路なし
12010080

Klystron Current(A)Klystron Currrent(A)

10060
40
200-20-0.58060
4020000.5

11.5Time(ms)Es=17kV, Pw=1.7ms, fr=5pps
Peak Klystron voltage=98kV
Rise-time(10-90%)=33µs

2-20-0.5

0

0.5

11.5Time(ms)Es=16kV, Pw=1.7ms, fr=5pps

2

ベースライン電源（２２）バウンサー方式の運転実例

Accelerator Laboratory

-140

4000

-100

2000
Bouncer Current

1000-800-60-1000-40-2000-20

Bouncer Voltage

-90

0.3ms
0.4ms
0.52ms

-95

0.6ms
0.7ms

0-3000-4000

Es=17kV
fr=5pps-120

Klystron Voltage

Klystron Voltage(kV)

3000-85

Klystron Voltage(kV)Bouncer Voltage(V)/Current(A)•バウンサー回路あり-3-2-101234Time(ms)Es=20kV, Pw=1.7ms, fr=5pps
Rise-time(10-90%)=33µs

20-100-2-1.5-1-0.500.5Time(ms)Es=17kV, Pw=1.7ms, fr=5pps
Flatness=0.8%(p-p)

Accelerator Laboratory

ベースライン電源の実例（１）
FNAL/TTF製

FNAL/TTFパルス電源#2,3の仕様
ピーク 出力電 力14.3 MWパ ルストラン ス昇 圧比

1:122 次側 出力 パル ス電 圧

110 kV

2 次側 出力 パル ス電 流

130 A

パ ルス立 ち上 がり 時間 (10 -90%)< 0. 2 m s

パ ルス平 坦度

±0.5 %

パ ルス幅( 平坦部 )>1. 4 m s

パ ルス幅( 半値全幅 )1.7 m sコン デン サバ ンク

1400

F

バウン サー回 路 L

330

H

バウン サー回 路 C

2000

F

シリー ズスイ ッチ電圧

9.2 kVシリー ズスイ ッチ電流

1.68 KA

最大 パル ス繰 返し

10 p ps

第1号機•TTF用1993年製作。
•5MWクライストロン用•出パルス幅:2ms•パルストランス昇圧比 :1:13•GTOスイッチ•バウンサーL:600µH•運転実績:25,000時間(2005年1月時点）

第2,3号機•TTF用1996年製作。
•10MWMBK用•運転実績:18,000時間(2005年1月時点）

Accelerator Laboratory

ベースライン電源の実例（２）
FNAL/TTF製•FNAL/TTFパルス電源#2,3Accelerator Laboratory

ベースライン電源の実例（３）FNAL/TTF製
Front side

Back sideQuickTimeý Ç²
ÉtÉHÉg - JPEG êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ
Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉÇ¾å©ÇÈÇ…ÇÕïKóvÇ-Ç ÅBQuickTimeý Ç²
ÉtÉHÉg - JPEG êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ
Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉÇ¾å©ÇÈÇ…ÇÕïKóvÇ-Ç ÅB#1
AC/Phase
Controller#2
HV Tank#3
Capacitor
Bank

Unit Cabinet:107(W)x173(D)x183(H)
Total Size : 525(W)x173(D)x183(H)unit= cm
#4
#5
Capacitor Bank
Main SW
Crowber
Bouncer Circuit
Clipper Circuit

Accelerator Laboratory

ベースライン電源の実例（４）FNAL/TTF製•パルストランスとクライストロン

Size: 2400(W) x 1220(D) x 1250(H)unit: mmAccelerator Laboratory

AC 400V 3 Φ50Hz Line

ベースライン電源の実例（５）FNAL/TTF製
Cabinet#1

Phase
Controller

AC Line SW

Conductor SW

Front side

Back sideAccelerator Laboratory

ベースライン電源の実例（６）FNAL/TTF製
Cabinet#2
Diode
IR #CO3-1742

HV Oil Filled Tank

Front side

Accelerator Laboratory

ベースライン電源の実例（７）FNAL/TTF製
Cabinet#3CT
LT-100-S
CT
LEM#LT-4000-S

Voltage/Current
Monitor

PS for IGBT SW
driver circuit

Capacitors Bank

Front side

Current Limiter
0.1 Ω

Ignitrons

Back sideAccelerator Laboratory

ベースライン電源の実例（８）FNAL/TTF製
Cabinet#4

10 µF
Diode0.07 Ω50 µH
0.1 Ω

Capacitor Bank

Front side

Back side

Ignitrons

Accelerator Laboratory

ベースライン電源の実例（９）FNAL/TTF製
Cabinet#5
Trigger Fan-out Box

IGBT SW
Bouncer C2
2000µF

Bouncer
330µH

Strip Line

Front side

SCR SW

Clipper Circuit
C3

Back sideベースライン電源の実例（１０）FNAL/TTF製•FNAL/TTFパルス電源＃１の波形

Accelerator Laboratory

1000V

コデンサバンクとバウンサー電圧波形
500V/div, 1ms/div

パルストランス2次側電圧波形
2kV/div(上), 20kV/div(下), 1ms/div
平坦度(p-p)<1%•FNAL/TTFパルス電源＃１の電力効率
ピーク電圧：122kV、パルス幅：2.2ms、繰り返し：10pps、AC入力電力：274kW
出力電圧波形の平均ピーク値の-5%~1%間を有効電力とすると：236kW
電力効率＝236kW/274kW=86%

Accelerator Laboratory

ベースライン電源の実例（１１）PPT/TTF製

PPT/TTFパルス電源の仕様
ピーク出力電力

16.8 MW

パルストランス昇圧比1:12

2 次側出力パルス電圧

120 kV

2 次側出力パルス電流

140 A

パルス立ち上がり時間(10 -90%)< 0. 2 ms

パルス平坦度±0.5 %

パルス幅(平坦部)>1. 5 ms

パルス幅(半値全幅)

1.7 ms

コンデンサバンク1440 F

バウンサー回路 L

320 H

バウンサー回路 C

1800 F

シリーズスイ ッチ電圧

10 kV

シリーズスイ ッチ電流

1.68 kA

最大パルス繰返し

10 pp s

•TTF用にPPT(Pulse-PlasmatechnikGmbH)製作。
•FNAL/TTFの電源設計に基づく。
•これまで8台製作。
•小型、軽量化、高信頼化した。

Accelerator Laboratory

ベースライン電源の実例（１２）
PPT/TTF製
小型、軽量化、高信頼化
小型、軽量化IGCTスイッチ
4.5kV,2.2kAx7

スイッチング電源
12KV,300KW

小型、軽量化、低価格化

SHコンデンサバンク
133kJ/m3

光トリガーサイリスタ
高信頼化

Accelerator Laboratory

ベースライン電源の実例（１３）
PPT/TTF製

Accelerator Laboratory

ベースライン電源の実例（１４）PPT/TTF製

Accelerator Laboratory

ベースライン電源の実例（１５）PPT/TTF製

FNAL/TTFと比較：
容積で24%
床面積で36%小型化

サイズ：3.6(W)x1.6m(D)x2.2(H)m

Accelerator Laboratory

ベースライン電源の実例（１６）PPT/TTF製

5MWクライストロン
TH2104Cでの波形

ベースライン電源の今後の展開（１）
Accelerator Laboratory

ベースライン電源の課題
信頼性のある電源である。

コストサイズ(1)パルストランス(FNAL/TTF製の場合)• コスト(全製造費用の約20%)• サイズ(全床面積の約24%)• 重量(~6.5t)(2)直流電源• スイッチング電源で小型、軽量化できる。
• しかし、コストが問題。(全製造費用の約20%)手があるか？
•コイル巻き数増加•鉄心の板厚•コアの製法
積鉄心方式

あまりない？

ベースライン電源の今後の展開（２）
Accelerator Laboratory

シリーズスイッチの改善

STF第２号で試みる。

(1)シリーズスイッチの高信頼化とクローバ回路の省略
シリーズスイッチ１つ１つの素子に異常検出機能付（コレクターエミッタ間の電圧の監視）のゲート駆動回路を備え、構成する素子に１つでも異常が検出された場合、スイッチを高速遮断し、直流高圧電源を停止するインターロックを設ける。通常の過電流インターロッ
クと合わせてインターロックシステムを２重化することによってスイッチの信頼性を向上させて、クローバ回路を省略する。

(2)駆動回路への電源供給の簡素化
主回路から直接電力を供給する方法である。これは直列接続した各素子に設けるスナバ回路などから駆動回路に給電する方式で、従来絶縁のため必要であったトランスが不要になる。特に駆動電流の比較的少ないIGBTの場合、分圧抵抗部からの給電が可能である。

ベースライン電源の今後の展開（３）Accelerator Laboratory

コンデンサバンクの改善

STF第２号で試みる。

(1)コンデンサの小型、軽量化、低価格化
SHコンデンサで誘電体にポリプロピレンフィルムを使用しさらに蒸着パターンの改良を行えば、設計電位傾度〜300V/µmまで上げることができる。これはエネルギー密度でいうと~270kJ/m3である。これによてコンデンサバンクはより、小型、軽量化、また低価格化できる。

(2)コンデンサの安全性の向上
SHコンデンサのもう一つの特長として、フィルム上に多数の分割(パターン)蒸着された電極構造を作ると、自己回復限界を超えて誘電体破壊が生じても絶縁破壊の際に生じる過電流によって、小区分単位に故障部分のコンデンサが回路より切り放される。この事によって健全なコンデンサとしての維持ができるので安全面でも優れている。

Accelerator Laboratory

その他の電源方式（１）ダイレクトスイッチング方式
Series 4.5kV IGBTs

ダイレクトスイッチング方式はべースライン電源のパルストランスをなくしたもので、コンデンサバンク120kVDCをシリーズスイッチでオンオフして高圧パルスを直接クライストロンに印加する方法である。
米国のDTI(Diversified Technologies, Inc.)社[10]が開発中のバウンサー方式ダイレクトスイッチング電源。

Accelerator Laboratory

その他の電源方式（２）ダイレクトスイッチング方式

Main tank(2.4x1.2m)

Capacitor tank(2.4x1.2m)

Power Supply
Inverter Rack(19”)

Accelerator Laboratory

その他の電源方式（３）
マルクス方式(SLAC)

独立した小型ダイレクトスイッチング電源（セル電源）を多直列接続して、各パルス出力を合成して大電力パルス作り、直接クライストロンに印加する方式である。
利点はパルストランスを使わないとともに、各セル電源のトリガータイミン
グ、パルス幅を個別に調整することによって平坦性のよい合成パルスを同時に作ることができ、より小型、軽量化、低価格及び高効率化できることである。

Accelerator Laboratory

その他の電源方式（４）
マルクス方式(SLAC)

この電源は気中使用で、主セル16段(内2段はスペアで14段が使用される)とパルス波形の平坦調整用補正セル２段が直列接続されている。主セルは12kV、補正セルは1.2kVで８セル分のパルスを出力するが、それぞれ各セルのPCボードに収納されている。各セルのコンデンサへの充電はCharging Switchを通して行われ、それがオンすることによって行われる。但し、Main Switchがオンする直前にCharging Switchはオフされ、そしてMain Switchがオフ後再びオンされる。これら２つのスイッチ(IGBT)のコントロー
ル及びトリガーのタイミングは絶縁を保つために、2.4GHzのワイアレスで信号及びトリガーを伝送している。2006年内にフル試験を行う予定である。

Accelerator Laboratory

その他の電源方式（５）コンバータ方式(SNS)コンバータ方式は低電圧のパルス状の高周波交流をトランスで昇圧した後、整流して高圧のパルスを作るやり方である。
この方式はLANLがORNL SNSクライストロン電源用（140kV、90A、1.2ms、60pps）としてこの方式を開発した[13]。Fig. 6.6に回路構成を示す。ACラインからの電力を先ず2.3kVのDCに変換し、それをIGBTで20kHでインバータした後、３相の高周波パルストランスにそれぞれ入力して60倍に昇圧し、その後整流してピーク電圧140kVのパルスを作り、それを直接クライストロンに印加する。PWM、フィードバック、フィードフォワード制御によって、平坦性のよいパルスを作ることが可能で電源効率が90%以上である。

80kV出力電圧波形の例(フィードバック入り)

その他の電源方式（６）コンバータ方式(SNS)

Accelerator Laboratory

RECTIFIER TRANSFORMERAND FILTERSSCRREGULATORENERGY
STORAGE/SWITCHING

BOOST
TRANSFORMERHV RECTIFIERAND FILTER NETWORK
-HV

X34mH
400A

-HV-HV

10ohm

20mH

.03uF
CØBØ3Ø(ON/OFF).05uF
6 EACHAØBØCØ

.03uF

VMON

RTN
13.8KV
3Ø50mH

6 EACHHVOUTPUTAØINPUT
LINE CHOKE

5th
HARMONIC
TRAP

7th
HARMONIC
TRAP

4mH
400A
C
SHUNT-PEAK

13.8kV

2300V

20kHz

1:18(gain 1:60)
EQUIPMENTCONTROLRACKRECTIFIER TRANSFORMERAND FILTERSSCRREGULATOR(FEEDBACK)

140kV
KlystronFault energy <10J

(I/O)

HIGH VOLTAGE
CONVERTER/MODULATOR

サイズは 2.3(W)x4.0(L)x2.1(H) m

EQUIPMENTCONTROL RACKAccelerator Laboratory

その他の電源方式（７）低電圧方式(KEK)スイッチ
50kV, 309A

KEKマルチビームクライストロン
RF出力：10 MW
クライストロン電圧：50kV
クライストロン電流：309A
パービアンス：27.68µP
効率：64.6%

バウンサー回路

R=50kV/309A=162Ω
C=1.7ms/(162Ωx20%)=52µF
E=1/2x52µFx(50kV)2=65kL

コンデンサバンク
50kV, 32µF,65kJ

まとめAccelerator Laboratory（１）ILCベースライン電源（バウンサー方式パルス電源）を中心にクライストロン用パルス電源について学習した。

（２）ベースライン電源は信頼性の高い,基本となる電源である。

（３）半導体素子技術、回路技術を駆使して、新しいパルス電源の開発が進められている。大きな発展が期待される。

（４）日本はパルスパワー分野は遅れている。3Kでありますが皆様の参加を大歓迎します。