SACLA油密閉型モジュレータに⽤いる
50kV半導体スイッチの開発

理化学研究所 放射光科学総合研究センター
稲垣隆宏、 近藤⼒、安積隆夫、⼤⽵雄次
スプリングエイト・サービス株式会社
益⽥邦和
パルスパワー技術研究所
徳地明、天神薫、⽊⽥保雄

Outline• 開発の⽬的• スイッチの設計• スイッチの構成• ⼤電⼒試験• まとめ

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第14回⽇本加速器学会年会 TUOL08 2017/8/1 札幌

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SACLA加速器のクライストロンとモジュレータ• X線⾃由電⼦レーザー施設 「SACLA」• 2011年〜

年間 6,000〜7,000時間 運転• 2015年〜

BL1専⽤加速器（SCSS+）運転

Cバンド 50MW
クライストロン

110MW パルスモジュレータ• 110 MW パルス・モジュレータ• 50 MW クライストロンのパルス電源• SACLA 8 GeV加速器で72台使⽤• SCSS+/BL1 800 MeV加速器で7台使⽤

4 m間隔に並ぶ

SACLA 油密閉型モジュレータの構成

クライストロン• クライストロン定格 -350 kV、310 A (Lバンドは-290kV、270A)• EMIノイズ低減のため、パルストランスタンクと⼀体化コンデンサ（PFN回路）• ⼩型化、⾼信頼化のため、絶縁油を封⼊• RF安定化のため、充電電源を⾼安定化（<10ppm）

1m

パルストランス

サイラトロンサイラトロンのトラブル• サイラトロン︓ ⽔素ガスでの放電を利⽤した放電管• 79本を使⽤

CX-1836, CX-1937, L-4888D• 2年経過後から、カソード等の劣化による障害が多発[明⽇のポスター発表 WEP062（中澤）を参照]• サージの増⼤、トリガ回路の故障

運転の中断• 導通損失の増⼤、変動RFの変動• 導通タイミングの変動

サイラトロン

サイラトロンの寿命分布と故障原因• 耐電圧不良、⾃爆の頻発
• ・・・

放電不着火

• 平均寿命 〜 4年（25,000時間） あまりに短い︕

サージ大• 毎年、15〜20本を購⼊し、交換している。

その他• 半導体化して、保守コストの削減と、運転の中断リスクを減らすことを計画した。
運転時間 [1000時間]
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5Outline• 開発の⽬的• スイッチの設計• スイッチの構成• ⼤電⼒試験• まとめ

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半導体スイッチの要求仕様
項目

要求仕様

充電電圧

最大 50 kV

パルス電流

最大 5 kA, 5 s
（Lバンドは 3 kA, 8 s）

繰り返し

最大 60 pps

ターンオン時間< 500 ns

高電圧立上り～ 1 s

時間ジッタ

< 3 ns (rms.)

RFの安定度要求より電流の安定度< 100 ppm (rms.)

RFの安定度要求より電力損失< 3.8 kW (60 pps)

定格出力38 kWの10%

温度< 60 ℃

絶縁油の推奨温度動作環境

絶縁油中

冷却

油冷

水冷は漏れるリスクあり不可

サイズ

700×300×800 mm以内

サイラトロンに置き換え設置

寿命>> 4年

コスト

サイラトロンと同程度
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備考

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半導体素⼦• IGBT

スイッチング遅く、損失⼤• FET

通過電流⼩さく⾮現実的チャンネル形成• 静電誘導型（Static Induction︓SI）サイリスタを使⽤• PINダイオード＋制御ゲート の構造

電子• PINダイオードと同様に低損失で⼤電流を通過可能

正孔• ⾼耐電圧電流〜3.2 kV• ⾼速スイッチング〜200 ns• 樹脂パッケージ 油中でも使⽤可能• 阪⼤産研や⻑岡技⼤、KEK等で使⽤実績あり※日本ガイシパンフレットより引用

新電元工業㈱ サンプル品

1素⼦あたり 1 kA以上の⼤電流を通過可能※ただし、現在は製造中⽌に…

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阪⼤産研の半導体スイッチ• Lバンド加速器のモジュレータにて使⽤

A. Tokuchi, et. al., NIM-A 769 (2015)2013年加速器学会 上司氏 / 磯山氏報告• 25 kV、6 kA、10 pps• SIサイリスタ 10直列６並列• ⼤気中で使⽤、空冷、全⾼ 540 mm
これを参考に、再設計を⾏った。
• SACLAの要求仕様 50 kV、5 kA、60 pps• 発熱が1桁⼤きい⇒損失の⾒積、素⼦数の検討• 油中での使⽤⇒油の循環による放熱• サイズの⼩型化 全⾼800 mm以内
⇒油中のため、⼩型化
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SIサイリスタ素⼦の試験スイッチの構成を決めるため、特性を測定した。

使用

使用

1. 漏れ電流 →直列数を決定• 2.7kV以上で増加• 60℃以上で増加
50 kV / 24直列 = 2.1 kV（耐電圧3.2 kVの66%）で使⽤
2. 通過損失 →並列数を決定• 1.9 kV、400 Aのパルス試験を実施• ⽴上り時間〜220 ns

220ns

OK

• ロスは通過損失が主• オン抵抗〜0.17Ω
5 kA / 8並列 = 625 A （阪⼤の63%）(625A)2 x 0.17Ω x 5us x 60pps = 20 W
20W x 192素⼦ = 3.8 kW

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70V/400A=0.17

OK

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Outline• 開発の⽬的• スイッチの設計• スイッチの構成• ⼤電⼒試験• まとめ

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半導体スイッチの構成
ゲート駆動電力は100 kHzにて伝送

ゲート回路（素子ごとに）

2直列8並列を1ステージとする
ヒートシンクに素子を貼り付ける

光ファイバー（トリガ ＆ステータス）

55 mm
6 mm
8並列12ステージ
24直列
全高800mm

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モジュールの構成

電場遮蔽板

電力供給
トランス

• ヒートシンクを構造体とし、SIサイリスタを貼付• 中央に絶縁油を流し、放熱LED表示• 外側に、スナバ回路、ゲート回路を配置• 絶縁材（ベークライト板）を挟んで、積み上げた

ヒートシンク

油道

ゲート回路

スナバ
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SIサイリスタベークライト

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13Outline• 開発の⽬的• スイッチの設計• スイッチの構成• ⼤電⼒試験• 気中での単発試験

50 kV, 6 kA, 5 s

電圧分担、電流分担の確認• Cバンド・モジュレータに外部接続して試験50 kV, 5.2 kA, 5.0 s

パルス波形、⽴上り速度、損失の確認• Lバンド・モジュレータ内に設置して試験

50 kV, 3.2 kA, 7.8 s

温度上昇、安定性の確認、⻑期間の実運転• まとめ
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気中での単発試験• 最⼤50 kVまで印加し、6 kA, 5 sのパルス出⼒を確認

PFN回路
17段

半導体スイッチ• 24直列の電圧分担 ほぼ±20%以内（1段のみ+40%）• 導通のタイミングも⼀致• 8並列の電流分担 ±30%以内• いずれも、素⼦のマージン（〜50%）内なのでOK

出力電流
6 kA, 5 s
50 kV
アノード
電圧

各段の電位を重ねて表示

24 kV

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1 s

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Cバンド・モジュレータに接続しての試験• ⼩型の油タンクに⼊れ、25℃の油を循環クライストロンモジュレータ• モジュレータとはケーブルで接続

スイッチ• 60 ppsにて、13時間の運転 問題なし
• 50 kVにて、パルス電流 5.2 kA, 5 s
• アノード電圧の⽴下り

200 ns
オイルクーラー• オン抵抗 0.4 Ω• 電⼒損失 60 J （3.7 kW@60pps）

200 ns2 kV (Ron=0.4)50 kV• サイリスタ素⼦の温度 32℃

アノード電圧OK• オイルクーラーでの冷却 ⊿T〜3.3℃

5 s

5.2 kA• 流量36L/minとすると、 発熱 3.4 kW

パルス電流• いずれも想定通りであり、問題ない
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Lバンド・モジュレータ内に実装しての試験• モジュレータを改造し、半導体スイッチを設置

スイッチ• オイルクーラーを接続し、25℃の絶縁油を循環させ冷却• 60 ppsにて、47時間の運転 問題なし
• 50 kVにて、パルス電流 3.2 kA, 7.8 s

油の循環
25℃、26L/min• 電⼒損失 35 J （2.1 kW@60pps）• ⾼精度オシロで、ショット毎安定度を測定• タイミングジッタ

0.3 ns (rms.)• クライストロン電圧の変動 29ppm(rms)• パルス電流の変動 16ppm (rms)

310 kV180 ns7.8 s
50 kV Ron=0.26Ω 3.2 kA
820V

クライストロン電圧
パルス電流
アノード電圧• いずれも仕様(<3ns, <100ppm)を満たす。

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連続運転時の温度 ファイバー温度計で計測

周囲の油は自然対流～38.5℃• 半導体スイッチは油の循環で27℃に冷却循環油• タンク内の油は⾃然対流のため38.5℃

オイルクーラー
流量 26L/min• 測定した温度は、この中間の温度となっている。
• 60℃以下であり、問題ない。

半導体スイッチ40

発熱 2.3 kW• 波形からの計算や、設計時の想定と⼀致。

• 特に問題もなく、安定して運転できている。

35
温度 [℃]• その後、Lバンド⾼周波機器の試験に⽤いられ、これまで60 ppsで1800時間の運転を⾏っている。

28.1℃
25℃

50 kV, 3.2 kA, 60 pps運転時の温度• オイルクーラーでの冷却 ⊿T〜3.1℃• 流量26L/minだと27.2℃

タンク内の油温 38.5℃
サイリスタ（ケース）37.0℃
サイリスタ (ベース) 34.1℃

3025

循環油温 27.8℃
ヒートシンク上部 27.2℃
24 時間

20

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Outline• 開発の⽬的• スイッチの設計• スイッチの構成• ⼤電⼒試験• まとめ

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まとめと今後の予定• サイラトロンの代替として、絶縁油中で60ppsで使⽤できる半導体スイッチを開発• ⼤電⼒試験を⾏い、要求仕様を満たすことを確認
項目

要求仕様

大電力試験の結果

充電電圧

50 kV

50 kV

パルス電流

5 kA, 5 s or 3 kA, 8 s

5.2 kA, 5.0 s or 3.2 kA, 7.8 s繰り返し

60 pps60 pps

ターンオン時間< 500 ns

200 ns時間ジッタ< 3 ns (rms)

0.3 ns (rms)

電流の安定度< 100 ppm (rms)

16 ppm (rms)

電力損失< 3.8 kW (60 pps)

3.7 kW (60 pps, 5.2 kA, 5.0 s)

温度< 60 ℃< 37 ℃ (60 pps, 3.2 kA, 7.8 s)• 60ppsで1800時間の運転を⾏い、⻑期信頼性も問題ない• 今後、SACLAの実機にて使⽤することも検討• このSIサイリスタは製造中⽌になったので、次回は別の素⼦で半導体スイッチを製作予定
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