Proceedings of the 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
July 31 - August 3, 2019, Kyoto, Japan

PASJ2019 FRPH043

650V IGBT を用いた低圧大電流水冷電源ユニットの評価試験
EVALUATION OF LOW-VOLTAGE, LARGE-CURRENT AND WATER-COOLEDPOWER UNIT USING 650V IGBT渡辺泰広#Yasuhiro Watanabe #Japan Atomic Energy Agency

Abstract
In recent years, high-voltage IGBT technology drives high-voltage switching power supplies such as renewable energy
and many other industrial applications. In accelerator applications, MW-class magnet power supplies such as J-PARC
RCS and MR bending magnet power supply employ voltage rating of 3300 V or 4500 V high-voltage IGBT. However,high-voltage IGBT is not suitable for high-precision power supplies because it causes large step voltage per switching
and low switching frequency rather than low-voltage IGBT so that it required large filter circuits.
This paper developed a small-size power unit using a 650 V IGBT for high-voltage and high-precision multilevel power
supply. This power unit integrated diode rectifier and chopper circuits and it's consist of diode modules, IGBT modules,
water-cooled copper plate and DC capacitor.
却するための水冷ヒートシンク及び直流コンデンサを一体化し，19 インチラック 2U（高さ 88 mm）というコンパクト近年の高電圧 IGBT 技術の発達により，IGBT の電圧 なサイズに収納しているところに特長がある。この電源モ定格は最大 6500 V まで実用化されている。従来，電圧 ジュールは，単独で使用することも可能な他に，複数の定格 1700 V 以上の高電圧 IGBT は，大型 UPS や電気 電源ユニットを組み合わせて直列多重回路及び並列多鉄道，鉄鋼分野などの領域で使用されてきたが，近年， 重回路を構成することが可能である。直列多重回路の場
太陽光発電や風力発電などの自然エネルギーの急速な 合，最大 8 直列構成とすることで出力電圧は最大 2400普及により，高電圧 IGBT の用途が急速に拡大している。 V が可能となる。そのため，高電圧パターン電源や低電自然エネルギーによる発電は不安定なため，電力系統 圧大電流直流電源，高電圧パルス電源など,加速器でへの系統連系のためには電圧出力の安定化が必要で 使用する多様な電源に使用することが可能である。本論あり，スイッチング電源が不可欠となる。太陽光発電に用 文では，今回開発した２種類の電源ユニットのスイッチンいられる MW クラスの大容量パワーコンディショナでは， グ試験結果について報告する。
直流 1500 V が主流となりつつあり，定格電圧 3300 V の2. 電源ユニットの開発方針
高電圧 IGBT が用いられている。
加速器分野においては，シンクロトロン用電磁石電源・部品点数及び種類の削減の中でも特に容量の大きな偏向電磁石電源に高電圧
高圧 IGBT に代わり低圧 IGBT を用いで電源回路をIGBT が採用されており，J-PARC RCS 偏向電磁石電源 構成する場合，部品点数の増加は避けられず，そのた[1]では定格電圧 3300 V の IGBT モジュールが，J-PARC めのコストの増加や信頼性の低下を引き起こす恐れがあMR の偏向電磁石電源[2]では定格電圧 4500 V の IGBT る。そのため，電源ユニットに使用する部品点数は極力モジュールが使用されている。
少なくすると共に，組み立てを簡単にするため，使用すしかし，高電圧 IGBT を用いたスイッチング電源では， るボルト数をできる限り減らすことにした。また，主回路は高電圧をスイッチングすることにより生じるスイッチングノ すべて銅板で構成し，電源ユニット内部には制御配線なイズ対策が重要な課題であり，特にシンクロトロン用電磁 どのワイヤーハーネスをなくした。また，２種類の電源ユ石電源では，負荷である電磁石やケーブルの対地容量 ニットは，極力使用部品の共通化を図っており，電源筐が極めて大きく，コモンモード電流が大きな問題となって 体，IGBT，直流コンデンサ，水冷ヒートシンクは同一のいる[1, 2]。また，高電圧 IGBT の場合，スイッチング速度 仕様である。
が遅いためスイッチング周波数が高くすることができず，低圧 IGBT と比較すると電流リプルを低減するための・水冷方式パッシブフィルタ回路が大型化するという問題がある。
電源ユニットを構成する部品の内，パワーデバイス，
本論文では，高電圧スイッチング電源における１回路 特に IGBT は，発熱量及び発熱密度が高いため，電源あたりのスイッチング時のステップ電圧を低減するため， ユニットの小型化のためには，冷却設計は非常に重要で
電圧定格 650 V の IGBT モジュールを使用した定格電 ある。パワーデバイスの冷却方法は，自然空冷方式また圧 300 V の電源ユニットを開発した。この電源ユニットは， は強制風冷方式の他に水冷方式がある。加速器施設でIGBT モジュール及びダイオードモジュールとそれらを冷 は，小容量から大容量まで多数の電源を運用するため，冷却には水冷方式が合理的である。そのため，電源ユ___________________________________________# yasuhiro.watanabe@j-parc.jp
ニットはヒートシンクを用いた水冷方式とし，ファンなどの1.

はじめに- 994 -Proceedings of the 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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冷却装置は使用しない。
Dio de1・規格寸法の採用
電源ユニットを直列多重回路及び並列多重回路に使用する場合は多数の電源ユニットが必要であるため，規格化された寸法を採用したほうがよい。そのため，一般に普及している 19 インチラックに収納することを前提として，電源ユニットの幅を 440 mm に設定した。また，電源ユニットの高さは，内蔵する主要部品の内，寸法の大きな直流コンデンサ，IGBT と水冷ヒートシンクの寸法から，2U(88 mm)に設定した。奥行きは最大 500 mm（冷却水用コネクタを除く）としている。

3.

電源ユニットの設計

3.1

主回路構成

Figure 1 に今回開発した２種類の電源ユニットの主回路構成を，Table 1 に仕様を示す。Type A は，三相ダイオード整流回路＋チョッパ回路を 2 回路内蔵している。
この 2 回路は，それぞれ個別に使用することも可能である他，各々の出力を接続することにより，直列 2 多重回路として使用することもできる。ダイオード整流回路は，定格電圧 800 V，定格電流 100 A の三相ダイオード回路を１つのパッケージに収納したダイオードモジュールを使用している。
Type B は，三相ダイオード整流回路＋H ブリッジ回路を 1 回路内蔵している。IGBT は電流定格を増強するため 2 並列接続しており，共通のドライブ回路で駆動している。ダイオード整流回路は，定格電圧 800 V，定格電流 200 A の三相ダイオード回路を１つのパッケージに収納したモジュールを使用している。
どちらの電源ユニットも，直流コンデンサは定格電圧450 V，静電容量 5600 uF の電解コンデンサを 6 個使用しており，各々に放電抵抗を取り付けている。
3.2

冷却設計

Figure 2 に電源ユニットに内蔵している水冷ヒートシン
クを示す。この水冷ヒートシンクは，銅板に直接冷却水を接触させるため，無酸素銅板に溝を加工し，ロー付けにより銅板を張り合わせることにより水路を製作している。
IGBT モジュールの発熱は最大 800 W/個，ダイオードモジュールの発熱は最大 50 W/個であり，合計発熱量は最大 3300 W である。ダイオードモジュールの発熱量はヒートシンクによる自然空冷で十分であるが，ユニットサイズの低減及び空調負荷の低減という観点から IGBT モ
ジュールと共通の水冷ヒートシンクで冷却する。冷却水の温度上昇は 10℃以下とするため，冷却水流量は最大8 L/min としている。電源ユニットの着脱が容易となるように，外部からの冷却水の取り合いは，クイックカプラを用いている。
3.3IGBT2

IGBT1U1V1W1C1C2P1C3R1R2N1R3Dio de2

IGBT3U2V2W2C4C5IGBT4P2C6R5R4N2

R6(a) Power unit : Type A
Dio de1

U1V1W1

IGBT1C1C2R1C3R2C4R3C5R4IGBT2IGBT3IGBT4P1C6R5N1R6(b)Power Unit : Type B
Figure 1: Circuit configuration of the Power Unit.
Table 1: Power Unit Parameters
Type A
内部回路
内蔵回路数

Type B

三相整流回路＋チョッパ回路
2 回路

1 回路

入力電圧

AC200 V

直流リンク電圧

DC300 V

ダイオード

DF100BA80

DF200AE80(800 V/100 A)(800 V/200 A)

IGBT

CM300DX-13T(650 V/300 A)

直流コンデンサ

LNC2W562MSEG (450 V/5600 uF)

絶縁耐圧2500 Vrms

冷却方式

水冷（純水）

構造設計

Figure 3 に電源ユニットの写真を示す。電源ユニットの構造設計において最も重要なのは，IGBT と直流コンデンサ間の DC バスの導体配置である。IGBT のターンオ
フ時におけるサージ電圧を抑制するために，IGBT と直流コンデンサ間の配線は，できる限り低インダクタンス化

Figure 2: Cooling system for IGBT modules and Diodemodules using water-cooled cupper plate (Power Unit:Type A).

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する必要がある。また，IGBT モジュールを並列接続して使用する場合，各 IGBT に流れる電流を等しくするため，導体の自己インダクタンス及び＋極と－極の相互インダクタンスを調整する必要がある。DC バスには，板厚 2mm の銅板を用い，＋側と－側の絶縁にはノーメックスを用いている。DC バスは，表面に絶縁保護用としてポリイミドテープを巻いている。放電抵抗は各直流コンデンサの端子に直接接続する。ヒートシンクを水冷にして小型化し，直流コンデンサを横向きに設置することにより，電源ユニットの高さは，19 インチラック 2U のサイズに収めている。
(a) Turn on and turn off waveforms.

(b) Focus on turn off(a) Type A

Figure 4: IGBT switching (Type A).

(b) Type B(a) Turn on and turn off waveforms.

Figure 3: Photograph of the Power Unit.

4.

試験結果

開発した電源ユニットの性能を確認するため，IGBTのスイッチング試験を行った。試験方法は，電源ユニットの出力に 0.5 の抵抗負荷を接続し，入力側はスライダックを介して三相 200 V を接続し，直流リンク電圧が300 V となるようにスライダックを調整した状態で，各IGBT のコレクタ電流が最大定格である 300 A となるときにターンオフするようにスイッチングのパルス幅を調整した。
Figure 4 に電源ユニット Type A のスイッチング時の波形及びターンオフ時の拡大波形を示す。ターンオフ時の- 996 -(b) Focus on turn offFigure 5: IGBT switching (Type B).

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IGBT のコレクタ・エミッタ間電圧 Vce のサージ電圧は最大 420 V となっており，最大定格 650 V に対して十分に小さい。
Figure 5 に電源ユニット Type B のスイッチング時の波形及びターンオフ時の拡大波形を示す。ターンオフ時のVce 間のサージ電圧は最大 405 V となっており，最大定格 650 V に対して十分に小さい。並列接続している
IGBT の各コレクタ電流 Ic1 及び Ic2 のバランスは、ばらつきが 10%程度であり十分に小さい。どちらの波形も，ターンオン時及びターンオフ時とも異常な振動は見られず，良好なスイッチング特性が得られることを確認した。

5.

まとめ

本論文は，加速器用の高精度電源に適した低圧水冷電源ユニットを開発した。本論文で開発した電源ユニットは，各種の電源回路に適用可能である。今後は，過負荷試験や組み合わせ試験を実施し，各種回路に適用することが可能であることを実証する予定である。

参考文献[1] Y. Watanabe et al., “Suppression scheme of COD variation
caused by switching ripple in J-PARC 3GeV Dipole Magnet
Power Supply”, Proceedings of IPAC2010, 3242-3244.
[2] S. Nakamura et al., “J-PARC MR の主電磁石の磁場リプ
ル 測 定 ” , Proceedings of Particle Accelerator Society
Meeting 2009, JAEA, Tokai, Naka-gun, Ibaraki, Japan, 2009,
pp. 557-559.

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