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

PASJ2019 THPH008

3.3kV-SiC-MOSFET を使用した ILC 用 MARX モジュレータの評価試験
EVALUATION TEST OF MARX MODULATOR FOR ILC USING 3.3kV-SiC-MOSFET澤村陽#, A), 徳地明 A), 明本光生 B) , 中島啓光 B), 川村真人 B) , 坂本 邦博 C)
Yo Sawamura#, A), Akira TokuchiA), Mitsuo AkemotoB), Hiromitsu NakajimaB), Masato KawamuraB),
Kunihiro SakamotoC)
A)
Pulsed Power Japan Laboratory Ltd.
B)
KEK, C) AIST, ADPERC

Abstract
ILC (International Linear Collider) plans to carry out collision experiments of electrons and positrons with themaximum energy that can currently be achieved, using a linear accelerator with a total length of about 20 km. The multibeam klystron system will be installed in the main linear accelerator of the ILC project. The RF power for generating an
accelerating electric field in the superconducting accelerating cavity is composed of a multi-beam klystron and a klystronpower supply that drives it. The Klystron power supply, called Marx modulator, generates 120 kV 140 A 1.9 ms pulse
voltage and supplies it to the cathode of multi-beam klystron. Small size, low cost, high reliability are required. The
prototype power supply SiC MOS-FET and SiC diode require a withstand voltage of 2.4 kV, and are configured byconnecting two elements with a withstand voltage of 1.2 kV in series. In this research, 3.3kV-SiC-MOSFET is used tofurther improve the reliability. This time, device temperature evaluation in continuous operation is also performed, andan evaluation test of the MARX modulator for ILC is reported. A part of this work has been implemented under a joint
research project of Tsukuba Power Electronics Constellations (TPEC).

1.

はじめにILC （ 国 際 リ ニ ア コ ラ イ ダ ー ; International LinearCollider）は Fig. 1 に示す全長 20 キロのトンネル内で、粒子をほぼ光速に加速し衝突させ宇宙誕生直後の超高温状態を再現させる。

株式会社パルスパワー技術研究所は KEK と共同でクライストロン電源を開発中である。

Figure 1: International Linear Collider Completion
forecast (provided by KEK).
Figure 3: Pulse modulator power supply for ILC.
超伝導加速空洞に加速電場を生成するためのＲＦ電力は、マルチビームクライストロンとクライストロン電源で
Figure 3 の ILC 用 SiC MOS FET MARX 方式クライス構成される。Figure 2 のクライストロン電源は MARX 変調
トロンモジュレータ用電源に20 ユニット搭載される。
器と呼ばれ 120 kV 140 A 1.9 ms のパルス電圧を生成し、電源はMARX回路＋PWMチョッパー回路基板をマルチビームクライストロンのカソードに供給する。
80MARX 構成で PWM 制御によるドループの補償と位相制御によるリップルの低減を図ることにより、実装する主コンデンサを極力小型化し(40 分の 1）、基板サイズは10 分の 1 相当の特長を有している。
本稿は、ILC 加速器に設置されるクライストロン用モジュレータ電源の開発に関するものである。 搭載される電源は、小型化、低コスト化、高信頼性が強く望まれ、また電源が出力するパルスはフラットトップが 1.9 ms の非常に長いパルス幅と電圧変動率 1 %以内という高精度の出力が要求される。
Figure 2: SiC MOS FET MARX power supply for ILC
klystron modulator.
___________________________________________# sawamura@myppj.com- 604 -Proceedings of the 16th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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2.

Table 2: 3.3 kV SiC SBD Spec Comparison

開発の目的と内容

本研究では、MARX 回路＋PWM チョッパー回路基
板を 80MARX 構成で PWM 制御によるドループの補償と位相制御によるリップルの低減を行っている。試作電源のブロック図を Fig. 4 に示す。SiC MOS-FET(1.2 kV2S3P), SiC ダイオード(1.2 kV 2S), IGBT(2.5 kV 1S), Si
ファーストリカバリダイオード (1.5 kV 2S)で構成している。

3.3 kV SiC SBDSCS220KG(AIST, ADPERC)(ROHM)

VR

3.3 kV1.2 kVIF21 A

20 A

VF-

1.4 V (Typ.)IR-20 μA (Typ.)TO-247(x_C_A)

TO-220(C_A)

Package

3.

MARX 基板への実装と評価試験

3.1

3.3 kV SiC 用新規 MARX 基板の製作と実装

3.3 kV SiC 実装基板を製作、従来の大型ヒートシンクで十分な冷却能力を稼いだ。
Figure 4: Block diagram of prototype power supply.
デバイスの高耐圧化をはかり、より信頼性を増すために、面実装型 3.3 kV 耐圧 SiC デバイスで実装実験を行うことを目的とし開発を行った。Figure 5 は試験に使用した TO-247 パッケージの 3.3 kV SiC MOS-FET と TO-247
パッケージの 3.3 kV SiC SBD である。

Figure 5: 3.3 kV SiC MOS-FET Package TO-247 (left),
3.3 kV SiC SBD Package TO-247(right).
今回、MARX 基板に実装した 3.3 kV SiC MOS-FETと 3.3 kV SiC SBD と従来の 1.2 kV 耐圧素子のスペック
比較を Table 1, Table 2 に示す。

Figure 6: New designed MARX printed circuit board.
Figure 6 の新開発した MARX 基板では耐電圧（1 kV→2 kV）を確保するために Fig. 7 に示す TO-247 パッ
ケージのドレイン端子のリードを曲げ実装を行い、S-D,G-D 間の実装距離を広くする手法を採用した。

Table 1: 3.3 kV SiC MOS-FET Spec Comparison
3.3 kV SiC MOS-FET

SCH2080KE(AIST, ADPERC)(ROHM)

3.3 kV

1.2 kV60～120 mΩ

80 mΩ

ID-40 A

VGS0/+20 V-5 V/+20 V

Vth

2.4～2.7 V

1.6-4.0 V--1.3 V

TO-247(G_D_S)

TO-247(G_D_S)VDSSRDS(ON) (Typ.)VSD (VGS=0 V)
Package

Figure 7: Bent mounting of lead of drain terminal.

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CH2(緑)：出力電圧CH4(マゼンタ)：出力電流

従来と比べヒートシンク（ドレイン電位）とソース、ゲート端子間の耐電圧（1 kV→2 kV）を確保する必要があり、Fig. 8 に示すようにヒートシンクと接する TO-247 パッケー
ジバックメタル面を最小にした実装した。

-1.91kV-229A

Figure 8: Mounting technique of 3.3 kV device to heatsink.

Figure 10: Output voltage and output
measurement waveform under rated operation.

3.2

出力スナバ回路により立ち上がりから 200 μs 程度の期間、電流が多く流れている。

MARX 基板の定格電圧 ヒートラン試験と温度測定結果

current

3.3 kV SiC 素子を実装した MARX 基板単体を Table 3の条件でヒートラン試験を実施した。
Table 3: MARX board test conditions
ItemCondition

Charging voltage-2 kV

Load resistance

11.4 ΩOutput snubber circuit

1.5 μF, 13.3 Ω *1)

Chopper PWM frequency

50 kHzPWM duty
Number of PWM pulses
per one shot
Repeat frequency

80 % → 97 %Figure 11: Heat sink temperature in heat run test of MARX
3 board.

95 shots → 1.9 ms(5 Hz)*1) MARX 基板単体での試験であるが MARX ユニットに搭載されるスナバ回路を等価換算し実装。
定格電圧でのヒートラン試験写真を Fig. 9 に、出力電圧、出力電流の測定波形を Fig. 10 に示す。

Figure 11 で ヒ ー ト シ ン ク の 温 度 上 昇 は 放 電 FET
3.3 kV SiC 1S6P が高いがトリガ周波数 5 Hz で 6 ℃程度の上昇に収まっている。

4.

今後の展望

3.3 kV SiC MOSFET, 3.3 kV SBD を今回新規開発した MARX 基板に実装し、基板単位での定格運転が確認できた。今後、MARX 基板 4 段構成の MARX ユニットとしての動作を確認し、3.3 kV デバイスでの高耐圧化、高信頼性の電源開発を目指す。

謝辞

Figure 9: Rated operation heat run test photograph ofMARX board.

本研究の一部は、共同研究体「つくばパワーエレクトロニクスコンステレーション（ＴＰＥＣ）」の事業として行われた。また、共同研究の高エネルギー加速器研究機構の方々に感謝の意を表する。

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