Proceedings of the 13th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 8-10, 2016, Chiba, Japan

PASJ2016 MOP033

SACLA-BL1 用高精度 PFN 充電器の開発
DEVELOPMENT OF HIGH PRECISION PFN CHARGER FOR SACLA-BL1近藤力#, A)、稲垣隆宏 B)、櫻井辰幸 A)、大竹雄次 B)
Chikara Kondo#, A), Takahiro InagakiB), Tatsuyuki SakuraiA), Yuji OtakeB)
A)
JASRIB)
RIKEN Synchrotron Center

Abstract
A high precision, high voltage PFN charger is a key component for an X-ray Free Electron Laser (XFEL) linac, inorder to stabilize FEL intensity. We developed new PFN chargers comprising coarse and fine power supplies operable
in high repetition charging, with which its cooling capacity was improved to reduce the number of the thermal troublesof high voltage rectifiers. In order to enhance the cooling capacity, we built a large oil cooler, and optimized thepositions of the coolers and heat generators to flow smoothly electrical insulation oil in a tank. We also realized a shortsettling time for wide-target setting charging-voltage by introducing digital feedback control. The digital feedback
control manipulates the output power of the coarse power supply by using pulse width modulation, and allows us toobtain the optimized feedback parameters dependent on any target charging voltages. We installed seven PFN chargers
for klystron modulators in the SACLA-BL1 Linac. The charger can stabilize any high voltage values for the different
capacitance loads of the modulators, and by tuning digital feedback control parameters. The PFN chargers have been
operated without any troubles for more than 6000 hours in the SACLA-BL1 Linac.

1.

はじめに

線形加速器においては、加速 RF の安定性がビームの安定性を左右し、高い RF 安定度を得るには RF 電源自体の安定度が重要となる。特に、自己増幅型 X 線自由電子レーザー(SASE-XFEL)では、レーザー強度が電子ビームのピークカレントに敏感である。このピークカレントの安定度は、オフクレスト加速の RF 位相に特に敏感であるため、XFEL レーザー強度の安定化には、RF電源に非常に高い安定度が求められる[1]。SPring-8 のX 線自由電子レーザー施設 SACLA では、XFEL の強度安定化のため、RF 源であるクライストロンの印加電圧には、ショット毎の変動は 100 ppm(pk-pk)以下が求められている。これを実現するためには、クライストロンモジュ
レータ電源の PFN コンデンサを、繰り返し 60pps 運転において、50kV の充電電圧に対し 100 ppm 以下の安定度をもつ PFN 充電器を開発した[2,3]。そして、SACLA全体で 72 台使用し、安定した FEL の供用運転に貢献している。
この PFN 充電器では、これまでの約 3.5 万時間以上の運転において、数種類の故障が発生しているが、中でもスイッチング昇圧トランスの 2 次側の高電圧整流ダイオードの損傷が約 4 回起こっている。詳しい調査したところ、このダイオード近辺では絶縁油の自然対流が悪いために、ダイオードのジャンクション温度が高く、熱暴走が起こりやすいものと推測されている。また、これ以外にも、低い設定電圧で運転する時には、電圧制御が不安定になり、安定度の悪化が起こっていた。
我々は、RF 電源の高度化研究の一環として、高繰り返し運転(120 pps)が可能な PFN 充電器の開発を行い、上記の問題の解決を図った[4,5]。新しい充電器では、___________________________________________# ckondo@spring8.or.jp

熱的に十分に余裕を持つよう、高い冷却能力を持つ油冷却機構の開発だけでなく、熱流体シミュレーションなどを用いた油の自然対流の最適化を行ない、内部の冷却を強化した。また、高繰り返し化に伴い、電圧整定の高速化も必要となるため、FPGA や CPLD といったプログラマブルな制御デバイス(以下、制御デバイス)を用いたデジタル制御システムを導入し、急速充電と精密充電という出力が大きく異なる２つのモードを、約 1 ms でスムーズに移行し、高速な電圧整定を可能とした。
今回、これらのコンセプトの基で、２つのタイプの高繰り返し PFN 充電器(Type I, Type II)を開発し、軟 X 線領域の FEL(S-XFEL)を目指す SACLA-BL1 用線形加速器の RF 電源にそれぞれを導入した。この加速器では、運転繰り返しが 60 pps であるため、開発した充電器は熱的な余裕を十分に備えており、熱トラブルの解消が期待される。また、出力負荷である PFN コンデンサの静電容量がユニットによって異なるため、デジタル制御の工夫によって、安定した電圧整定を可能とした。この加速器の RF 電源として、Type I の PFN 充電器５台が、2014
年秋より稼働しており、2016 年 9 月より、もう一方の PFN充電器 Type II が 2 台、稼働する予定である。
本報告では、これらの高繰り返し PFN 充電器について、機能の概略を説明し、SACLA-BL1 用線形加速器用への設置と運用について報告する。

2.

高繰り返し PFN 充電器の構成開発した充電器は、クライストロンモジュレータ電源内の約 470 nF のコンデンサ負荷に対し、7.5 ms 以内に、最大 50 kV を 100 ppm (pk-pk)以下の高精度で電圧整定を行うものである。RF 電源の高繰り返し化に向け、Type I と Type II の２種類の充電器の開発を行った。先行して開発した Type I については、以前の報告[4,5]で開発経緯や機能の詳細が記されている。本節では、新- 416 -Proceedings of the 13th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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たに開発した Type II を中心に機器の概略を説明するものとする。
今回開発した二種類の PFN 充電器について、仕様の比較表を表１に示す。また、Type II のブロック図を図１に示す。この二つの充電器のタイプは、基本的な回路構成はほぼ同じであり、急速充電が可能な大電力電源と、フィードバック制御による精密充電が可能な高精度電源の並列接続にて構成される。そして、急速充電で PFN コンデンサを設定電圧の約 96%まで充電し、その後、精密充電によって設定電圧まで充電し、100 ppm(pk-pk)以下の安定度で、電圧整定を行う。
一方で、二種類の PFN 充電器の主な違いは高精度電源の制御方式にあり、Type I は、スイッチング素子のゲート信号をパルス幅変調(PWM)制御することにより出力制御をしている。一方、Type II の制御方式は、既存のSACLA 用充電器と同じ方式[3]であり、整流後の DC ラインにドロッパー回路を挿入し、供給電圧を制御することで出力制御を行うドロッパー方式を用いた。なお、スイッチング回路の出力部には LC 回路を組み、約 90kHz の共振充電を行なうことでスイッチング損失の低減や、スイッチングノイズの抑制を図っている。
Table 1: Specification of the PFN Chargers for SACLA.
Type

Type I

Type II

Load Capacitance

470 nF

Charging Voltage

5-50 kV

Voltage Jitter(pk-pk)(50kV Charging)~16 ppm~10 ppm

Output Power75 kW (max.)

Repetition Rate

120 pps (max.)

Coarse Charging
methodResonant Charging (0-96%)(Digital Control)
Precision Charging
method(Analog Control)

PWM Control (96-99%)(SW Freq. 20kHz).
PWM Control(SW Freq.
~40kHz)Dropper Control+
Resonant Charging(SW Freq. ~90 kHz)

Figure 1: Block diagram of the high precision PFN
charger Type II.

大電力電源では、大電力出力に伴うスイッチング損失の増大を抑制するため、共振充電を採用しており、充電速度は 10 kV/ms でほぼ固定される。このとき、急速充電から精密充電へ瞬時にモードを切り換えると、充電量が急激に変化するために、回路の共振成分などにより、充電電圧に大きなオーバーシュートが発生する。このようなオーバーシュートにより、充電電圧がひとたび設定電圧を超えると、設定電圧までの減衰を高抵抗によるゆっくりとした放電(時定数が約 8s)に依ることになり、整定時間が格段に長くなってしまう[6]。そのため、短時間で電圧整定を行うには、オーバーシュートを抑え、かつ設定電圧に近い電圧で、安定的に精密充電へ移行するする必要がある。そこで、精密充電への切換直前に、急速充電のスイッチング素子（IGBT）のゲート幅を短くし、充電速度を下げることが、精密充電へのスムーズな移行に重要となる。SACLA での既存の PFN 充電器では、急速充電のゲート回路がアナログ回路であったため、単純な動作制御しかできず、ゲート幅は固定幅でしか変更できなかった。故に、整定時間の短縮は数 ms が限界であった。
また、幅広い設定電圧は対応できず、低い設定電圧ではオーバーシュートを抑えられず安定度を損なっていた。
そこで、FPGA や CPLD などの制御デバイスを用いたデジタル制御を導入し、急速充電のゲート幅を PWM 制御による可変制御とすることで、電圧整定の高速化を目指した。また、設定電圧に応じて最適なフィードバックゲインや切換閾値を制御デバイスで変更できる柔軟な制御システムとした。
精密充電は、出力電力は抑える代わりに、高精度なフィードバック制御により、20ppm 以下の安定度で電圧整定を行う。なお、出力制御方式は、Type II では、従来通りの DC 電圧をドロッパー回路によって制御する方式を採用した。なお、従来型の PFN 充電器では、低い設定電圧での運転時に、ドロッパー回路およびフルブリッジ・スイッチング回路において、高温になり熱破壊する回路素子があることが分かり、素子の再選定および冷却方法の見直しを行った。このような熱トラブルは、精密充電の回路が、出力が小さく、また通常使用する設定電圧の高い運転では Duty 比が小さいため、発熱は常に少ないはずだという先入観をもっていたためである。実際の運用では、低い設定電圧で運転する場合もあり、その場合には精密充電の Duty 比が大きくなり、適切な冷却が必要であった。このように電源開発では、最悪ケースの動作を想定した設計、および様々な条件での動作確認が重要である。
電源外形については、従来は主回路と制御部とも 19インチラックに収まっていたが、新しい充電器では、熱トラブル回避のため、主回路本体のサイズアップし、ラック外に設置するものとした。
また、高電圧回路部品を収める油タンクについても改良を加えた。従来のタンクは、空気層の無い、密閉タンクを使用していたが、組み立て時には加熱炉を用いた真空含浸が必要など、製作コストやメンテナンス性に難点があった。そこで、空気層を残した半密閉式のタンクを用い、設置場所でも内部のメンテナンスが可能とした。なお、絶縁油の注入時に、油中に残留する気泡などを除去するため、設置後に真空脱気を約 8 時間、行っている。

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Figure 2: Large oil cooler for the PFN charger for type
II. The sizes are L 0.8m x D 0.2m x H 0.3m.

Figure 3: Typical charging waveforms of the PFN
charger at 50 kV. The light blue line indicates the3. 新規に導入した技術
zoom of the flat top region of the charging voltage
3.1 熱設計
wave form.
SACLA での量産型充電器は、筐体を 19 インチラック に移行する。この制御には、制御デバイスを使用できるに収めるためにコンパクト化を追求した結果、油冷却器 ので、充電モードの切換閾値やフィードバックパラメーの冷却能力や、絶縁油の対流の最適化が損なわれてし ターを、設定電圧毎に最適な値を用いることが可能となまっていた。これらの反省から、新しい充電器ではコンパ る。
急速充電の PWM 制御時の制御デバイス内での動作クト化よりも熱対策を重視した設計を行った。なお、今回、120pps 運転の 75 kW の出力に対し、油温は上部表面 を簡単に述べる。まず、設定電圧に応じて PWM 制御の開始電圧と、精密充電開始電圧、そして PWM 制御の付近において 60℃以下を目標とした。
充電器 Type II の絶縁油中の部品の発熱量を見積 フィードバックゲインといったパラメーターを、制御デバイもったところ、約 7 kW の発熱量が見込まれた。これに対 ス内のテーブルメモリから選択する。そして PMW 制御
して、従来よりも大型の水冷型油冷却器を開発した（図 時は、１スイッチング毎に、ADC によりデジタル変換され２）。水冷銅配管に多数の銅フィンをロウ付けして熱接触 た充電電圧と設定電圧の差を計算し、それにフィードを図っている。これは油とフィンの熱接触面積を広くし、 バックゲインを掛けてゲート幅を計算して出力する。
図３に PFN 充電時の波形を示す。充電電圧(青線)が、冷却水による吸熱量を増やしている。なお、銅配管は、設定電圧に近づいたときに、IGBT のパルス幅に PWM油内での水漏れのリスクを減らすためシームレスとした。
冷却機構の配置は、絶縁油の循環対流が形成されや 制御がかかり、充電電流(紫線)が絞られる。そして、オーすい配置とした。すなわち、タンク中央部に発熱体を配 バーシュートなく精密充電に約 1 ms で移行している。こ
置し、両側面に油冷却器を一台ずつ配置することで、中 のようなデジタル制御の導入により、急速充電から精密央で熱せられて油が上部に上がり、両側面で冷やされて 充電の切り換え時における電圧変動は、20V 以下まで下降するという、循環対流が形成され、対流冷却の冷却 抑えることができた。
また、デジタル制御を導入した事による運用上のメリッ効率の向上を目指した。
製作した充電器は、高圧部をアクリル水槽に設置し、 トと注意点を次に記しておく。まず、メリットとしては、タイミ定格出力運転を行いながら、絶縁油の対流を観測した。 ングの同期が容易に取れることである。すなわち、ADC
そして、発熱部から冷却器への循環的な流れが形成さ のサンプリングを IGBT のスイッチングのタイミングから外れていることを確認した。また、表面付近の油温度は約 して行うことで、スイッチングノイズの影響を抑え、測定精50℃と、目標とした上限温度を下回っていることを確認し 度の向上を実現できる。また、制御システムやパラメーター等の変更が容易であるため、調整時間が大幅に短た。
この冷却器は製作コストが高いため、充電器試作機の 縮できる。一方で、注意点としては、制御デバイスの動作みで使用した。後で述べる、SACLA-BL1 加速器に導入 がブラックボックス化するため、プログラムのバグや誤作した充電器では、コストパフォーマンスを改善した簡易型 動が発見にし難くなる。このため、プログラム作成時のバの冷却器を開発した。この冷却器に対しても、60pps 運 グ抜きを徹底することは言うまでもなく、動作時のデバイ転で熱試験を行い、表面付近の油温が 40℃程度と十分 ス内部の動作を可視化できるよう、モニタ出力端子を余分に持たせ、機器動作と比較しながら動作確認を行うこな温度余裕は十分持つことを確認している。とが必要である。
3.2

デジタル PWM 制御

本充電器では、急速充電から精密充電への切り換え
時に、デジタル制御を用いて、急速充電の出力を PWM制御によってスムーズに出力を絞り、精密充電へ安定的- 418 -

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4.2

SACLA-BL1 用線形加速器の７台のモジュレータ電源はタイプが混在しているため、PFN コンデンサの静電容量もそれぞれ異なっている。表 2 に、各モジュレータ電源の静電容量、および使用する電圧範囲を示す。
このようなコンデンサ容量が異なる場合や、設定電圧が幅広い場合、充電電圧の整定動作も各々で異なってくる。具体的には、設定電圧が低いほど、またコンデンサ容量が小さいほど、精密充電への切換時に充電電圧のオーバーシュートが起きやすくなる。簡単に説明すると、コンデンサ負荷のスイッチング充電では、出力電流は、充電元と充電先の電位差、および LC 共振回路やトランスのインピーダンスによって決まり、PFN コンデンサのコンデンサ容量には、ほとんど依存しない[10]。そのため、充電先のコンデンサの充電電圧が低いときほど、充電元と充電先の電位差が大きくなり、出力電流量が大きくなり、充電電圧の昇圧速度も高くなる。また、コンデンサ容量が小さい場合は、出力電流が同じであれば、充電電圧の昇圧量は大きくなる。よって、設定電圧やコンデンサ容量によって、最適なフィードバック制御のパラメーターは異なる。
そこで、低い設定電圧に対しては、制御デバイスのプログラムで、急速充電の PWM 制御のフィードバックゲインを小さくすることでオーバーシュートを抑え、また精密充電への切換閾値を下げることで、オーバーシュートを起こしても設定電圧を上回らないようした。この点は、デジタルで制御で得られる大きな利点である。
このような調整を行った結果、コンデンサ容量の違いや幅広い充電電圧に対して、オーバーシュートを抑えた安定した充電動作が実現できるようになった。

Figure 4: (Upper) PFN charger: type I, and (Lower)
type II with the klystron-modulator installed in
SACLA-BL1 linac.

4． SACLA-BL1 用加速器への設置
4.1

コンデンサ容量や使用電圧の違いへの対応

Table 2: Specification of RF Power Supplies in SACLABL1 Linac.

設置

我々は、SACLA-BL1 に SCSS 試験加速器で使用した機器を移設するなどし、軟 X 線領域の FEL 用線形加速器を新たに設置し、2015 年秋より、ビームコミッショニングを開始している[7,8]。この加速器のモジュレータ電源には、試験加速器で使用したタイプ[9]や SACLA で使用したタイプ[2]が混在して使用されている。一方で、
PFN 充電器については、新しく開発した高繰り返し用PFN 充電器を使用するものとし、2014 年秋までに TypeI の PFN 充電器 5 台を設置し、加速管のコンディショニング運転や、ビームコミッショニングで運用している。また、2016 年夏に、ビームエネルギー増強に合わせて、Cband クライストロン用モジュレータ電源と、Type II のPFN 充電器 が各２台、増設し、同年秋より運転を開始する。
図 4 に、各 RF 電源の設置外観の一例を示す。PFN充電器の主回路部は、モジュレータ電源に並べて設置し、制御部はラック内に設置されている。先行して稼働している 5 台の PFN 充電器（Type I）は、2016 年 7 月現在で、運転時間は約 6000 時間を経過しており、初期にゲート信号 IC の故障が１件発生した以外は、トラブル無く稼働している。

PFN
Capacitance

Charging Voltage

Charger TypeGun290 nF

20-45 kV

Type I

S-band470 nF

20-50 kV

Type I

CB1-1

470 nF

20-50 kV

Type I

400 nF

20-50 kV

Type I

470 nF

20-50 kV

Type II

Unit

CB1-2

CB1-3
CB2-1
CB2-2

5.

まとめ

我々は、繰り返し 120 pps の高繰り返しが可能で、かつ電圧安定度が 20 ppm(pk-pk)以下という高い安定度を持つ PFN 充電器を開発した。この充電器は、従来のSACLA 用充電器での熱トラブルの原因となっていた、- 419 -Proceedings of the 13th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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絶縁油中の高電圧部品の冷却能力の不足を解消するため、大型の油冷却器の開発や、油の対流の最適化を行ない、120 pps 運転時に油温 50℃以下を実現した。また、急速充電から精密充電への切り換えを高速化するため、CPLD や FPGA を用いたデジタル制御を導入した。
これにより、設定電圧直前で、急速充電を PWM 制御によって出力をスムーズに絞り、精密充電への切り換えを約 1 ms の短時間で安定的に行えることが可能となった。
この充電器は、SACLA-BL1 用線形加速器に計 7 台が設置されており、内 5 台は、2016 年 7 月時点で、約6000 時間を問題なく運転している。また、残り 2 台は、同年 9 月より、稼働する予定である。

謝辞
本充電器の開発には、ニチコン草津株式会社 小川耕平氏を初めとする多くの方々に、設計、測定、調整に渡り、多くのご協力を頂き、深く感謝します。
また、SACLA-BL1 加速器への RF 電源の設置および調整では、日本高周波株式会社、ニチコン草津株式会社、日立造船株式会社の技術者の方々の多大な尽力を頂き、心より感謝します。最後にスプリングエ
イトサービスの益田邦和氏、木村健氏をはじめとするスタッフの方々には、設置、試験、測定など全般に渡ってご協力して頂いたことに、心から感謝いたします。

参考文献[1] 田中均, 他, “XFEL/SPring-8 のバンチ圧縮性能に及ぼすRF 機器変動の影響評価”, 第 4 回加速器学会, TP66, 和光, 2007.
[2] T. Inagaki et al., “High-gradient C-band linac for a compact
x-ray free-electron laser facility”, Phys. Rev. ST Accel.
Beams 17, 080702, 2014.
[3] C. Kondo et al., “High Precision Inverter Power Supply for
Klystron Modulator of SACLA”, EAPPC2012, Karlsruhe,
2012.
[4] 近藤力, 他, “SACLA における大電力 RF 機器の高繰り返し化”, 第 11 回加速器学会, MOOL06, 青森, 2014.
[5] 田中豊, 他, “高精度充電器の開発”, 第 11 回加速器学会, SAP059, 青森, 2014.
[6] 近藤力, 他, “PWM 制御を用いた高電圧充電器の開発”,
第 10 回加速器学会, SAP064, 名古屋, 2012.
[7] 櫻井辰幸, 他, “SACLA-BL1 極紫外線 FEL 用加速器の建設と RF コンディショニング”, 第 12 回加速器学会,
FROM12, 敦賀, 2015.
[8] 稲垣隆宏, 他, “SACLA BL1 における軟 X 線 FEL の発振と調整の状況”, 本学会.
[9] 稲垣隆宏, 他, “C バンドクライストロン用コンパクト密閉型変調器電源の大電力試験”, 第 28 回リニアック技術研究会 p129-131, 東海村, 2003.
[10] A. C. Lippincott, R. M. Nelms, “A Capacitor-ChargingPower Supply Using a Series-Resonant Topology, ConstantOn-Time / Variable Frequency Control, and Zero-Current
Switching”, IEEE Trans. Indus. Elect., Vol. 38, No. 6, 1991.

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