サイリスタのアバランシェモードを用いた高電圧•高電流パルス電源の開発
DEVELOPMENT OF A HIGH VOLTAGE AND HIGH CURRENT PULSERUSING AVALALANCHE THYRISTERS内藤孝#A)、明本光生 A)
Takashi Naito, Mitsuo AkemotoA)
KEK, High Energy Accelerator Research Organization

Abstract
A high voltage and high current pulse switch has been developed using the avalanche mode of thyristor forthe high voltage pulse source. Thyristor switches from off to on when the exceeded voltage of the beak overvoltage of the thyristor is applied. We call the switch mode as an avalanche mode(AM). The AM thyristor
has many advantages that there is no need the gate drive circuits for each thyristor, the first switching
characteristics compare to the gate mode switching, etc. The switching characteristics of 17 stages of the AM
thyristors are that the peak pulse voltage 22kV, the peak current 440A, the switching time 20s and the pulse
width 100ns, respectively. The Marx circuit configuration of the AM thyristors is available to reduce theapply DC voltage. The switching characteristics of 12 stages of the AM thyristors with the Marx circuit arethat the peak pulse voltage 11.5kV, the peak current 230A, the switching time 30s and the pulse width 50ns,respectively.
源として使用出来ることを示している。通常のサイリスタは応答速度が遅いが、今回 MOS gated サイリ
高電圧短パルスをビーム加速やキッカー電源とし スタを使用することで 20ns 程度のスイッチング速て使用するため[1][2][3]、開発を行っている。当初、 度が得られることが解った。
他方でバイポーラトランジスタを使ったアバラン
Drift Step Recovery Diode(DSRD)を用いた高速、高電圧パルス電源を開発していたがパルスピークを大き シェスイッチ回路は熱電子銃のグリッドパルサーやくするためにはDSRDをドライブするパルスも大振 レーザーなど既に実用化されている。アバランシェ
幅の必要があり、ある程度高速で高電圧パルス電源 スイッチに用いられているバイポーラトランジスタが必要であることが解った。また、DC-RF電子銃な は 300mW 程度の非常に小さいものであり、1ns を下どの応用では短パルスで高電圧パルスが必要となる。 回る高速のスイッチングを実現することが出来るが我々は基礎研究として短パルスによる電子銃の開発 耐圧が 200V 程度と低く高電圧化することは難しい。
を進めている。このパルス源の候補として、サイリ また、1000A を超える大電流を流すことも難しい。
スタのAvalancheモードを使ったパルス電源を開発し 今回、試験に用いた MOS gated サイリスタは耐圧た。サイリスタは大電流でスイッチするデバイスである利点を生かして最近ではクライストロン用サイラトロンの代替としての大電流スイッチが開発されている[4]。この応用では通常のゲートトリガの回路を使用しマイクロ秒のスイッチング速度である。
サイリスタの Avalanche モードを使うとトリガ回路は最下段のみで高電位のゲート回路を必要としない、また、高速で大電流をスイッチ出来る可能性があ る 。 既 に ２ 端 子 の サ イ リ ス タ 構 造 の Beak overdiode(BOD)[5]を使ったパルス源が開発されている[6]。
BOD は使用電流がパルスでも 200A と小さいため我々の目的には使用できないがサイリスタをパルス
Figure 1: Schematic drawings of the inside ofthyristor.

1.

はじめに____________________________________________#takashi.naito@kek.jp

1500V、11kA(1us)の定格であるため高電圧化、大電流化が期待出来る。

2.

ブレークオーバー電圧近傍のサイリスタの動作

Figure1 にサイリスタの等価回路を示す。アノー
ド電流 IA, カソード電流 IK, ゲート電流 IG とし、二つのトランジスタのベース電流 IB1, IB2, コレクタ
電流 IC1, IC2, コレクタ遮断電流 ICBO1, ICBO2, ベース接地電流増幅率αとする。 pnp トランジタのベース電流 IB1 は、I B1 = (1− α1 )I A − I CBO1 = I C 2 ............... (１)npn トランジタのコレクタ電流 IC2 は、
I C 2 = α 2 I K + I CBO 2 ...................... (２)I B1 = I C 2 であるから(1− α1 )I A − I CBO1 = α 2 I K + I CBO 2 ............ (３)I K = I A + I G より、IA =α 2 I G + I CBO1 + I CBO 2................. (４)1− (α1 + α 2 )（４）式においてオン状態は分母が０に近づきIA が非常に増大する、オフ状態はα1＋α2<<1 であり分母があまり減少せず、分子と同程度の IAが流れる。
印加電圧を増やし VCBO 近くの電圧をサイリスタに印加するとαは α ∝ M 。ここで M は増倍率で下記の実験式が導かれている。
M=1...................... (５)
1− (V /VB ) n

ここで V は印加電圧、VB は電子なだれ降伏電圧、 n は降伏電圧に関係した定数である。これ
らの式からサイリスタはαの変化によって急激に電流が増加する。サイリスタの電圧電流特性を Figure2 に示す。オフ状態では電流はほとん
ど流れないが、ゲート電流を流すことによってαが変化し、オン状態へと移行する。αの変化は IG によって制御されるのが一般的であるが、IG=0 であっても電圧が一定値を超えると電子なだれが発生し、オン状態になる。この電圧はブレークオーバー電圧と呼ばれる。

Figure 2: Switching characteristics of thyristor for thedifferent gate current. Thyristor can switch even though
Ig=0, when exceed the break over voltage.
サイリスタをゲート電流で制御せずに、ブレークオーバー電圧を超える電圧を印加することでスイッチング動作をさせることが出来る。通常サイリスタをブレークオーバー電圧でスイッチさせると過大電力でサイリスタが壊れてしまうため、特殊な用途を除いてはブレークオーバー電圧を超える Avalancheスイッチ動作はしない。しかし、外部回路で電流を制御すれば高電圧、大電流のスイッチが出来る可能性がある。また、ブレークオーバー電圧を超える電圧を印加する時に dV/dt が大きくなるとサイリスタの浮遊容量を介して２つのトランジスタのエミッタを電流が流れαの変化が起こり、ターンオンが起きる。結果的にカソードに印加する電圧の dV/dt が大きいとゲート電流が流れたと同じ効果を生みスイッチする。

3.

サイリスタのアバランシェ特性

ブレークオーバー電圧でスイッチさせた時のスイッチング動作を確認するために Figure 3 の回路で試験を行った。サイリスタにある程度の電圧を印加した状態でカソードの電圧を大きく下げるとスイッチ動作をするがゲート電流でスイッチさせた場合と同じ様なスイッチ特性となる。すなわち動作速度は通常のサイリスタのスイッチング速度と同じような速度でスイッチングする。Figure 4 に最大定格電圧
1200V の CS35-12(IXYS 社)の特性を示す。CS35-12
は仕様では Gate Delay が 2μs 以下なので 1μs 近く遅れてスイッチしていることが解る。サイリスタは他にも何種類かを試験したがほとんど Gate Delay に従った時間遅れを示した。

思われる。

Figure 3: Test circuit for the break over voltage switchof the thyristor.
最近、クライストロンモジュレータ用のサイラトロンの代用に Gate MOS Thyristor MMIX1H60N150V1(IXYS 社) が有望と目され開発されている。

Figure 4: Switching characteristics of CS35-12(IXYS),
when the break over voltage is applied to the cathode.

Figure5:SwitchingcharacteristicsofIXHX40N150V1HV (IXYS), when the break overvoltage is applied to the cathode.

4.

多段接続パルス電源の性能

Figure 3 のサイリスタを多段に接続することによって印加電圧を上げ、大出力化を図った。
多段接続で問題になったのはサイリスタの breakover 電圧近くまで直流電圧を印加するため通常使われる分割抵抗ではリーク電流の違いによってアンバランスが生じ、過大電圧でサイリスタを壊してしまうことが度々発生した。分割抵抗と併用しツエナーダイオードを使用して過大電圧が印加されないようにすることでこの問題を解決した。(特許出願中:特願 2018-126427)
現在までに 17 段まで多段に接続し、50Ω負荷で22kV の出力を確認した。(Figure 6) 立ち下がり時間は多段にしても劣化することなく、

我々は同シリーズの TO-247 パッケージバージョン
IXHX40N150V1HV(IXYS 社 ) を 主 に 評 価 し た 。
IXHX40N150V1HV の定格を Table1 に示す。このサイリスタの特徴はパルスではあるが最大電流が大きいことの他に Rise time が 100ns と高速であること。
Avalanche モードではさらに高速になることが期待される。
Table 1: Specification of IXHX40N150V1HV (IXYS)
Max. Voltage
1500V
Max. Current (1us)11kA

Gate delay

50ns

Rise time

100ns

IXHX40N150V1HV のスイッチング特性を Figure 5に示す。Cathode 電圧が変化してから約 100ns でスイッチしている。スイッチング速度も CS35-12 と比較して高速でスイッチしている。Cathode 電圧の変化と共に Anode 電圧もある程度変化している。浮遊容量を介して Anode 電圧に変化が現れているものとFigure 6: Output waveform of the multi-stage avalanche
switch: Vout 22kV(50ohm load), Fall time 20ns, FWHM
100ns

5.

MARX 回路によるパルス電源耐圧の低いデバイスを用いて高電圧の出力を得る

方法として MARX 回路はよく用いられる。充電を並列に行い出力時に直列になるよう回路構成することで印加した高電圧より高い電圧の出力を得ることが出来る。直流印加電圧を低くすることは放電の危険性を回避出来るばかりはなく、コンデンサなどの使用デバイスの耐圧を下げることができ高電圧装置
では非常に大きなメリットである。Figure 7 はサイ
リスタ Avalanche モードの MARX 回路の構成を示す。

17 段でピーク電圧 22kV(50Ω負荷時), 立ち下がり時
間 20ns であった。また、MARX 回路構成にすることによってサイリスタに印加する直流電圧を低くすることが出来る。MARX 回路ではサイリスタ 12 段でピーク電圧 11.5kV(50Ω負荷時), 立ち下がり時間30ns あった。
サイリスタの仕様ではさらに大電流が可能と思われるので、今後サイリスタの段数を増やしさらに高電圧、高電流を試験する予定である。また、長期使用の安定性やサイリスタの劣化なども評価する予定である。バイポーラトランジスタのアバランシェパ
ルサーでは長期使用時のトランジスタの劣化の問題がある。また、負荷側からの反射などによる異常電圧発生時にサイリスタが壊れないかなど、実用まで多くの課題を克服する必要がある。

6.
Figure 7: Schematic drawings of the Marx circuit using
the AM thyristors.
Figure 8 にサイリスタ１２段の MARX 回路による出力波形を示す。ピーク電圧は 11.5kV(50Ω負荷)、ピーク電流 230A であった。CR 負荷であるため指数関数的に減衰するはずであるが DC カットのコンデンサの容量が十分でなかったため急激に戻った波形になっている。

Figure 8: Output waveform of the MARX circuit using
the multi-stage avalanche switch: Vout 11.5kV(50ohmload), Fall time 30ns, FWHM 50ns

5.

まとめ

サイリスタのカソードに Break over 電圧を超える
電 圧 を 印 加 す る こ と で ス イ ッ チ さ せ る Avalanche
モードを使ったパルス生成試験を行った。
MOS gated サイリスタはゲートスイッチでも高速の時間応答を持ち Avalanche モードではサイリスタ

謝辞

本研究は科研費 JP16K05034の助成を受けたものです。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ました。本研究を支援していただきました山口施設長、道園主幹に感謝致します。

参考文献[1]G.J. Caporaso, et. al., LLNL-JRNL-416544, SEP. 2009[2] R. Ganter et. al., “Electron beam characterization of acombined diode rf electron gun”, PRST-AB 13, 093502(2010)[3] K. Hasegawa et. al., “パルス高電圧を用いた電子銃の実験”, PASJ2005 pp361-363, Jul(2005)[4] M. Akemoto et. al., Proc. of this conference[5] http://ixapps.ixys.com/DataSheet/L024.pdf[6] Qing Liu et. al., “Development of A 4kV EMP
Generator Based on Break Over Diode ” 2014 IEEE PES
Asia-Pacific Power and Energy Engineering Conference(APPEEC) 7-10 Dec. 2014 , Hong Kong, China