静電気学会誌，36, 6 (2011) 261-266

小型高繰り返しパルスパワー発生装置の開発
廣野 佳那子*，伊藤 優太*，佐久川 貴志*,1，秋山 秀典*，上野 崇寿**(2011 年 7 月 5 日受付;2011 年 10 月 7 日受理)

Development of Compact and High-Repetition Rate
Pulsed Power Modulator
Kanako KOUNO,* Yuta ITOH,* Takashi SAKUGAWA,*,1 Hidenori AKIYAMA*
and Takahisa UENO**(Received June 5, 2011; Accepted October 7, 2011)

Recently, pulsed power generators for industrial applications have been developed. Here, a compact and reliable
pulsed power generator operated with the high repetition rate is developed using a magnetic pulse compression circuit(MPC). In order to minimize the generator volume, compact magnetic cores and discrete ceramic capacitors aremounted on a substrate. The voltage risetime of 40 ns, output voltage of 11.5 kV and repetition rate of 2 kpps are obtained with the generator volume of 260 × 200 × 70 mm3.

1.

従来，パルスパワー電源のスイッチにはギャップスイッチ

はじめに時間的・空間的に圧縮された電磁エネルギーであるパルスやサイラトロンなどの気体放電を利用したものが多く用いらパワーを用いて，従来には無い新しい応用分野や総量としてれてきた．しかし安定的に高繰り返し動作が可能なパルスパは少ないエネルギー量で巨大電力でしか成し得なかったようワー電源が必須となる産業分野にこれらの気体放電スイッチな応用分野が多数提案されている．従来のパルスパワーによを適用するには，スイッチ寿命や安定動作において問題があるプラズマ生成では，高エネルギー密度プラズマからの X 線った．1980 年代後半からパルス放電励起気体レーザの電源回や高エネルギー粒子ビームなど，その動作領域は 100 kV を超路にパワーデバイスと呼ばれる半導体スイッチを適用する研える高電圧でかつ MA 級の大電流が使われてきた．しかし，究開発が盛んに行われた 9-11)．ほぼ同時期に磁気スイッチと近年の産業応用を目指したパルスパワー応用研究では，比較してパルスパワー用途に開発された磁気特性に優れた磁性材的低電圧（30 kV 以下）で低電流（1 kA 以下）を用いて，パ料が開発されてきた 12,13)．その結果，現在の半導体リソグラ

ルスストリーマ放電，パルスアーク放電，パルス電磁界等がフィー用エキシマレーザの駆動には大容量半導体スイッチと生成されている

1-4)．具体的には，パルスパワーのバイオへの作用の解明，オゾン生成，排ガス処理，衝撃波生成，水処理等の研究が行われている 5-8)．

磁気パルス圧縮回路（MPC）から成る高繰り返しパルスパワ
ー発生装置が搭載されている 14,15)．
この磁気スイッチを用いたパルス圧縮回路については，多このような産業応用を実現するためには，パルスパワー電くの報告があり 16,17)，古くは大型の鉄系磁心材で絶縁油に浸源の小型化，高繰り返し化，及び長寿命化が不可欠である．

したシルククロスや高分子フィルムを用いた層間絶縁等が使

特にフィールド上での直接処理や車載用オゾナイザ，バイオわれ，現在ではエキシマレーザで使われている磁気特性の優医療等への応用を考慮すると，十分に運搬可能なサイズのパれた磁性材料が使われている．さらに，磁性材料の特性向上

ルスパワー電源開発が求められている．と SiO2 絶縁コーティング等の後処理行程の発達から，パルスパワー機器に利用できる磁心材 18,19)が開発されている．しかキーワード：パルスパワー，IGBT，磁気パルス圧縮回路* 熊本大学（860-8555 熊本県熊本市黒髪 2-39-1）
Kumamoto University, 2-39-1 Kurokami, Kumamoto
860-8555, Japan** 大分工業高等専門学校（870-0152 大分県大分市大字牧1666 番地）
Oita National College of Technology, Maki 1666, Oita
870-0152, Japan1sakugawa@cs.kumamoto-u.ac.jp

し，これら特性の優れた磁心材を用いたパルスパワー回路の報告例がほとんど無く，我々が目指している基板実装可能な小型磁気パルス圧縮回路用磁心材の適用や特性評価に関する報告は皆無である．コンデンサについても同様に基板実装における適用評価の報告は見当たらない．
本研究においては，パルスパワーの産業応用を実現するために，持ち運び可能な超小型の磁気パルス圧縮方式パルスパ262(38)

静電気学会誌

第 35 巻

ワー電源を開発した．高信頼性，高繰り返し動作，及び長寿

第 6 号 (2011)
3.

半導体スイッチング回路命という特徴は堅持している．このパルスパワー電源は，コ3.1

スイッチング回路設計

マンド式充電部，半導体スイッチング回路部，磁気パルス圧

パルスパワー電源に用いられていたサイラトロン等の放電縮回路部，コントローラ部，及び放電負荷の 5 つで構成されスイッチは，寿命と安定性で問題がある． 半導体パワーデバている．半導体スイッチング回路部に用いた自己消弧能力をイスの高性能化・高電圧化により，パルスパワー電源にも用有するディスクリート型絶縁ゲートバイポーラトランジスタいられるようになってきた．また，放電スイッチの基板実装（IGBT : Insulated Gate Bipolar Transistor）を基板上に実装するは不可能だが，ディスクリート型パワーデバイスは基板実装ことで小型化を図った．

が可能であり，電源小型化の面でも重要な利点となる．

MPC 回路のコンデンサとして基板実装可能なディスクリサイリスタは出力容量を多くとることができるが，一度ート型のコンデンサを採用し，可飽和インダクタには従来のON 状態になると電流が 0 になるまで ON 状態を維持するた

パルスパワー電源用コアに比べ小型な MP3210VF3T ，め高繰り返し運転は難しい．そこで，PPM の初段スイッチン

MP3210V4AS を用いたことで MPC 回路の小型化を達成した．

グ回路にディスクリート型 IGBT を用いた．IGBT は駆動電力が少なく，高速スイッチング，高耐電圧，及び大電流動作が2.

可能であり，高繰り返し化に適した素子である．またモジュパルスパワー電源システム

パルスパワー電源は，充電電圧や繰り返し周波数を決める

ール型と比較すると，ディスクリート型素子は低コストで基コントローラ（Controller）部，コマンド型の充電器（Charger）盤実装によるコンパクト化が可能である．図 2 にモジュール部，放電負荷部（Load），及び IGBT スイッチング回路部と磁型の素子と本実験で使用したディスクリート型素子の写真を

気パルス圧縮回路（MPC）部から成るパルスモジュレータ示す．

（PPM）から構成される．Charger から PPM へ最大入力電圧

3.2スイッチング損失特性

700 Vで供給されたエネルギーはPPMにおいて出力電圧約12本実験では 3 種類のディスクリート型 IGBT （GT60N322：kV に昇圧・パルス圧縮され，Load へ出力される．このとき，東芝製，IXGK100N170：IXYS 製，IXGX32N170H1：IXYS

パルス発生のタイミングは Controller からのトリガ信号によ製）を選定し，スイッチング回路の設計・製作を行った．各って行われる． システム全体の構成図を図 1，装置の仕様を

IGBT スイッチの仕様を表 2 に示す．入力電圧は 700 V 一定

表 1 に示す．とした．回路の一次側から二次側への圧縮における電流の最AC100V

Controller

LoadTrigger

Voltage command
Repetition rate

PPM
IGBTs

Charger（1．5kV、 500W）

switchingcircuit

AC100V

MPC

～700V

12kV

図2

モジュール型（左）とディスクリート型（右）IGBT

Fig. 2 Module type IGBT and discrete type IGBT.
図1

システム構成図Fig.1 Block diagram of compact pulsed power system.

表 1 パルスパワー電源の仕様
Table 1 Specifications of PPM.
Parameter

Value

Input voltage～700 V

Repetition rate

～2000 pps (pulses per second)

Charging Energy～0.1 J/s

Voltage rise time

< 30 ns

Output voltage～12 kV

表 2 各 IGBT の仕様
Table 2 Specifications of IGBTs
GT60N322
IXGK100
IXGX32
N170
N170H11000 V
1700 V
1700 V
耐圧
120 A
600A
200 A
定格電流 (1 ms)
2.5 V
2.5 V
2.5 V
飽和電圧
(Ic=60 A)(Ic = 100 A)(Ic = 32 A)(VGE=15 V)
330 ns
192 ns38 ns
上昇時間
110 ns395 ns
250 ns
下降時間
内臓ダイオードありなし
あり
素子構成
7 並列
2 並列
4 並列
51 
20 
10 
ゲート抵抗Rg

263(39)

小型高繰り返しパルスパワー電源の開発（廣野佳那子ら）
大値が 650 A 程度となり，それぞれの素子数は表 2 の耐圧及び定格電流に基づき決定した．飽和電圧とは素子が ON 状態のときにコレクタ-エミッタ間にかかる電圧であり，飽和電圧

IcVcが小さいほど素子の ON 抵抗が小さくスイッチング損失は小Losseさくなる．上昇時間（下降時間）とは素子が OFF（ON）状態から ON（OFF）状態へ移行するまでに要する時間であり短いほど高速スイッチングが可能となり,電流パルス幅も短くなる.
スイッチング回路に可飽和インダクタによる磁気アシストを追加接続し，電圧と電流の位相をずらして IGBT のスイッチング損失の低減を図った．図 3-5 に，3 種類のディスクリート型 IGBT を用いた時のスイッチング電流・電圧波形及び算出したスイッチング損失を示す．Vce はコレクターエミッタ間電圧，Ic はコレクタ電流である．Loss は積算電力損失である．測定にはカレントモニタ（Pearson 社製 Model3972)及び高電圧プローブ（PMK 社製 PHV 641）を用いた．また，IGBT図 5 IXGK32N170H1 使用時の電圧・電流・損失波形
Fig.5 The waveforms of voltage, current and switching loss
using IXGK32N170H1.
表3IGBT スイッチング特性

Table 3 Switching characteristics of IGBTs.
素子

内臓ダイオードは素子のターンオフ時に発生する逆起電力をスイッチ

最大アシストング損失

電流時間抑える為のものであり，内蔵されていない IXGK100N170 にGT60N322

8 mJ

600 A

約 450 nsは別途ダイオードを取り付けた．

IXGK100N170

20 mJ

440 A

約 800 ns

IXGK32N170H115 mJ

470 A

約 800 nsIc

表 3 に図 3-5 を用いて得られた各素子のスイッチング特性を示す．アシスト時間はアシスト用可飽和インダクタ SI0 のVc

巻き数で調整した．GT60N322（巻き数 2）において，１パルLossス当たりのスイッチング損失は 8 mJ であった．
IXGK100N170（巻き数 5）， IXGX32N170H1（巻き数 5）においてはそれぞれ 20 mJ，15mJ であった．また，GT60N322 に比べ，電流が流れ始める時に IXGK100N170 では 100V，IXGX32N170H1
では 60V 程度のサージ電圧が発生する．IGBT はゲート抵抗

図 3 GT60N322 使用時の電圧・電流・損失波形
Fig.3 The waveforms of voltage, current and switching loss
using GT60N322.

を大きくするとサージ電圧が減少する性質があるが，可飽和インダクタのターン数を増やしアシスト時間の延長やゲート抵抗の調整を行っても，この特性に変化は見られず，素子特有の性質であると判断した．
素子が ON 状態のときにコレクタ-エミッタ間にかかる飽VceLoss

Ic

和電圧が小さいほど素子の ON 抵抗が小さくスイッチング損失は小さくなる．表 2 の飽和電圧はコレクタ電流によって異なるので飽和電圧をコレクタ電流で除したものを便宜的にON 抵抗とすると，3 種類の中で最も ON 抵抗が小さいのは
IXGK100N170 である．しかし素子の並列数が少ないので素子にかかる電流が大きくなり，飽和電圧はコレクタ電流に依存することからスイッチング損失は大きくなった．つまり並列素子数を増やし，素子にかかる電流を分散させることが損

IXGK100N170 使用時の電圧・電流・損失波形失を抑えることにつながる．小型化という観点も考慮して，Fig.4 The waveforms of voltage, current and switching loss

適切な並列数でスイッチングする必要がある．GT60N322 は

図4using IXGK100N170.

他の素子と比べサージ電圧が小さく，SI0 の巻き数を減らし，

264(40)

静電気学会誌

第 35 巻

第 6 号 (2011)

アシスト時間を短くすることができる．そのため巻き線のイSI0ンダクタンス成分は小さく，パルスピーク電流は増加する．

IGBTs

CpPTC0スイッチング損失は IXYS 製 IGBT の半分程度となることか

C1，C2

ら 3 種類の中で最もスイッチング特性の優れた GT60N322 をSI2
SI1本装置のスイッチング回路に選定した．
4.

磁気パルス圧縮回路（MPC）

260

本研究で作製した2段磁気パルス圧縮回路の概略を図6に示す．また，スイッチング回路のコンデンサC1，C2，Cpにはデ図 8 PPM 内部写真ィスクリート型高圧積層コンデンサ（ムラタ製作所製 DHS4Fig. 8 The picture of PPM.

E4G202KT2B）を用いた．C0にはポリプロピレンコンデンサ（Arcotronics社製 C4CAWUD3560AA3J）を用いた．図7にモ状態となり，C1からC2にエネルギー転送が始まる．同様に，ールド型コンデンサ（左の写真）と今回使用したディスクリ

C2の充電電圧が最大となったとき，SI2が飽和状態となり，C2ート型高圧積層コンデンサ（右の写真）を示す．従来MPCにからCpへのエネルギー転送が始まる．その後，負荷にパルス用いられるモールド形コンデンサに比べ小さく，基板実装可パワーが印加される．PPMの内部写真を図 8 に示す．SI0，能なことが利点として挙げられる．

PT，SI1 にはナノ結晶Fe基軟磁性材料（MP3210VF3T)を使用

回路動作はまず，充電器を用いてC0を所定の電圧で充電ししている．また，最終段に使用する可飽和インダクタSI2にはた後，基板上に実装された7並列のIGBTスイッチをONして初3種類の磁心材を使用し，それぞれの圧縮特性を調べた．負荷期パルスを発生する．コンデンサ容量はC0=560nF，C1=1 nF，には300Ωの無誘導抵抗負荷を用いた．

C2=1 nF，Cp=1 nFとし，パルストランス（PT）の一次側，二次側の巻数比は1:24とした．SI0（巻き数3）は磁気アシスト用5.の可飽和インダクタである．PT により昇圧された電圧はC1

図 9 に，MPC の各コンデンサ C0，C1，C2 にかかる電圧波に転送される．C1が充電されている時間はパルス圧縮用の可形を示す．各コンデンサの測定には高電圧プローブ（Tektronix

飽和インダクタ（SI1：巻き数16）のコアが未飽和で高インダ社製 P6515A）を用いた．C0 が 700 V に充電された後 IGBTクタンスの状態である．そのためC2への漏れ電流はほとんどが ON になると，PT により昇圧された高電圧で，C1 が 16 kV無く，C1を効率よく充電することができる．C1の充電電圧がまで充電される．
その後C1 からC2 にエネルギーが転送され，最大値になったとき，SI1が未飽和（OFF）から飽和（ON）

C2 は 12 kV まで充電される．C0 から C1 へのエネルギー転送

実験結果

時間は約 1 μs，C1 から C2 へは約 90 ns であり，ほぼ設計値と同様となった．ここでエネルギー転送時間は各コンデンサ～700Vの電圧が 10%から 90%まで上昇する時間として定義する．
次に，可飽和インダクタ（SI2）として 3 種類｛（MP3210VF3T（巻き数 2），MP3210V4AS（巻き数 5），Aco-5sh（巻き数 5）｝

VC0
図6PPM 回路図

Fig.6 Schematic circuit of PPM.

図7

充放電用コンデンサ比較写真

Fig.7 The picture of capacitor comparison.

VC1
VC2

図 9 コンデンサ C0, C1, C2 の電圧波形
Fig. 9 Voltage waveforms of C0, C1, and C2.

265(41)

小型高繰り返しパルスパワー電源の開発（廣野佳那子ら）
表 4 各コアの物理特性 13,18,19)
Table 4 Physical properties of cores.
鉄系超微結晶質(MP3210
VF3T)

コバルト系
コバルト系
アモルファスアモルファス( MP3210(Aco-5sh)
V4AS )

磁心有効断面積(Am)

40.7 (mm2)38.8 (mm2)

コア 1 個当たりの Vt 積

80×10-6 (Vs) 35×10-6 (Vs) 220×10-6 (Vs)
1.23 (T)

0.57(T)

0.6 (T)

未飽和時の比透磁率(r)[100kHz]

5000

80000

10000

80 (W/kg)

45(W/kg)

58 (W/kg)

35 (mm)35(mm)

65 (mm)

外形

ACO-5shMP3210VF3T

201.3 (mm2)飽和磁束密度(Bs)

損失[100kHz]

MP3210V4AS

図 11 コンデンサ Cp 出力特性
Fig.11 Voltage waveforms of Cp.

VC0

VC0500μs

拡大表示

VC1
VC0VLOAD

MP3210VF3T MP3210V4AS Aco-5sh1μs

図 10 コアの写真
Fig. 10

図 12 各部の高繰り返し電圧波形

The picture of cores.

Fig. 12 Voltage waveforms of C0, C1 and LOAD at high-repetition rate.のコア材を使用し，Cp の両端電圧（VCP）を比較した．この間も Aco-5sh に比べ短いことから，MP3210V4AS が SI2 とし

うち MP3210VF3T，MP3210V4AS は主にマグアンプ等に使用て最も適している．つまり，数十ナノ秒までのパルス圧縮にされており，従来のパルスパワー用電源に用いられているコ

最も適した磁心材は動作磁束密度よりも未飽和時の透磁率のアに比べ，より小型で低損失のコアである．Aco-5sh は従来高さ，つまりスイッチとしての性能が高いコアを選定するこのパルスパワー用電源に用いられているコアである．とが重要であるといえる．MP3210V4AS の出力電圧上昇時間

表 4 に各コア材の物理特性

13,18,19)，図 10 に各コアの写真，は約 40 ns である．

図 11 に 3 種類のコアを用いた場合の電圧（VCP）波形を示す．

開発した小型 PPM の高繰り返し動作試験を 2000 pps の動SI0，SI1 として使用した MP3210VF3T を同様に SI2 に用い作周波数で行った．その結果を図 12 に示す．波形は各コンデると，他のコバルト系のコア（MP3210V4AS，Aco-5sh）に比ンサ電圧（VC0，VC1）と負荷電圧 VLOAD を示す．上図の VC0

べ電圧の上昇時間が長く，出力電圧も小さいことからパルス波形の充電間隔が 500 μs であり，2,000 pps の高繰り返しで動圧縮がされてないことが分かる．これは未飽和時（OFF）の作しているのがわかる．下図は上図破線部で囲った部分の拡透磁率が小さいため，未飽和時にリーク電流が負荷に流れて大波形である．

いることが挙げられる．未飽和時の透磁率が大きいコバルト

C0 から 300 Ω の負荷抵抗への最大エネルギー転送効率は，系のコアではパルスの圧縮が行われており，MP3210V4AS でMP3210V4AS を用いた時が最も高く，48 %に達した．損失は，は出力が最も大きく約 11.5 kV であり，電圧の立ち上がり時SI0，SI1，SI2，PT 及び IGBT によっており，C0 から C1 へのエ266(42)

静電気学会誌

第 35 巻

ネルギー転送での損失が 30%と最も大きい．

第 6 号 (2011)5) 秋山秀典, 勝木淳, 浪平隆男, 石橋和生, 清崎典昭:

パルスパワー生成水中放電ストリーマ状放電プラズマ6.

による湖沼浄化. J. Plasma Fusion Res., 79 (2003) 26

まとめ

高繰り返し運転が可能で長寿命な小型パルスパワー電源の開発を行った．
装置の特徴および試験結果を以下にまとめる．
∙

磁気パルス圧縮回路の最終段に使用する可飽和インダクタに，未飽和時の透磁率の高いコバルト基アモル

ment by underwater pulsed streamer-like discharges. IEEEPulsed Power and Plasma Science Conference, p.324(2007)7) 浪平隆男, 勝木 淳, 秋山秀典, 岡元和文: パルスアー

がり 40 ns 以下を得た．数十 ns オーダーでのパルス

ク放電プラズマによる NO 生成と医療への応用. J.

和時の透磁率の高さ，つまり磁気スイッチとしての性能が高いコアを選定することが重要であるといえる．
MPC 回路に基板実装可能なディスクリート型のコンデンサを採用し，磁気スイッチには従来コアに比べ小型な MP3210VF3T，MP3210V4AS を用いたことでMPC 回路の小型化を達成した．PPM の筐体寸法は幅∙

Sakugawa, S. Katsuki and H. Takano: Water-bloom treat-

ファスコアを用いて出力電圧は 11.5 kV，電圧立ち上圧縮に最も適した磁心材は動作磁束密度よりも未飽∙6) H. Akiyama, Z. Li, T. Ohno, X. Lin, H. Sato, T. Namihira, T.

Plasma Fusion Res., 79 (2003) 358) 田中文章, 上田悟, 廣野佳那子, 佐久川貴志, 秋山秀典, 木下洋平: パルスパワー方式高発生量コンパクト
オゾナイザの開発. 電気学会論文誌 A, 130 (2010) 5799) T. Hatakeyama, E. Murata, E. Fujiwara and H. Deguchi: Allsolid state power driver applied SI-thyristors for copper
vapor laser. Proc. of IPEC Tokyo, p.312 (1990)
10) H. Hatanaka, H. Tanaka, M. Obara, K. Midorikawa and H.

260 mm×奥行き 200 mm×高さ 70 mm で，重量 3 kg

Tashiro: A 1-kpps transversely exited atmospheric CO2 La-となった．

ser excited by an all-solid-state exciter with a magnetic

自己消弧能力を持つ 3 種類の IGBT のスイッチングを評価し，その中で特性の良い，低損失の IGBT を小型PPM に採用した．開発した小型 PPM の繰り返し動作試験を行い，2,000 pps の高繰り返し動作を確認した．

pulse compressor. J. Appl. Phys., 68 (1990) 1456
11) 岩田明彦, 鈴木弘一, 殖栗成夫: パルスレーザ用ダイレクトドライブパルサの開発. 電気学会論文誌 D，113,(1993) 2312) 中島 晋，平尾則好，香川理人，渡部俊太郎: ファインメットを用いたパルスパワー用磁気スイッチ磁心の今後更なる損失低減及び短パルス化のための改善を行い，動特性. 日立金属技報, 8 (1992) 31

オゾン生成への最適化実験を行う必要がある．また，より小13) アライドシグナル社：METGLAS 技術資料型で安価な高繰り返しパルスパワー電源の開発は，小型脱臭14) W. Partlo, R. Sandstrom, I. Fomenkov and P. Das: A low

装置等実生活に必要な様々な応用につながると期待される．

cost of ownership KrF excimer laser using a novel pulsed
power and chamber configuration. Proc. SPIE, 2440 (1995)
90

参考文献

15) H. Mizoguchi, O. Wakabayashi, T. Aruga, T. Sakugawa and1) 佐久川貴志，山口貴弘，山本邦博，崔再九，喜屋武毅，

T. Koganezawa: High power KrF excimer laser with a solid

浪平隆男，勝木淳，秋山秀典: パルスパワーを用いた

state switch for microlithography. Proc. SPIE, 2726 (1997)

ストリーマ状水中放電プラズマの生成. 電気学会論文

831

誌 A，126 (2006) 703

16) W.S. Melville: The use of saturable reactors as discharge2) H. Akiyama, S. Sakai, T. Sakugaw, and T. Namihira: environmental applications of repetitive pulsed power. IEEETransactions on Dielectrics and Electrical Insulation, 14(2007) 825(1951) 185
17) W.C. Nunnally: MAGNETIC SWITCHES AND CIRCUITS. Los Alamos National Laboratories Report,

3) W. Jiang, K. Yatsui, N. Shimizu, K. Iida and A. Tokuchi:
Compact pulsed power generators for industrial applications. Proc. IEEE Pulsed Power Conference, p.261 (2003)
4) M. Gundersen, J. Dickens and W. Nunnally: compact,portable pulsed power: physics and applications. Proc.
IEEE Pulsed Power Conference,

devices for pulse generators. Proc. IEE Radio Section, 98

p.9 (2003)

LA-8862-MS (1981)18) Metglas Inc.: Amorphous & Nanocrystalline Tape WoundCores, Catalogue19) Hitachi Metals Ltd.: Nanocrystalline soft magnetic material
FINEMET. Brochure, No. HL-FM10-D (2005)