Proceedings of the 20th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 29 - September 1, 2023, Funabashi

PASJ2023 THP35

1.7 kV SiC MOSFET を用いた半導体 MARX 型マグネトロンモジュレータ
A SOLID-STATE MARX-TYPE MAGNETRON MODULATOR WITH 1.7kV SiC MOSFET
生駒直弥 ∗,A) , 徳地明 A)
Naoya Ikoma ∗,A) , Akira Tokuchi A)
A)
Pulsed Power Japan Laboratory

Abstract
A solid-state MARX-type magnetron modulator with 1.7 kV SiC MOSFETs was developed for medical and industrial electronlinear accelerators. The modulator was designed to achieve the output voltage of -40 kV by stacking the 10 MARX board with arated voltage of -4 kV. A performance test of the fabricated modulator using a dummy resistor was carried out and it is confirmedthat the output waveform meets performance objectives.
ゲットとして、半導体 MARX 回路で負荷を直接駆動する方式のマグネトロンモジュレータを開発した（Fig. 1。モジュレータの仕様を Table 1 に示す。
電子線形加速器は、学術分野のみならず、がん治療、 右）
電子線滅菌、非破壊検査など、医療 · 産業分野で様々な利用が進んでいる。電子線形加速器は、主に電子銃、加Table 1: Specifications of the Modulator
速管、クライストロンあるいはマグネトロン、そして、Voltage-40 kV
それらの大電力高周波源を駆動するためのモジュレー
Current
80 A
タ電源から構成される。中でもモジュレータは、加速Pulse
Width
4 µs器システムを安定に駆動するための心臓部ともいえる
Repetition
rate
250Hz電源である。
古典的なモジュレータは、PFN（Pulse Forming Network）、サイラトロン、およびパルストランスで構成されていたが [1]、半導体デバイスの登場により、前者 2
つを IGBT によるコンデンサからの電圧切り出しで置 2 . 半導体 MARX 回路き換えた方式も開発されてきた（Fig. 1 左）
。しかし、そ1924 年に Erwin Marx によって発明された MARX 回の様な方式は、損失の大きな IGBT の冷却や、油浸パル路は、複数のコンデンサを並列に充電し、スイッチにストランスのため、小型化 · 軽量化に限界があり、またよりそれらを直列に繋ぎ替えるという発想に基づく柔軟な波形成形も難しいというデメリットがあった。
一方で、近年、パワー半導体デバイスの開発が進み、 回路で、充電電圧 × コンデンサの個数倍の高電圧パ高耐圧 · 低損失という優れた特徴を有するシリコン ルスが得られる。ここで、スイッチングデバイスとしカーバイド（SiC）を用いた MOSFET の普及が進んで て、ギャップスイッチのような放電スイッチではなく、MOSFET などの半導体スイッチを採用することで、高おり、現在では 1.7 kV 品が市販されている。
このような状況の中、小型化 · 軽量化が求められる 繰返し動作が可能で、長寿命、メンテナンスフリーで医療 · 産業分野向けの小型電子線形加速器を主なター あるだけでなく、スイッチごとにゲートタイミングを積極的に変えることで波形成形も可能という優れた機能を付与できる。このような理由から、我々は半導体MARX 回路を採用した。

1.

はじめに

3.

Figure 1: Schematics of an IGBT and pulse transformer-based
modulator and a solid-state MARX-type modulator.

∗ ikoma@myppj.com

基板設計

MARX 基板 1 枚当たりの定格電圧は-4 kV とした。これを実現するため、充 · 放電スイッチとして、定格電圧 1.7 kV の SiC MOSFET を 3 直列で使用した。したがって、この基板を 10 枚積み重ねることで、-40 kV の出力電圧が得られる設計である。SiC MOSFET の仕様
を Table 2 に示す。3 直列の MOSFET の DC 的および過渡的な分圧のアンバランスを防ぐために、MOSFETと並列に分圧抵抗とスナバを設けている。また、負荷短絡や、誤動作による充 · 放電スイッチの同時オンによる短絡電流を抑制し、MOSFET を保護するために、充 · 放電スイッチにそれぞれ直列に抵抗を挿入している。MARX 基板の回路図と写真をそれぞれ Fig. 2、3 に示す。

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構造設計

各 MARX 基板は、Fig. 4 (b) のように積み上げられる。各 MARX 基板には、地上から樹脂モールドの絶縁トランスを介して電力が供給される。また、トリガ信号も地上から各 MARX 基板に光ファイバによって送信される。モジュレータの出力電流および電圧は、筐体上部に設けられた分圧器および CT によってモニタされており、過電圧や過電流の異常が検出されると、高速でトリガを遮断し、安全に停止する。上記の部品は、450×450×1000 mm の水冷式の筐体内に収納される。重量は約 100 kg である。

5.

試験結果

本モジュレータを 500 Ω の模擬負荷抵抗に接続し、出力試験実施した。Figure 5 の通り、約-40 kV、80 A、4 µs の出力波形を確認した。繰返し 250 Hz での運転が可能であることも確認している。本電源のもう 1 つの特徴として、MARX の途中段、例えば 3 段目（出力電圧-12 kV）から電子銃用の出力を取り出せることも実証済みである [2]。これにより、本電源 1 台で電子銃とマ
グネトロンを駆動でき、加速器システムを簡略化することができる。

Table 2: Specifications of the SiC MOSFETVDSRON
IDID,pulseTrTf

1.7 kV35 mΩ
68 A200 A
7 ns
17 ns

Figure 4: Picture of the modulator. (a) Exterior. (b) Frontview. (c) Back view.

Figure 2: Schematic of a MARX board.

Figure 5: The output waveform of the modulator.
Figure 3: Picture of a MARX board.

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結論

1.7 kV SiC MOSFET を採用した半導体 MARX 回路
方 式 の マ グ ネ ト ロ ン モ ジ ュ レ ー タ を 開 発 し た。 定格-4 kV の MARX 基板を 10 枚積み重ねることにより、-40 kV を出力する設計とした。本電源のサイズは 450×450×1000mm で あ り、 重 量 は 約 100 kg で ある。500 Ω の模擬負荷抵抗対して出力試験を実施し、約-40 kV、80 A、4 µs、250 Hz の性能が達成されていることを確認した。また、本電源は、MARX の途中段、例えば 3 段目（出力電圧-12 kV）から電子銃用の出力を取り出すことも可能であり、電子銃とマグネトロンの両方を 1 台の電源で駆動することにより、加速器システムの簡略化が実現できる。以上より、小型化 · 軽量化が求められる医療 · 産業分野向けの小型電子線形加速器に適したモジュレータを開発できたものと考える。今後は、さらなる小型化を目指した開発を進める。

参考文献[1] C.J. Karzmark, C.S. Nunan and E. Tanabe, ”Medical ElectronAccelerators”, McGraw-Hill, Inc., 1993.
[2] N. Ikoma, A. Tokuchi,“A combined all-solid-state MARX
power supply for a magnetron and an electron gun”, IEEE
Pulsed Power Conference 2023 (PPC2023), Texas, USA, Jun.
2023.

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