Proceedings of the 15th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 7-10, 2018, Nagaoka, Japan

PASJ2018 FROM09

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 PULSER USINGAVALALANCHE THYRISTERS
内藤孝 , 明本光生
#Takashi Naito , Mitsuo Akemoto
KEK, High Energy Accelerator Research Organization#Abstract

A high voltage and high current pulse switch has been developed using the avalanche mode of thyristor for the highvoltage pulse source. Thyristor switches from off to on when the exceeded voltage of the beak over voltage of thethyristor 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 modeswitching, etc. The switching characteristics of 17 stages of the AM thyristors are that the peak pulse voltage 22kV, thepeak current 440A, the switching time 20s and the pulse width 100ns, respectively. The Marx circuit configuration ofthe AM thyristors is available to reduce the apply DC voltage. The switching characteristics of 12 stages of the AMthyristors with the Marx circuit are that the peak pulse voltage 11.5kV, the peak current 230A, the switching time 30s
and the pulse width 50ns, respectively.

1.

はじめにスイッチに用いられているバイポーラトランジスタ
は 300mW 程度の非常に小さいものであり、1ns を下回る高速のスイッチングを実現することが出来るが耐圧が 200V 程度と低く高電圧化することは難しい。
また、1000A を超える大電流を流すことも難しい。
今回、試験に用いた MOS gated サイリスタは耐圧1500V、11kA(1μs)の定格であるため高電圧化、大電流化が期待出来る。

高電圧短パルスをビーム加速やキッカー電源として使用するため[1-3]、開発を行っている。当初、
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くするためには DSRD をドライブするパルスも大振幅の必要があり、ある程度高速で高電圧パルス電源が必要であることが解った。また、DC-RF 電子銃などの応用では短パルスで高電圧パルスが必要となる。
我々は基礎研究として短パルスによる電子銃の開発を進めている。このパルス源の候補として、サイリ
スタの Avalanche モードを使ったパルス電源を開発した。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多段で使用しマイクロ秒のスイッチング速度を得ている。
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
Figure 1: Schematic drawings of the inside of thyristor.
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]。 2. ブレークオーバー電圧近傍のサイリス
BOD は使用電流がパルスでも 200A と小さいためタの動作
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 にサイリスタの等価回路を示す。アノー源として使用出来ることを示している。通常のサイド電流
IA, カソード電流 IK, ゲート電流 IG とし、二リスタは応答速度が遅いが、今回 MOS gated サイリ
つのトランジスタのベース電流
IB1, IB2, コレクタ電スタを使用することで 20ns 程度のスイッチング速流
I,I,コレクタ遮断電流
I, ICBO2, ベース接地
C1C2CBO1度が得られることが解った。
電流増幅率αとする。pnp
トランジタのベース電流
他方でバイポーラトランジスタを使ったアバラン
シェスイッチ回路は熱電子銃のグリッドパルサーや IB1 は、(1)
I B1 = (1− α1 )I A − I CBO1 = I C 2
レーザーなど既に実用化されている。アバランシェ_________________________________________
npn トランジタのコレクタ電流 IC2 は、#takashi.naito@kek.jp- 249 -

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I C 2 = α 2 I K + I CBO 2(2)チする。

(1− α1 )I A − I CBO1 = α 2 I K + I CBO 2(3)3.

α 2 I G + I CBO1 + I CBO 2
1− (α1 + α 2 )(4)

IB1 = IC2 であるから
IK = IA + IG より、IA =式(4)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=

11− (V /VB ) n(5)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 Fig. 2 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。

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 Fig. 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。

Figure 3: Test circuit for the break over voltage switchof the thyristor.

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Figure 4: Switching characteristics of CS35-12(IXYS),
when the break over voltage is applied to the cathode.
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。
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 Table 1 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。

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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

Gate delay50ns

Max. Current (1μs)
Rise time11kA100ns

IXHX40N150V1HV のスイッチング特性を Fig. 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思われる。

Figure 6: Output waveform of the multi-stage avalanche
switch: Vout 22kV(50ohm load), Fall time 20ns, FWHM
100ns.

5.

Figure 5: Switching characteristics of IXHX40N150V1HV (IXYS), when the break over voltage isapplied to the cathode.

4.

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。

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 Figure 7: Schematic drawings of the Marx circuit using
うことが度々発生した。分割抵抗と併用しツエナー the AM thyristors.
ダイオードを使用して過大電圧が印加されないよう
Figure 8 にサイリスタ１２段の MARX 回路によるにすることでこの問題を解決した。(特許出願中:特出力波形を示す。ピーク電圧は 11.5kV(50Ω 負荷)、
願 2018-126427)
現在までに 17 段まで多段に接続し、50Ω 負荷で ピーク電流 230A であった。CR 負荷であるため指数22kV の出力を確認した (Fig. 6) 。立ち下がり時間 関数的に減衰するはずであるが DC カットのコンデは多段にしても劣化することなく立ち下がっている。 ンサの容量が十分でなかったため急激に戻った波形
これはアバランシェ回路の特徴であり、多段接続し になっている。てもスイッチング速度の劣化がほとんどない。

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PASJ2018 FROM09[6] Qing Liu et. al., “Development of A 4kV EMP Generator
Based on Break Over Diode ”, 2014 IEEE PES Asia-PacificPower and Energy Engineering Conference (APPEEC) 7-10Dec. 2014 , Hong Kong, China.

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

6.

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
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。

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- 252 -