ILC クライストロン電源用チョッパ型マルクスユニットの大電力試験
HIGH-POWER TEST OF A CHOPPER-TYPE MARX UNIT FOR ILC KLYSTRONMODULATOR中島啓光#, A), 明本光生 A), 江偉華 B), 小笹有輝 B), 須貝太一 B), 鈴木隆太郎 B), 林拓実 B), 徳地明 B, C),
天神薫 C), 澤村陽 C)
Hiromitsu Nakajima #, A), Mitsuo AkemotoA), Weihua JiangB), Yuki KozasaB), Taichi SugaiB), Ryutarou SuzukiB),
Takumi HayashiB), Akira TokuchiB, C), Kaoru TenjinC), Yo SawamuraC)
A)
High Energy Accelerator Research OrganizationB)
Nagaoka University of TechnologyC)
Pulsed Power Japan Laboratory Ltd.

Abstract
The Chopper-type Marx modulator is being developed to drive a 10MW multi-beam klystron for the ILC. It consistsof 20 units to provide a -120kV 140A 1.65ms 5pps pulse. Each unit has a control board and 4 Chopper-type Marx cells,
which is charged up to -2kV and outputs -6.4kV 140A 1.65ms pulse. This paper describes the results of the high power
test of a prototype Chopper-type Marx unit.

1.

はじめに国際リニアコライダー（ILC）では、RF 源として10MW のマルチビームクライストロンが約 380 台使用される予定となっている。高エネルギー加速器研究機構（KEK）では、これまで 10MW マルチビー
ムクライストロン用の電源として、パルストランスを使用したバウンサー回路付きの電源の開発を行ってきており、2 台の電源が KEK の超伝導 RF 試験施設（Superconducting RF Test Facility : STF）にて運転に使用されている[1]。しかし、電源に要求されるパルス幅が 1.65ms と長く、パルストランスとそのオイルタンクが大きくなってしまうことなどから、
ILC の Technical Design Report（TDR）では、10MWマルチビームクライストロン用のパルス電源として、SLAC National Accelerator Laboratory（SLAC）で開発された P2 Marx を指標としたパルストランスを使用しないマルクス型の電源がベースラインデザインに採用された[2, 3, 4]。
現在、KEK では、10MW マルチビームクライス
トロン用の電源として、長岡技術科学大学との共同研究でチョッパ型マルクス電源の開発を行っており、これまでに試作機の製作等を行ってきた[5, 6, 7]。今年
度、KEK では、ILC 用のチョッパ型マルクス電源の実機を製作する予定になっており、現在、試作機を使用した性能評価試験等を行っている。

2.

チョッパ型マルクス電源

2.1

半導体スイッチを使用したマルクス電源

マルクス型の電源は、複数のコンデンサを並列に充電し、それらを直列に放電することでコンデンサの充電電圧の段数倍の出力電圧が得られるものであ___________________________________________# hiromitsu.nakajima@kek.jp

る。従来のマルクス型の電源は、充電抵抗を介して充電し、ギャップスイッチによって放電するものであるが、Figure1 に示すように、充電と放電用に半導体スイッチを使用することで、各段の ON/OFF のタイミングがコントロールできるようになる。
放電用 SW

VOUT

充電用 SW

放電用 SW

充電用 SW
放電用 SW

充電用 SW-VIN

Figure1: Solid-state Marx topology.
半導体スイッチを使用したマルクス電源では、低い充電電圧でも段数を増やすことによって、高い出力電圧を得ることができ、各段のスイッチにかかる電圧は、充電電圧に等しいため、低電圧の半導体スイッチが使用できる。

機から設定しているが、フィードバック制御を行う降圧チョッパ回路は、Figure2 に示すようにスイッ ことも検討している。また、制御基板は、各ユニッチ、チョークコイル、ダイオード、コンデンサから トの過電圧、過電流のインターロック、電圧、電流なるシンプルな回路である。降圧チョッパ回路では、 のモニターなども行う。
2.2

降圧チョッパ回路

Figure2 の SW のスイッチング周波数を一定とし、ON/OFF の比率（デューティサイクル）を調整する
PWM 制御を行うことにより、一定の出力電圧を得ることができる。

VOUT

VOUT
-V

SW

Figure2: Schematic of step down chopper.
2.3

ILC 用チョッパ型マルクス電源

ILC の RF 源として使用される予定の 10MW マル
チビームクライストロン用のパルス電源に要求される仕様を Table1 に示す。ILC では、約 380 台の10MW マルチビームクライストロン用のパルス電源が使用されるため、コスト、信頼性、メンテナンス性、サイズ、効率なども重要となる。

放電用 SWCM

Table 1: ILC Klystron Modulator Parameters
Output Voltage
Output Current
Pulse Width (flat-top)
Pulse Repetition Frequency
Output Pulse Flat-top
Energy deposited into klystron during agun spark-120kV
140A
1.65ms5Hz< 0.5%< 20J

充電用 SW-VIN

Figure3: Simplified schematic of the Chopper-type Marx.

3.

チョッパ型マルクスユニットの試験

チョッパ型マルクス電源は、Figure3 に示すように 3.1 チョッパ型マルクスユニット試作機
Figure4 は、昨年度予備試作として製作したチョッ降圧チョッパ回路をマルクス回路に組み込んだものであり、回路構成が単純なため、高信頼化、小型化、 パ型マルクスユニットであり、マルクス基板 4 枚と制御基板 1 枚を収め、そのサイズは、455mm ×低価格化に大きく貢献するものと考えられる。
各マルクスセルは、Figure3 の各段の放電用 SW を 350mm × 511mm（W × H × D）となる。また、大電PWM 制御することで、コンデンサ CM の充電電圧が 力試験の際には、PWM の調整、インターロックの低下することによる出力電圧の低下を補正する。各 調整等が容易に行えるように、Figure5 のような制御
マルクスセルは、最大で-2kV に充電され、-1.6kv、 基板のみを収めたユニットを使用した。
1.65ms のフラットなパルス出力電圧を得る。
チョッパ型マルクス電源は、-120kV の出力を得るために、20 ユニットで構成される。１ユニットは、マルクスセル 4 段で構成され、最大で-6.4kV の1.65ms のフラットなパルス電圧を出力できるため、1 ユニットが故障しても-120kV のパルス出力が可能な設計となっている。
各ユニットの制御は、1 ユニットに 1 枚実装される制御基板により行われ、マルクスセル 4 段に充電のゲート信号、及び放電のための PWM 制御されたゲート信号を光信号で供給する。現在、PWM 制御
Figure4: Photograph of one Chopper-type Marx unit.のパターンは、フィードフォワードで、上位の計算

Figure5: Photograph of the control unit.
3.2

Figure8 は、1 ユニットを-2kV に充電し、PWM 周
波数 50kHz で PWM 制御を行った時の出力電圧、出力電流波形であり、PWM 制御を行うことにより、1.65ms のフラットなパルス電圧が出力できる。ここでは、PWM 制御のパターンは、フィードフォワードで、上位の計算機から設定している。

大電力試験

横軸: 200μs/div

CH3: 出力電圧 2kV/div
CH4: 出力電流 50A/div

Figure6 は、マルクスセル 1 段を-2kV に充電し、PWM 制御を行わず、スイッチング周波数 50kHz でデューティサイクルを 85%一定にした時の出力電圧、出力電流波形である。この様に、デューティサイクルが一定の場合には、コンデンサの電圧の低下とともに出力のパルス電圧が低下する。また、マルクス
セル 1 段のリップルは、約 50%となる。

Figure8: Waveforms of one Chopper-type Marx unit (4Marx cells) with PWM control.

CH1: 出力電流 50A/div
CH2: 出力電圧 500V/div

Figure6: Waveforms of one Chopper-type Marx cellwithout PWM control.

18034160

CH3: 出力電圧 2kV/div
CH4: 出力電流 50A/div

Figure7: Waveforms of one Chopper-type Marx unit (4Marx cells) without PWM control.

12030100282624

SiC-FET(Q1-1~3)80

充電IGBT（Q2+D1-1）

60充電Di(D2-1,2)

40

室温

2220

水冷抵抗
2000123456

繰り返し周波数(Hz)Figure9: Results of heat-run tests.
3.3

横軸: 200μs/div

14032温度(℃)

Figure7 は、マルクスセル 4 段接続した場合、つまり 1 ユニットを-2kV に充電した時の出力電圧、出力電流波形である。ここでも、PWM 制御を行っていないため、出力電圧が時間と共に低下している。ただし、リップルは、1 ユニット内（マルクスセル 4段）で各マルクスセルのスイッチングのタイミングを 1/4 周期ずらすことで、約 6%に抑えられている。
最終的には、20 ユニット（マルクスセル 80 段）でPWM 制御のタイミングを調整して、要求される安定度以内のリップルに抑える設計となっている。

36

水冷抵抗温度(℃)

横軸: 500μs/div

Figure9 は、1 ユニットのヒートラン試験を行った時の各素子の温度である。ここでは、模擬負荷である水冷抵抗の温度上昇の問題から、充電電圧は、1.6kV となっている。繰り返し 5pps の時の各素子の温度上昇は、最も大きい放電用のスイッチである
SiC の FET でも 7.2℃であり、-2kV 充電となっても特に問題になることはないと考えられる。

負荷短絡試験

1 ユニットの過電流のインターロックの動作試験として、負荷抵抗に並列にギャップスイッチを接続して、充電電圧-1kV でパルス電圧出力中にギャップス イ ッチ を ON に す る負 荷 短絡 試験 を 行っ た。
Figure10 に負荷短絡試験時の出力電流波形を示す。
過電流のインターロックは、ハード的に行っており、148A が設定値となっている。Figure10 より過電流を検出してから約 800ns で PWM 制御を行っている放電用のスイッチが OFF となっており、出力電流のピークは、約 170A となっている。放電用のスイッチには、ドレイン電流の絶対最大定格がパルス（パルス幅 10μs 以下、デューティサイクル 1%以下）で80A の SiC の FET を 3 並列、2 直列で使用しており、負荷短絡時にも過電流のインターロックにより、スイッチの保護ができることが確認できる。また、
ILC で使用予定の 10MW マルチビームクライストロンの仕様では、短絡時の流入エネルギーは 20J 以下となっている。クライストロン短絡中のアーク電圧を 100V で一定であると仮定すると、ギャップスイッチ ON 後の出力電流波形から、流入エネルギーは約 5J 以下となり、クライストロンの仕様を十分満たしていることが確認できる。
横軸: 200μs/div

ギャップ SW ON

約 170A横軸: 10μs/div

約 800ns

CH1: FET S-D 間電圧 500V/div
CH2: 出力電圧 1kV/div
CH3: 出力電流 50A/div
CH4: 出力電流検出信号 1V/div

Figure10: Waveforms of one Chopper-type Marx unit (4Marx cells) at short circuit test during pulse.

4.

まとめと今後の予定

チョッパ型マルクスユニットの試作機にて、性能評価のための試験を行い、その性能が確認できた。
ただし、模擬負荷の問題で、-2kV 充電、繰り返し5pps で連続運転できるのは、短時間となっており、十分なランニング試験は行えていない。現在、1 ユニット用の模擬負荷を製作中であり、模擬負荷の完成後、本格的なランニング試験を行う予定である。

謝辞
本研究は高エネルギー加速器研究機構の共同開発研究の助成を受けたものです。

参考文献[1] M. Akemoto, et al., “ KEK 超 伝 導 加 速 器 試 験 施 設（STF）に於ける 10MW クライストロン用長パルスモジュレータの開発”, Proceedings of Particle Accelerator
Society Meeting, pp.773-775, 2009.
[2] ILC Technical Design Report Volume 3 – Accelerator,2013,
http://www.linearcollider.org/ILC/Publications/TechnicalDesign-Report.
[3] M.A. Kemp, et al., “Final Design of the SLAC P2 Marx
Klystron Modulator”, Proceedings of Pulse Power
Conference, Chicago, IL, USA, 2011.
[4] M.A. Kemp, et al., “The SLAC P2 Marx”, Pulse Power
Proceedings of International Power Modulator and High
Voltage Conference, San Diego, CA, USA, 2012.
[5] Y. Kozasa, et al., “ILC 用 半 導 体 マ ル ク ス 電 源 ”,
Proceedings of the 11th Annual Meeting of Particle
Accelerator Society of Japan, August 9-11, 2014, Aomori,Japan, PASJ2014-SAP055,
http://www.pasj.jp/web_publish/pasj2014/proceedings/PDF/SAP0/SAP055.pdf[6] R. Suzuki, et al., “MARX 基 板 の 最 適 化 ”, theseproceedings, WEP070.
[7] T. Hayashi, et al., “ILC 用 MARX 電源全体充電・制御方式の検討”, these proceedings, WEP071.