Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
August 5-7, 2015, Tsuruga, Japan

PASJ2015 THP070

J-PARC 主リング直線部四重極電磁石のための NPC チョッパの開発
DEVELOPMENT OF NPC CHOPPER FOR QUADRUPOLE MAGNETS AT STRAIGHTSECTION IN J-PARC MR
森田裕一#, A), 栗本佳典 A), 佐川隆 B), 下川哲司 A), 三浦一喜 A), Younghoon JangC)
Yuichi Morita , Yoshinori KurimotoA), Ryu SagawaB), Tetsushi ShimogawaA), Kazuki MiuraA), Younghoon JangC)
A)
High Energy Accelerator Research Organization (KEK)
B)
Universal EngineeringC)
Dawonsys#, A)

Abstract
Japan Proton Accelerator Research Complex (J-PARC) aims at achieving a MW-class proton accelerator facility.
One of the promising solutions for increasing the beam power is to fasten the repetition rate of Main Ring (MR) fromcurrent rating of 2.5 sec to 1 sec. However, in this scheme, the increase of output voltage is a serious concern for themain magnets. At the same time, current ripple reduction is required in order to increase the beam quality for the hadronexperiments. New power supplies (PSs) for the main magnets at the straight section which have potentials to solve theseproblems are necessary. We have been developing a neutral-point-clamped (NPC) chopper as one of the elements forthe new PS. This paper introduces the design of the NPC chopper, and also reports test results.

1.

はじめに

J-PARC の主リングでは、ニュートリノビームラインへのビームパワーを増強するために運転周期を現状の 2.5 秒から 1 秒へ速める。この計画では高繰返し化に伴う主電磁石電源の出力電圧の増加が問題となる。さらに、ハドロンホールへのビームの性能向上のために出力電流の低リップル化が求められている。我々は主電磁石用電源を新たに開発することで、これらの課題を解決する。その中でも、直線部
四 重 極 電 磁 石 (Ins. Q) 用 電 源 の 構 成 要 素 に NPCチョッパを採用する予定である。後述するように
NPC チョッパは高い出力電圧、出力電流リップル抑制に有利である。また、新たに開発する電源はバンクコンデンサを備えた電圧型電源とするので系統の50 Hz 交流に起因する出力電流リップルを抑制できる。本報告では J-PARC 主リングのための Ins. Q 用
NPC チョッパ試作機の設計・製作及び通電試験の結果を紹介する。アーク部電磁石のための新電源の開発状況については文献[1]に書かれている。

2.

直線部四重極電磁石用電源

新しく開発する Ins. Q 用電源はバンクコンデンサを備えた電圧型電源である。全体構成のブロック図を Figure 1 に示す。

Figure 1: Block diagram of new power supply for
quadrupole magnets at straight section.
________________________________________#

yuichi.morita@kek.jp

スイッチングコンバータ、バンクコンデンサ、チョッパ、フィルタで構成されている。電磁石は７種類あり、それぞれ１台の電源で励磁する計画である。各電磁石のパラメータ及び定格パターン電流を流したときに電磁石に印加される最大電圧を Table 1に示す。
Table 1: Parameters of Magnets at Straight Section
MagnetNumber Load

LoadMaximum

FamilyofInductance

OutputMagnets per PS [m]Resistanceper PS [H]Voltage [kV]

QFR

9490

0.57

1.7

QFS

6360

0.30

0.6

QFT

6360

0.32

0.8

QFP

6360

0.20

0.6

QDR

6410

0.44

1.3

QDS

6400

0.35

1.1

QDT

6420

0.37

1.33.

NPC チョッパ

3.1特長

チョッパは Table 1 に示した最大出力電圧を出力できなければならない。さらにフィルタで出力電流リップルを抑制するために数 kHz のスイッチング周波数が必要である。これらの要求からスイッチング素子には IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) を使用する。広く使用されているフルブリッジ型チョッパでは、バンクコンデンサの充電電圧がそのまま１つの IGBT に印加されるのに対して、NPC チョッパ

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では半分の電圧に抑えられるので高い出力電圧を実現できる。さらに、中点をグラウンドに固定することにより出力電流のコモンモードノイズを抑制できるので出力電流リップル抑制に有利である [2]。NPCチョッパの外観を Figure 2 に示す。Ins. Q 用チョッパでは QFR 以外は NPC チョッパユニット１直列のみの構成であるが、当該試作チョッパは複数のユニットを直列にすることが可能となっており、さらに高い出力電圧が必要なアプリケーションにも対応できる。

NPC チョッパユニットのレグの写真及び NPC
チョッパユニット１台の回路図をそれぞれ Figure 3、Figure 4 に示す。使用したスイッチング素子は三菱
電機社の IGBT、CM1000DUC-34NF である。ゲート
ド ラ イ ブ 基 板 に は Concept 社 の 2BB0535T Base
Board と 2SC0535T driver の組合せを採用している。
Figure 4 において赤丸が付けられている素子にはIGBT のゲートエミッタ間を短絡してフリーホイールダイオードの機能だけを割り当てている。力行、還流、回生時の電流の経路をそれぞれ Figure 4 に示している。このように IGBT を２並列にすることで、IGBT１台当たりに流れるピーク電流を定格コレクタ電流 1000 A の約 20 %に抑え、IGBT の寿命を充分なものとする。また、チョッパ内の各要素は配線のインダクタンス低減を目的として積層バスバーで接続されている。

Figure 2: Front view of NPC chopper.
3.2

NPC チョッパユニット

NPC チョッパユニット１台当たりの仕様を Table2 に示す。
Table 2: Specifications of NPC Chopper Unit
Rated Output Voltage

1500 V

Rated Output Current

400 A (Flat Top)

Switching Frequency

5 kHz

Figure 3: NPC chopper leg.
3.3

IGBT 寿命計算

定格運転中のヒートシンク温度を以下のように計算した。NPC チョッパユニットの出力電流指令値を
Figure 5 に示す。Figure 6 は１レグ内の IGBT チップ及びダイオードチップの配置とヒートシンク内の冷却水経路である。Figure 4 の S1~4, D1~6 について回

Figure 4: Circuit diagram of NPC chopper unit.

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路シミュレーションにより１サイクル当たりの発熱を計算すると、Figure 7 のようになる。１チップ当たりのピーク損失を Figure 8 に示すモデルに適用して有限要素法による温度計算を行った。定常状態でのヒートシンク温度の最大値は 56.1℃となった。

Figure 8: Heat sink model of finite element thermalcalculation. The material of the heat sink is aluminum.
要求される IGBT の寿命は 108 サイクル以上の電流パターンである。ここで、故障率が 1 %に達するまでの時間を寿命と定義する。CM1000DUC-34NFのデータシートから、１サイクル内におけるジャンクション温度の最大値と最小値の差Tj がTj < 35℃の条件を満たせば要求値以上の寿命が得られる 。
IGBT チップ１つに対してジャンクション-ヒートシンク間の過渡熱インピーダンスを Figure 9 の回路モデルで考える。電気抵抗は熱抵抗、電流は損失、電圧は温度に対応する。定電圧源には先に求めた定常状態でのヒートシンク温度の最大値 56.1℃を適用する。

Figure 5: Reference current of NPC chopper unit.

Figure 6: Location of IGBT chips, diode chips, and waterpaths. The red chips indicate the IGBTs. The yellowchips indicate the diodes.

Figure 9: Thermal equivalent network.
ジャンクション-ケース間の過渡熱インピーダンス
Zth(j-c)(t)は
 t Z th ( j c ) (t )  Rth ( j c )  Ri 1  exp    i
  i i  1, 2, 3, 4と表される。ここで、
 i  Ri Ci

Cth i Figure 7: Losses of IGBTs and diodes.

(1)

(2)

Rth i  Rth( j c ) Ri

(3)

Ci
Rth ( j c )(4)

i  1, 2, 3, 4である。Rth(j-c)は IGBT チップ１つ当たりのジャンクション-ケース間熱抵抗である。IGBT チップ１つ当たりのケース-ヒートシンク間の接触熱抵抗（熱伝導性グリースを塗布した場合）を Rth(c-s)とする。IGBTチップ１つ当たりの損失を Figure 7 から求め、そのピーク値と平均値とを持つ矩形波パルスに換算し、Figure 9 の 回 路 の 電 流 源 の 出 力 値 と す る 。
CM1000DUC-34NF のデータシートから、Ri, i, Rth(j-c),Rth(c-s)の値を引用または導出して Figure 9 の回路をシミュレータにより計算すると、S1~4 について IGBT
チップ１つに対するジャンクション温度は Figure 10- 1158 -Proceedings of the 12th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
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試験では 350 A としたのは、フィルタ内のインダクタの定格電流が 350 A であるためである。NPCチョッパ及びフィルタの中点は出力電流のコモンモード抑制のために接地する。試験のパラメータを Table 3 に示す。フィルタの特性を Figure 13 に示す。
Table 3: Parameters of Test

Figure 10: Temperature variation of IGBT chip in S1-4.
3.4DC コンデンサ

NPC チョッパユニット内の DC コンデンサは内部短絡が起こらないセルフヒーリングタイプの乾式フィルムコンデンサとする。当該コンデンサの回路
図を Figure 11 に示す。６つの端子をもつコンデンサとなっている。NPC チョッパユニット内では DC コンデンサを２台並列に接続する。NPC チョッパユ
ニットの入力電圧はサイクル毎に変動するため、電圧変動によるキャパシタンス低下に気をつけなければならない。キャパシタンスが初期値から 5 %低下するまでの時間をコンデンサ寿命と定義する。コンデンサの充放電を 60 Hz で繰返してキャパシタンスの変化を測定した。その結果を外挿してコンデンサ寿命を求めた。これは周波数を 60 倍にした加速試験である。電極材質を適切に選ぶことで 4.5×108 サ
イ ク ル の 寿 命 を も つ コ ン デ ン サ を 開 発 し 、 NPCチョッパユニットに組み込んでいる。

Load Resistance

8.7 m

Load Inductance12.9 mH

Output Current

350 A (Flat Top)

Output Voltage~ ±10 V

Charging Voltage

1500 V

Capacitance of Bank Capacitor

50.4 mF

Switching Frequency

5 kHz

Repetition Frequency

1 Hz

Figure 13: Bode plot of filter [3].
4.2

通電試験

Table 3 の条件で繰返し周波数 1 Hz の通電を行った。このときの出力電流指令値、出力電流、バンクコンデンサ充電電圧を Figure 14 に示す。
Figure 11: Circuit diagram of DC capacitor.

4.

通電試験

4.1

試験設備

NPC チョッパユニットの通電試験のための設備の概略図を Figure 12 に示す。

Figure 12: Schematic diagram of test facilities.
ダイオード整流器、バンクコンデンサ、 NPC
チョッパ、フィルタの組合せで電磁石にピーク 350
A の 1 Hz 繰返しパターン電流を流す。NPC チョッパユニットの定格出力電流が 400 A なのに対してFigure 14: Reference current, output current, and charging
voltage of NPC chopper in 1 Hz operation.
安定して１時間の連続通電ができた。３つのユニットすべてについて同様の試験を行い、同様の結果が得られた。

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5.

まとめJ-PARC 主リングの高繰返し化及びビーム性能向上のための計画のひとつとして、直線部四重極電磁石用電源を新たに開発する。その構成要素に NPCチョッパを採用する予定である。使用する IGBT の故障率が 1 %となるまでの時間を寿命と定義し、ジャンクション温度の計算から要求値である 108 サ
イ ク ル以 上 の寿 命が 得 られ る こと を確 認 した 。
チョッパ内に組み込む DC コンデンサには内部短絡しない乾式フィルムコンデンサを選ぶ。このコンデンサは 4.5×108 サイクルの寿命をもつ。これらを用いて NPC チョッパを設計・製作し、ユニットごとに通電試験を行って定格充電電圧での１時間の連続通電が安定に行われることを確認した。
Table 2 の負荷の抵抗値、インダクタンス値に比べて当該試験の負荷の値は小さい。よって、出力電流は定格まで達しているが出力電力としては定格の~1/100 の試験であった。今後は文献[4]に基づいた定格電力試験を予定している。

参考文献[1] T.Shimogawa, et al., “Demonstration of Prototype Power
Supply of J-PARC Main Ring Main Magnets for High
Repetition Rate Operation”, Proceedings of the 12th Annual
Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, Tsuruga,
Aug. 4-7, 2015.
[2] Y.Kurimoto, et al., “Hybrid Control of Low and High
Voltage Power Supplies for High Voltage and Low Ripple
Magnet Power Supply”, Proceedings of the 10th Annual
Meeting of Particle Accelerator Society of Japan, Nagoya,Aug. 3-5, 2013.
[3] Y.Morita, et al., “Prototype Development of J-PARC Main
Ring Main Magnets Power Supply for High Repetition RateOperation”, Proceedings of the 11th Annual Meeting ofParticle Accelerator Society of Japan, Aomori, Aug. 9-11,
2014.
[4] Y.Kurimoto, et al., “A High Power Test Method for Pattern
Magnet Power Supplies with Capacitor Banks”,Proceedings of the 2nd International Symposium on Scienceat J-PARC, Tsukuba, Jul. 12-16, 2014.

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