大分工業高等専門学校紀要

第 45 号(平成 20 年 11 月)

小型パルスパワー電源の開発を目的とした直列化したBJTの降伏特性評価
上野崇寿

電気電子工学科

局所的にマイクロ領域においてプラズマを生成し利用するマイクロプラズマは，プラズマ科学技術の新たな発展をもたらす研究領域として注目を集めており，これまでにない産業応用技術を創出する可能性を秘めている．マイクロプラズマを生成するためには，従来プラズマ生成に使用されている大容量かつ大型な電源ではなく，局所的にエネルギーを送り込むことが可能な小型の電源が必要となる．
先行研究にて，バイポーラ接合トランジスタ（Bipolar Junction Transistor：BJT）を利用したマイクロプラズマ生成用電源の開発を行っており，数百ボルト/ナノ秒オーダの高速な立ち上がり時間を持ったパルスを出力することが可能である．これはBJTを電子なだれ降伏状態で使用することにより，高速なスイッチングを実現しているのであるが，その降伏特性は一般のデータシートからは読み取ることが困難であり，明らかになっていない点も多い．そこで本研究では，小型パルスパワー電源の開発を目的として，BJTを直列化した場合の降伏特性について評価を行った．その結果，BJTの直列接続数の増加によって，スイッチング時の電圧及びピーク電流を増加させることができるが，BJT1つ当たりの出力エネルギーは一様な増加をせず，最適値を持つことが判った．マルクス発生器開発におけるエネルギーの増加及び出力エネルギーの効率化の向上のためには2直列接続が適当であった．

キーワード : マイクロプラズマ，バイポーラ接合トランジスタ，電子なだれ降伏

１．はじめにーラ接合トランジスタ（Bipolar Junction Transistor：BJT）

近年，プラズマを利用した技術はめざましい発展を遂げ，を用いたマルクス発生器の開発を行ってきた6)．BJTの通各種薄膜の作成やエッチングといった半導体プロセスな常使用では，IGBTやSITといった他の大容量半導体素子とどの分野において，大面積かつ均質なプラズマの生成を実比較して，耐電圧やスイッチング速度等のスイッチング特現してきた．

性における優位性は殆ど持っていないが，BJTに降伏現象

一方，この大容量化の流れとは逆に，局所的にマイクロを発生させることで，ナノ秒オーダの高速なスイッチング領域においてプラズマを生成し利用するといった，マイクが可能となる．先行研究により，BJT単体での降伏特性試

ロプラズマと呼ばれる新たな分野の進展がみられる．この験を行っており，BJTへの印加電圧の増加に従いスイッチ

マイクロプラズマは，大きな表面積/体積（S/V）比に起因ング時の漏れ電流が生じ，エネルギー損失が大きくなってする高効率なミクロ反応場形成や高密度媒質中におけるしまうため，出力エネルギーが制限されてしまうことが判

プラズマの新たな物性発掘等1, 2)，その新規性により注目明した7)．

を集め，多くの研究が推進されるようになってきている3-5)．

そこで，本研究では小型マルクス発生器の1段当たりのマイクロプラズマをパルスで生成するための電源には，エネルギー増加及び高電圧化による段数削減を目的とし放電を開始できるような高電圧の発生とパルス発生のたて，BJTを直列接続した場合のBJTの降伏特性について評

めの高速なスイッチング素子が必要である．微小な寸法で価した．

あるプラズマに効率良くエネルギーを送り込むため，電源もできる限り小さくする必要がある．小型化を実現するた

２．直列化BJTの降伏特性試験

めには，スッチング素子として従来用いられてきたギャッ(1) 特性試験回路
本試験では小型マルクス発生器の1段当たりのエネルギプスイッチではなく，半導体スイッチを使用することが適ー増加と段数削減を目的として，BJTを直列接続した場合当である．
著者らは，小型パルスパワー電源の１つとして，バイポのBJTの降伏特性について評価した．

―16―

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第 45 号(平成 20 年 11 月)

図-1にBJTの直列接続時の特性試験回路を示す．試験に用いたBJTは2SC2655とした．グランド側に最も近いBJT

200にはトリガ信号を送り，他のBJTは，ベース－エミッタ間を短絡した．また，充電中にBJTのコレクタ－エミッタ間(RB)を各BJTのコレクタ－エミッタ間に並列接続した．直デンサCを充電し，グランド側のBJTのベース－エミッタ

Ic[A]150150100100505000間に波形発生器からトリガ信号を印加することでBJTをターンオンさせる．この時，FET1がターンオフすることに200Ic, A流電源(HAR-5R60 : Matsusada Precision Inc.)を用いてコンVc, Vに均等に電圧が印加されるように，10MΩのバランス抵抗

Vc[V]より，BJT側に電源側からの直流成分の流れ込みを防止す
る．計測には，オシロスコープ(TDS3034B : Tektronix社製)，-500.6電圧測定は高電圧プローブ(PHV641 : PMK社製)，電流計測

0.8はカレントモニタ(Current Monitor Model 2877 : PEARSON

1Time, s

1.2

1.4-50(a) 2SC2655 単体社製)を使用し，直列接続した複数のBJTのコレクタ－エミッタ間電圧Vce及びコレクタ電流Icを測定した．

400Vce[V]Ic[A]20020010010000-100-0.5

図-1 直列化 BJT 特性試験回路

Ic, A

Vce, V

300

3000-100
10.5Time, s(b) 2SC2655 の 2 直列接続(2) 電圧・電流波形
図-2に降伏状態におけるBJTの直列接続数変化時の電圧・電流波形を示す．同一のVceのもとでの比較ができな500

いため，繰り返し動作可能な最大のVceで動作させた波形を示す．図-2より単体で用いた場合は，立ち下がり時間tf

Vce[V]Ic[A]400

300が約90ns，最大コレクタ電流Icは100A，2直列接続の場合を増加でき，大電流のスイッチングが可能だが，電流の増200200
100

100加による立ち下がり時間の増加も見られる．

00(3) 立ち下がり時間特性
図-3にBJTの直列接続試験の立ち下がり時間特性を示す．
Vceを変化させ，コンデンサ容量を0.01から1.0μFとした場合の立ち下がり時間を確認した．BJT単体での特性試験においては，トリガ信号を印加することでBJTをターンオン-100-0.500.5Time, s(c) 2SC2655 の 3 直列接続させ，通常状態と降伏状態の両方を観測することができた．
しかし，BJTを複数個用いて特性試験を行う場合には，グランド側に最も近いBJTのみトリガ信号を印加するため，―17―Ic, A

Ic=205Aであった．BJTの直列接続数に応じて，印可電圧

300Vce, V

ではtf=180ns，Ic=185A，3直列接続の場合ではtf=200ns，

400

図-2 電圧・電流波形例(C=0.100μF時)-1001

大分工業高等専門学校紀要

第 45 号(平成 20 年 11 月)

通常状態において他のBJTを同時に動作させることはでき

一方，BJTの立ち下がり時間については，BJTを単体かない．一方，グランド側のBJTが降伏状態を引き起こした

ら2直列とした場合の立ち下がり時間の増加率は最大2倍場合，充電側の各BJTにも降伏状態を超える電圧が印加さであるが，更に直列数を増やし3直列とした場合では，それるため，連鎖的にすべてのBJTの降伏状態を引き起こしの立ち下がり時間に大きな増加は見られず，2直列時と比ターンオンさせることが可能となる．そこで，本試験ではBJTの降伏状態におけるスイッチング時間特性について示

較すると最大1.1倍の立ち下がり時間の増加がみられた．

す．図-3(a)，(b)，(c)各グラフより，Vceの増加に伴い立ちするが，その増加の割合は減少していく．しかし，個数の下がり時間に僅かな減少がみられる．しかし，コンデンサ増加によって使用できるコンデンサ容量の制限，即ち，出容量を減少させると，立ち下がり時間の減少の割合も小さ力エネルギーが制限されてしまうため，マルクス発生器へくなり，一定値に近づく．のBJTの適用にあたっては，高速スイッチングと出力エネ

図-4 は，コンデンサ容量を 0.1μF とした時の 2SC2655の立ち下がり時間を BJT の接続数別に比較したものであ

従って，BJTの直列接続数に従い立ち下がり時間が増加

ルギーの関係を考慮しながら，直列化の個数を定めなければならない．

る．BJT が降伏状態で動作可能な Vce の範囲は，BJT 単体の場合が約 100V から 160V， 2 直列接続した場合が約160V から 280V， 3 直列した場合が 330V から 430V であるため，動作電圧の範囲が BJT の個数に従い増加している．

2500.010uF
0.047uF
0.100uF

fall time, ns

200
150
100
50
0250

300

350

400

450

500

550

Vce, V(a) 2SC2655単体(c) 2SC2655 の 3 直列接続
図-3 立ち下がり時間特性

1000

3000.010uF
0.047uF
0.100uF
0.470uF
1.000uF

600

250

fall time, ns

fall time, ns

800

400
200
0100

1series
2series
3series

200
150
100
50150200

250

300

050 100 150 200 250 300 350 400 450350

Vce, V

Vce, V(b) 2SC2655 の 2 直列接続

図-4

BJT 接続数別スイッチング時間特性の比較(C=0.1μF)―18―大分工業高等専門学校紀要

第 45 号(平成 20 年 11 月)(4) コレクタ電流特性
Vce変化時のIcの特性を図-5に示す．コンデンサ容量を変図-6に，コンデンサ容量を0.1μFとしたときのコレクタ電化させ，Vce変化に対するIcの最大値をプロットした．直接続数の増加により，1段当たりに印加できるVceが増加す

列接続数の違いに関わらず，Vceの増加に応じてIcは正比るため，Icが正比例で増加する．

流特性をBJTの直列接続数別に比較したものを示す．直列

例して増加する傾向にある．さらに同一のVceにおいては

しかし，同一のVceで比較した場合では，BJTの接続数コンデンサ容量を増加させることで，Icはコンデンサ容量を増加させるとIcは減少する傾向にある．安定動作するの平方根に応じて増加する．これは，LCR直列回路においVceの範囲が異なるため単純な比較は困難であるが，安定て閉路に流れる電流がコンデンサ容量Cの平方根に比例す動作外でもVce，Icが同一の増加で変化すると仮定すると，るためであると考えられる．更に，コンデンサ容量の増加

Icのピーク値はBJT単体で使用した場合は2直列接続で使によって安定動作可能なVceやIcが増加するものの，3直列用した場合の約1.5倍，BJTを2直列接続した場合は3直列接接続においては1.0μFのコンデンサ使用時に非可逆的な素続した場合の約1.8倍となり，直列接続数の増加に従いIc子破壊に至り，使用できるコンデンサ容量が制限されてしは減少する．

まうといった，立ち下がり時間特性と同様の傾向が見られた．

400
0.010uF
0.047uF
0.100uF
0.470uF
1.000uF

350
300

Ic, A

250200150
10050

0200 250 300 350 400 450 500 550 600

Vce, V(a) 2SC2655 単体(c) 2SC2655 の 3 直列接続
図-5 コレクタ電流特性

400350300200Ic, A250Ic, A

250

0.010uF
0.047uF
0.100uF
0.470uF
1.000uF

200
150
100

150
1001series
2series
3series

50

500100

150

200

250

300

350

050 100 150 200 250 300 350 400 450

400

Vce, V(b) 2SC2655 の 2 直列接続

Vce, V
図-6―19―BJT 接続数別コレクタ電流特性の比較(C=0.1μF)

大分工業高等専門学校紀要

第 45 号(平成 20 年 11 月)

スは急激に減少し，その後約0.73Ωの一定値に近づいてい(5) スイッチングインピーダンス
降伏時の電圧電流波形からインピーダンスを求め，各直く．

列接続数における比較を行った．図-7に降伏状態における従って，1段当たりに印加する電圧を増加させると，スBJT1つ当たりのスイッチングインピーダンスZonを示す．
どの直列接続数においても，Vceの増加によってZonが減イッチングインピーダンスは減少し，一定値に近づく．マ
ルクス発生器への適用を試みる場合，BJT1つ当たりではな

少し，コンデンサ容量の増加により，Zonは減少し一定値

く，1段当たりに含まれるBJTの直列接続数に応じたインピに近づく．

ーダンスとして考慮する必要がある．

図-8は，コンデンサ容量を0.1μF一定としたときのBJT故に，インピーダンスが最小値に近い，3段直列及び一単体のZonを比較したものである．各直列接続数における部の2段直列接続で利用することが適当であると考えられVceの安定動作範囲が異なるため，同一電圧での比較はでる．

きないが， Vceの増加によってZonが減少しBJTの直列接続数に関わらず，１本の近似曲線(破線)で表すことができる． Vceが約100Vから200Vにおいては，インピーダン

50.010uF0.047uF
0.100uF
0.470uF
1.000uF

53Zon, ohmZon, ohm

440.015uF
0.047uF
0.100uF
0.470uF
1.000uF

232110150 200 250 300 350 400 450 500 550

050100150Vce, V200Vce, V(c) 2SC2655 の 3 直列接続(a) 2SC2655 単体

図-7520.010uF
0.047uF
0.100uF
0.470uF
1.000uF

3BJT
BJT 2series
BJT 3series

1.5Zon, Zon, ohm

42Fitted Curve

10.5

10100

BJT1 つ当たりのオン抵抗

150200250300

050 100 150 200 250 300 350 400 450350Vce, V(b) 2SC2655 の 2 直列接続

Vce, V
図-8

BTJ1 つ当たりのスイッチングインピーダンスの比較―20―大分工業高等専門学校紀要

第 45 号(平成 20 年 11 月)(6) スイッチング時の出力エネルギーさせることが可能である．

立ち下がり時間特性やコレクタ電流特性の試験におい(3) スイッチングインピーダンスは，スイッチング電圧のて，安定動作可能なコンデンサ容量に制限がある場合が存在した．そこで，本節では直列接続数に応じた出力エネル増加によって減少し，一定値に近づく．
BJT1つ当たりの繰り返し動作可能なエネルギーの比ギーについて検討した．

較を行うと，2直列接続における場合が最大となった．

表-1に試験回路で使用したコンデンサ容量と安定動作(4) エネルギーの増加及び出力エネルギーの効率化の向可能なVce及び1段当たりに蓄えられるエネルギーを示す．

上においては2直列接続が適当である．

安定動作する最大のVceは，コンデンサ容量を増加させると減少していくが，その出力エネルギーは増加していく．

謝辞

本試験ではBJT1つ当たりのエネルギーにおいては，2直列本研究の遂行にあたって，熊本大学地域共同研究センター時が最大であるという結果を得た．

准教授，佐久川貴志氏に多大なるご意見とご協力を頂いた．

マイクロプラズマを生成させるためには，出力電圧の増

ここに記して厚くお礼申し上げる．

加に加え，数百mJオーダのエネルギーの出力も不可欠となる．直列接続したBJTを小型マルクス発生器に用いること

参考文献

で，その段数の削減，回路インダクタンスの減少が可能と

1) K.

Tachibana:Microplasmas:

Overview

from

なる．これらは，負荷としてプラズマを発生させる場合，

fundamental researches to applications, Journal ofエネルギーを効率よく送り込むという点において大きな

PlasmaandFusion

Research,

Vol.76,No.10,

pp.435-436, 2000.

メリットとなる．
本実験で用いた2SC2655をマルクス発生器に応用する

2) K. Tachibana : Generation of micro-scale reactive

場合，エネルギーの増加及び出力エネルギーの効率化の向plasmas and development of their new applications

上のためには2直列接続が適しているといえる．

-Present and future of research and development onmicroplasmas-, Journal of Plasma and Fusion

表-1Research, Vol.80, No.10, pp.825-826, 2004.

BJT接続数別の1つ当りのエネルギー

BJT
BJT 2series
BJT 3series
Vce[V] E/stage[mJ]Vce[V] E/stage[mJ]Vce[V] E/stage[mJ]
120
0.108
155
0.18
325
0.792
0.015
160
0.192
320
0.768
477
1.706
100
0.235
155
0.565
328
2.528
0.047
150
0.529
320
2.406
480
5.414
100
0.5
152
1.155
329
5.412
0.100
160
1.28
288
4.147
387
7.48880
1.504
158
5.867 －－
0.470
150
5.288
262
16.131 －－70
2.45－－－－
1.000
150
11.25 －－－－C[uF]

3) K. Terashima, T. Ito, H. Fujiwara, K. Katahira, A.
Kono, D.

Wang, M. Aramaki

and T. Ichiki,“Application of microplasmas”, Journal of Plasma
and Fusion Research, Vol.80, No.10, pp.845-853,
2004.
4) T. Namihira, S. Tsukamoto, D. Wang, S. Katsuki, R.
Hackam, K. Okamoto and H. Akiyama: Production ofnitric monoxide using pulsed discharges. for a
medical application, IEEE Trans. Plasma Science,
Vol.28, No.1,2000.
5) 秋山秀典:マイクロプラズマの制御, O plus E, vol.26,
2004

３．総括
本研究では，小型マルクス発生器のスイッチングデバイ

6) T. Heeren, T. Ueno, D. Wang, T. Namihira, S.

スとして，2S2655を用いて複数のBJTを直列接続した場合

Katsuki, H. Akiyama: Novel Dual Marx Generatorの特性の評価を行った．その結果，以下の点が明らかにな

for Microplasma Applications, IEEE Transactions onった．

Plasma Science, vol.33, pp.1205-1209,2005.
7) T. Ueno, T. Sakugawa, M. akiyama T. Namihira, S.

(1) BJTを単体，2直列，3直列接続して降伏特性試験を行KATSUKI and H. AKIYAMA : Portable Marx

った結果，直列接続数を増加させることで，スッチン

Generator

グ電圧を増加できるが，繰り返し動作のためには出力

Proceedings of International Congress on Plasma

エネルギーを制限しなければならない．

Physics, pp.386, 2008.

(2) 立ち下がり時間は，直列接続数の増加によりステップ状に増加するが，スイッチング電圧増加によって減少

―21―

for

Microplasma

Applications,(2008.10.29受付)