Proceedings of the 19th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan
October 18 - 21, 2022, Online (Kyushu University)

PASJ2022 TUP038

大電力クローバー回路用半導体スイッチ
DEVELOPMENT OF SEMICONDUCTOR SWITCHES FOR HIGH-POWER CROWBARCIRCUITS小野礼人#, A), 高柳智弘 A), 不破康裕 A), 篠崎信一 A), 植野智晶 B), 堀野光喜 B),
杉田萌 A), 山本風海 A), 金正倫計 A), 生駒直弥 C)， 亀崎広明 C)， 森均 C)， 徳地明 C)
Ayato Ono #, A), Tomohiro TakayanagiA), Yasuhiro FuwaA), Shinichi ShinozakiA),Tomoaki UenoB), Koki HorinoB), Moe SugitaA), Kazami YamamotoA), Michikazu KinshoA),
Naoya IkomaC), Hiroaki KamezakiC), Hitoshi MoriC), Akira TokuchiC)
A)
J-PARC/JAEA, B) NAT CorporationC)
Pulsed Power Japan Laboratory Ltd.

Abstract
Many ignitrons are used in the clover device of the klystron power supply for RF acceleration in the J-PARC LINAC.
However, these ignitrons contain mercury, of which use is restricted worldwide, and their production is expected to bediscontinued in the future. Therefore, we designed a semiconductor clover switch for short-circuit protection of klystronusing MOS gate thyristors. We have manufactured an oval-type board module that realizes an operating output of 3 kV,
40 kA, and 50 µs per board. For the control power supply to each board module assuming a high voltage of 120 kV, weadopted a self-power supply method that creates a control power supply with a high-voltage DCDC converter from thevoltage shared and charged by each board module. It was possible to confirm the operating performance on a 1/2 scale(60 kV, 40 kA) against the voltage of the existing equipment (120 kV, 40 kA) by connecting twenty oval board modules
in series. The output test result will be reported.

1.

はじめに

J-PARC[1]では、LINAC の加速用高周波を増幅する真空管型高周波増幅器（クライストロン）電源[2]の短絡保護装置（クローバー装置）[3]に水銀整流器（イグナイトロン）を用いている。イグナイトロンは、世界的に使用が制限されている水銀を使用しており、将来的に製造中止が見込まれる。そこで、大電力半導体素子（MOS ゲートサイリスタ）を用いたイグナイトロン代替用の半導体クローバー装置を開発している[4-9]。本研究では、基板 1 枚当たり、3 kV、40 kA、50 µs の動作出力を実現するオーバル型基板モジュールを開発した。本基板モジュール
40 枚を直列に積み重ねることで代替スイッチとして必要な定格 120 kV、40 kA を出力する。
基板モジュールへ制御電力を供給する方法として、高電位となった基板ごとに高圧トランスを使用した場合、トランスの設置場所や部分放電（コロナ放電）対策を考慮する必要があり現実的ではない。そこで本基板モジュー
ルには、高圧トランスを使用せず、各基板モジュールに分担充電される電圧（３ kV）から高圧 DCDC コンバータで制御電圧を作り出す自己給電方式を採用した。本試
験では、この基板モジュール 20 枚を 20 直列で積み重ね、定格 120 kV、40 kA で電圧が 1/2 スケールの 60 kV、40 kA にて動作性能を確認することができた。出力試験
結果について報告する。
___________________________________________# onoayato@post.j-parc.jp

2.

半導体クローバースイッチ

2.1

基板モジュール概要

パワー半導体素子には、IXYS 製 MOS ゲートサイリス
タ MMIX1H60N150V1（1.5 kV/11.8 kA at 10 µs）を使用した。半導体素子単体の定格電圧は 1.5 kV であり、印加電圧 3 kV に対し、単回路の素子構成を 3 直列
（4.5 kV：電圧裕度 67 %）とした。40 kA の電流を確保するため、この単回路を 16 並列とした。これにより、半導体素子単体に流れる電流は 40 kA/16 並列=2.5 kA となり、
ク ロ ー バ ー 装 置 用 に 試 算 し た 耐 パ ル ス 電 流 5.3 kA（50 µs）[5]に対し 47 %の電流裕度がある。
〇基板モジュール 1 枚当たり仕様 3 kV/40 kA/50 µs
素子構成：3 直列 16 並列（48 素子）〇定格（全体構成時）120 kV/40 kA
素子構成：120 直列 16 並列(1920 素子)
基板モジュールの制御電力は、自己給電方式によって得る。高圧 DCDC コンバータにて 3 kV から 7.5 V を、
低圧 DCDC コンバータで 7.5 V から 5 V（制御駆動用）、-5 V/20 V（ゲート駆動用）を作る。モジュール基板 1 枚の回路ブロック図を Fig. 1 に、モジュール基板制御電源供給系ブロックス図を Fig. 2 に示す。
2.2

試験概要

基板モジュール 10 枚（2021 年度製作）を直列接続にて積み重ね、出力確認試験を行った。直列 10 段積みの外観を Fig. 3 に示す。また、直列 10 段積みの基板モジュールを 2 段直列とし、基板モジュール 20 枚での直列接続にて、出力確認試験を行った。

- 395 -

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Figure 1: Circuit block diagram of main SW board.

Figure 4: Test circuit diagram.
2.3.2 直流分担電圧確認結果
MOS サイリスタの 3 直列のアノード側（アース点）を基準とし、基板モジュール全体の充電電圧を高圧プローブで測定した。また、3 直列に接続したサイリスタ素子の各段（上段：高圧部、中段：中圧部、下段：低圧部）の両端電圧を差動プローブで測定し、直流分担電圧の割合を確認した。測定個所は Fig. 4 を参照する。充電電圧3 kV に対する各素子の分担電圧測定結果を Table 1 お
よび Fig. 5 に示す。

Figure 2: Power supply system block diagram.

Table 1: DC Shared Voltage Measurement Result
Upper(High voltage)

Middle(Medium voltage )Lower(Low voltage ）Ratio toRatio toBoard module
Measured
Measured charging
Measured charging
No.
value
voltagevalue
voltagevalue(setting 3kV) （V）(setting 3kV) （V）
（V）
（%）
（%）
Board 1
Board 2
Board 3
Board 4
Board 5Board 6
Board 7
Board 8
Board 9Board 10-997.4-1001.6-998.3-997.7-998.9-998.7-999.5-998.3-998.6-997.7

33.4
33.5
33.4
33.5
33.4
33.4
33.5
33.5
33.5
33.3

-977.5-966.3-977.2-981.8-983.4-980.2-978.9-981.1-979.7-985.3

32.8
32.3
32.7
32.9
32.8
32.8
32.8
32.9
32.9
32.9

Ratio tocharging
voltage(setting 3kV)（%）

-1007.0-1023.5-1009.1-1001.3-1012.6-1007.9-1006.5-1004.3-1000.6-1011.0

Figure 3: Appearance of serially stacked boards.

2.3

基板モジュール単体試験

2.3.1 概要
202１年度製作の 10 枚の基板モジュール（Board_1～10）について、単体試験を行い性能と単体誤差の確認を行った。試験回路と試験時の測定箇所を Fig. 4 に示す。
充放電用コンデンサに充電し、基板モジュールのスイッチ動作で放電時の出力電流を測定した。結果について
は、2.3.2 項と 2.3.3 項で説明する。

- 396 -Figure 5: DC shared voltage measurement result.

33.8
34.2
33.8
33.6
33.8
33.7
33.7
33.7
33.6
33.8

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PASJ2022 TUP038-3 kV 充電時の 3 直列の各段の MOS ゲートサイリスタ
アノード～カソード間の直流分担電圧比は、3 kV の均等分圧値: 1000 V（33.3 %）に対し-1.0 %～+0.9 %（32.3 %～34.2 %）の範囲に入った。また、MOS ゲートサイリスタ
素子単体に印加された最大電圧は 1024 V となり、均等分圧値（1000 V）を大きく超えるものはなかった。2019 年度および 2020 年度製作基板の結果は-2.1 %～+1.8 %（31.2 %～35.1 %）となり、製作年度違いによる大きな差は無いことを確認した[8, 9]。
2.3.3 並列電流分担確認と充放電動作確認結果
充電電圧 3 kV に対する 40 kA 出力時の出力動作確認を行い、全体電流、及び、Fig. 6 に示す基板モジュー
ル上の 16 並列回路の各接触ポスト(#1～#8 と#9～#16)に流れる分担電流を測定した。試験回路は Fig. 4 に従う。
全体電流 40 kA に対する各接触ポストの分担電流割合の結果を Table 2 に示し、電流分布グラフを Fig. 7 とFig. 8 にそれぞれ示す。

Figure 7: Current distribution of contact posts（#8～#1）.

Figure 8: Current distribution of contact posts（#9～#16）.
Figure 6: Current sharing measurement point.
Table 2: Current Sharing Measurement Result

定格電流 40 kA 出力時に 16 並列回路が均等に分流した場合の 6.25 %（40 kA/16 並列回路=2.5 kA=6.25 %）に対し、測定結果は+4.95 %～-2.55 %の範囲となった。
2021 年度製作基板における並列分担電流の最大値は4.7 kA（11.2 % at Board 4 #8）となり、クローバー装置用に試算した耐パルス電流 5.3 kA（50 µs）[5]に対してすべて許容範囲となり良好な結果となった。電流出力回路の端部（Table 2 および Fig. 7、8 の赤点線部分：#1、#8、#9、#16）の分流値が均等値よりも大きくなる傾向があるが、本傾向については、2019 年度と 2020 年度の製作基板で同様であった[8, 9]。
2.4直列 10 段積み試験

2.4.1 充放電試験
基板モジュール 10 枚（Board_1～10）を直列 10 段積みとし、-30 kV、40 kA で充放電試験を行った。直列 10段積み試験回路を Fig. 9 に、試験全景を Fig. 10 に示す。
-30 kV を 充 電 す る 模 擬 負 荷 の コ ン デ ン サ バ ン ク（117.5 µF）は、4.7 mF/400V のものを 8 直列×2 並列回路とし、それを 10 段積みにした。出力電流波形を Fig. 11に示す。出力ピーク電流は 40.4 kA、出力電流の半値幅は 77.2 µs であった。本結果は、必要な 40 kA、50 µs の動作出力の性能を満足する。

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2.4.2 電圧分担測定結果-30 kV、40.4 kA 出力時の各基板モジュール間の電圧分担の測定結果を Fig. 12 に示す。電圧分担比は、均等分圧値（10 %）の-0.23 %～+0.17 %（9.77 %～10.17 %）の範囲であった。各基板モジュール間の電圧分担に偏りは見られず良好な結果となった。

Figure 12: Measurement result of voltage sharing of eachboard (-30 kV charge).
Figure 9: 10 stack test circuit.
Simulated load capacitor bank(117.5µF)

2.5

直列 20 段積み試験

2.5.1 充放電試験
基板モジュール 20 枚を直列 20 段積みとし、-60 kV 充電での充放電試験を行った。直列 20 段積み試験回路をFig. 13 に、試験全景を Fig. 14 に示す。-60 kV 充電器より充電抵抗を介しコンデンサ（6.45 µF）に充電する。放電
時に放電電流（クローバー電流）が反転しないように制動抵抗とコンデンサと回路インダクタンスを調整している。
2.5.2 電圧分担測定結果

10-tier board module
Figure 10: 10 stack test settings.

-60 kV 充放電時の 20 段積み基板モジュールの 10 段毎の電圧分担波形を Fig. 15 に示す。電圧分担比は、均等 分 圧 値 （ 50 % ） の -1.33 % ～ +1.33 % （ 48.67 % ～51.33 %）の範囲であった。各 10 段積み基板モジュール間の電圧分担に偏りは見られず良好な結果となった。
2.5.3 出力電流波形-60 kV 充放電時の 20 段積み基板モジュールの出力電流波形を Fig. 16 に示す。本試験回路条件における出力ピーク電流は 16.3 kA となった。-60 kV 充電時、40 kAを出力する場合、コンデンサや制動抵抗を Fig. 13 の数倍の規模にする必要があり、本試験では出力電流を抑えた試験条件としている。40 kA の定格電流での動作確認は、10 段積み充放電試験で確認できている。

Figure 11: Output current waveform (30 kV charge).

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Figure 13: 20 stack test circuit.
20-tier board module

High voltage probe
Figure 14: 20 stack test settings.

3.

まとめ

新規基板モジュールを直列 10 段積みにした構成で、30 kV/40 kA の評価を実施し、定格電流 40 kA の動作を確認した。また、3k V/40 kA 基板モジュールを直列 20 段積みにした構成で、60 kV/16 kA の評価を実施し JPARC リニアッククライストロン電源のイグナイトロンスイッ
チの定格（120 kV、40 kA）電圧に対して 1/2 スケールの動作性能（60 kV、40 kA、50 µs）と制御電源の供給を確認した。
今後は、本基板モジュールの直列段積み上げ数を 20段から 30 段に増やし、定格 3/4 スケールの 90 kV 充放電を行い、より高電圧領域での出力動作の確認を行う。
更に、実機での使用を想定した半導体クローバースイッチ（120 kV、40 kA）を収納する高耐圧ケースにて、基板モジュールを油浸にして最終形態での動作確認試験も行うと共に、クライストロン電源テストスタンドを用いた評価試験も行う予定である。

謝辞開発に協力頂いた、リニアック RF グループの皆様に深く感謝する。

参考文献
Figure 15: Voltage sharing measurement of 20-tierboard module (60 kV charge).

Figure 16: Output current waveform (60 kV charge).

[1] http://j-parc.jp/c/index.html[2] M. Kawamura et al., “J-PARC リニアック用クライストロン電源 シ ス テ ム の 現 状 2013”, Proceedings of PASJ2013,
SAP061.
[3] M. Kawamura et al., “U H F クライストロン電源の大電力試
験”, Proceedings of the 18th Linear Accelerator Meeting inJapan, Tsukuba, 21-23 July 1993, pp202-205.
[4] T. Takayanagi et al., “パワー半導体を用いたキッカー用パルス電源とイグナイトロン代替スイッチの開発”, Proceedingsof PASJ2019, THOH02.
[5] A. Ono et al., “J-PARC 加速器用イグナイトロン代替半導体 ス イ ッ チ と 新 キ ッ カ ー 電 源 の 開 発 ”, Proceedings ofPASJ2019, WEPH038.
[6] H. Mori et al., “イグナイトロン代替半導体スイッチの開発”,
Proceedings of PASJ2019, WEPH007.
[7] H. Kamezaki et al., “イグナイトロン代替半導体スイッチ実用基板の評価”, Proceedings of PASJ2020, WEPPP39.
[8] A. Ono et al., “J-PARC 加速器用イグナイトロン代替半導体スイッチの開発”, Proceedings of PASJ2020, THPP45.
[9] A. Ono et al., “J-PARC クライストロン短絡保護用半導体クロ ー バ ー ス イ ッ チ の 開 発 ”, Proceedings of PASJ2021,
THP015.

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