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

PASJ2015 THOL08

サイラトロン代替半導体スイッチの開発
DEVELOPMENT OF SEMI-CONDUCTOR SWITCH FOR MODULATOR
原田瞬，佐藤尚登，大下英次
Shun Harada，Hisato Sato，Eiji Oshita
Nissin Pulse Electronics co., ltd.
Abstract
Now, many thyratrons still have been applied to klystron modulator as high voltage and big current switch,
once several presentations of replacement to semi-conductor switch were proposed in the past. It is very
important for modulator to apply semi-conductor switch, its stable operation and requirement of little
maintenance. We have developed an alternative semi-conductor switch for thyratron and the outline is mentioned
in this time.

１．はじめに電子リニアックに用いられるクライストロンモジュレータの主スイッチには，過去半導体スイッチの提案がなされているが，いまだにサイラトロンが採用されているのが実情である。今回我々は、サイラトロン代替スイッチとして使い勝手の良いＩＧＢＴを使用した半導体スイッチを開発したので，その概要について報告する。

表１．に今回開発したＩＧＢＴ半導体スイッチの主要仕様を示す。
Table 1: Specifications of Switch

２５ｋＶ
２ｋＡ
８μｓ（ＦＷＨＭ）
２５ｐｐｓ
ＩＧＢＴ

今回開発したスイッチについては、パルス幅を８μｓとしているが、冷却設計などを変更することにより、長パルス・高繰返しに対応出来るスイッチも可能と考えている。

３．開発課題設定

４．開発経緯前述の開発課題をクリアするため、社内検討な
らびに、社内試験を繰り返し実施した。

２．スイッチ概要

定格電圧
定格電流
パルス幅
パルス繰返し
使用素子

必要に応じてスイッチング損失低減を図ること。
５）サイラトロンおよびサイラトロンドライバ
ーと寸法面で同一程度とすること。
６）クライストロンブレイクダウン時，２倍の通電電流にも耐えうること。

１）素子選定素子選定にあたっては、サイリスタ・ＩＧＢＴ・ＳｉＣを中心に、現在当社が得意とするインバータパルス電源（出力電圧～10ｋＶ，繰返し～100ｋＨｚ）の知見も活用し検討を行った。
ＳｉＣはドライブの安定動作に懸念があること、およびサイリスタについては立上り（di/dt）の確保が困難であることより、流通量も多くドライブの安定性を含めＩＧＢＴ素子を採用し開発を進めることとした。
２）社内開発試験
社内試験については、スイッチに印加される波形がＰＦＮによる矩形波となるため、以下の点を考慮し社内試験を実施した。
（１）素子の実力を知るため、単発にて通電電流最大値の実力を調査する。
（２）極力実波形に近い波形が出るようＰＦＮ回路を組み、通電電流試験を実施する。
（３）損失を検討する上で、可飽和リアクトルによる損失低減試験も合わせて実施する。
（４）複数メーカの同一定格の素子を用い試験する。

今回の半導体スイッチの開発にあたっては、以下のポイントを課題に掲げ、必要な社内試験なども行い、慎重に開発を行った。
１）スイッチ素子は市販品で入手可能かつ安価なものであること。
２）駆動回路含め安定に動作可能なスイッチと上記の試験を実施し、ＩＧＢＴ素子の基本的な特性をすること。
明らかにした。
３）万一の故障時には、極力社内で修理対応が可能とすること。
４）ＯＮ時のスイッチング損失には特に注意し、- 112 -

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５．試験結果概要
１）通電電流試験
社内試験用として、電圧４ｋＶ 電流２ｋＡのＰＦＮ回路を作成した。主要パラメータを表２．に示す。また、図１．に代表的なＩＧＢＴ端子間電圧、通電電流波形を示す。
Table 2: Parameter of Test Circuit

充電電圧
定格電流
Ｍａｘパルス幅
パルス繰返しdi/dt

４ｋＶ（最大）２ｋＡ
３０μｓ（ＦＷＨＭ）
２５ｐｐｓ～１．５ｋＡ/μs

Figure 3: Characteristics of current – resistance.

ＩＧＢＴ ＯＮ時のスイッチングロスを可飽和リアクトルにより低減できると考えていたが、トリガー入力後、電流通電開始時間を遅らせても、損失低減には大きく寄与しないことが判明した。
これはＩＧＢＴ素子のスイッチングスピードがおおよそ～２００ｎｓ程度であり、電流立上り（di/dt）～１μs に比べて速いため、ＯＮ時の損失に大きな影響を与えないためと考えられる。

６．２５ｋＶスイッチ組立

Figure 1: Current and voltage waveform.

これらの試験回路、実測データをもとに、各特性を調査した。

社内で損失測定など必要な基礎データを測定
後冷却検討を行った。
冷却設計は、素子温度上昇値がカタログ値を超えないようにヒートシンクを検討し、２５ｋＶスイッチとして組み上げた。
組み上がりの外観を図４．に示す。

２）損失測定図２．に損失測定の代表例を示す。

Figure 4: Outline view of switch.

Figure 2: Ross characteristics of IGBT.

この結果より、ＩＧＢＴ素子がある電流値を超えると急激に損失大となることが判明した。
３）スイッチングロス低減
ＩＧＢＴ ＯＮ時のスイッチングロスが大きいと想定し、ＰＦＮ回路に可飽和リアクトルを挿入しＯＮ時のスイッチングロス低減を行った。
図３．に代表波形を示す。

７．フィールド試験
このスイッチ用い、早稲田大学鷲尾研究室殿所
有のクライストロンパルス電源へ組込み、フィールド試験を実施した。
図５．図６．にサイラトロン、ＩＧＢＴスイッチのＯＮ電圧測定波形を示す。
また、図７．にクライストロンに印加されるビーム電圧波形を示す。

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Figure 5: Waveform of thyratron voltage.
Figure 7: Waveform of beam voltage.

８．おわりに

Figure 6: Waveform of IGBT voltage.

測定の結果、トリガー入力直後のＯＮ電圧はサイラトロンの方がＩＧＢＴに比べて小さいが、２μｓ後はほぼ同等（約１７０Ｖ程度）となっている。
これより、２５ｋＶ用として組み上げたスイッチに置換しても、性能的には問題ないことが分かった。
また、図７．で示すようにクライストロンに印加されるビーム電圧はほぼ変化なく印加されている。実際にＩＧＢＴスイッチにてビーム加速が行なわれたが、若干の位相のずれが生じるものの問題なくビーム加速が出来ることを確認頂いた。
このＩＧＢＴスイッチを約５００時間超運転頂いたが、全く問題が生じなかったことを確認した。

今回２５ｋＶ ２ｋＡ、繰返し２５ｐｐｓの半導体スイッチを開発したが、実際に半導体スイッチのクライストロンモジュレータへの応用を考えた場合、クライストロンブレイクダウン時のシステム対応が重要になると考えられる。
ブレイクダウン時、次のショットを確実に停止する電源装置であれば、半導体スイッチの裕度を減らすことが出来るが、数ショット続く場合は素子破壊を防ぐためより大きな素子を選定することとなり、寸法・価格に影響が出る恐れがある。
今回の半導体スイッチの開発を機に加速器の安定動作に貢献できることをメーカとして切に願っている次第である。

９．謝辞
今回の半導体スイッチの開発にあたり、御支援頂きましたＪＡＳＲＩ 花木博文先生、小林利明先生、ならびにフィールド試験にご協力頂きました早稲田大学 鷲尾方一先生、坂上和之先生にこの場を借りて感謝申し上げます。

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