高周波源の考え方とその設計（2）acc of capacitor v = 2w ηεe2 case volume v of...

Accelerator Laboratory

高周波源の考え方とその設計（２）

明本光生

高エネルギー加速器研究機構305-0801茨城県つくば市大穂1-1

高エネルギー加速器セミナーOHO2006 超伝導リニアコライダー

２００６年９月１日

Accelerator Laboratory内容

（１）ILCパルス電源に要求される性能

（２）ベースライン電源・概要・要素部品・LCバウンサー式電源の基本動作

（３）ベースライン電源の実例

（４）ベースライン電源の今後の展開

（５）その他の電源方式

（６）まとめ


ILCパルス電源に要求される性能(1)

Specifications

• Operating Frequency 1.3 GHz• RF Pulse Width 1.5 ms• Peak Output Power 10 MW• Number of Beams 6• Beam Voltage 120 kV• Beam Current 140 A• Micro-Perveance 3.4• Repetition Rate 5 pps• Efficiency 60 %

ToshibaMBK

10 MW Multi-Beam Klystron


ILCパルス電源に要求される性能（２）

630 台電源の数

106 MW全電源のACライン入力

168 kW1台当たりのACライン入力

85 %電源効率

5 Hzパルス繰返し

< 20 Jガン放電時クライストロン許容注入エネルギー

29 kJパルス当たりのエネルギー

±0.5%パルス平坦度

140 Aクライストロン電流

120 kVクライストロン電圧

0.2 msパルス立上り/立下り時間

1.7 ms電源パルス幅

1.5 msRFパルス幅

2トンネルの断面図

MA/22


電源の高信頼化（長寿命化）

・コンポーネントの長寿命化・スイッチの半導体化

コストの低減（低価格化）・部品コストの低減・組み立てコストの低減

電力効率の改善（省エネルギー化）・コンポーネントの低損失化・波形効率の改善

ILCパルス電源に要求される性能（３）


ベースライン電源（１）

パルス電源としては長年TTF(TESLA Test Facility)で開発、運転されたバウンサー方式パルス電源パルストランス及びサグ補償付ダイレクトスイッチング(ハードチューブ)パルス電源

10kV-120kV140A1.7 ms5Hz

1.7kA


ベースライン電源（２）

V = V0 ⋅ e−

tCR

クライストロン抵抗負荷R=120kV/140A=857Ω

Cτ

パルス幅

C =τ

R ⋅ Dr

τ=1.7msDr=1%R=857Ω

Drサグ

パルストランス2次側換算値C=198µF

E =12

CVk2

E=1.4MJ

Vk=120kV

Dr=20%まで許されるならばC, Eは1/20になる。

コンデンサバンク費用、スペース 1/20

1kWヒータ24分間使用できる。

C=9.9µF (2次側)C=1426µF(1次側)

Switch


ベースライン電源（３）LCバウンサー回路

C L＋

起動用SCR(調整必要）

安全用短絡スイッチ

C過電圧放電用スイッチ

特長•回路が単純でコンパクト。•20%サグを1%に出来る。•調整が簡単。•製作費が安い。

充電用ダイオード

仕様電圧：±1kV,電流：

•FNAL Quentine Kerns氏の発明


ベースライン電源（４）シリーズスイッチ

仕様電圧：10kV電流：1.7kA

負荷短絡した場合、スイッ

チが動作するまでの時間遅れから~2500Aまで上昇する。その場合ターンオフ時に、半導体素子に最大の電圧が発生するので、素子の最大定格電圧を超えないように設計しなければならない。

GTO(Gate turn-off thyristor )、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、IGCT(Integrated Gate Commutated Thyristor)


ベースライン電源（５）コンデンサバンク

Wv

=12

εrε0E2

コンデンサのエネルギー密度

W：蓄積エネルギー(J)

v：誘電体の体積(m3)

εr：誘電体の比誘電率

ε０：真空の誘電率(8.85x10-12F/m)

E：電位傾度(V/m)

•No-Healing

•Self-Healing(SH)

50~100V/µm

~200V/µmメタリコン

蒸着薄膜数100オングストローム

誘電体フィルム誘電体フィルム

メタリコン金属薄~7µm

誘電体フィルム

誘電体：コンデンサ薄紙(εr~4.5)、プラスチックフィルム(εr=2.0~2.3)、


ベースライン電源（６）コンデンサバンク

Down-sizing of capacitor

V =2W

ηεE2

Case volume V of capacitor:

W : stored energyε : dielectric constantη : packing factorE : field strength( ~ 60 V/µm for no-healing capacitor)

Cross section of dielectric/electrodeConfigulation(not to scale)

Test CapacitorSelf-Healing Type Capacitor Breakdown Capacitor Element

0

50

100

150

200

250

300

105 106 107 108 109 1010

SH

NH

Ref(n=20.8)

Elec

tric

field

stre

ngth

(V/µ

m)

Lifetime(Shots)

LL0

=VV0

⎛

⎝ ⎜ ⎜

⎞

⎠ ⎟ ⎟

−n

Accelerated Life TestElectric field strength vs Lifetime

50pps X 7,000H X 8 Years

ATF Modulator

CapacitorVolume

1/4


ベースライン電源（７）コンデンサ

SHNH

133kJ/m3


ベースライン電源（８）パルストランス

クライストロン抵抗負荷R=120kV/140A=857Ω

tr = 2.2 ⋅Ll

R

Ll(リーケイジインダクタンス)

A =Vs ⋅ τ

Ns ⋅ ∆B

A

•コアの断面積(A) •パルスの立ち上がり時間(tr)

Ll =12

µ H 2∫ dv ∝ Ns2

Ns

Ll =tr ⋅ R2.2

=100µs ⋅ 857Ω

2.2= 39mH

Np

120kV 1.7ms

~2T(dcバイアス）


ベースライン電源（９）パルストランス

Cores• 25 Cores used for JHF pulse transformer were reused in total number of 39 cores for cost saving.• Material is 0.22mm thick silicon steal ribbon.• 4.4 tons in weight

STF#1パルストランスの仕様• Primary voltage 21.7 kV• Primary current 588 A• Primary impedance 36.8Ω• Secondary voltage 130 kV• Secondary current 98 kV• Secondary impedance 1327 Ω• Flat-top pulse width 1.5 ms• Rise-time(10-90%) 40µs• Pulse droop < 3%• Step-up ratio 1:6• Pulse repetition rate 5pps

Design Feature• DC bias• Auto winding• Heater transformer is isolation transformer type.

コアの組み立て


ベースライン電源（１０）パルストランス

パルストランスの組立

巻き線方式

1

23

4

65T65T167T 158T65T

1710mm 660mm

設計値 (2次側）• Primary inductance : 60 H• Leakage inductance : 20 mH • Distributed capacitance : 570 pF1255mm

Ll=28 mH@ABB

パルストランス本体：4.8tタンク１式：1.84t油：2.5t総重量：9.14t


ベースライン電源（１１）パルストランス

•ABB社製パルストランス

リーケイジインダクタンス(2次側):28mH

サイズ： 2590(W)x1200(D)x1340(H)mm


ベースライン電源（１２）バウンサー方式電源の基本動作

VS =E L

CR

sinωtp

2⎛

⎝ ⎜

⎞

⎠ ⎟

LC

2Rsin

ωtp2

⎛

⎝ ⎜

⎞

⎠ ⎟ cos ωtb( )− cos ωtb +

ωtp2

⎛

⎝ ⎜

⎞

⎠ ⎟


ベースライン電源（１３）バウンサー方式電源の基本動作

運転開始時のシミュレーション


ベースライン電源（１４）LC値の求め方

Z =LC T = 2π L ⋅C

L =T2

1π ⋅ Z C =

T2

Zπ

•バウンサー回路はLC共振回路

•最終決定はシミュレーションで確認する。

•LCを書き換えると

•STF#1の場合

T/2>パルス幅Z~負荷インピーダンスの5%程度.

T/2=2.2ms, Z=1.7ΩL=412µH, C=1190µF

C=1200µFL=420µH

に決定。


ベースライン電源（１５）バウンサー方式の運転実例

• Peak Output Power 11.4 MW• Secondary Output Voltage 130 kV• Secondary Output Current 98 A• Pulse width 1.7 ms• Flat-top width > 1.5 ms• Rise time(10-90%) < 0.1ms• Flatness ±0.5%• Repetition Rate 5 pps• Pulse Transformer Ratio 1:6• Capacitor Bank 282 µF• LC Bouncer

Inductance 1.2 mHCapacitance 0.42 mF

• Series SwitchVoltage 21.7 kVCurrent 588 A TH2104A

5MW Klystron


ベースライン電源（１６）バウンサー方式の運転実例

Use existing components possible• Add 150µF capacitor• Install a bouncer circuit• Change to new pulse transformer for long pulse operation

IGBT Switch

Heater Transformer

1:6

Klystron TH2104

Bouncer Circuit

-22kV

1.2mH

0.42mF

~100m High-Voltage Coaxial Cable


ベースライン電源（１７）バウンサー方式の運転実例

DC Power Supply(Tent House)

SCR unit

Capacitor Bank and Crowbar unit VCB


ベースライン電源（１８）バウンサー方式の運転実例

Pulse Transformer

KlystronTH2104

IGBT Switchunit

BouncerCircuit

STF Klystron Gallery


ベースライン電源（１９）バウンサー方式の運転実例

Use 36 IGBTs in seriesTrigger: Optical fiber cable

Switch unitIGBTMitsubishi CM600H-24HRated Voltage : 1200VRated Current : 600A

IGBT Driver Board

•IGBT Switch


ベースライン電源（２０）バウンサー方式の運転実例

Inside of Bouncer CircuitBouncer unit

InductorCapacitor

SCR

ClipperDiode

•バウンサー回路


ベースライン電源（２１）バウンサー方式の運転実例

-20

0

20

40

60

80

100

-0.5 0 0.5 1 1.5 2

Kly

stro

n C

urrr

ent(A

)

Time(ms)

-20

0

20

40

60

80

100

120

-0.5 0 0.5 1 1.5 2K

lyst

ron

Cur

rent

(A)

Time(ms)

Es=17kV, Pw=1.7ms, fr=5ppsPeak Klystron voltage=98kVRise-time(10-90%)=33µs

Es=16kV, Pw=1.7ms, fr=5pps

•バウンサー回路なし


ベースライン電源（２２）バウンサー方式の運転実例

Es=20kV, Pw=1.7ms, fr=5ppsRise-time(10-90%)=33µs

Es=17kV, Pw=1.7ms, fr=5ppsFlatness=0.8%(p-p)

•バウンサー回路あり

-100

-95

-90

-85

-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5

Kly

stro

n V

olta

ge(k

V)

Time(ms)

Es=17kVfr=5pps

0.3ms

0.7ms

0.52ms

0.4ms

0.6ms

-4000

-3000

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

4000 -140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0

20-3 -2 -1 0 1 2 3 4

Bou

ncer

Vol

tage

(V)/C

urre

nt(A

)

Klystron V

oltage(kV)

Time(ms)

Klystron Voltage

Bouncer Voltage

Bouncer Current


ベースライン電源の実例（１）FNAL/TTF製

ピーク出力電力 14.3 MW パルストランス昇圧比 1:12 2 次側出力パルス電圧 110 kV 2 次側出力パルス電流 130 A パルス立ち上がり時間(10 -90%) < 0. 2 ms パルス平坦度 ±0.5 %

パルス幅(平坦部 ) >1. 4 ms パルス幅(半値全幅 ) 1.7 ms コンデンサバンク 1400 F

バウンサー回路 L 330 H

バウンサー回路 C 2000 F

シリーズスイッチ電圧 9.2 kV シリーズスイッチ電流 1.68 KA 最大パルス繰返し 10 p ps

FNAL/TTFパルス電源#2,3の仕様第1号機•TTF用1993年製作。•5MWクライストロン用•出パルス幅:2ms•パルストランス昇圧比 :1:13•GTOスイッチ•バウンサーL:600µH•運転実績:25,000時間(2005年1月時点）

第2,3号機•TTF用1996年製作。•10MWMBK用•運転実績:18,000時間(2005年1月時点）


ベースライン電源の実例（２）FNAL/TTF製

•FNAL/TTFパルス電源#2,3


ベースライン電源の実例（３）FNAL/TTF製

QuickTimeý Ç²ÉtÉHÉg - JPEG êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄ

Ç™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉÇ¾å©ÇÈÇ…ÇÕïKóvÇ-Ç ÅBQuickTimeý Ç²

ÉtÉHÉg - JPEG êLí£ÉvÉçÉOÉâÉÄÇ™Ç±ÇÃÉsÉNÉ`ÉÉÇ¾å©ÇÈÇ…ÇÕïKóvÇ-Ç ÅB

Front side Back side

#1AC/Phase Controller

#2HV Tank

#3Capacitor

Bank

#4Capacitor Bank

Crowber

#5Main SW

Bouncer CircuitClipper Circuit

Unit Cabinet:107(W)x173(D)x183(H)Total Size : 525(W)x173(D)x183(H)

unit= cm


ベースライン電源の実例（４）FNAL/TTF製

Size: 2400(W) x 1220(D) x 1250(H) unit: mm

•パルストランスとクライストロン


ベースライン電源の実例（５）FNAL/TTF製

Phase ControllerAC Line SW

Conductor SW

AC 400V 3 Φ50Hz Line


Cabinet#1


ベースライン電源の実例（６）FNAL/TTF製

Front side

HV Oil Filled Tank

DiodeIR #CO3-1742

Cabinet#2


ベースライン電源の実例（７）FNAL/TTF製

Cabinet#3


Capacitors BankCurrent Limiter

0.1 Ω

PS for IGBT SW driver circuit

Ignitrons

CTLT-100-S

CTLEM

#LT-4000-S

Voltage/Current Monitor


ベースライン電源の実例（８）FNAL/TTF製

Cabinet#4

Front side Back sideCapacitor Bank0.1 Ω

Ignitrons50 µH

Diode

10 µF

0.07 Ω


ベースライン電源の実例（９）FNAL/TTF製

Cabinet#5

Front sideBack side

Clipper CircuitC3

IGBT SWBouncer C2

2000µF

Bouncer330µH

Strip Line

SCR SW

Trigger Fan-out Box


ベースライン電源の実例（１０）FNAL/TTF製

•FNAL/TTFパルス電源＃１の波形

コデンサバンクとバウンサー電圧波形500V/div, 1ms/div

パルストランス2次側電圧波形2kV/div(上), 20kV/div(下), 1ms/div

•FNAL/TTFパルス電源＃１の電力効率

1000V

平坦度(p-p)<1%

ピーク電圧：122kV、パルス幅：2.2ms、繰り返し：10pps、AC入力電力：274kW出力電圧波形の平均ピーク値の-5%~1%間を有効電力とすると：236kW電力効率＝236kW/274kW=86%


ベースライン電源の実例（１１）PPT/TTF製

ピーク出力電力 16.8 MW パルストランス昇圧比 1:12 2 次側出力パルス電圧 120 kV 2 次側出力パルス電流 140 A パルス立ち上がり時間(10 -90%) < 0.2 ms パルス平坦度 ±0.5 %

パルス幅(平坦部) >1.5 ms パルス幅(半値全幅) 1.7 ms コンデンサバンク 1440 F

バウンサー回路 L 320 H

バウンサー回路 C 1800 F

シリーズスイッチ電圧 10 kV シリーズスイッチ電流 1.68 kA 最大パルス繰返し 10 pp s

PPT/TTFパルス電源の仕様

•TTF用にPPT(Pulse-PlasmatechnikGmbH)製作。•FNAL/TTFの電源設計に基づく。•これまで8台製作。•小型、軽量化、高信頼化した。


ベースライン電源の実例（１２）PPT/TTF製

スイッチング電源12KV,300KW

SHコンデンサバンク133kJ/m3

IGCTスイッチ4.5kV,2.2kAx7

光トリガーサイリスタ

小型、軽量化

小型、軽量化、低価格化

高信頼化

小型、軽量化、高信頼化


ベースライン電源の実例（１３）PPT/TTF製


ベースライン電源の実例（１４）PPT/TTF製


ベースライン電源の実例（１５）PPT/TTF製

サイズ：3.6(W)x1.6m(D)x2.2(H)m

FNAL/TTFと比較：容積で24%床面積で36%小型化


ベースライン電源の実例（１６）PPT/TTF製

5MWクライストロンTH2104Cでの波形


ベースライン電源の今後の展開（１）

ベースライン電源の課題

信頼性のある電源である。

(1)パルストランス(FNAL/TTF製の場合)• コスト(全製造費用の約20%)• サイズ(全床面積の約24%)• 重量(~6.5t)

(2)直流電源• スイッチング電源で小型、軽量化できる。• しかし、コストが問題。(全製造費用の約20%)

手があるか？

•コイル巻き数増加•鉄心の板厚•コアの製法積鉄心方式

あまりない？

コストサイズ


ベースライン電源の今後の展開（２）

シリーズスイッチの改善

(1)シリーズスイッチの高信頼化とクローバ回路の省略シリーズスイッチ１つ１つの素子に異常検出機能付（コレクターエミッタ間の電圧の監視）のゲート駆動回路を備え、構成する素子に１つでも異常が検出された場合、スイッチを高速遮断し、直流高圧電源を停止するインターロックを設ける。通常の過電流インターロックと合わせてインターロックシステムを２重化することによってスイッチの信頼性を向上さ

せて、クローバ回路を省略する。

(2)駆動回路への電源供給の簡素化主回路から直接電力を供給する方法である。これは直列接続した各素子に設けるスナバ回路などから駆動回路に給電する方式で、従来絶縁のため必要であったトランスが不要になる。特に駆動電流の比較的少ないIGBTの場合、分圧抵抗部からの給電が可能である。

STF第２号で試みる。


ベースライン電源の今後の展開（３）

コンデンサバンクの改善

(1)コンデンサの小型、軽量化、低価格化SHコンデンサで誘電体にポリプロピレンフィルムを使用しさらに蒸着パターンの改良を行えば、設計電位傾度～300V/µmまで上げることができる。これはエネルギー密度でいうと~270kJ/m3である。これによてコンデンサバンクはより、小型、軽量化、また低価格化できる。

(2)コンデンサの安全性の向上SHコンデンサのもう一つの特長として、フィルム上に多数の分割(パターン)蒸着された電極構造を作ると、自己回復限界を超えて誘電体破壊が生じても絶縁破壊の際に生じる過電流によって、小区分単位に故障部分のコンデンサが回路より切り放される。この事によって健全なコンデンサとしての維持ができるので安全面でも優れている。

STF第２号で試みる。


その他の電源方式（１）ダイレクトスイッチング方式

Series 4.5kV IGBTs

ダイレクトスイッチング方式はべースライン電源のパルストランスをなくしたもので、コンデンサバンク120kVDCをシリーズスイッチでオンオフして高圧パルスを直接クライストロンに印加する方法である。米国のDTI(Diversified Technologies, Inc.)社[10]が開発中のバウンサー方式ダイレクトスイッチング電源。


その他の電源方式（２）ダイレクトスイッチング方式

Main tank(2.4x1.2m) Capacitor tank(2.4x1.2m) Power SupplyInverter Rack(19”)


その他の電源方式（３）マルクス方式(SLAC)

独立した小型ダイレクトスイッチング電源（セル電源）を多直列接続して、各パルス出力を合成して大電力パルス作り、直接クライストロンに印加する方式である。利点はパルストランスを使わないとともに、各セル電源のトリガータイミング、パルス幅を個別に調整することによって平坦性のよい合成パルスを同時に作ることができ、より小型、軽量化、低価格及び高効率化できることである。


その他の電源方式（４）マルクス方式(SLAC)

この電源は気中使用で、主セル16段(内2段はスペアで14段が使用される)とパルス波形の平坦調整用補正セル２段が直列接続されている。主セルは12kV、補正セルは1.2kVで８セル分のパルスを出力するが、それぞれ各セルのPCボードに収納されている。各セルのコンデンサへの充電はCharging Switchを通して行われ、それがオンすることによって行われる。但し、Main Switchがオンする直前にCharging Switchはオフされ、そしてMain Switchがオフ後再びオンされる。これら２つのスイッチ(IGBT)のコントロール及びトリガーのタイミングは絶縁を保つために、2.4GHzのワイアレスで信号及びトリガーを伝送している。2006年内にフル試験を行う予定である。


その他の電源方式（５）コンバータ方式(SNS)

コンバータ方式は低電圧のパルス状の高周波交流をトランスで昇圧した後、整流して高圧のパルスを作るやり方である。

この方式はLANLがORNL SNSクライストロン電源用（140kV、90A、1.2ms、60pps）としてこの方式を開発した[13]。Fig. 6.6に回路構成を示す。ACラインからの電力を先ず2.3kVのDCに変換し、それをIGBTで20kHでインバータした後、３相の高周波パルストランスにそれぞれ入力して60倍に昇圧し、その後整流してピーク電圧140kVのパルスを作り、それを直接クライストロンに印加する。PWM、フィードバック、フィードフォワード制御によって、平坦性のよいパルスを作ることが可能で電源効率が90%以上である。 80kV出力電圧波形の例

(フィードバック入り)


その他の電源方式（６）コンバータ方式(SNS)

(I/O)

(FEEDBACK)

RECTIFIER TRANSFORMERAND FILTERS

SCRREGULATOR

ENERGYSTORAGE/SWITCHING

BOOST TRANSFORMER

HV RECTIFIERAND FILTER NETWORK

INPUTLINE CHOKE

5th

HARMONICTRAP

7th

HARMONICTRAP

13.8KV3Ø

50mH

AØ

BØCØ3Ø

(ON/OFF)

4mH400A

4mH400A

6 EACH

6 EACH

RTN

X3

CSHUNT-PEAK

AØ BØ CØ

-HV -HV -HV 10ohm 20mH

.03uF

.03uF

.05uF VMON

HVOUTPUT

EQUIPMENTCONTROL

RACK

RECTIFIER TRANSFORMERAND FILTERS

SCRREGULATOR

HIGH VOLTAGECONVERTER/MODULATOR

EQUIPMENTCONTROL RACK

2300V 20kHz 1:18(gain 1:60)13.8kV140kVKlystronFault energy <10J

サイズは 2.3(W)x4.0(L)x2.1(H) m


その他の電源方式（７）低電圧方式(KEK)

KEKマルチビームクライストロン

RF出力：10 MWクライストロン電圧：50kVクライストロン電流：309Aパービアンス：27.68µP効率：64.6%

R=50kV/309A=162Ω

C=1.7ms/(162Ωx20%)=52µFE=1/2x52µFx(50kV)2=65kL

スイッチ50kV, 309A

バウンサー回路

コンデンサバンク50kV, 32µF,65kJ


まとめ

（１）ILCベースライン電源（バウンサー方式パルス電源）を中心にクライストロン用パルス電源について学習した。

（２）ベースライン電源は信頼性の高い,基本となる電源である。

（３）半導体素子技術、回路技術を駆使して、新しいパルス電源の開発が進められている。大きな発展が期待される。

（４）日本はパルスパワー分野は遅れている。3Kでありますが皆様の参加を大歓迎します。

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