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成果報告書詳細
管理番号20170000000599
タイトル平成27年度ー平成28年度成果報告書 低炭素社会を実現する次世代パワーエレクトロニクスプロジェクト/次世代パワーエレクトロニクス応用システム開発の先導研究/コンパクト加速器を実現するための超高速・高電圧パルス電源の開発
公開日2018/3/16
報告書年度2015 - 2016
委託先名大学共同利用機関法人高エネルギー加速器研究機構 国立研究開発法人産業技術総合研究所 国立大学法人筑波大学 株式会社パルスパワー技術研究所
プロジェクト番号P10022
部署名IoT推進部
和文要約件名:平成27年度ー平成28年度成果報告書 低炭素社会を実現する次世代パワーエレクトロニクスプロジェクト 次世代パワーエレクトロニクス応用システム開発の先導研究 「コンパクト加速器を実現するための超高速・高電圧パルス電源の開発」

本研究は次世代パワーエレクトロニクス技術、特に高速・高電圧SiCパワー半導体技術によって超高速・高電圧パルス電源を開発し、加速器の大幅なコンパクト化を実現し、運用コストも大幅に低減出来る装置の研究開発を行うことを目的としている。その先導研究として、超高速ー高電圧パルス電源を開発した。加速器は医療や物性解析などの分野で多くの応用が見込まれている。しかし、通常使われているシンクロトロンは巨大な電磁石と複雑な制御システムよりなり建設コストが膨大で、多大な電力を消費する。この問題を解決する候補としてパルスで直線的に加速するコンパクト加速器が提唱されている。このコンパクト加速器で必要となるのが非常に高電圧の超短パルスである。このパルス電源の最も重要なスイッチングデバイスを開発することによってコンパクト加速器の開発に資することを目的としている。
我々はスイッチングデバイスとしてSiCドリフトステップリカバリーダイオード(SiC-DSRD)の開発を行った。ダイオードの逆回復時に発生する電圧は半導体の設計により決まり、ソフトリカバリやファーストリカバリの特性を持つダイオードを設計することが出来る。電流が遮断される特性を高速にすることによって高電圧・高速パルスを発生させることが出来る。回路動作を取り入れたデバイスシミュレーションでは高速でスイッチする動作結果を得ることが出来、10kV SiC-DSRDではピーク電圧6kV, 5nsの立上がり特性を得ることに成功した。このパルス電源は時間的にも振幅的にも安定な動作であることを確認した。また、最適な素子層構成ならびに素子サイズを選択することによって耐圧2800VのSiC-DSRDを設計、製作技術を確立した。これをスタックすることによってピーク電圧11.3kV 、 2.3ns立上がり特性を得ることに成功した。また、このSiC-DSRDをドライブする回路を開発しパルス電源として製作した。このように高速のパルス電源では注意深い製作技術が必要であることも分かった。
英文要約Title: Development of a very fast and high voltage pulse power supply using SiC-DSRD for the compact accelerator (FY2015-2016) Final Report

A high voltage pulse power supply with very short pulse width has been developed for a compact beam accelerator, which uses SiC-Drift Step Recovery Diode (SiC-DSRD) device. Beam accelerator has many applications, for example, medical therapy, material analysis, etc. Synchrotron type accelerator is using for the applications, which consists of very big/heavy magnets and very complicate control system. The size and the operation cost is problem for these applications. Compact accelerator, high field pulse linac, is one of promising candidate to solve the problem for the simple configuration. The key component is the high voltage pulse power supply with very short pulse width. We focus on the development of the SiC-DSRD, which has a capability over 10kV pulse height and less than 10ns of the switching speed.
The simulation result shows a good switching characteristics of the SiC-DSRD, when the chip size and the doping profile are optimized. The design work was done according to the simulation. The development of element processes of SiC-DSRD and its fabrication was done based on the simulation. The pulse power supply using a 10kV blocking voltage SiC-DSRD achieved the peak pulse height 6kV and 5ns of the rise time. The timing jitter and the amplitude stability of the pulse power supply are 0.03ns and 0.22%, respectively.
The simulation work of the different layer structure was surveyed to find out faster switching speed and some layer structures showed the excellent switching characteristics. After establishing the technology to form the drift layer and termination structures of SiC-DSRD based on the simulation, We have succeeded to fabricate the fast switching SiC-DSRD. The blocking voltage is 2800V and Vf is 3.6V. The result of the pulse test using the stacked SiC-DSRD achieved the peak pulse height 11.3kV and 2.3ns of the rise time. The drive circuit of the SiC-DSRD was also developed. The output pulse shape is very sensitive with the driving circuit. The carful tuning of the pulse power supply was needed for the very fast pulse shaping. The target of the project was achieved.
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