SiC-MOSFETを用いた半導体スイッチ電源の開発

Development of solid-state switch for power supply with SiC-MOSFET

高柳 智弘   ; 植野 智晶*; 堀野 光喜*; 山本 風海   ; 金正 倫計  

Takayanagi, Tomohiro; Ueno, Tomoaki*; Horino, Koki*; Yamamoto, Kazami; Kinsho, Michikazu

3GeVシンクロトロン加速器用パルス電磁石電源の高度化を目的とした超高電圧短パルススイッチ電源に関する発表を行う。現在主流のSi製のパワー半導体より高耐圧,低損失、かつ、高周波動作に優れた次世代パワー半導体のSiC-MOSFETを用いたスイッチ電源の開発を進めている。半導体のSiC化は、サイラトロン代替スイッチや省電力小型スイッチング電源の製品化を可能とする。しかし、J-PARC 3GeV-RCSキッカー電源で採用しているサイラトロンの仕様(80kV/4kA)を1モジュールで満足する製品は開発されていない。その為、パワー半導体を直並列に多重化した回路を構築する必要がある。また、キッカー電源に要求される高速短パルス波形の出力には、パワー半導体の性能向上とは別にインダクタンスや浮遊容量などの回路インピーダンスを考慮した設計がポイントになる。そこで、パワー半導体を同心円状に配列し全並列回路のインピーダンスを同値にできる円形の放射対称型回路を構築した。これにより、回路インピーダンスの差異に起因した波形歪みを抑制できた。本構造はLTD回路に採用されており、半導体新キッカー電源の開発には不可欠である。発表では、SiC-MOSFETを用いたスイッチ回路を放射対称型と一般的な線形対称型でそれぞれ構築し各出力波形歪みを評価した結果、LTD回路を採用した半導体新キッカー電源の予備試験の結果、更に、同じスイッチング回路でSi-IGBTとSiC-MOSFETを置換して損失を評価した結果を報告する。

We will present the development of super high voltage short pulse switch power supply aiming at high performance of 3 GeV synchrotron accelerator pulsed electromagnet power supply. We are developing the switch power supply using SiC-MOSFET of the next generation power semiconductor which is higher in breakdown voltage, lower loss, and higher frequency operation than the current mainstream Si power semiconductors. The SiC conversion of semiconductors enables commercialization of thyratron substitute switches and power-saving small size switching power supplies. However, products that satisfy the specification of the thyratron (80kV/4kA) adopted for the J-PARC 3 GeV-RCS kicker power supply with one module have not been developed. Therefore, it is necessary to construct a circuit in which power semiconductors are multiplexed in series and parallel. In addition, the high-speed short pulse waveform required for the kicker power supply is designed with consideration of the circuit impedance such as inductance and stray capacitance separately from the performance improvement of the power semiconductor. Therefore, a circular radially symmetric circuit was constructed in which power semiconductors were concentrically arranged and the impedance of all parallel circuits could be made equal. As a result, waveform distortion caused by the difference in circuit impedance could be suppressed. This structure is adopted in the LTD circuit and it is indispensable for the development of semiconductor new kicker power supply. In this presentation, the results of the preliminary test and the evaluating test are reported.