パルスパワーワールド

高圧回路にダイオードを使用する場合は、ダイオードを直列に使用する事がある。又、一つの部品としてのダイオードであっても、その内部では多数のダイオード素子が直列になっている場合がある。特に、高圧の短パルス回路に使用する場合は、電流が流れた後の各ダイオード素子の逆回復時間にバラツキが大きいことが多く、逆回復時の直列阻止の電圧分担のアンバランスにより、過電圧が印加されたダイオードが故障して短絡し、その結果、電圧分担素子数が減り、他の素子もなだれ的に故障し、全滅に至る危険性が実は非常に高い。

この電圧分担を改善するために、ダイオード素子に並列にコンデンサや抵抗を接続する手法がよく使われるが、その結果、ダイオードの切れが悪くなり、高周波特性が劣化し、無効電流成分が増え、電源の効率、利用率が悪くなる。
アバランシェダイオード（なだれダイオード）はこの問題を解決してくれる。アバランシェ特性を有したダイオードはある規定レベル以上の電圧が印加されると破損する前にもれ電流が増加し、自分のダイオードの電圧上昇を抑え、他の直列素子に電圧を分担させる。結果、すべての直列素子の電圧が規定電圧以内で抑えられるので、電圧分担用の追加素子をつける必要が無い便利なダイオードだ。

ところが、この、アバランシェ特性を持った高圧ダイオードは以前は国産のものがあった（東芝など）が、需要不足からか現在では、国産の高圧アバランシェダイオードは皆無となってきた。アバランシェに限ることでは無いが、高圧の高速ダイオードは国産品の供給は減ってきており、ほとんどが輸入品に頼らざるを得ない状況だ。
最近、紹介を受けた高圧ダイオードに下記のものがある。
ＩＸＹＳ製高圧ダイオード　UGE1112AY4
８ｋＶ、４．２Ａの高圧ダイオードでアバランシェ特性を有しているので、直列接続で、高圧回路に使用できる。
又、ハーメチックシール構造となっているので、油中でも使用可能。
ＨＶ　ＣＯＭＰＯＮＥＮＴＳ社の高圧ダイオードＨＤＢ７．５と似た仕様と形状であるが、ＩＸＹＳ製の方がアバランシェ特性を明記している点と、開示されているデータが多い分、安心感がありそうに思う。今、開発中の製品にはＩＸＹＳ製のダイオードを使用してみて、信頼性の評価を行ってみよう。

我々、エンジニアというものは設計をするのが仕事だ。
この世の中にこんなに楽しい仕事は他にはないだろう。
地球のさまざまな資源は加工され、多くの人の労力を経て、数々の材料、部品に変貌する。多種多様の材料、部品はそれぞれは、個別に勝手に用意されたものだが、エンジニアがそれぞれの選定、組み合わせを適切にコーディネートすることにより、全く新しい洗練された機能を有し、人々の生活を豊かにし、幸せにしていく働きをする新しい生命体になる。その中の、各材料・部品はそれぞれが、確かに地球上のどこかを原産地として、採取されたものだ。それ自体では、人々の役に立たないものが、設計者の設計により、有機的に新しい機能を有する。それは、設計者・エンジニアが地球の資源に新しい命を吹き込むことの様であり、創造主となることである。
それゆえに、われわれ、エンジニアの責任は重い。しっかりとした設計をしなければ、奇形児が生まれたり、下手すると死産になる。これでは、多くの手を介して集められた資源があまりにもかわいそうだ。又、間違った考え、間違った思想に基づき、創造すればこれは人々を幸せにするどころか、苦しみを与え、不幸にし、戦争を引き起こす。
この社会貢献への責任感と達成感。創造することへの喜び。これが、日本のエンジニアが日々、黙々と邁進する原動力だろう。

私がパルスパワー技術研究所を設立するちょっと前の事だが、家族で京都の嵯峨野・嵐山に花見に出かけた。車は混むし、酒も飲めなくなるので、電車で行った。
嵐山の渡月橋を渡ったところで、弁当を食べたのち、嵯峨野を散策しながら、最後に小倉山二尊院を参拝した。
ここに、「心の糧七ヶ條」と書かれた色紙が置かれていた。

心の糧七ヶ條

一、　此の世の中で一番楽しく立派なことは生涯を貫く仕事をもつことである
一、　此の世の中で一番さみしいことは自分のする仕事のないことである
一、　此の世の中で一番尊いことは人の為に奉仕して決して恩に着せないことである
一、　此の世の中で一番みにくいことは他人の生活をうらやむことである
一、　此の世の中で一番みじめなことは教養のないことである
一、　此の世の中で一番恥であり悲しいことはうそをつくことである
一、　此の世の中で一番素晴らしいことは常に感謝の念を忘れず報恩の道を歩むことである

と書かれている。

前会社を退職した直後であり、最初の二つは身につまされる思いでしたが、これこそが、私が会社を立ち上げようとした理由でした。
生涯を貫く仕事をする。自分にとって、パルスパワーはまさに、自分の生涯をかけた仕事でした。パルスパワーそのものが、未だニッチな業界であり、関連する技術者方が活躍されていた会社を退職していく状況を度々目にする中で、この業界の先行きを非常に危うく感じました。
ニッチな技術とメジャーなマーケット。この両方に関わる会社は、一歩間違えば（本来これが正しい選択だと思うが）、メジャーなマーケットに走り、ニッチな技術は消滅してしまう。このニッチな技術を仕事として生涯を通じてやりぬくには、そういった仕事を会社方針として明確にした会社を立ち上げる他ないと思いました。

会社設立し今日で丁度５カ月が経過した。
七ヶ條の３項目の社会への貢献をし、４項目の人をうらやむことなく、５項目の研究開発を怠らずに、６項目の正直に真正面から、７項目の感謝の気持ちで生涯の仕事を貫きたいと心新たに思う今日この頃です。

この色紙は、今も私の事務所に飾られています。

高電圧に浮いて回路に使用される半導体スイッチにトリガ信号を供給するのに、光ファイバーが使用される。又、高電圧に浮いた回路に使用される半導体スイッチの状態をモニターするのにも光ファイバーが使用される。
以前は、これらの光信号を送受信するための光モジュールとして、東芝製TODX283が多用されてきた。しかし、この素子が保守品となり、新規案件では入手しがたくなってきた。最近では日立情報通信エンジニアリングのDC9351が良さそうである。
TODX283もDC9351もパッケージの形状は同一であるが、ピン配置が違っており、そのまま、置き換えはできない。基板パターンの変更が必要になる。
両方とも、伝送速度はＤＣ〜５０ＭＨｚと十分な周波数特性を持っており、伝送波形歪はＴＯＤＸ２８３で７ｎｓ、ＤＣ９３５１で８ｎｓとほぼ同等である。
ＤＣ９３５１は、ＴＯＤＸ２８３に比べて入手性はよくなったが、それでもまだ、一般的な素子ではないのか、受注生産で、納期がかかる。
今後のこの方面の部材の安定供給が期待されるところだ。

ＴＯＤＸ２８３
ＤＣ９３５１

高電圧のパルスを発生するのに、パルストランスは重宝なデバイスである。
もっとも効率よく、負荷にパルス電圧を供給するには、一般的には電源側のインピーダンスと負荷のインピーダンスを合わせる必要がある。負荷のインピーダンスは、負荷によってまちまちで、電圧が高くて電流が少ない高インピーダンスの負荷から、電圧が低くて電流が多い低インピーダンスの負荷までピンからキリまである。それに対して電源側のインピーダンスは通常とりえる範囲は数Ωから数百Ω程度と幅が狭く、負荷インピーダンスと合わせることができないことが頻繁にある。
こういうときにパルストランスを使用してインピーダンス整合を取ることができる。
トランスの巻数比の二乗に比例してインピーダンスは変化するので巻数比１：１０にすればインピーダンスを１００倍にすることができるし、１０：１にすればインピーダンスを１００分の１にできる。パルストランスを使用すれば整合が取れる負荷の範囲が一挙に１００００倍以上に広げることができる。
ところが、このパルストランスが、なかなか難しい。巻線ー巻線間の浮遊容量、巻線ー鉄心間の浮遊容量、巻線間の磁束のカップリング、巻線を伝わる電磁波の伝播遅れなどなどの影響で、トランスの一次電圧、電流と二次電圧、電流の波形は似ても似つかない波形となる。特に高電圧で短パルスのパルストランスは実現が難しい。
高電圧になると、鉄心の断面積が大きくなり、さらに、耐圧を確保するために鉄心と巻線間の距離が広くなる。そうすると巻線が鉄心を一周するのに長さが２ｍほどになる場合もある。これが１０回も巻いていようものなら、巻線長は２０ｍにもなる。このトランスが油の中に入っていると、巻線に沿って電磁波が伝わる時間は１００ｎｓになる。
このトランスに５０ｎｓのパルスを打ち込んでもまともな波形は得られそうも無いが、巻線１本１本の構造、配置を適正に作れば、そこそこの波形が得られるようになる。

これまでに私が開発した高電圧のパルストランスには６００ｋＶ、１．２ｋＡ、６００ｎｓや、１ＭＶ、２ｋＡ，１μｓなどがある。

前者はＫＥＫの明本先生と共同で開発したもので下記の論文で発表されている。
後者は、まだ、稼動前の状態であり、早く陽の目を見れるのを望む。

A 600 KV, 150 ns rise-time pulse transformer for klystron pulse modulators
Akemoto, M. Tokuchi, A.
Accelerator Lab., High Energy Accelerator Res. Organization, Ibaraki, Japan;

This paper appears in: Power Modulator Symposium, 2004 and 2004 High-Voltage Workshop. Conference Record of the Twenty-Sixth International
Publication Date: 23-26 May 2004
On page(s): 408-
ISBN: 0-7803-8586-1
INSPEC Accession Number: 8427317
Digital Object Identifier: 10.1109/MODSYM.2004.1433598
Current Version Published: 2005-05-31

Abstract
Summary form only given. A 600 kV, 150 ns rise-time pulse transformer with a 1:15 step-up ratio has been developed for klystron pulse modulators. This pulse transformer was designed to produce pulses with a peak current of 1200 A, a peak voltage of 600 kV, a rise-time of 150 ns, a flat-top width of 400 ns, and a repetition rate of 50 pps. To realize a fast rise-time, amorphous alloy toroidal cores with a high magnetic flux swing and a high permeability were used, and one-turn primary winding, a bifiler and tapered secondary winding design were adapted to reduce the leakage inductance. The transmission characteristics and pulse time-response were measured to analyze the pulse transformer performance. The data were compared with a distributed circuit model. The agreement with the model was very good. The results of high voltage tests using a dummy load are also presented.