An ultra-fast switch technology concept for future beam transfer at CERN using impact ionization triggering of high voltage thyristors

Im CERN-Teilchenbeschleunigerkomplex übertragen schnell gepulste Magnetsysteme den Teilchenstrahl zwischen den Beschleunigerstufen. Viele dieser Systeme verwenden Kickermagneten vom Typ Übertragungsleitung, um geladene Teilchen mit einem Magnetfeldpuls zu lenken, der eine gut definierte flache Spitze sowie schnelle Anstiegs- und Abfallzeiten aufweist. Einige Kickermagneten sind mit einem Kurzschluss abgeschlossen, um die Kickstärke für eine gegebene Systemimpedanz, Aperturgröße und Magnetlänge zu verdoppeln, indem der Strom im Kickermagneten verdoppelt wird. Die Impulsgeneratoren, die derzeit diese Kickermagneten antreiben, basieren auf Impulsformungsleitungen oder Impulsformungsnetzwerken und Thyratron-Schaltern. ... mehrAufgrund der Obsoleszenz der verwendeten Thyratron-Schalter müssen diese Impulsgeneratoren jedoch in naher Zukunft ersetzt werden.

In jüngsten Studien wurde gezeigt, dass die Aktivierung industrieller Thyristoren (die relativ langsame Schaltgeräte sind) im Überspannungsmodus, auch bekannt als Stoßionisationsmodus, ihre dU/dt- und dI/dt-Eigenschaften erheblich verbessern kann. Diese neue Aktivierungstechnik erfordert die Anwendung einer erheblichen Überspannung zwischen Anode und Kathode des Thyristors, die mit einer schnellen Anstiegsgeschwindigkeit von mehr als \SI{1}{kV/ns} geliefert wird. Durch die Verwendung kompakter Impulsgeneratoren, die aus handelsüblichen Standardkomponenten (COTS) hergestellt werden, hat sich die Technologie neue Anwendungsmöglichkeiten in verschiedenen Bereichen eröffnet, einschließlich des Einsatzes von Hochgeschwindigkeits-Kickergeneratoren in Teilchenbeschleunigern.

In meiner Methodik habe ich handelsübliche Hochspannungs-SiC-MOSFETs zusammen mit einem speziell entwickelten schnellen Gate-Treiber verwendet. Dieser Treiber wurde auf der Grundlage neuer Gate-Boosting-Techniken konzipiert und bietet eine Treiberspannung von über 600 V. Der Gate-Treiber für diese MOSFETs besteht aus drei Hauptkomponenten: einem Pegelwandler mit NMOS- und PMOS-Transistoren, einem kompakten Marx-Generator mit zwei Lawinentransistoren und einem GaN-HEMT in einer Konfiguration mit hoher Eingangs- und niedriger Ausgangsimpedanz. Der vorgeschlagene Gate-Boosting-Treiber erreicht eine Anstiegsgeschwindigkeit von mehr als \SI{1}{kV/ns} für den Treiberpuls.

Darüber hinaus zeige ich, dass ein mit diesem Treiber betriebener SiC-MOSFET mit einer Nennspannung von \SI{1.7}{kV} einen Ausgangspuls von \SI{1.45}{kV} und eine maximale Anstiegsgeschwindigkeit von etwa \SI{2.5}{kV/ns} erzeugen kann. Dieser Gate-Boosting-Treiber zielt darauf ab, Schaltzeiten zu minimieren, eine Anstiegsgeschwindigkeit von über \SI{1}{kV/ns} zu erreichen und höhere Lasten zu bewältigen. Der erzeugte Ausgangspuls wird dann in einem vierstufigen Marx-Generator, der aus kleinen, mit \SI{1.2}{kV} bewerteten D2PAK-Thyristoren besteht, verstärkt und geschärft. Diese Konfiguration erzeugt einen Ausgangspuls mit einer Amplitude von \SI{11}{kV} und einer Anstiegsgeschwindigkeit von \SI{6.6}{kV/ns}.

In the CERN particle accelerator complex, fast pulsed magnet systems transfer the particle beam between accelerator stages. Many of these systems use transmission line type kicker magnets to deflect charged particles with a magnetic field pulse that has a well-defined flat top and rapid rise and fall times. Some kicker magnets are terminated with a short-circuit to double the kick-strength for a given system impedance, aperture size, and magnet length by doubling the current in the kicker magnet. The pulse generators currently driving these kicker magnets are based on pulse forming lines or pulse forming networks and thyratron switches. ... mehrHowever, due to the obsolescence of the thyratron switches, these pulse generators need to be replaced in the near future.

In recent studies, it has been shown that activating industrial thyristors (which are relatively slow switching devices) in overvoltage mode, also known as impact ionization mode, can significantly improve their dU/dt and dI/dt characteristics. This new activation technique requires the application of a substantial overvoltage between the thyristor's anode and cathode, delivered with a swift slew rate exceeding \SI{1}{kV/ns}. By using compact pulse generators constructed from commercially available off-the-shelf components (COTS), the technology has opened up new possibilities for applying this technology in various fields, including the use of high-speed kicker generators in particle accelerators.

In my methodology, I employed commercially available high-voltage SiC MOSFETs along with a custom-designed fast gate driver. This driver was conceptualized based on recent gate boosting techniques, featuring a driving voltage exceeding 600 V. The gate driver for these MOSFETs comprises three key components: a level-shifter with NMOS and PMOS transistors, a compact Marx generator with two avalanche transistors, and a GaN HEMT in a high input and low output impedance configuration. The proposed gate-boosting driver achieves a slew rate exceeding \SI{1}{kV/ns} for the driving pulse.

Furthermore, I demonstrate that with this driver, a \SI{1.7}{kV} rated SiC MOSFET can produce an output pulse of \SI{1.45}{kV} with a maximum slew rate of approximately \SI{2.5}{kV/ns}. This gate-boosting driver aims to minimize commutation times, achieve a slew rate over \SI{1}{kV/ns}, and handle higher loads. The generated output pulse is then amplified and sharpened in a four-stage Marx generator composed of small, \SI{1.2}{kV} rated D2PAK thyristors. This configuration yields an output pulse with an amplitude of \SI{11}{kV} and a slew rate of \SI{6.6}{kV/ns}.