JP2009017642A

JP2009017642A - マルチレベルインバータ及びこれを用いた磁気共鳴イメージング装置

Info

Publication number: JP2009017642A
Application number: JP2007174908A
Authority: JP
Inventors: Naoko Imahashi; 直子今橋; Takuya Domoto; 拓也堂本; Hiroshi Takano; 博司高野
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 2007-07-03
Filing date: 2007-07-03
Publication date: 2009-01-22
Anticipated expiration: 2027-07-03
Also published as: JP5216260B2

Abstract

【課題】
装置の小型化及びレベル数の異なるインバータの共用化が可能なマルチレベルインバータ及びこれを用いた磁気共鳴イメージング装置を提供する。
【解決手段】
ダイオードD1のカソードにIGBT S1のエミッタを接続した接続体及びダイオードD2のアノードにIGBT S2のコレクタを接続した接続体とをモジュール構造とする。このモジュールを4組用いてアーム1とアーム2を構成する。前記アーム1のモジュールB2の端子P、Nに直流電源E―E0を接続し、該直流電源電圧の分圧点Hに前記モジュールB2の端子A及びKを接続し、アーム1のモジュールB2の端子O1をモジュールB1の端子Pに接続し、前記モジュールB2の端子O2をモジュールB1の端子Nに接続し、さらにモジュールB1の端子O1とO2とを接続する。アーム2についても同様に接続して3レベルインバータを構成する。
【選択図】図4

Description

本発明は、マルチレベルインバータに係わり、特に部品数増大に伴う配線の簡素化及びレベル数が異なるインバータの共用化に好適なマルチレベルインバータ及びこれを用いた磁気共鳴イメージング装置に関する。

磁気共鳴イメージング装置(以下、MRI装置と記す場合がある)は，静磁場中に置かれた検査対象に高周波磁場をパルス状に印加し，検査対象から発生する核磁気共鳴信号を検出し，この検出信号をもとにスペクトルや画像を形成するものである。

このMRI装置には，磁場発生コイルとして、静磁場を発生する超電導コイル，静磁場に重畳される傾斜磁場を発生するための傾斜磁場コイル，さらに高周波磁場を発生するための高周波コイルが備えられている。

これら磁場発生コイルは所定の磁場強度の磁場を発生するために印加電流の大きさとタイミングを制御するための電源装置を備えている。

このようなMRI装置では，静磁場や傾斜磁場や高周波磁場の磁場強度が最終的に得られる画像上のノイズや撮影時間に大きく影響する。

また、短時間で診断に有用な画像を得るためにMRI装置の磁場電源として、該磁場を発生する磁場コイルに流す電流は、立ち上がり、立ち下がり時間が短く、立ち上がり後に該電流のリップルや変動のない高安定、高精度の電源装置が要求される。

最近では撮影を高速化して撮影時間の短縮化を図ることが要求され、傾斜磁場の観点から撮影を高速化するには、従来よりも増してパルス状傾斜磁場の強度を大きくし、立ち上がり、立ち下がり時間をさらに短縮しなければならない。
そのためには、傾斜磁場コイルに大きな電流を短い立ち上がり、立ち下がり時間で供給する必要があり、傾斜磁場電源として、概ね電流が300〔A〕〜600〔A〕、電圧が2000〔V〕程度の大電流、高電圧のものが要求される。

特に、1回の撮像が100msという超高速エコープラナー(Echo Planar Imaging:EPI)と呼ばれる最近の高速撮像法に対応するために、傾斜磁場強度は25mT/m程度、この磁場強度を発生するための傾斜磁場発生コイルに流す電流は最大600A程度、立ち上がり、立ち下がり時間は150〜300μｓと高速にして、磁場発生コイルに流れる電流の時間的変化などが画質に悪影響を与えないようにする必要がある。

このような大電流、高精度の電源装置として、マルチレベルパルス幅変調(Pulse Width Modulation:PWM)インバータ(以下、マルチレベルインバータと記す)で電流増幅器を構成し、この電流増幅器の負荷をMRI装置の磁場発生用コイルとするものが特許文献1に開示されている。

前記マルチレベルインバータを用いて電流増幅器を構成すれば高電圧、大電流化が可能となるが、しかし、マルチレベルインバータは、例えば2000Vの直流電圧を数レベルに分割し、該数レベルに対応したインバータを多段に接続して構成されるので、スイッチング素子及びクランプダイオード等の電力用半導体素子数が非常に多くなる。
したがって、配線が複雑となって組み立てに多くの時間を要する。

これは、マルチレベルインバータに共通の問題であり、この問題を解消するものとして特許文献2に開示されているものがある。

特開2004-266884号公報特開2006-246576号公報

上記特許文献2に開示されているマルチレベルインバータは、スイッチング素子とクランプダイオードのモジュール、クランプダイオード同士のモジュール及びスイッチング素子同士のモジュールの3種類の単一のモジュールを複数組み合わせて構成される。

このため、モジュール数が多くなり、例えば5レベルインバータで前記MRI装置のX軸、Y軸、Z軸の3組の傾斜磁場発生用電流増幅器を構成する場合は、60組のモジュールの組み合わせとなり、これらのモジュールを接続する配線数も多く、モジュール化による配線工数、組み立て工数の低減効果は十分ではないものとなる。

また、モジュール同士を接続する配線に寄生するインダクタンス成分も無視できないものとなり、スイッチング素子のスイッチング時や該スイッチング素子に逆並列に接続されたダイオードの逆回復時などで、前記配線に寄生するインダクタンスによって発生する電圧を抑制する電圧抑制回路(スナバ回路とも呼ばれる)も必要となるので、装置の小型化に対しては、課題が残される。

なお、MRI装置の傾斜磁場の場合、この磁場強度を発生するための傾斜磁場発生コイルに流す電流は上記のように最大600A程度で、更にその精度は0.4mA程度(これは、1/1,500,000の精度でディジタルのビット数で20ビット以上に相当)を要求されるので、前記スイッチング素子のスイッチング時や該スイッチング素子に逆並列に接続されたダイオードの逆回復時に前記配線に寄生するインダクタンスによって発生する電圧によるリップルも考慮しなければならない。

さらに、磁気共鳴イメージング装置には、低磁場から高磁場まで多くの種類の装置があり、これに対応してマルチレベルインバータを用いた傾斜磁場電源も2レベル、3レベル、5レベル等のレベル数の異なるマルチレベルインバータが必要となるが、レベル数の異なるマルチレベルインバータも共用性のあるものが望ましい。

そこで、本発明は、前記課題に鑑みてなされたものであって、回路接続部品数の低減と該部品の配線単純化による装置の小型化及びレベル数の異なるインバータの共用化が可能なマルチレベルインバータ及びこれを用いた磁気共鳴イメージング装置を提供することを目的とする。

本発明のマルチレベルインバータは、2組の半導体スイッチング素子と2組のクランプダイオードをモジュール化して該モジュールの組み合わせ、又は2組の半導体スイッチング素子をモジュール化し、このモジュールと前記2組の半導体スイッチング素子と2組のクランプダイオードをモジュール化したモジュールとを組み合わせてマルチレベルインバータを構成するもので、上記目的は以下の手段によって達成される。

すなわち、複数の異なる電位を持つ直流電源と、複数のスイッチング素子及びクランプダイオードを含む半導体素子で構成された複数のアームとを備えて成るマルチレベルインバータであって、前記複数のアームは、第1のクランプダイオードのカソードと第1のスイッチング素子の導通電流流出端とを接続して成る第1の接続体及び第2のクランプダイオードのアノードと第2のスイッチング素子の導通電流流入端とを接続して成る第2の接続体とをモジュール化した第1のモジュールと、該第1のモジュールを複数組用いて複数のアームを構成するモジュール接続手段と、前記複数のアームを前記直流電源に接続する電源接続手段とを備えて構成する。

前記モジュール接続手段は、前記直流電源の最も高い電位及び最も低い電位と前記アームの中の最も高い電位及び最も低い電位の第1のモジュールとを接続する第1の接続手段と、この第1の接続手段で接続された前記第1のモジュールを含む前記アームを構成する複数の第1のモジュールを直列に接続する第2の接続手段と、この第2の接続手段で接続された前記複数の第1のモジュールの中で前記直流電源に接続されない第1のモジュールの第1のスイッチング素子の導通電流流出端と第2のスイッチング素子の導通電流流入端の接続点を前記アームの出力端子に接続する第3の接続手段とを備えて成り、前記電源接続手段は、前記直流電源の複数の異なる電位に前記直流電源に接続されない第1のモジュールを除く前記複数の第1のモジュールにおける第1のクランプダイオードと第2のクランプダイオードのアノード及びカソードを接続する第3の接続手段とを備えて成る。

さらに、第3のスイッチング素子と第4のスイッチング素子とをモジュール化した第2のモジュールを備え、前記直流電源に接続されない第1のモジュールのみを前記第2のモジュールに替えて用いても良い。

また、マルチレベルインバータと、このマルチレベルインバータの負荷への出力電流を検出する電流検出手段と、この電流検出手段による検出値と電流指令値との差が零になるように制御する制御信号により前記マルチレベルインバータを駆動制御するスイッチング制御手段とを備えた電流増幅器を有する磁気共鳴イメージング装置であって、前記負荷は磁場発生用コイルとし、前記電流増幅器に上記のマルチレベルインバータを用いる。

本発明によれば、第1のモジュールの組み合わせ、又は第1のモジュールと第2のモジュールとを組み合わせてマルチレベルインバータを構成することによって以下の効果が得られる。

(1)モジュール化することによって組み立て部品数が大幅に低減し、組み立てが容易となって組み立て工数が低減する。

(2)組み立て部品数の低減により配線数も低減するので、該配線に寄生するインダクタンスの低減によるスナバ回路も小型なものとなり、これとモジュール化により、インバータ回路の小型化が可能となる。

(3)モジュールを積み上げて任意のレベル数のインバータを構成することができるので、レベル数の異なるインバータの共用化が可能となる。また、故障時はモジュールのみの交換で済むので、メンテナンスの面においても優位である。

(4)特に、本発明のマルチレベルインバータをMRI装置のX軸、Y軸及びZ軸用の傾斜磁場を発生するための3組の電流増幅器に適用することによって、部品数の大幅低減により前記電流増幅器を用いた傾斜磁場電源装置の小型化効果は一層顕著なものとなる。また、配線に寄生するインダクタンスの低減によって、前記傾斜磁場コイルに流れる電流のリップルも低減するので、MRI画像の画質の向上にも寄与するものとなる。

以下、本発明に係るマルチレベルインバータ及びこれを用いたMRI装置の好ましい実施の形態について添付図面を用いて詳細に説明する。

図1は、本発明によるマルチレベルインバータを電流増幅器に用いたMRI装置の傾斜磁場電源装置を示すブロック構成図である。

この傾斜磁場電源装置1は、三相交流電源3から電力が供給され、負荷である傾斜磁場コイル2に接続して電流を供給するように構成され、三相交流電源3に接続された三相交流電圧を、例えば2000Vの直流電圧に昇圧する機能を備えた交流-直流変換器4と、この交流−直流変換器4の出力側に接続され、直流電圧を平滑する平滑コンデンサ5と、この平滑コンデンサ5に接続され、この平滑された直流電圧(端子Eと端子E0間の電圧)を受電し、傾斜磁場コイル2のX軸コイル2x、Y軸コイル2y及びZ軸コイル2zにそれぞれ電流を供給する電流増幅器6、7、8とを備えている。

電流増幅器6は、入力の直流電圧源を構成する平滑コンデンサ5に並列に接続されたマルチレベルインバータ9と、このマルチレベルインバータ9の出力を負荷である傾斜磁場コイル2のX軸コイル2xに供給し、このX軸コイル2xに流れる電流を検出する電流検出手段12と、MRI装置のシーケンサ18からの電流指令値と前記電流検出手段12の出力である電流検出値とを入力し、両者の差が零になるようにマルチレベルインバータ9をパルス幅変調(Pulse Width Modulation:PWM)制御するスイッチング制御回路15とを備えて構成されている。

電流増幅器7も電流増幅器6と同一構成で、マルチレベルインバータ10の出力側にY軸コイル2yが接続され、MRI装置のシーケンサ18からの電流指令値と負荷である前記Y軸コイル2yに流れる電流を検出する電流検出手段13の電流検出値とを入力し、両者の差が零になるようにマルチレベルインバータ10をPWM制御するスイッチング制御回路16とを備えて構成されている。

また電流増幅器8も電流増幅器6と同一構成で、マルチレベルインバータ回路11の出力側にZ軸コイル2zが接続され、MRI装置のシーケンサ18からの電流指令値と前記Z軸コイル2zに流れる電流を検出する電流検出手段11の電流検出値とを入力し、両者の差が零になるようにマルチレベルインバータ11をPWM制御するスイッチング制御回路17とを備えて構成されている。
《第１の実施形態》
図2は、前記マルチレベルインバータ9、10、11の一例としての3レベルインバータの回路図である。

3レベルインバータは、直流電圧源へ接続される入力端子E、E0を有し、その出力端子U、Vに任意の電圧波形を出力するように構成されている。

また、この3レベルインバータは、前記入力端子E-E0間に直流電圧を二分圧(E-E0間電圧の1/2)する分圧コンデンサ21、22が接続され、さらに、ダイオードが逆並列に接続された絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ(Insulated Gate Bipolar Transistor:以下IGBTと記す)による半導体スイッチング素子23、24、25、26とダイオード27、28(以下、このダイオードをクランプダイオードと記す)とで構成されたアーム1と、IGBTによる半導体スイッチング素子29、30、31、32とダイオード33、34(以下、このダイオードをクランプダイオードと記す)とで構成されたアーム2とが接続されて構成されている。

前記アーム1は、IGBT23、24、25、26を直列接続し、前記IGBT23と24の接続点に前記クランプダイオード27のカソードを、前記IGBT25と26の接続点に前記クランプダイオード28のアノードを、前記クランプダイオード27のアノードと28のカソードを接続して、この接続点と前記分圧コンデンサ21と22の接続点Hとを接続して構成されている。

同様に、前記アーム2は、IGBT29、30、31、32を直列接続し、前記IGBT29と30の接続点に前記クランプダイオード33のカソードを、前記IGBT31と32の接続点に前記クランプダイオード34のアノードを、前記クランプダイオード33のアノードと34のカソードを接続して、この接続点と前記分圧コンデンサ21と22の接続点Hとを接続して構成されている。

そして、前記IGBT24と25の接続点及び前記IGBT30と31の接続点を出力端子U、Vに接続し、該U、Vを傾斜磁場コイル2に接続する。

このように構成された3レベルインバータは、IGBT23、24を導通させることによって出力端子Uに＋Eの電圧を出力することができ、前記IGBT23、24及びIGBT25を導通させることによって出力端子Uに＋E/2の電圧を出力することができ、さらにIGBT25、26を導通させることによって出力端子Uに0の電圧を出力することができ、このようにして3レベルの電圧を出力することができる。

また、出力端子Vについても同様であり、結局、出力端子U、V間の電圧として、−Eから＋Eまでの5通りの電圧(-E、-E/2、0、+E/2、E)を出力することができる。さらに、これらのIGBTをPWM制御することによって、出力電流のリップルが非常に小さい、−Eから＋Eまでの間で任意の電圧を出力することができる。

次に、上記図2のように構成された本発明の3レベルインバータの構成について説明する。

本発明の3レベルインバータは、動作は前記図2と同じであるが、IGBT及びクランプダイオードをモジュール化して回路接続部品及び配線数を低減した点に特徴がある。

すなわち、本発明の3レベルインバータは図2の回路の点線で囲んだアーム1のIGBT23と、クランプダイオード27と、クランプダイオード28及びIGBT26の直列接続されたもの(以上、図中B2)、アーム2のIGBT29と、クランプダイオード33と、クランプダイオード34及びIGBT32の直列接続されたもの(以上、図中B4)を図3に示すようにモジュール化したものが用いられる。

このモジュールB(第1のモジュール)は、第1のクランプダイオードD1のカソードと第1のスイッチング素子S1の導通電流流出端(IGBT S1のエミッタ)とを接続して成る第1の接続体及び第2のクランプダイオードD2のアノードと第2のスイッチング素子S2の導通電流流入端(IGBT S2のコレクタ)とを接続して成る第２の接続体とを備えて構成される。

前記第１のスイッチング素子S1は図2のアーム1のIGBT23及びアーム2のIGBT29に、前記第１のクランプダイオードD1は図2のアーム1のクランプダイオード27及びアーム2のクランプダイオード33に、前記第2のスイッチング素子S2は図2のアーム1のIGBT26及びアーム2のIGBT32に、前記第2のクランプダイオードD2は図2のアーム1のクランプダイオード28及びアーム2のクランプダイオード34に対応する。

そして、前記モジュールのIGBT S1のコレクタ(導通電流流入端)に端子Pが、エミッタ(導通電流流出端)に端子O1が、クランプダイオードD1のアノードに端子Aが、クランプダイオードD2のカソードに端子Kが、IGBT S2のエミッタ(導通電流流出端)に端子Nが、コレクタ(導通電流流入端)に端子O2がそれぞれ設けられる。

なお、上記モジュールBを図2のアーム1、アーム2のIGBT24と、IGBT25の直列接続体(図中B1)及びIGBT30と、IGBT31の直列接続体(図中B3)の用いる場合は、それぞれのIGBTを前記モジュールBのS1、S2に対応させ、クランプダイオードD1の端子A及びD2の端子Kには何も接続しないで該クランプダイオードは使用しない。

このようにして、図3のモジュールBを用いて構成した本発明による3レベルインバータの回路構成を図4に示す。

図4において、3レベルインバータのアーム1は前記図3のモジュールBを2組用いて構成(以下、これらの2組のモジュールをB1、B2と記す)し、同様にアーム2は前記図3のモジュールBを2組用いて構成(以下、これらの2組のモジュールをB3、B4と記す)する。

すなわち、直流電源E―E0をアーム1のモジュールB2の端子P、N及びアーム2のモジュールB4の端子P、Nに接続(モジュール接続手段の第１の接続手段)し、前記直流電源E―E0間の電圧を分圧する分圧コンデンサ21と22の接続点Hに前記モジュールB2、B4の端子A及びKを接続して3レベルインバータにE、E/2及び0の3レベル直流電圧を供給する(電源接続手段の第3の接続手段)。

そして、アーム1のモジュールB2の端子O1をモジュールB1の端子Pに接続し、前記モジュールB2の端子O2をモジュールB1の端子Nに接続(モジュール接続手段の第2の接続手段)し、さらにモジュールB1の端子O1とO2とを接続してアーム1の出力端子をUとする(モジュール接続手段の第３の接続手段)。なお、モジュールB1の端子AとKには何も接続しない。

同様に、アーム2のモジュールB4の端子O1をモジュールB3の端子Pに接続し、前記モジュールB4の端子O2をモジュールB3の端子Nに接続(モジュール接続手段の第2の接続手段)し、さらにモジュールB3の端子O1とO2とを接続してアーム2の出力端子をVとする(モジュール接続手段の第３の接続手段)。なお、モジュールB3の端子AとKには何も接続しない。

このように、図3に示すモジュールBを4組用いることにより、図2の3レベルインバータと同一の回路が構成できる。したがって、３レベルインバータの組立工程は、4組のモジュールの組み立てで済むので、組み立てする部品数が大幅に低減され(従来の図2の回路の部品数12個に対して本発明は4個)、組み立てが容易となって組み立て工数が低減する。

また、配線数も低減するので、該配線に寄生するインダクタンスの低減によるスナバ回路も小型なものとなり、これらによってインバータ回路の小型化が可能となり、さらに故障時はモジュールのみの交換で済むので、メンテナンスの面においても優位である。

特に、MRI装置の傾斜磁場を発生するためには、X軸コイル用、Y軸コイル用及びZ軸コイル用の3組の電流増幅器が必要であるので、前記傾斜磁場コイルを負荷とする電流増幅器に本発明の3レベルインバータを適用することによって、前記インバータ回路の小型化効果は一層顕著なものとなる。

また、配線に寄生するインダクタンスの低減によって、前記傾斜磁場コイルに流れる電流のリップルも低減するので、MRI画像の画質の向上にも寄与する。
《第2の実施形態》
次に、図1に示したMRI装置の傾斜磁場電源装置の電流増幅器に本発明による5レベルインバータを用いた実施形態について説明する。

図5は、5レベルインバータの回路図である。
5レベルインバータは、直流電圧源へ接続される入力端子E、E0を有し、その出力端子U、Vに任意の電圧波形を出力するように構成している。

また、この5レベルインバータは、前記入力端子E-E0間に直流電圧を4分圧(E-E0間電圧の1/4)する分圧コンデンサ41、42、43、44が接続され、さらにダイオードが逆並列に接続されたIGBTによる半導体スイッチング素子45、46、47、48、49、50、51、52とクランプダイオード53、54、55、56、57、58とで構成されたアーム1、及びIGBTによる半導体スイッチング素子59、60、61、62、63、64、65、66とクランプダイオード67、68、69、70、71、72とで構成されたアーム2とが接続されて構成されている。

前記アーム1は、IGBT45、46、47、48、49、50、51、52を直列接続し、該IGBT45、46、47、48、49、50、51、52と前記クランプダイオード53、54、55、56、57、58を以下のように接続して構成される。

(1)前記IGBT45と46の接続点に前記クランプダイオード53のカソードを、前記IGBT49と50の接続点に前記クランプダイオード54のアノードを、前記クランプダイオード53のアノードとクランプダイオード54のカソードを接続し、この接続点と前記分圧コンデンサ41と42の接続点H1(レベル4の電位3E/4)とを接続する。

(2)前記IGBT46と47の接続点に前記クランプダイオード55のカソードを、前記IGBT50と51の接続点に前記クランプダイオード56のアノードを、前記クランプダイオード55のアノードとクランプダイオード56のカソードを接続し、この接続点と前記分圧コンデンサ42と43の接続点H2(レベル3の電位2E/4)とを接続する。

(3)前記IGBT47と48の接続点に前記クランプダイオード57のカソードを、前記IGBT51と52の接続点に前記クランプダイオード58のアノードを、前記クランプダイオード57のアノードとクランプダイオード58のカソードを接続して、この接続点に前記分圧コンデンサ43と44の接続点H3(レベル2の電位E/4)を接続する。
同様に、前記アーム2は、IGBT59、60、61、62、63、64、65、66を直列接続し、該IGBT59、60、61、62、63、64、65、66と前記クランプダイオード67、68、69、70、71、72を以下のように接続して構成される。

(4)前記IGBT59と60の接続点に前記クランプダイオード67のカソードを、前記IGBT63と64の接続点に前記クランプダイオード68のアノードを、前記クランプダイオード67のアノードとクランプダイオード68のカソードを接続し、この接続点と前記分圧コンデンサ41と42の接続点H1(レベル4の電位3E/4)とを接続する。

(5)前記IGBT60と61の接続点に前記クランプダイオード69のカソードを、前記IGBT64と65の接続点に前記クランプダイオード70のアノードを、前記クランプダイオード69のアノードとクランプダイオード70のカソードを接続し、この接続点と前記分圧コンデンサ42と43の接続点H2(レベル3の電位2E/4)とを接続する。

(6)前記IGBT61と62の接続点に前記クランプダイオード71のカソードを、前記IGBT65と66の接続点に前記クランプダイオード72のアノードを、前記クランプダイオード71のアノードとクランプダイオード72のカソードを接続し、この接続点に前記分圧コンデンサ43と44の接続点H3(レベル2の電位E/4)を接続する。

そして、前記IGBT48と49の接続点及び前記IGBT62と63の接続点をそれぞれ出力端子U、Vに接続し、該U、Vを前記傾斜磁場コイル2に接続する。

このように構成された5レベルインバータは、アーム1のIGBT45〜48を導通させることによって出力端子Uに＋Eの電圧を出力することができ、アーム1のIGBT46、47、48及びIGBT49を導通させることによって出力端子Uに＋3E/4の電圧を出力することができ、アーム1のIGBT47、48及びIGBT49、50を導通させることによって出力端子Uに＋2E/4( =E/2 )の電圧を出力することができ、アーム1のIGBT48及びIGBT49、50、51を導通させることによって出力端Uに＋E/4の電圧を出力することができ、さらにアーム1のIGBT45〜48を導通させることによって出力端子Uに０の電圧を出力することができ、このようにして5レベルの電圧を出力することができる。

また、出力端子Vについても同様であり、結局出力端子U、V間の電圧として、-Eから＋Eまでの9通りの電圧(-E、-3E/4、-2E/4、-E/4、0、+E/4、+2E/4、+3E/4、+E)を出力することができる。

さらに、これらのIGBTをPWM制御することによって、出力電流のリップルが非常に小さい、−Eから＋Eまでの間で任意の電圧を出力することができる。

次に、上記図5のように構成された本発明の5レベルインバータの構成について説明する。

本発明の5レベルインバータは、動作は前記図5と同じであるが、前記第1の実施形態と同様に、IGBT及びクランプダイオードをモジュール化して回路接続部品及び配線数を低減した点に特徴がある。

すなわち、本実施形態の5レベルインバータは、図5の回路のIGBT45、クランプダイオード53、クランプダイオード54及びIGBT50の直列接続体と、IGBT46、クランプダイオード55、クランプダイオード56及びIGBT51の直列接続体と、IGBT47、クランプダイオード57、クランプダイオード58及びIGBT52の直列接続体と、IGBT59、クランプダイオード67、クランプダイオード68及びIGBT64の直列接続体と、IGBT60、クランプダイオード69、クランプダイオード70及びIGBT65の直列接続体と、IGBT61、クランプダイオード71、クランプダイオード72及びIGBT66の直列接続体とに、図3に示すモジュールを用いる。

このモジュールBにおけるIGBT S1は図5のアーム1のIGBT45に、クランプダイオードD1は図5のクランプダイオード53に、IGBT S2は図5のIGBT50に、クランプダイオードD2は図5のクランプダイオード54に対応する。

前記他の直列接続体のIGBTとクランプダイオードも、前記と同様に、前記モジュールBのIGBT S1、クランプダイオードD1、クランプダイオードD2及びIGBT S2に対応する。

なお、上記モジュールBを図5のアーム1のIGBT48とIGBT49との直列接続体、及びアーム2のIGBT62とIGBT63との直列接続体の用いる場合は、それぞれのIGBTを前記モジュールBのS1、S2に対応させ、クランプダイオードD1の端子A及びD2の端子Kには何も接続しないで該クランプダイオードは使用しない。

このようにして、図3のモジュールBを用いて構成した本発明による5レベルインバータの回路構成を図6に示す。

図6において、5レベルインバータのアーム1は前記図3のモジュールBを4組用いて構成(以下、これらの4組のモジュールをB1、B2、B3、B4と記す)し、同様にアーム2は前記図3のモジュールBを4組用いて構成(以下、これらの2組のモジュールをB5、B6、B7、B8と記す)する。

すなわち、直流電源E―E0にアーム1のモジュールB4の端子P、N及びアーム2のモジュールB8の端子P、Nを接続し、前記分圧コンデンサ41と42の接続点H1(直流電源E―E0間の3/4の電位)に前記アーム1のモジュールB4のA端子、モジュールB2のK端子、アーム2のモジュールB8のA端子及びモジュールB6のK端子を接続し、前記分圧コンデンサ42と43の接続点H2(直流電源E―E0間の1/2の電位)にアーム1の前記モジュールB3のA端子、モジュールB3のK端子、アーム2のモジュールB7のA端子及びモジュールB7のK端子を接続し、前記分圧コンデンサ43と44の接続点H3(直流電源E―E0間の1/4の電位)にアーム1の前記モジュールB2のA端子、モジュールB4のK端子、アーム2のモジュールB6のA端子及びモジュールB8のK端子に接続する。

そして、アーム1のモジュールB4の端子O1をモジュールB3の端子Pに接続し、前記モジュールB3の端子O1をモジュールB2の端子Pに接続し、前記モジュールB2の端子O1をモジュールB1の端子Pに接続し、モジュールB1の端子O1とO2とを接続してアーム1の出力端子Uとする。なお、モジュールB1の端子AとKには何も接続しない。

同様に、アーム2のモジュールB8の端子O1をモジュールB7の端子Pに接続し、前記モジュールB7の端子O1をモジュールB6の端子Pに接続し、前記モジュールB6の端子O1をモジュールB5の端子Pに接続し、モジュールB5の端子O1とO2とを接続してアーム2の出力端子Vとする。なお、モジュールB5の端子AとKには何も接続しない。

このように、図3に示すモジュールBを8組用いて構成することにより、図5の5レベルインバータと同一の回路が構成できる。したがって、５レベルインバータの組立工程は、8組のモジュールの組み立てで済むので、組み立てする部品数が大幅に低減され(従来の図5の回路の部品数28個に対して本発明は8個)、組み立てが容易となって組み立て工数が低減する。

また、配線数も低減するので、該配線に寄生するインダクタンスの低減によるスナバ回路も小型なものとなり、これらによってインバータ回路の小型化が可能となる。この効果に加えて、図4の本発明による3レベルインバータと同様の効果が得られる。
《第3の実施形態》
以上の実施形態は、3レベル、5レベルの奇数レベルのインバータについて説明したが、本発明は偶数レベルのインバータにも適用できる。

図7は4レベルのインバータで、この4レベルのインバータに本発明を適用してモジュール化したインバータを図8に示す。ただし、図7、図8は説明を簡略化するためにアーム1のみを示したものである。

図7において、上記アーム1は直流電圧端子E-E0間に接続され、直流電圧EをE/3に分圧する分圧コンデンサ75、76、77へ接続されている。このアーム1は、ダイオードが逆並列に接続されたIGBT78、79、80、81、82、83を直列接続し、該IGBT78、79、80、81、82、83と前記クランプダイオード84、85、86、87を以下のように接続して構成される。

(1)IGBT78と79の接続点にクランプダイオード84のカソードを、IGBT81と82の接続点にクランプダイオード85のアノードを、前記クランプダイオード84のアノードとクランプダイオード85のカソードを接続し、この接続点に前記分圧コンデンサ75と76の接続点H5(レベル3の電位2E/3)を接続する。

(2)IGBT79と80の接続点にクランプダイオード86のカソードを、IGBT82と83の接続点に前記クランプダイオード87のアノードを、前記クランプダイオード86のアノードとクランプダイオード87のカソードを接続し、この接続点に前記分圧コンデンサ76と77の接続点H6(レベル2の電位E/3)を接続する。

そして、前記IGBT80と81の接続点を出力端子Uに接続し、該Uと図示省略のアーム2の出力端子であるVとを本4レベルインバータの負荷であるMRI装置の傾斜磁場コイル2に接続する。

このように構成された4レベルインバータは、アーム1のIGBT78、79、80を導通させることによって出力端子Uに＋Eの電圧を出力することができ、アーム1のIGBT79、80及びIGBT81を導通させることによって出力端子Uに＋2E/3の電圧を出力することができ、アーム1のIGBT80及びIGBT81、82を導通させることによって出力端子Uに＋E/3の電圧を出力することができ、さらにアーム1のIGBT78、79、80を導通させることによって出力端子Uに0の電圧を出力することができ、このようにして、＋E 、＋2E/3、＋E/3及び0の4レベルの電圧を出力することができる。

同様に、図示省略のアーム2のIGBTとクランプダイオードを導通制御することによって前記アーム2の図示省略の出力端子Vに-E 、-2E/3、-E/3及び0の4レベルの電圧を出力することができ、出力端子U、V間の電圧として、−Eから＋Eまでの7通りの電圧(-E、-2E/3、-E/3、0、+E/3、+2E/3、+E)を出力することができる。

次に、上記図7のように構成された本発明の4レベルインバータの構成について説明する。

本発明の4レベルインバータは、動作は前記図7と同じであるが、前記第１及び第２の実施形態と同様に、IGBT及びクランプダイオードをモジュール化して回路接続部品数及び配線数を低減した点に特徴がある。

すなわち、本実施形態の4レベルインバータ(のアーム1)は、図7の回路のIGBT78、クランプダイオード84、クランプダイオード85及びIGBT82の直列接続体と、IGBT79、クランプダイオード86、クランプダイオード87及びIGBT83の直列接続体とに前記図3に示したモジュールを用いる。

このモジュールBにおけるIGBT S1は図7のアーム1のIGBT78に、クランプダイオードD1は図7のクランプダイオード84に、IGBT S2は図7のIGBT82に、クランプダイオードD2は図8のクランプダイオード85に対応する。

なお、上記モジュールBを図8のアーム1のIGBT80とIGBT81との直列接続体へ用いる場合は、それぞれのIGBTを前記モジュールBのS1、S2に対応させ、クランプダイオードD1の端子A及びD2の端子Kには何も接続しないで該クランプダイオードは使用しない。

このようにして、図3のモジュールBを用いて構成した本発明による4レベルインバータの回路構成を図8に示す。

図8において、4レベルインバータのアーム1は前記図3のモジュールBを3組用いて構成(以下、これらの3組のモジュールをB1、B2、B3と記す)し、同様に図示省略のアーム2は前記図3のモジュールBを3組用いて構成する。

すなわち、直流電源E―E0にアーム1のモジュールB3の端子P、Nを接続し、前記分圧コンデンサ75と76の接続点H5(直流電源E―E0間の2/3の電位)に前記アーム1のモジュールB3のA端子、モジュールB2のK端子を接続し、前記分圧コンデンサ76と77の接続点H6(直流電源E―E0間の1/3の電位)にアーム1の前記モジュールB2のA端子、モジュールB3のK端子を接続する。

そして、アーム1のモジュールB3の端子O1をモジュールB2の端子Pに接続し、前記モジュールB2の端子O1をモジュールB1の端子Pに接続し、モジュールB1の端子O1とO2とを接続してアーム1の出力端子Uとする。なお、モジュールB1の端子AとKには何も接続しない。

図示省略のアーム2についても上記と同様に構成して、図3に示すモジュールBを6組用いることにより、図7の4レベルインバータと同一の回路とすることができる。

このように、4レベルインバータを構成することにより、上記第１及び第2の実施形態と同様の効果が得られる。
《第4の実施形態》
上記第１の実施形態の3レベルインバータ、第2の実施形態の5レベルインバータ及び第3の実施形態の4レベルインバータとから分かるように、2つのアームを備えたマルチレベルインバータにおいて、レベル数nとモジュール数mとの間には、m=2n - 2の関係が成り立ち、この関係よりアーム1のモジュールはB1からB(n - 1)までの個数、アーム2のモジュールはB(n)からB(2n - 2)までの個数が必要となる。また、nレベルの電圧に分圧する分圧コンデンサの個数はn - 1となる。
この結果、本発明によるモジュール化したnレベルインバータは図9に示す回路構成となる。

図9において、直流電源E―E0にアーム1のモジュールB(N-1)の端子P、N及びアーム2のモジュールB(2N - 2)の端子P、Nを接続し、分圧コンデンサC1とC2の接続点H1に前記アーム1のモジュールB(N - 1)のA端子、モジュールB2のK端子、アーム2のモジュールB(2N - 2)のA端子及びモジュールB(N + 1)のK端子を接続し、以下、同様に分圧コンデンサの接続点にアーム1及びアーム2の対応するモジュールの端子を接続し、分圧コンデンサC(N - 1)とC(N - 2)の接続点H(N - 2)に前記アーム1のモジュールB(N - 1)のK端子、モジュールB2のA端子、アーム2のモジュールB(2N - 2)のK端子及びモジュールB(N + 1)のA端子を接続する。

そして、アーム1のモジュールB(n - 1)の端子O1をモジュールB(n - 2)の端子Pに接続し、同様にアーム1のモジュールB(n - 2)の端子O1からモジュールB2の端子Pまでを接続し、前記モジュールB2の端子O1をモジュールB1の端子Pに接続し、アーム1のモジュールB(n - 1)の端子O2をモジュールB(n - 2)の端子Nに接続し、同様にアーム1のモジュールB(n - 2)の端子O2からモジュールB2の端子Nまでを接続し、前記モジュールB2の端子O2をモジュールB1の端子Nに接続する。

アーム2についても前記アーム1と同様に、モジュールB(2n - 2)の端子O1をモジュールB(2n - 3)の端子Pに接続し、同様にモジュールB(2n - 3)の端子O1からモジュールB2の端子Pまでを接続し、前記モジュールB2の端子O1をモジュールB1の端子Pに接続し、モジュールB(2n - 2)の端子O2をモジュールB(2n - 3)の端子Nに接続し、同様にモジュールB(2n - 3)の端子O2からモジュールB2の端子Nまでを接続し、前記モジュールB2の端子O2をモジュールB1の端子Nに接続する。

そして、前記モジュールB1の端子O1とO2とを接続してアーム1の出力端子Uとし、前記モジュールB(n)の端子O1とO2とを接続してアーム2の出力端子Vとする。なお、モジュールB1及びB(n)の端子AとKには何も接続しない。すなわち、モジュールB1及びB(n)のクランプダイオードD1、D2は使用しない。

このように、図3に示すモジュールBを2n - 2組用いてモジュール化されたnレベルインバータを構成することができ、前記第１の実施形態、第２の実施形態及び第３の実施形態と同様の効果が得られ、レベル数が多い程、前記効果は大きくなる。

また、このようにモジュール化すると、単一のモジュールを積み上げて任意のレベル数のインバータを構成することができ、レベル数の異なるインバータの組み立て、部品交換が簡単になる。

例えば、3レベルから5レベルのインバータにレベル数を上げる場合は、3レベルのインバータに2組の前記モジュールの追加で済み、5レベルから7レベルのインバータにレベル数を上げる場合は、5レベルのインバータに4組の前記モジールを追加すれば良い。

このように、同一のモジュールの積み上げ、すなわちビルディングブロック方式による組み立てが可能となり、どのようなレベルのインバータにも対応でき、マルチレベルインバータの共用化が可能となる。

このマルチレベルインバータの共用化は、MRI装置の傾斜磁場発生用電流増幅器に適用することにより、組み立て性、コスト低減、メンテナンス性において従来の電気部品を組み合わせて配線、組み立てするものよりも格段に優れたものとなる。

前記のように、MRI装置には、低磁場から高磁場まで多くの種類があり、これに対応してマルチレベルインバータを用いた傾斜磁場発生用電流増幅器も2レベル、3レベル、5レベル等のレベル数の異なるマルチレベルインバータが必要となる。このため、レベル数の異なるマルチレベルインバータも共用性のあるものとしなければならないので、本発明による同一のモジュールを積み上げて組み立てするビルディングブロック方式の適用によって前記共用化に優れた効果を発揮するものとなる。
《第5の実施形態》

上記実施形態は、図3に示したモジュールBを用いてマルチレベルインバータを構成した例であるが、本発明はこれに限定するものではなく、マルチレベルインバータの組み立てにビルディングブロック方式を採用できるものであれば、どのような組み合わせのモジュールを用いて構成しても良い。

そこで、図9に示したnレベルインバータのB1とB(n)のモジュールは、該モジュールのクランプダイオードD1及びD2は使用しないので、前記B1とB(n)のモジュールのみ図10に示すクランプダイオードD1及びD2が無いモジュールB0(第2のモジール)を用いても良い。

図11は、前記モジュールB0とモジュールBを用いて5レベルインバータを構成した例で、直流電源とモジュール及びモジュール同士の接続は図6と同一である。

このように、モジュールB0を用いることによりモジュールの種類は一つ増えるが、前記モジュールB0はクランプダイオードD1及びD2を削除したことにより、該モジュールB0が小型となった分だけインバータは小型なものとなる。

また、モジュールB0の上にモジュールBを積み上げて組み立てること、すなわちビルディングブロッ方ク式が採用できるのでレベルの異なるインバータの共用化も可能である。

以上、本発明によるマルチレベルインバータをMRI装置の傾斜磁場発生用電源装置の電流増幅器に用いた例について説明したが、本発明はMRI装置の傾斜磁場発生用電源装置に限定するものではなく、マルチレベルインバータが適用できる装置の電源装置であれば、例えばモータや電磁ポンプの駆動電源等のどのような用途にも適用可能である。

特に、3相誘導電動機には3アームを備えた3相インバータが必要となるので、これに本発明によるマルチレベルインバータを適用することによって、部品数は大幅に低減し、組み立て性、小型化等においてより効果のあるものとなる。

また、本発明によるマルチレベルインバータの半導体スイッチング素子にIGBTを用いて説明したが、MOSFET{(Metal Oxide Semiconductor Field Effet Transistor:MOS型電界効果トランジスタ)}等の自己消孤型素子であればどのような素子を用いても良い。

本発明によるマルチレベルインバータをMRI装置の傾斜磁場を発生させるための電流増幅器に用いた前記MRI装置の傾斜磁場電源装置の構成図。 3レベルインバータの回路図。本発明に用いる第１のモジュールの第1、第2の半導体スイッチング素子IGBTと第１、第２のクランプダイオードの接続図。第1のモジュールを用いて構成した本発明による3レベルインバータの回路構成図。 5レベルインバータの回路図。第1のモジュールを用いて構成した本発明による5レベルインバータの回路構成図。 4レベルのインバータの回路図。第1のモジュールを用いて構成した本発明による4レベルインバータの回路構成図。第1のモジュールを用いて構成した本発明によるnレベルインバータの回路構成図。クランプダイオードがない第1、第2の半導体スイッチング素子IGBTのみをモジュール化した第2のモジュール。第1のモジュールと第2のモジュールを用いて構成した本発明による5レベルインバータの回路構成図。

符号の説明

1 傾斜磁場電源装置、2 傾斜磁場コイル、6〜8 電流増幅器、9〜11 マルチレベルインバータ、21、22 分圧コンデンサ、23〜26 半導体スイッチング素子IGBT、27及び28 クランプダイオード、29〜32 半導体スイッチング素子IGBT、33及び34 クランプダイオード、41〜44 分圧コンデンサ、45〜52 半導体スイッチング素子IGBT、53〜58 クランプダイオード、59〜66 半導体スイッチング素子IGBT、67〜72 クランプダイオード、B 第１のモジュール、B0 第２のモジュール、S1及びS2 第１及び第２のモジュールの半導体スイッチング素子、D1及びD2 第１のモジュールのクランプダイオード、P、A、O1、K、N、O2 第１のモジュールの端子、P、O1、N、O2 第2のモジュールの端子、E―E0 直流電源、U、V マルチレベルインバータの出力端子

Claims

複数の異なる電位を持つ直流電源と、複数のスイッチング素子とクランプダイオードを含む半導体素子で構成された複数のアームとを備えて成るマルチレベルインバータであって、前記複数のアームは、第１のクランプダイオードのカソードと第１のスイッチング素子の導通電流流出端とを接続して成る第１の接続体及び第２のクランプダイオードのアノードと第２のスイッチング素子の導通電流流入端とを接続して成る第２の接続体とをモジュール化した第１のモジュールと、該第１のモジュールを複数組用いて複数のアームを構成するモジュール接続手段と、前記複数のアームを前記直流電源に接続する電源接続手段とを備えたことを特徴とするマルチレベルインバータ。
前記モジュール接続手段は、前記直流電源の最も高い電位及び最も低い電位と前記アームの中の最も高い電位及び最も低い電位の第１のモジュールとを接続する第１の接続手段と、この第１の接続手段で接続された前記第１のモジュールを含む前記アームを構成する複数の第１のモジュールを直列に接続する第２の接続手段と、この第２の接続手段で接続された前記複数の第１のモジュールの中で前記直流電源に接続されない第１のモジュールの第１のスイッチング素子の導通電流流出端と第２のスイッチング素子の導通電流流入端の接続点を前記アームの出力端子に接続する第３の接続手段とを備えて成り、前記電源接続手段は、前記直流電源の複数の異なる電位に前記直流電源に接続されない第１のモジュールを除く前記複数の第１のモジュールにおける第１のクランプダイオードと第２のクランプダイオードのアノード及びカソードを接続する第３の接続手段とを備えたことを特徴とする請求項１に記載のマルチレベルインバータ。
さらに、第３のスイッチング素子と第４のスイッチング素子とをモジュール化した第２のモジュールを備え、前記直流電源に接続されない第１のモジュールのみを前記第２のモジュールに替えて用いることを特徴とする請求項１、２または３に記載のマルチレベルインバータ。
マルチレベルインバータと、このマルチレベルインバータの負荷への出力電流を検出する電流検出手段と、この電流検出手段による検出値と電流指令値との差が零になるように制御する制御信号により前記マルチレベルインバータを駆動制御するスイッチング制御手段とを備えた電流増幅器を有する磁気共鳴イメージング装置であって、前記負荷は磁場発生用コイルとし、前記電流増幅器に請求項１、２または３のいずれか一項に記載のマルチレベルインバータを用いたことを特徴とする磁気共鳴イメージング装置。