JP2009536862A - スイッチング回路 - Google Patents

Abstract

自動体外式除細動器のためのＨブリッジ回路スイッチング回路は、該回路の高電位脚部の一方におけるＳＣＲ（Ｄ８）と、Ｈブリッジ回路の対角的に反対側の脚部におけるスイッチングデバイスのオン切り換えに対応するＳＣＲにおける電圧変化に応答してＳＣＲを自動的にオンに切り換えるように動作する、ＳＣＲに関連付けられる制御手段（Ｄ１〜Ｄ７）とを備える。上記制御手段はキャパシタ（Ｄ１）を備え、上記キャパシタ上の電圧は対角的に反対側のスイッチングデバイスがオンに切り換えられると変化し、上記キャパシタ電圧の変化はＳＣＲにおける電圧変化より遅れており、上記ＳＣＲはキャパシタ電圧とＳＣＲにおける電圧との差が所定のしきい値を超えるとオンに切り換えられる。

Description

本発明はスイッチング回路に関し、特に、但し排他的ではなく、自動体外式除細動器において負荷へのバイポーラの電力を切り換えるためのスイッチング回路に関する。

通常、自動体外式除細動器（ＡＥＤ（ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｄｅｆｒｉｂｒｉｌｌａｔｏｒ））は患者に対してエネルギーをバイポーラで伝導することにより電気治療を患者に施す。適正な治療は、３０アンペアを超える電流で１０００ボルトを超す極めて高い電圧を必要とする。このことは、このような治療を行うために用いられるスイッチング回路の設計に際して、エネルギーを完全にかつ高い信頼性で伝送するために必要とされる構成要素に対してだけでなく、このような装置の安全性に対しても極めて厳しい必要条件を課す。

既知のスイッチング回路はＨブリッジ回路であり、この呼称は、「Ｈ」の形であるその典型的な図の表示に由来する。例えば、可逆ＤＣ電気モータを駆動するために負荷に流れる電流の方向を反転することが望まれるとき又はＡＥＤの場合は患者の胴に流れる電流の方向を反転することが望まれるときなどの多くの状況において、Ｈブリッジ回路を用いることができる。一般に、Ｈブリッジ回路は、Ｈの４つの「脚部」のそれぞれに配置される４つの固体スイッチングデバイス又は機械的スイッチングデバイスを有し、これらのスイッチングデバイスは、電流を電圧源から負荷に始めに１つの方向へ流し次に反対方向に流すように、対角ペア毎に交互にオンに切り換えられる。

図１は、ＡＥＤにおいて電流の切り換えに用いられるＨブリッジ回路１０の一例を示す。この場合、負荷は患者であり、キャパシタＶからの電圧は患者の胸部に装着された電極を介して印加される。Ｈブリッジ回路１０において、Ｈブリッジ回路の「高電位の」（即ち、接地されていない）脚部におけるスイッチングデバイスＳ１１及びＳ１２はシリコン制御整流器（ＳＣＲｓ（silicon controlled rectifiers））であり、Ｈブリッジ回路の「低電位の」脚部におけるスイッチングデバイスＳ１３及びＳ１４は絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴｓ（Insulated Gate Bipolar Transistors））である。ＳＣＲは、そのカソードの電圧より高い所定の電圧で、そのゲート上における最短の継続時間のパルスによりトリガされる。しかしながら、ＳＣＲにおける電圧の増加の割合が所定の限界値を超えれば、ＳＣＲは自発的にオンに切り換わりやすい。ＳＣＲは、当該ＳＣＲに流れる電流が所定のレベルより下に減少することによってオフに切り換えられる。ＩＧＢＴは、そのゲートにそのエミッタ電圧より高い所定のレベルより大きい電圧が印加されることによってオンに切り換えられ、その電圧印加の継続時間に渡ってオンに維持される。ＩＧＢＴは、このトリガ電圧が取り除かれることによってオフに切り換えられる。Ｈブリッジ回路１０の動作は、下記の通りである。

負荷へのバイポーラの伝送の第１の部分は、ＩＧＢＴ Ｓ１３をオンに切り換えることによって開始される。これは、外部トリガ信号である制御信号３をそのゲートに印加し保持することによって達成される。次にキャパシタＶは、（図示されていない外部の充電回路を用いて）ゼロから負荷へ伝送するために必要とされる電圧まで、必要とされる電流で充電される。ＳＣＲ Ｓ１１等のＳＣＲにおいて瞬間的に出現する任意の電圧は、ＳＣＲにおける電圧の増加の割合によって自発的にＳＣＲをトリガする場合があるので、キャパシタＶは、Ｓ１３がオンに切り換えられる前にはプリチャージされていない必要がある。キャパシタＶにおける必要とされる電圧が達成されたときに、対角的に反対側のＳＣＲ Ｓ１２は、結合変圧器（図示せず。）を介してそのゲートにパルス制御信号２を印加することによりオンに切り換えられる。スイッチＳ１２及びＳ１３が共に導通しているときに、電流は負荷を介して１つの方向に流れる。選択された時間において、ＩＧＢＴ Ｓ１３は、そのゲート上のトリガ信号制御信号３の除去によりオフに切り換えられる。これは、ＳＣＲ Ｓ１２に流れる電流を取り除いてＳＣＲ Ｓ１２をオフに切り換え、これにより、負荷は電圧源Ｖから切断される。

負荷へのバイポーラの伝送の第２の部分は、ＩＧＢＴ Ｓ１４を、外部トリガ信号である制御信号４をそのゲートに印加し保持することによりオンに切り換えることによって開始される。その直後に、対角的に反対側のＳＣＲ Ｓ１１は、結合変圧器を介するそのゲートへのパルス制御信号１によってオンに切り換えられる。スイッチＳ１１及びＳ１４は共に導通しているので、電流は負荷を介して、バイポーラの伝送の第１の部分の間における電流の方向とは反対の方向に流れる。このサイクルは、ＩＧＢＴ Ｓ１４がオフに切り換えられこれによりＳＣＲ Ｓ１１に流れる電流が取り除かれて必然的にオフに切り換えられるとき、又は主電圧源Ｖが負荷への低減された電流の流れをＳＣＲ Ｓ１１がサポートできなくなるポイントまで放電されることによって終了する。

米国特許第６９９６４３６号の明細書。

この既知のＨブリッジ回路の制限は、ＳＣＲ Ｓ１１及びＳ１２を駆動するために必要とされる回路の複雑さにある。何れのケースでも、ＳＣＲのカソードにおける電圧はキャパシタＶにおける電圧と同じ電位まで上昇する可能性があるので、ゲートは、これらをオンに切り換えるために必要なパルスを注入するために、変圧器とともに外部回路から分離されなければならない。さらに、ブリッジ回路の動作の安全性及び完全性を保証するためには、ハードウェアの連動回路を実装するためのかなりの追加の回路が必要とされる。

特許文献１は、ＳＣＲのうちの１つをショックレー（Shockley）のデバイス特性を有する非制御固体デバイス（ＵＳＤ（uncontrolled solid state device））に置き換えることを教示している。これは、１つの変圧器の接続の必要性を排除し、ＵＳＤはＩＧＢＴの動作の直接的な結果として切り換わるので完全性に関するハードウェアの連動の必要条件も低減される。しかしながら、そのショックレーの特性によってＵＳＤを所定のしきい値電圧より下では切り換えることができないというさらなる制限が課される。したがって、自動体外式除細動器に用いられるときには、ＵＳＤが動作できる最低の電圧レベルによって定義されるレベルより下のエネルギーを伝送することはできなくなる。

本発明の目的は、これらの課題を回避する又は緩和する改良されたスイッチング回路を提供することにある。

したがって、本発明は、少なくとも１つのＳＣＲを含む複数の固体スイッチングデバイスを備えたスイッチング回路を提供し、本回路は、上記ＳＣＲに関連付けられる制御手段であって、当該回路内の別のスイッチングデバイスにおける所定のスイッチングイベントに対応する電圧変化であって上記ＳＣＲにおける電圧変化に応答して、上記ＳＣＲを自動的にオンに切り換えるように動作する制御手段をさらに含む。

好ましくは、制御手段はキャパシタを備え、上記キャパシタの電圧は上記所定のスイッチングイベントが発生したときに変化し、上記キャパシタの電圧の変化は上記ＳＣＲの電圧の変化より遅れており、上記キャパシタの電圧と上記ＳＣＲの電圧との差が所定のしきい値を超えたときに上記ＳＣＲはオンにされる。

最も好ましくは、上記制御手段は上記キャパシタと上記ＳＣＲのゲートとの間に接続されたダイアックを含み、上記電圧差が上記ダイアックのしきい値電圧を超えたときに上記ダイアックはオンにされ、これに応答して上記ＳＣＲはオンにされる。

この好ましい実施形態では、上記ブリッジ回路の高電位脚部のうちの１つに上記ＳＣＲを有し、上記他のスイッチングデバイスは上記ブリッジ回路の対角的に反対側の脚部に存在する。

また本発明は、添付の任意のクレームに記載されているスイッチング回路を含むバイポーラの電気治療を患者に施すための自動体外式除細動器も提供する。

以下、添付の図面を参照して、本発明の実施形態を例示的に説明する。

図面において、同一の又は等価な構成要素には同じ参照番号／符号が付されている。

従来技術に係るＨブリッジ回路１０の回路図である。 本発明の実施形態に係るＨブリッジ回路１０’の回路図である。 図２のＨブリッジ回路における自動スイッチング装置の回路図である。 図２のＨブリッジ回路の外部の動作を示す波形図である。 図２のＨブリッジ回路の内部の動作を示す波形図である。

図２における本発明の実施形態に係るＨブリッジ回路１０’では、本実施形態ではＳＣＲ Ｓ１１である、Ｈブリッジ回路１０の高電位脚部におけるＳＣＲのうちの一方のＳＣＲが自動スイッチング装置（ＡＳＤ（automatic switching device））Ｓ１５に置き換えられている。図３はＡＳＤ Ｓ１５の内部の構成要素を示し、図３において、Ｄ１はキャパシタであり、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ５及びＤ７は抵抗器であり、Ｄ４はダイオードであり、Ｄ６はダイアックであり、Ｄ８はＳＣＲである。以下に、図４及び図５をさらに参照して、変更されたＨブリッジ回路１０’の動作について説明する（以下の説明では、ダイアックＤ６のＬＨＳ上の電圧は実質的にＤ１とＤ３との接続点における電圧と同じであるようにＤ２及びＤ５の抵抗は十分に小さく、かつダイアックＤ６のＲＨＳ上の電圧はＳ１５とＳ１３との接続点における電圧と実質的に同じであるようにＤ７の抵抗は十分に小さいことが仮定されている。）。

負荷（即ち、患者）へのバイポーラの伝送の第１の部分は、ＩＧＢＴ Ｓ１３をオンに切り換えることによって開始される。これは、外部トリガ信号である制御信号３をそのゲートへ印加しかつ保持することによって達成される。次にキャパシタＶは、外部充電回路を用いてゼロから負荷へ伝送するために必要とされる電圧まで、必要とされる電流で充電される。先と同様に、ＳＣＲ（ＡＳＤ Ｓ１５におけるＳＣＲ Ｄ８等）において瞬間的に出現する任意の電圧は、ＳＣＲにおける電圧の増加の割合によって自発的にＳＣＲをトリガする場合があるので、キャパシタＶは、Ｓ１３がオンに切り換えられるまでプリチャージされない必要がある。Ｓ１３がオンに保持され、かつキャパシタＶ上の電圧が上昇している間は、キャパシタＤ１もまたＳ１３及び直列の抵抗Ｄ３を介してキャパシタＶと同じ電圧まで充電する。ダイアックＤ６への入力電圧は、Ｓ１３及びＤ３の低い直列抵抗によってそのトリガしきい値より低く保持され、これにより、ＳＣＲ Ｄ８がオフに切り換えられたままになることが保証される。

キャパシタＶ上で要求される電圧が達成されると、ＳＣＲ Ｓ１２のゲートに変圧器に接続されたパルス制御信号２を印加することによりＳＣＲ Ｓ１２をオンに切り換えることによって、電流の第１の部分が負荷へ流される。Ｓ１２及びＳ１３が共にオンに切り換えられた状態で、電流は負荷を介して流れる。負荷へのバイポーラの伝送の第１の部分は、外部のゲート信号である制御信号３を除去してＩＧＢＴ Ｓ１３をオフに切り換えることにより完了される。ＩＧＢＴ Ｓ１３は、Ｓ１３とＳ１５との接続点における電圧が、典型的には５０オームである負荷を介する導通によりキャパシタＶに残留している電圧まで上昇するように、ほぼ瞬時に、ＳＣＲ Ｓ１２が電流の中断に反応し得る速度より遙かに高速でオフに切り換わる。Ｄ１とＤ３との接続点における電圧もまた、キャパシタＶに残留している電圧へと上昇するが、キャパシタＤ１に関連付けられる時定数によって瞬時には上昇できない。したがって、この電圧はＳ１３とＳ１５との接続点における電圧より遅れ、ダイオードＤ４がなければＤ３を介して大きい負のスパイクを生成する。最終結果として、キャパシタＤ１における電圧は実質的にゼロになり、両端子はキャパシタＶ上の残留分にほぼ等しい電位にある。ＩＧＢＴ Ｓ１３がオフに切り換わってからしばらくの後、ＳＣＲ Ｓ１２はオフに切り換わり、それ以上負荷に電流が流れない。

負荷へのバイポーラ伝送の第２の部分は、ＩＧＢＴ Ｓ１４を、外部のトリガ信号である制御信号４をそのゲートへ印加して保持することによりオンに切り換えて開始される。Ｓ１４はオンに切り換わると、Ｓ１５とＳ１３との接続点における電圧を急速に降下させる。Ｄ１とＤ３との接続点における電圧も降下し始めるが、上述した時定数の作用によって瞬時に降下することはできない。ここで、この遅れる電圧は、Ｄ３を介して正のスパイクを生成し、当該スパイクはダイアックＤ６のしきい値電圧を超えてＳＣＲ Ｄ８をオンに切り換える。Ｓ１４及びＳ１５が共にオンに切り換えられている状態で、電流は負荷を介して、バイポーラ放電の第１の部分の間とは反対の方向に流れる。このサイクルは、ＩＧＢＴ Ｓ１４が外部の信号である制御信号４のそのゲートからの除去によってオフに切り換えられるとき、又はキャパシタＶの主電圧源が負荷内の低下された電流の流れをＳＣＲ Ｄ８がそれ以上サポートできなくなるポイントまで漸次放電されることの何れかによって終了する。

要約すれば、ＡＳＤ Ｓ１５におけるＳＣＲ Ｄ８に関連付けられる制御回路Ｄ１〜Ｄ７は、任意の外部の制御信号を必要とすることなく、Ｓ１４がオンに切り換わる際のＳＣＲ Ｄ８のアノード及びカソードにおける電圧の変化に応答して自動的にＳＣＲ Ｄ８をオンに切り換える。ＡＳＤは、遙かに低いＡＥＤ電圧の切り換えを許容することによってＵＳＤの限界（特許文献１）を取り除き、しかもブリッジ回路の実装及びブリッジ回路の完全性の保証に必要な最小限の構成要素を保持する。

本発明は、本明細書に記載されている実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲を逸脱することなく変更及び変形されてもよい。

Claims (6)

1. 少なくとも１つのＳＣＲを含む複数の固体スイッチングデバイスを備えたスイッチング回路において、
   上記回路は、上記ＳＣＲに関連付けられる制御手段であって、当該回路内の別のスイッチングデバイスにおける所定のスイッチングイベントに対応する電圧変化であって上記ＳＣＲにおける電圧変化に応答して、上記ＳＣＲを自動的にオンに切り換えるように動作する制御手段をさらに含むスイッチング回路。
2. 上記制御手段はキャパシタを備え、
   上記キャパシタの電圧は上記所定のスイッチングイベントが発生したときに変化し、
   上記キャパシタの電圧の変化は上記ＳＣＲの電圧の変化より遅れており、
   上記キャパシタの電圧と上記ＳＣＲの電圧との差が所定のしきい値を超えたときに上記ＳＣＲはオンにされる請求項１記載のスイッチング回路。
3. 上記制御手段は上記キャパシタと上記ＳＣＲのゲートとの間に接続されたダイアックを含み、上記電圧差が上記ダイアックのしきい値電圧を超えたときに上記ダイアックはオンにされ、これに応答して上記ＳＣＲはオンにされる請求項２記載のスイッチング回路。
4. 上記ＳＣＲと他のスイッチングデバイスとは負荷を介して直列に接続され、上記所定のスイッチングイベントは上記他のスイッチングデバイスがオンにされることである先行する任意の請求項記載のスイッチング回路。
5. 上記スイッチング回路はＨブリッジ回路であり、上記ブリッジ回路の高電位脚部のうちの１つに上記ＳＣＲを有し、上記他のスイッチングデバイスは上記ブリッジ回路の対角的に反対側の脚部に存在する先行する任意の請求項記載のスイッチング回路。
6. 先行する任意の請求項記載のスイッチング回路を含むバイポーラの電気治療を患者に施すための自動体外式除細動器。

Images