JP2013027257A

JP2013027257A - インバータ装置および画像診断装置

Info

Publication number: JP2013027257A
Application number: JP2011162666A
Authority: JP
Inventors: Kensaku Morita; 健作森田
Original assignee: GE Medical Systems Global Technology Co LLC
Current assignee: GE Medical Systems Global Technology Co LLC
Priority date: 2011-07-26
Filing date: 2011-07-26
Publication date: 2013-02-04

Abstract

【課題】インバータ装置において、スイッチング特性がよくないスイッチング素子を用いてもインバータブリッジのスイッチング周波数を高くできるようにする。
【解決手段】インバータブリッジ２を構成する複数のスイッチ手段Ｓ１〜Ｓ４と、その複数のスイッチ手段をスイッチングさせる制御手段６とを備え、複数のスイッチ手段Ｓ１〜Ｓ４は、それぞれ、互いに並列に接続された複数のスイッチング素子（Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ１３；Ｓ１），…，（Ｑ４１，Ｑ４２，Ｑ４３；Ｓ４）を含んでおり、制御手段６が、各スイッチ手段のスイッチングを、当該スイッチ手段に含まれる複数のスイッチング素子の各々を順次繰り返しオン・オフさせることにより行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、インバータブリッジ（inverter bridge）を備えたインバータ装置、およびそのインバータ装置を備えた画像診断装置に関する。

従来、インバータブリッジを備えたインバータ装置が知られている（例えば、特許文献１，要約等参照）。

一般的に、インバータブリッジのスイッチング（switching）周波数を高くすると、その後段に接続される高周波トランス（transformer）や平滑コンデンサ（capacitor）を小型化できる、あるいは、インバータ装置の出力の電圧変動が抑えられる、といった利点が生まれる。

特開２０１０−０２２１０４号公報

ところで、ＦＥＴなどのスイッチング素子は、スイッチング特性がよいため、高速なスイッチング動作が可能であり、例えば数百ｋＨｚ程度で動作させることができるが、流せる電流量が少ない。一方、ＩＧＢＴやＧＴＯなどのスイッチング素子は、流せる電流量は大きいが、スイッチング特性があまりよくないため、高速なスイッチング動作が困難であり、例えば２０ｋＨｚ程度で動作させることが多い。

そのため、特に大電力を供給するインバータ装置では、インバータブリッジを構成するスイッチング素子として、ＩＧＢＴのような大電流を流せる素子を使う必要がある。

しかしながら、この場合には、スイッチング素子のスイッチング特性がよくないため、スイッチング周波数を高めることができず、上記のような利点を得ること、すなわち、高周波トランスやフィルタ回路の小型化などを実現させることが難しい。

このような事情により、スイッチング特性がよくないスイッチング素子を用いてもインバータブリッジのスイッチング周波数を高くすることができる技術が望まれている。

第１の観点の発明は、インバータブリッジを構成する複数のスイッチ手段と、前記複数のスイッチ手段をスイッチングさせる制御手段とを備えたインバータ装置であって、前記複数のスイッチ手段の各々は、互いに並列に接続された複数のスイッチング素子を含んでおり、前記制御手段が、前記複数のスイッチ手段の各々のスイッチングを、前記複数のスイッチング素子を順次繰り返しオン・オフ（on/off）させることにより行うインバータ装置を提供する。

第２の観点の発明は、前記複数のスイッチ手段が、第１、第２、第３および第４のスイッチ手段により構成されており、前記制御手段が、前記第１および第２のスイッチ手段がオンしており、前記第３および第４のスイッチ手段がオフしている期間と、前記第１および第２のスイッチ手段がオフしており、前記第３および第４のスイッチ手段がオンしている期間とを交互に作り出すよう、前記第１から第４のスイッチ手段を制御する上記第１の観点のインバータ装置を提供する。

第３の観点の発明は、前記インバータブリッジに接続されるトランスをさらに備えた上記第１の観点または第２の観点のインバータ装置を提供する。

第４の観点の発明は、前記複数のスイッチング素子が、それぞれ、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラトランジスタ）またはＧＴＯ（ゲート・ターンオフ・サイリスタ）である上記第１の観点から第３の観点のいずれか一つの観点のインバータ装置を提供する。

第５の観点の発明は、前記インバータブリッジの実質的なスイッチング周波数が、５０ｋＨｚ以上、１００ｋＨｚ以下である上記第１の観点から第４の観点のいずれか一つの観点のインバータ装置を提供する。

第６の観点の発明は、前記インバータブリッジに流れる電流が、３０Ａ以上、３００Ａ以下である上記第１の観点から第５の観点のいずれか一つの観点のインバータ装置を提供する。

第７の観点の発明は、上記第１の観点から第６の観点のインバータ装置を備えた画像診断装置を提供する。

上記観点の発明によれば、インバータブリッジを構成する各スイッチ手段を、複数のスイッチング素子の並列接続とし、各スイッチング素子を順次切り替えてオン・オフさせるので、それぞれのスイッチング素子のスイッチング周波数より高い周波数でインバータブリッジをスイッチングさせることができ、スイッチング特性がよくないスイッチング素子を用いてもインバータブリッジのスイッチング周波数を高くすることができる。

発明の実施形態に係るインバータ装置の構成を概略的に示す図である。本実施形態に係るインバータ装置の各スイッチング素子のオン・オフ制御を示すタイムチャート（time chart）である。

以下、発明の実施形態について説明する。なお、これにより発明が限定されるものではない。

図１は、本実施形態に係るインバータ装置の構成を概略的に示す図である。

インバータ装置１００は、整流回路１と、インバータブリッジ２と、高周波トランス３と、ＡＣ／ＤＣ変換回路４と、平滑コンデンサ５と、制御回路６とを備えている。なお、インバータブリッジ２に、直流電圧が直接入力される場合には、整流回路１は不要である。また、高周波トランス３、ＡＣ／ＤＣ変換回路４、および平滑コンデンサ５は、インバータブリッジ２の後段に接続する回路の一例であり、これに限定されない。

整流回路１は、交流電源１０の交流電圧を整流して直流電圧に変換する。整流回路１は、例えば、ダイオードブリッジ（diode bridge）などにより構成されている。なお、交流電源１０は、例えば、単相１００Ｖや三相２００Ｖなどを想定できる。

インバータブリッジ２は、整流回路１と接続されており、直流電圧の供給を受ける。インバータブリッジ２は、第１のスイッチ回路Ｓ１、第２のスイッチ回路Ｓ２、第３のスイッチ回路Ｓ３、および第４のスイッチ回路Ｓ４により構成されている。

第１のスイッチ回路Ｓ１は、互いに並列に接続された３つのスイッチング素子Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ１３により構成されている。同様に、第２のスイッチ回路Ｓ２は、スイッチング素子Ｑ２１，Ｑ２２，Ｑ２３により構成されており、第３のスイッチ回路Ｓ３は、スイッチング素子Ｑ３１，Ｑ３２，Ｑ３３により構成されており、第４のスイッチ回路Ｓ４は、スイッチング素子Ｑ４１，Ｑ４２，Ｑ４３により構成されている。各スイッチング素子は、本例では、大電力タイプのＩＧＢＴであるが、大電力タイプのＧＴＯであってもよい。なお、インバータブリッジ２に流れる電流は、例えば、３０Ａ〜３００Ａ程度を想定できる。

高周波トランス３は、その一次側において、インバータブリッジ２と接続されており、その二次側において、ＡＣ／ＤＣ変換回路４と接続されている。

ＡＣ／ＤＣ変換回路４は、高周波トランス３の二次側に発生する交流電圧（交流電流）を直流に変換する。ＡＣ／ＤＣ変換回路４は、例えば、ダイオードブリッジや、コッククロフト（cock croft）回路などにより構成されている。

平滑化コンデンサ５は、ＡＣ／ＤＣ変換回路４の出力段と接続されており、ＡＣ／ＤＣ変換回路４からのリップル（ripple）の乗った直流電圧を平滑化する。

制御回路６は、第１のスイッチ回路Ｓ１および第２のスイッチ回路Ｓ２がオンしており、第３のスイッチ回路Ｓ３および第４のスイッチ回路Ｓ４がオフしている期間と、第１のスイッチ回路Ｓ１および第２のスイッチ回路Ｓ２がオフしており、第３のスイッチ回路Ｓ３および第４のスイッチ回路Ｓ４がオンしている期間とが交互に作り出されるように、これらスイッチ回路のオン・オフを制御する。また、制御回路６は、これらの期間の時間幅を調整するＰＷＭ（Pulse Wave Modulation）制御を行うことにより、インバータ装置１００の出力電圧を制御する。

図２に、制御回路６による各スイッチング素子のオン・オフ制御のタイムチャートを示す。

制御回路６は、図２に示すように、各スイッチ回路Ｓ１〜Ｓ４のオン・オフの繰り返し制御を、そのスイッチ回路に含まれる複数のスイッチング素子の各々を順次繰り返しオン・オフさせることにより行う。本例の場合、スイッチング素子Ｑ１１，Ｑ２１をオン・オフした後、スイッチング素子Ｑ３１，Ｑ４１をオン・オフする。次いで、スイッチング素子Ｑ１２，Ｑ２２をオン・オフした後、スイッチング素子Ｑ３２，Ｑ４２をオン・オフする。次いで、スイッチング素子Ｑ１３，Ｑ２３をオン・オフした後、スイッチング素子Ｑ３３，Ｑ４３をオン・オフする。そして、元に戻り、スイッチング素子Ｑ１１，Ｑ２１をオン・オフし、スイッチング素子Ｑ３１，Ｑ４１をオン・オフする。このようなオン・オフ制御を繰り返すことにより、各スイッチング素子を周波数ｆでスイッチングした場合、インバータブリッジ２のスイッチ回路Ｓ１〜Ｓ４によるスイッチング周波数を、その３倍の３ｆとすることができる。

つまり、単純計算では、１つのスイッチ回路に含まれる、並列接続したスイッチング素子の個数をＮ個とし、スイッチング素子のスイッチング周波数をｆとしたとき、インバータブリッジの実質的なスイッチング周波数は、Ｎ・ｆ倍にすることができる。なお、インバータブリッジ２の実質的なスイッチング周波数、すなわちＰＷＭの変調周波数は、例えば、５０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ程度を想定できる。

このように、本実施形態によれば、インバータブリッジを構成する各スイッチ手段を、複数のスイッチング素子の並列接続とし、各スイッチング素子を順次切り替えてオン・オフさせるので、それぞれのスイッチング素子のスイッチング周波数より高い周波数でインバータブリッジをスイッチングさせることができ、スイッチング特性がよくないスイッチング素子を用いてもインバータブリッジのスイッチング周波数を高くすることができる。その結果、高周波トランス、平滑コンデンサなどのフィルタの小型化が可能になり、コスト削減、省スペース化を実現できる。また、スイッチング周波数を人間の可聴周波数より高くすることで、騒音を小さくすることもできる。

さらに、本実施形態によれば、スイッチング素子のスイッチング周波数を、インバータブリッジのスイッチング周波数より低くできるので、スイッチング素子の発熱による劣化を抑え、寿命を長くすることができる。

なお、発明の実施形態は、上記実施形態に限定されず、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、種々の変形が可能である。

例えば、スイッチング素子は、ＩＧＢＴやＧＴＯの他、ＦＥＴ、バイポーラトランジスタ（bi-polar transistor）等であってもよい。

また例えば、各スイッチ回路が備えるスイッチング素子の数は、必ずしも統一されている必要はない。

また例えば、発明のインバータ装置は、大電力タイプのスイッチング素子を用いる場合に効果が高いので、大電力を必要とする装置、例えば、電磁石を備えたＭＲ（Magnetic Resonance）装置や、Ｘ線管を備えたＸ線ＣＴ（Computed
Tomography）装置などの画像診断装置に適用することも考えられる。

１整流回路
２インバータブリッジ
３高周波トランス
４ＡＣ／ＤＣ変換回路
５平滑コンデンサ
６制御回路
１０交流電源
Ｓ１第１のスイッチ回路
Ｑ１１〜Ｑ１３スイッチング素子
Ｓ２第２のスイッチ回路
Ｑ２１〜Ｑ２３スイッチング素子
Ｓ３第３のスイッチ回路
Ｑ３１〜Ｑ３３スイッチング素子
Ｓ４第４のスイッチ回路
Ｑ４１〜Ｑ４３スイッチング素子
１００インバータ装置

Claims

インバータブリッジを構成する複数のスイッチ手段と、
前記複数のスイッチ手段をスイッチングさせる制御手段とを備えたインバータ装置であって、
前記複数のスイッチ手段の各々は、互いに並列に接続された複数のスイッチング素子を含んでおり、
前記制御手段は、前記複数のスイッチ手段の各々のスイッチングを、前記複数のスイッチング素子を順次繰り返しオン・オフさせることにより行うインバータ装置。
前記複数のスイッチ手段は、第１、第２、第３および第４のスイッチ手段により構成されており、
前記制御手段は、前記第１および第２のスイッチ手段がオンしており、前記第３および第４のスイッチ手段がオフしている期間と、前記第１および第２のスイッチ手段がオフしており、前記第３および第４のスイッチ手段がオンしている期間とを交互に作り出すよう、前記第１から第４のスイッチ手段を制御する請求項１に記載のインバータ装置。
前記インバータブリッジに接続されるトランスをさらに備えた請求項１または請求項２に記載のインバータ装置。
前記複数のスイッチング素子は、それぞれ、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラトランジスタ）またはＧＴＯ（ゲート・ターンオフ・サイリスタ）である請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のインバータ装置。
前記インバータブリッジの実質的なスイッチング周波数は、５０ｋＨｚ以上、１００ｋＨｚ以下である請求項１から請求項４のいずれか一項に記載のインバータ装置。
前記インバータブリッジに流れる電流は、３０Ａ以上、３００Ａ以下である請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のインバータ装置。
請求項１から請求項６に記載のインバータ装置を備えた画像診断装置。