JP2015191753A - X線高電圧装置及びそれを備えたx線画像診断装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】トランスと、直流電源と前記トランスの間に電気的に並列に接続されるとともに直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、前記トランスとX線管との間に電気的に並列に接続されるとともに前記交流電圧を平滑してX線管へ直流電圧を供給する整流回路と、前記インバータを制御する制御部と、前記インバータと前記整流回路との間に電気的に設けられかつ前記トランスを含んで構成される共振回路と、を備えたX線高電圧装置において、前記インバータから前記共振回路へ供給する共振電流の周波数が、前記インバータを駆動する周波数の(自然数+1)倍となるように前記共振回路を設定することにより、前記整流回路に印加する交流電圧の周波数を、前記インバータを駆動する周波数の(自然数+1)倍とするX線高電圧装置。
【選択図】図1
Description
Z1=jωL1+1/(Z0+1/jωC2)・・・式(1)
となる。式(1)より、共振周波数f1は、式(2)となる。
前記式(2)より、共振周波数f1は、共振インダクタ3と、共振コンデンサ5と、X線管7と整流回路6の合成インピーダンスZ0の影響を受けることがわかる。
前記式(3)より、時定数τ1は、負荷のインピーダンスZ0と、共振コンデンサ5の静電容量C2によって決まることがわかる。負荷のインピーダンスZ0は負荷条件によって決定されるため、所望の時定数τ1となるように共振コンデンサ5の静電容量C2を設定する必要がある。
(Mode1)t0〜t1
まず、スイッチング素子Q1、Q4がオンの期間(Mode1)の動作を説明する。スイッチング素子Q1、Q4をオンすると、直流電源1の電圧をVinと表記するとすれば、インバータの出力電圧V1はおおよそ+Vinとなる。このとき、ダイオードD4、共振コンデンサ5、共振インダクタ3、ダイオードD1の経路に共振電流が流れ、共振インダクタ3のエネルギが放出され、共振コンデンサC5にエネルギを蓄える。共振インダクタ3のエネルギが全て放出されると、共振電流I1の極性が反転し、直流電源1、スイッチング素子Q1、共振インダクタ3、共振コンデンサ5、スイッチング素子Q4の経路で共振電流が流れ、共振コンデンサ5のエネルギが放出され、再び共振インダクタにエネルギを蓄える。ここで、共振電流I1の周波数fr1が、インバータの駆動周波数fswの3倍となるように共振回路100を設定することで、スイッチング素子Q1、Q4がオンの期間中に、共振インダクタ3と共振コンデンサ5とでエネルギのやりとりが繰り返され、共振電流I1の極性も繰り返し反転する。このとき、共振コンデンサ5の両端には共振電流I1に対して位相がπ/2遅れた交流電圧Vc21が発生する。これにより、インバータの駆動周波数fswよりも高周波の交流電圧を整流回路6へ印加することができ、平滑コンデンサCmへ電流Id1を供給することができる。
(Mode2)t1〜t2
t1のタイミングでスイッチング素子Q1、Q4をオフし、スイッチング素子Q2、Q3をオンすると、共振電流I1は、ダイオードD2、共振インダクタ3、共振コンデンサ5、ダイオードD3の経路で流れ、共振コンデンサ5のエネルギを放出し、共振インダクタ3へエネルギを蓄える。このとき、直流電源1の電圧をVinとすれば、インバータの出力電圧V1はおおよそ―Vinとなる。共振コンデンサのエネルギが全て放出されると、直流電源1、スイッチング素子Q3、共振コンデンサ5、共振インダクタ3.スイッチング素子Q2の経路で、共振インダクタ3のエネルギを放出し、共振コンデンサ5にエネルギを蓄える。スイッチング素子Q2、Q3がオンの期間中、Mode1と同様に共振電流I1の極性が繰り返し反転する。このとき、共振コンデンサ5の両端には共振電流I1に対して位相がπ/2進んだ交流電圧Vc21が発生する。これにより、インバータの駆動周波数fswよりも高周波数の交流電圧を整流回路6へ印加することができ、平滑コンデンサCmへ電流Id1を供給することができる。以下、定常状態ではMode1及びMode2の繰り返し動作となる。
<実施例1の変形例>
実施例1の変形例について図3を用いて説明する。
まず、スイッチング素子Q1、Q4がオンのとき、共振インダクタ3に蓄えられたエネルギによって、ダイオードD4、共振コンデンサ5、共振インダクタ3、ダイオードD1の経路で共振電流が流れ、共振インダクタ3のエネルギが放出される。共振インダクタのエネルギが完全に放出されると、共振電流I1の極性が反転し、直流電源1、スイッチング素子Q1、共振インダクタ3、共振コンデンサ5、スイッチング素子Q4の経路で共振電流が流れ、共振インダクタ3に再びエネルギが蓄積される。このとき、共振コンデンサ5の両端には共振電流I1から位相がπ/2遅れた交流電圧Vc2が発生し、整流回路6へ交流電圧が印加される。なお、直流電源の電圧をVinとすると、Mode1におけるインバータ出力電圧V1はおよそ+Vinとなる。
(Mode2)
t1の時間で、スイッチング素子Q1、Q4をオフし、スイッチング素子Q2、Q3をオンすると、Mode2に移行する。Mode2では、まず、ダイオードD2、共振インダクタ3、共振コンデンサ5、ダイオードD3の経路で共振電流が流れ、共振コンデンサ5のエネルギを放出し、共振インダクタ3にエネルギを蓄積する。共振コンデンサ5のエネルギが完全に放出されると、共振電流I1の極性が反転し、スイッチング素子Q3、共振コンデンサ5、共振インダクタ3、スイッチング素子Q2の経路で共振電流が流れ、再び共振コンデンサ5にエネルギを蓄積する。このとき、共振コンデンサ5の両端には共振電流I1から位相がπ/2遅れた電圧が発生し、整流回路6へ交流電圧Vc2が印加される。なお、直流電源の電圧をVinとすると、Mode2におけるインバータ出力電圧V1はおよそ―Vinとなる。以下、定常状態では、図2と同様にMode1とMode2の繰り返し動作となる。
次に、本発明の第2の実施形態について、図4、図5を用いて説明する。
ここで、共振コンデンサ205のインピーダンスに比べて共振コンデンサ210のインピーダンスが十分大きくなるように静電容量C210、C205を設定することで、図4のX線高電圧装置の共振回路101は、おおむね共振コンデンサ210、共振インダクタ203、共振コンデンサ205の直列回路とみなすことができるため、共振周波数f2は(5)式となる。
このように、本実施の形態では、トランスの一次側に、共振インダクタ203と直列に共振コンデンサ210を接続した構成とすることで、実施例1に比べて負荷インピーダンスZ0の影響を小さくすることができるため、実施例1と比べて共振回路101の設定が容易となる。
(Mode1)t0〜t1
まず、スイッチング素子Q1、Q4がオンの期間(Mode1)の動作を説明する。スイッチング素子Q1、Q4をオンすると、直流電源1の電圧をVinと表記するとすれば、インバータの出力電圧V1はおおよそ+Vinとなる。このとき、ダイオードD4、共振コンデンサ205、共振インダクタ203、共振コンデンサ210、ダイオードD1の経路に共振電流が流れ、共振インダクタ203のエネルギが放出され、共振コンデンサC205及び共振コンデンサ210にエネルギを蓄える。共振インダクタ203のエネルギが全て放出されると、共振電流I1の極性が反転し、直流電源1、スイッチング素子Q1、共振コンデンサ210、共振インダクタ203、共振コンデンサ205、スイッチング素子Q4の経路で共振電流が流れ、共振コンデンサ205のエネルギが放出され、再び共振インダクタ203にエネルギを蓄える。ここで、共振電流I1の周波数fr2が、インバータの駆動周波数fswの5倍となるように共振回路101が設定されているため、スイッチング素子Q1、Q4がオンの期間中に、共振インダクタ203と共振コンデンサ205とでエネルギのやりとりが繰り返され、共振電流I1の極性も繰り返し反転する。このとき、共振コンデンサ205の両端には共振電流I1に対して位相がπ/2遅れた交流電圧Vc21が発生する。これにより、インバータの駆動周波数fswよりも高周波の交流電圧を整流回路206へ印加することができ、平滑コンデンサCm1、Cm2へ電流Id1、Id2を供給することができる。
(Mode2)t1〜t2
t1のタイミングでスイッチング素子Q1、Q4をオフし、スイッチング素子Q2、Q3をオンすると、共振電流I1は、ダイオードD2、共振インダクタ203、共振コンデンサ205、ダイオードD3の経路で流れ、共振コンデンサ205のエネルギを放出し、共振インダクタ203へエネルギを蓄える。このとき、直流電源1の電圧をVinとすれば、インバータの出力電圧V1はおおよそ―Vinとなる。共振コンデンサ205のエネルギが全て放出されると、直流電源1、スイッチング素子Q3、共振コンデンサ205、共振インダクタ203.スイッチング素子Q2の経路で、共振インダクタ203のエネルギを放出し、共振コンデンサ205にエネルギを蓄える。スイッチング素子Q2、Q3がオンの期間中、Mode1と同様に共振電流I1の極性が繰り返し反転する。このとき、共振コンデンサ5の両端には共振電流I1に対して位相がπ/2進んだ交流電圧Vc21が発生する。これにより、インバータの駆動周波数fswよりも高周波数の交流電圧を整流回路206へ印加することができ、平滑コンデンサCm1、Cm2へ電流Id1、Id2を供給することができる。以下、定常状態ではMode1及びMode2の繰り返し動作となる。
次に、本発明の第3の実施形態について、図8を用いて説明する。図8は、本発明の実施例3によるX線高電圧装置の回路構成図である。このX線高電圧装置は、実施例1のX線高電圧装置と同様に、直流電源1を電源とし、インバータ2と、共振インダクタ303a、303bと、トランス304a、304bと、共振コンデンサ310a、310bと、共振コンデンサ305a、305bと、整流回路306a、306bと、制御手段308で構成され、負荷であるX線管7へ直流の高電圧を供給する。共振回路103aは、共振インダクタ303aと、トランス304aと、共振コンデンサ310aと、共振コンデンサ305a、305bから構成され、共振回路103bは、共振インダクタ303bと、トランス304bと、共振コンデンサ310bと、共振コンデンサ305c、305dから構成される。
次に、本発明の第4の実施形態について、図9、図10を用いて説明する。
しかし、本発明のX線高電圧装置では、共振電流の周波数f1がインバータの駆動周波数fswの(自然数+1)倍となるように動作させるため、必ずしも前記式(6)の条件が出力電圧のリプルが最小となる条件にはならない。本実施の形態では、電流センサ420、421により共振電流I1、I21の周期T2を検出し、共振電流I1、I21の位相差φ2が(7)式の関係となるようにインバータの位相差φ1を制御することで、管電圧Vxの脈動ΔVxが最小となるようにインバータを制御することができる。ここで、式(7)中のNは、インバータの台数を示している。
以上、本実施の形態では、高電圧回路を複数備え、高電圧回路の入力を並列接続し、高電圧回路の出力を直列接続した構成とし、共振電流I1、I21の周期T2を検出し、検出した周期T2にもとづいてインバータの位相差φ1を制御することで、実施例2と比べて管電圧Vxの脈動ΔVxを低減することができる。なお、本実施の形態では、共振電流I1、I2の周期T2を検出し、インバータを制御しているが、これに限らない。電圧センサ9によって検出した管電圧Vxにもとづいて、管電圧Vxの脈動ΔVxが最も小さくなるようにインバータの位相差φ1を制御してもよい。
2,202,402a,402b・・・インバータ
3,203,303a,303b,403a,403b,503,603・・・共振インダクタ
4,204,304a,304b,404a,404b・・・トランス
5,205,205a,205b,305a,305b,305c,305d,405a,405b,405c,405d,210,310a,310b,310c,310d,410a,410b,510,610・・・共振コンデンサ
420,421・・・高電圧回路
6,206,206a,206b,306a,306b,406a,406b・・・整流回路
7・・・X線管
8,208,308,408・・・制御回路
9・・・電圧センサ
411,412・・・電流センサ
100,101,102,103a,103b,104a,104b,105,500,600・・・共振回路
Q1,Q2,Q3,Q4,Q21,Q22,Q23,Q24・・・スイッチング素子
D1,D2,D3,D4,D21,D22,D23,D24・・・ダイオード
Dr1,Dr2,Dr3,Dr4,Dr11,Dr12,Dr13,Dr14,Dr15,Dr16,Dr17,Dr18,Dr21,Dr22,Dr23,Dr24,Dr25,Dr27,Dr28・・・整流ダイオード
Cd1,Cd2,Cd3,Cd4,C21,Cd22,Cd23,Cd24・・・整流コンデンサ
Cm,Cm1,Cm2,Cm3,Cm4・・・平滑コンデンサ
C200,C201・・・コンデンサ
T1,T2,T31,T32,T41,T42・・・コア
N1,N11,N12・・・一次巻線
N2,N21,N22,N23,N24・・・二次巻線
N1,N11,N12,N13・・・一次巻線
N2,N21,N22,N23,N24・・・二次巻線
Claims (15)
- トランスと、
直流電源と前記トランスの間に電気的に並列に接続されるとともに直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、
前記トランスとX線管との間に電気的に並列に接続されるとともに前記交流電圧を平滑してX線管へ直流電圧を供給する整流回路と、
前記インバータを制御する制御部と、
前記インバータと前記整流回路との間に電気的に設けられかつ前記トランスを含んで構成される共振回路と、を備えたX線高電圧装置において、
前記インバータから前記共振回路へ供給する共振電流の周波数が、前記インバータを駆動する周波数の(自然数+1)倍となるように前記共振回路を設定することにより、前記整流回路に印加する交流電圧の周波数を、前記インバータを駆動する周波数の(自然数+1)倍とすることを特徴とするX線高電圧装置。 - 請求項1に記載されたX線高電圧装置であって、
前記共振回路は、
前記トランスの一次巻線又は二次巻線に直列接続された共振インダクタと、
前記共振インダクタと前記整流回路との間に前記トランスの一次巻線又は二次巻線の端子間に並列接続された共振コンデンサと、
を備えたことを特徴とするX線高電圧装置。 - 請求項2に記載されたX線高電圧装置であって、
前記共振回路は、
前記共振インダクタと直列接続された第2共振コンデンサを備えたことを特徴とするX線高電圧装置。 - 請求項1ないし3のいずれかに記載のX線高電圧装置であって、
前記インバータ、前記共振回路、前記トランス、前記整流回路から構成される高電圧回路部を複数備え、
前記複数の高電圧回路部は、入力部である前記インバータの入力端が直列接続又は並列接続され、出力部である前記整流回路の出力端が直列接続又は並列接続された構成であること特徴とするX線高電圧装置。 - 請求項4に記載されたX線高電圧装置であって、
前記制御部は、前記インバータから前記共振回路へ供給される前記共振電流が前記複数の高電圧回路部間で位相差を持つように制御することを特徴とするX線高電圧装置。 - 請求項5に記載されたX線高電圧装置であって、
前記インバータから前記共振回路へ供給される共振電流を検出する電流検出部を備え、
前記高電圧回路部の数をNと定義した場合、前記制御部は、前記電流検出手段によって検出された共振電流の周期にもとづいて、前記共振電流の位相差がπ/(2×N)となるように、前記インバータを制御することを特徴とするX線高電圧装置。 - 請求項3に記載されたX線高電圧装置であって、
前記共振回路は、前記共振インダクタと前記第2共振コンデンサで構成された直列共振回路と、前記直列共振回路の両端に並列接続され、第2共振インダクタと第3共振コンデンサを直列接続して構成された第2直列共振回路と、を備えるX線高電圧装置。 - 請求項7に記載されたX線高電圧装置であって、
前記第2共振インダクタに流れる共振電流の周波数が、前記共振インダクタに流れる共振電流の周波数の(自然数+1)倍となるように、前記第2共振インダクタと前記第3共振コンデンサとを設定するX線高電圧装置。 - 請求項1ないし8のいずれかに記載のX線高電圧装置であって、
前記インバータは、2個のスイッチング素子の直列体である上下アームを2組備えるフルブリッジ回路であることを特徴とするX線高電圧装置。 - 請求項9に記載されたX線高電圧装置であって
前記インバータは、前記2組の上下アームのうち一方をスイッチング動作させ、他方の上下アームにおいては、一方のスイッチング素子が常にオンになり、他方のスイッチング素子が常にオフとなるように、前記2組の上下アームを動作することを特徴とするX線高電圧装置。 - 請求項1ないし8のいずれかに記載のX線高電圧装置であって、
前記インバータは、2個のスイッチング素子の直列体である上下アームを1組備えるハーフブリッジ回路であることを特徴とするX線高電圧装置。 - 請求項1ないし11のいずれかに記載のX線高電圧装置であって、
前記整流回路は、自然数であるn個の倍電圧整流回路を多段に直列接続又は並列接続して構成されたことを特徴とするX線高電圧装置。 - 請求項1ないし11のいずれかに記載のX線高電圧装置であって、
前記整流回路は、自然数であるn個のコッククロフト・ウォルトン回路を多段に直列接続又は並列接続して構成されたことを特徴とするX線高電圧装置。 - 請求項1ないし13のいずれかに記載のX線高電圧装置であって、
前記インバータを駆動する周波数を変化させることで前記X線管へ供給する電圧を制御することを特徴とするX線高電圧装置。 - 請求項1ないし14のいずれか一項に記載のX線高電圧装置を備えたX線画像診断装置。
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