JP6132771B2 - Ｘ線高電圧装置およびその運転方法 - Google Patents

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Description

本発明は、X線高電圧装置に関し、特に、パルス透視時のように長時間にわたって間欠的に管電流を供給する際に、電力損失や温度上昇を低減できるX線高電圧装置に関する。
X線撮影装置やX線CT装置は、X線管に直流の管電圧・管電流を供給するとともに、管電圧・管電流を制御するX線高電圧装置が用いられる。
従来技術のX線高電圧装置は、例えば特許文献1に記載されているように、交流の商用電源を整流した直流電圧を昇圧回路で昇圧し、これをインバータ回路により高周波の交流電圧に変換する。インバータ回路の出力電圧を高電圧変圧器で変圧した後、高電圧整流回路で整流してX線管に供給する。X線管に印加される電圧(管電圧)を検出し、管電圧を目標の管電圧に一致するようにインバータ回路をフィードバック制御する。また、昇圧回路で昇圧された直流電圧を検出し、目標の直流電圧に一致するように昇圧回路をフィードバック制御する。
近年のインバータ回路の動作周波数の高周波化に伴い、特に長時間連続でX線を間欠的に照射するパルス透視時に装置の温度が上昇する。そのため、特許文献1では、インバータ回路をフィードバック制御する期間と、フィードバック制御をしないで管電圧がゼロではない最小値となる動作点で動作させる非フィードバック制御期間とを交互に繰り返す動作方法が開示されている。これにより、特許文献1のX線高電圧装置は、インバータ出力の電圧と時間の積が平均的に見て従来よりも大幅に低減する。また、インバータ回路のスイッチング損失や高電圧変圧器の損失も低減できる。これにより温度上昇を低減できる。
特開2000-58291号公報
上記特許文献1に記載の技術では、インバータ回路および高電圧変圧器における電力損失に伴う発熱は低減できるが、昇圧回路のスイッチング素子やインダクタの損失低減については配慮されていない。
本発明の目的は、昇圧回路の電力損失や温度上昇を低減することのできるX線高電圧装置を提供することにある。
上記目的を達成するために、本発明によれば、以下のようなX線高電圧装置が提供される。すなわち、電源からの電圧を昇圧する昇圧回路と、昇圧回路の出力電圧を高周波の交流電圧に変換するインバータ回路と、インバータ回路の出力電圧を昇圧および整流してX線管に供給する高電圧変圧・整流部と、昇圧回路を制御する昇圧動作制御回路とを有するX線高電圧装置であって、昇圧動作制御回路は、昇圧回路の出力電圧を所定の昇圧電圧に一致させるように制御する昇圧回路動作期間と、昇圧回路の動作を停止させる昇圧回路停止期間とを、所定のタイミングに同期させて繰り返す。
本発明によれば、昇圧回路のインダクタやスイッチング素子の損失を低減することができるため、損失に伴う温度上昇を抑制でき、冷却装置の大規模化を防止できる。よって、X線高電圧装置の簡素化および小型化を図ることができる。
第1の実施形態のX線高電圧装置のブロック図。 第1の実施形態の昇圧回路の構成を示す回路図。 第1の実施形態のインバータ回路の構成を示す回路図。 第1の実施形態のX線高電圧装置の制御信号等の波形を示す説明図。 第1の実施形態の昇圧動作制御回路の動作を示すフローチャート。 第1の実施形態の管電圧制御回路の動作を示すフローチャート。 第2の実施形態のX線高電圧装置のブロック図。 第2の実施形態のX線高電圧装置の制御信号等の波形を示す説明図。 第3の実施形態のX線高電圧装置の制御信号等の波形を示す説明図。 第4の実施形態のX線高電圧装置のブロック図。 第4の実施形態の昇圧回路の構成を示す回路図。 第4の実施形態のX線高電圧装置の制御信号等の波
本発明では、電源からの電圧を昇圧する昇圧回路と、前記昇圧回路の出力電圧を高周波の交流電圧に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路の出力電圧を昇圧および整流してX線管に供給する高電圧変圧・整流部と、前記昇圧回路を制御する昇圧動作制御回路と、前記インバータ回路を制御する管電圧制御回路とを有し、前記管電圧制御回路は、前記インバータ回路を制御し、所定の出力電圧を前記高電圧変圧・整流部に出力させるインバータ回路動作期間と、前記インバータ回路の動作を停止させるインバータ回路停止期間とを、所定のタイミングに同期させて繰り返し、前記昇圧動作制御回路は、当該インバータ回路動作期間と同期して前記昇圧回路の出力電圧を所定の昇圧電圧に一致させるように制御する昇圧回路動作期間と、前記インバータ回路停止期間と同期して前記昇圧回路の動作を停止させる昇圧回路停止期間とを、繰り返すことを特徴とする。
また、電源電圧を昇圧にする昇圧回路と、前記昇圧回路の出力電圧を高周波の交流電圧に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路の出力電圧を昇圧および整流してX線管に供給する高電圧変圧・整流部とを有するX線高電圧装置の運転方法であって、前記インバータ回路を制御し、所定の出力電圧を前記高電圧変圧・整流部に出力させるインバータ回路動作期間と、前記インバータ回路の動作を停止させるインバータ回路停止期間とを、所定のタイミングに同期させて繰り返し、当該インバータ回路動作期間と同期して前記昇圧回路の出力電圧を所定の昇圧電圧に一致させるように制御する昇圧回路動作期間と、前記インバータ回路停止期間と同期して前記昇圧回路の動作を停止させる昇圧回路停止期間とを、繰り返すことを特徴とする。
本発明の実施形態を以下説明する。
＜第1の実施形態＞
第1の実施形態のX線高電圧装置を図1等に基づいて説明する。図1は、第1の実施形態のX線高電圧装置のブロック図である。図2は、昇圧回路の回路図である。
図1のようにX線高電圧装置は、商用電源を整流する整流回路10と、整流された電圧を昇圧する昇圧回路20と、昇圧された直流電圧を高周波の交流電圧に変換するインバータ回路30と、インバータ回路30の出力電圧を昇圧する高電圧変圧器40と、高電圧変圧器の出力電圧を整流する高電圧整流回路50と、高電圧整流回路50の出力電圧である直流の高電圧が印加されX線を出射するX線管60と、制御部70とを備えている。X線管60には、陽極を回転駆動する陽極回転駆動回路61が備えられている。陽極回転駆動回路61は、インバータ回路30と並列に接続されている。
制御部70は、管電圧検出回路71と、管電圧制御回路72と、直流電圧検出回路73と、昇圧動作制御回路74と、同期信号発生回路(同期制御部)75とを含む。
管電圧検出回路71は、X線管に印加される電圧(管電圧)を検出する。管電圧制御回路72は、管電圧検出回路71で検出した管電圧を目標の管電圧に一致するようにインバータ回路30をフィードバック制御する。直流電圧検出回路73は、昇圧回路20で昇圧された直流電圧を検出する。昇圧動作制御回路74は、直流電圧検出回路73で検出した直流電圧を目標の直流電圧に一致するように昇圧回路20をフィードバック制御する。同期信号発生回路75は、管電圧制御回路72および昇圧動作制御回路74に同期信号を受け渡し、所定のタイミングで同期させて動作させる。
続いて本発明の要部である昇圧回路20の詳細について図2を用いて説明する。昇圧回路20は、商用電源を整流回路10により整流した整流電圧を入力端(A，B)から受け取り、昇圧して出力端(C，D)から出力する。昇圧回路20は、インダクタ(L1)21、スイッチング素子22、ダイオード(D1)24、および、コンデンサ(Cd)23を備えて構成される。スイッチング素子22としては、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)等のスイッチ(S1)22aに、ダイオード22bを逆並列に接続したものを用いる。
昇圧動作制御回路74は、スイッチ(S1)22aをパルス幅変調制御することにより、コンデンサ(Cd)23に電荷を蓄積し、昇圧する。これにより、直流電圧検出回路73が検出する昇圧回路20の出力電圧を、設定されている直流電圧目標値に一致するようにフィードバック制御する。
一方、インバータ回路30は、4つのスイッチング素子31〜34を図3のように接続したフルブリッジ回路である。スイッチング素子31〜34は、それぞれIGBT等のスイッチS11〜S14にダイオードD11〜D14を逆並列に接続した回路である。直列に接続されたスイッチング素子31とスイッチング素子32との中点aと、直列に接続されたスイッチング素子33とスイッチング素子34の中点bが出力点として高電圧変圧器40に接続される。
インバータ回路30のスイッチング素子31〜34のスイッチS11〜S14は、それぞれ管電圧制御回路72に接続されている。管電圧制御回路72は、スイッチS11〜S14を撮像条件により予め定められたタイミングシーケンスに従ってそれぞれオンオフ制御することにより、X線管60の管電圧を、撮像条件によって設定された管電圧に一致させるように制御する。このような制御を行いながら、管電圧制御回路72は、管電圧検出回路71によって検出された管電圧が、設定された管電圧より大きい場合には、インバータ回路30のスイッチS11〜S14のオンオフのDuty比を下げるように制御する。
反対に、管電圧検出回路71によって検出された管電圧が、設定された管電圧より小さい場合には、インバータ回路30のスイッチS11〜S14のオンオフのDuty比を上げるように制御する。具体的には、スイッチS11とS14、スイッチS13とS12がそれぞれ同時にオンになっている期間の長さを変えるPWM制御により、X線管60に印加する電圧を調整する。これにより、管電圧制御回路72は、X線管60の管電圧が、設定された管電圧に一致するようにフィードバック制御する。
また、管電圧制御回路72は、インバータ回路動作期間とインバータ回路停止期間を交互に繰り返すことにより、常時フィードバック制御する場合よりもインバータ出力電圧と時間の積を低減させるとともに、スイッチング周期の平均を増大させてインバータ回路30のスイッチング損失および高電圧変圧器40の損失を低減し、温度上昇を低減する。
本実施形態のX線高電圧装置の動作について図4、図5および図6を用いて説明する。
図4(a)〜(f)は、制御部70の制御信号および出力信号の信号波形を示す説明図である。図5は、昇圧動作制御回路74の動作を示すフローチャートである。図6は、管電圧制御回路72の動作を示すフローチャートである。
本実施形態では、インバータ回路30にインバータ回路動作期間とインバータ回路停止期間とを所定の周期で交互に行わせる。さらに、インバータ回路停止期間に対応させて、昇圧回路20の昇圧動作をオフにさせ、インバータ回路動作期間においては昇圧のフィードバック制御動作を実行させる。これにより、昇圧回路20における電力損失を低減し、昇圧回路の発熱を低減する。
まず、整流回路10は、商用電源から得た交流電圧を整流して直流電圧にして昇圧回路20に供給する。昇圧回路20は、スイッチ(S1)22aをオンオフするタイミングを昇圧動作制御回路74がパルス幅変調制御することにより、コンデンサ(Cd)23に電荷を蓄積し、コンデンサ(Cd)23の両端の直流電圧Vo1を昇圧する。
このとき、同期信号発生回路75は、図4(a)のように所定のタイミングでオンオフが切り替わる同期信号を生成し出力する。すなわち、同期信号発生回路75は、接続されている操作部80から、X線管60のX線間欠照射の周期(例えばX線撮影装置でパルス透視を行う際のフレームレート)の設定を受け取り、設定された周期(フレームレート)に対応させてオンオフを切り替える同期信号を生成する。
具体的には、例えば操作部80においてフレームレートが、7.5fps(fps：フレーム/sec)、15fps、30fpsが選択可能である場合には、それぞれ周期T＝133ms、67ms、33msの同期信号を生成する。同期信号のDuty比(＝オン時間Ton/周期T)は、予め定めた値に設定するか、もしくは、被検体の厚さに応じて操作者が設定した値にする。また、被検体の厚さによって得られる画像の画素値が変化するので、所望の画素値が得られるDuty比をフィードバック制御により設定することも可能である。
同期信号発生回路75が生成する同期信号は、図1のように昇圧動作制御回路74と管電圧制御回路72に同時に受け渡される。昇圧動作制御回路74と管電圧制御回路72は、同期信号に同期して以下のように動作する。
昇圧動作制御回路74は、図5のフローのように、同期信号がオンになるタイミングで昇圧回路20の昇圧動作の制御を開始し(昇圧回路動作期間)、同期信号がオフになるまで昇圧動作を継続する(ステップ501〜504)。同期信号がオンの間は、ステップ505に進み、昇圧回路20のコンデンサ(Cd)23の電圧Vo1を直流電圧検出回路73から取り込み、これを設定されている直流電圧目標値と比較する(ステップ505)。
コンデンサ(Cd)23の電圧Vo1が目標値より小さい場合、図4(b)に示すように昇圧回路制御信号を生成し、この信号によりスイッチ(S1)22aをオンオフする。これにより、昇圧回路20の昇圧動作をオンにする。これをコンデンサ(Cd)23の電圧Vo1が目標値に達するまでフィードバック制御しながら、継続する(昇圧回路動作期間)(ステップ506、507)。
この制御により、コンデンサ(Cd)23の電圧Vo1は、図4(c)のように同期信号がオンになるタイミングで上昇を開始し、目標値に到達するまで上昇し、同期信号がオフになるまで目標値に維持される。同期信号がオフになった場合には、ステップ502でスイッチ(S1)22aがオフになるため、昇圧の動作が停止する(昇圧回路停止期間)。
これにより、コンデンサ(Cd)23の電圧Vo1は、インバータ回路30および陽極回転駆動回路61の動作に必要な電力相当分だけ徐々に低下する。しかしながらインバータ回路30は、同期信号がオフの状態ではインバータ回路停止期間となるため、ほとんど電力を消費せず、同期信号オフの期間に電力を消費するのは陽極回転駆動回路61のみである。よって、コンデンサ(Cd)23の直流電圧Vo1は、同期信号オフの期間にごくわずかずつ緩やかに低減する。
インバータ回路30は、昇圧回路20が昇圧した直流電圧を高周波の交流電圧に変換する。このとき、管電圧制御回路72は、同期信号と同期させてインバータ回路動作期間とインバータ回路停止期間とを切替える。すなわち、図6のフローに示したように、管電圧制御回路72は、同期信号がオンの場合には、すでに説明したインバータ回路動作期間の動作を行い(ステップ601，602)、同期信号がオフの場合にはインバータ回路停止期間の動作を行う(ステップ603)。
これにより、図4(d)のように、インバータ回路の動作期間では、スイッチS1〜S4がオンオフ制御され、インバータ回路30出力電圧を調整し、管電圧検出回路71の検出する管電圧を図4(e)のように目標値に一致させる。これにより、管電流も図4(f)のように設定された目標値に一致する。インバータ回路停止期間には、スイッチS1〜S4がすべてオフになり、管電圧および管電流をゼロにする。
高電圧変圧器40は、インバータ30の出力する高周波電圧を昇圧し、高電圧整流回路50が整流して直流電圧(管電圧)、直流電流(管電流)としてX線管60に供給する。
これにより、X線管60には、同期信号に同期して管電圧および管電流が供給され、同期信号に同期したタイミングでパルス状のX線を繰り返し照射する。陽極回転駆動回路61は、同期信号のオンオフに関わらず、継続してX線管60の陽極を回転駆動する。
このように、本実施形態のX線高電圧装置によれば、パルス透視等のようにX線を間欠的に照射するのと同期させ、X線を照射しない管電圧のインバータ回路停止期間には、昇圧回路20が昇圧動作をオフにする(昇圧回路停止期間)。
これにより、管電圧のインバータ回路停止期間(同期信号オフ期間)には、昇圧回路20のスイッチ(S1)22aのオンオフの繰り返し動作が行われないため、スイッチング損失を低減できる。加えて、昇圧回路20のインダクタ21は、インバータ回路停止期間(同期信号オフ期間)にはスイッチング(S1)22aがオンオフされないため、インダクタ21の損失を低減できる。
なお、図4(c)では、昇圧回路20のコンデンサ(Cd)23の直流電圧Vo1の変化を拡大して示しているが、同期信号の周期Tに比べてコンデンサ(Cd)23の放電時定数が十分大きいため、昇圧回路停止期間のコンデンサ(Cd)23の直流電圧Vo1の低下は、実際にはごくわずかである。これを以下、具体的な計算によって示す。
パルス透視のフレームレートを30fps、管電圧125ｋV、設定管電流(平均値)ImA(mean)＝4mAの場合、パルスX線照射時の管電流ImAは、下記(1)式により求められる。
ImA＝(T/Ton)・ImA(mean) ・・・(1)
ここでTは、フレームレート30fpsのときの周期であり、T＝33msである。Tonは、1周期TにおけるパルスX線照射時間であり、ここではTon＝4msとする。
式(1)により、上記条件ではImA＝33mAとなる。昇圧回路20は、X線照射時(同期信号ON)には125ｋV×33mA＝4125Wを電力を供給する必要がある。また、陽極回転駆動回路61には、陽極回転に必要とする電力100〜500W程度を常に供給する必要がある。従って昇圧回路20はX線照射時(同期信号オン)には、4125W＋500W(最大)＝4625W、X線停止時(同期信号オフ)には500W(最大)の電力を供給する必要がある。
すなわち昇圧回路20の負荷は、パルス透視と同期して変化していることになる。負荷抵抗の値は、RL＝(Vo1・Vo1)/Ｐという式で表される。Vo1は、昇圧回路20で昇圧された直流電圧であり、ここでVo1＝600VとするとRLは以下のようになる。
RL(X線照射時)＝600×600/4625＝87.3Ω
RL(X線停止時)＝600×600/500＝720Ω
昇圧回路20のコンデンサ(Cd)23の容量は数mF程度であり、例えば5mFとすると、コンデンサ(Cd)23の放電時定数τは、以下のようになる。
τon(X線照射時)＝87.3Ω×5mF＝0.44s
τoff(X線停止時)＝720Ω×5mF＝3.6s
この計算により、X線停止時のコンデンサ(Cd)23の放電時定数τoff＝3.6sは、パルス透視の周期(最大数百ms)に比べ、十分大きいことが分かる。このためX線停止時(同期信号オフのインバータ回路停止期間)に、昇圧回路20の昇圧動作をオフにさせても、コンデンサ(Cd)23の直流電圧の低下は小さい。
よって、X線停止時(同期信号オフ時)に昇圧回路20を停止しても直流電圧は大きく低下しないため、再びX線照射時(同期信号オン)に切り替わる際に、昇圧のためにスイッチング素子22、インダクタ21に大電流が流れるということがなく、昇圧回路20の停止に伴う損失が生じない。これにより、昇圧回路20をX線停止時に停止することにより、インダクタ及びスイッチング素子の損失低減の効果を得られる。
本実施形態では、昇圧回路20の昇圧動作をインバータ回路停止期間に同期させて停止させることにより、新しいスイッチ等の要素を追加することなく、インダクタ21の損失およびスイッチング損失を低減できる。よって、新たな要素の追加による新たな熱源を生じさせることなく、損失低減を図ることができる。
上述の計算で示した条件で実際にX線高電圧装置を稼働し、その温度上昇を測定したところ、従来のX線高電圧装置では、60℃程度温度上昇するのに対し、本実施形態の装置では、30℃程度の温度上昇に抑制できた。これにより、装置に備える冷却ファンやヒートシンク等の冷却装置の数を2〜3個低減でき、装置構成の簡略化・小型化を図れる。また、冷却ファンの電力を削減でき、さらに低電力化を図ることができる。
また、インバータ回路停止期間に同期させて昇圧回路20を停止させることにより、X線高電圧装置のノイズ(騒音)低減の効果も得られる。
なお、第1の実施形態では、昇圧動作をオンにするタイミングをインバータ回路動作期間がオンになるタイミングと一致させているが、所定の時間だけ昇圧動作をオンにするタイミングを早める構成にすることも可能である。これにより、昇圧動作がインバータ回路動作期間よりも早く開始されるため、インバータ回路動作期間がオンになる際にコンデンサ(Cd)23の電圧を所定の目標電圧まで昇圧しておくことが可能であり、インバータ回路30への電圧供給を十分に行うことができる。
＜第2の実施形態＞
第2の実施形態実施例2について図7、図8を用いて説明する。図7は、第2の実施形態のX線高電圧装置の構成を示すブロック図である。図8(a)〜(d)は、X線高電圧装置の各部の信号波形を示す説明図である。
図7のように、第2の実施形態では第1の実施形態とは異なり、管電圧制御回路72と昇圧動作制御回路74とを同期させず、昇圧動作制御回路74の昇圧動作を商用電源の電源電圧に同期させる。具体的には、図7のように、第1の実施形態の同期信号発生回路75に代えて商用電圧検出/同期信号発生回路175を配置する。商用電源検出/同期信号発生回路175は、商用電源の電圧を取り込み、同期信号を生成して昇圧動作制御回路74に入力する。昇圧動作制御回路74は、整流後の電圧が所定値以上になる期間に昇圧動作を行う(昇圧回路動作期間)。
図7のX線高電圧装置の動作について、図8(a)〜(d)の信号波形を用いて説明する。本実施形態では、商用電源を単相であると仮定している。商用電圧検出/同期信号発生回路175は、商用電源の電圧を検出し、検出した電圧(図8(a))が閾値Vref1以上、または、Vref2以下のときに、昇圧回路20を動作させるよう昇圧動作制御回路74を制御する。これにより、昇圧動作制御回路74は、昇圧回路20のスイッチング素子22を直流電圧検出回路73の検出電圧に応じてフィードバック制御する(図8(c))。よって、整流回路10の整流後の電圧(図8(b))が、閾値Vref1以上の期間に、昇圧動作が行われるため、昇圧回路20へ供給される電圧が高い状態で昇圧を行うことができ、効率よく昇圧できる。
一方、商用電圧検出/同期信号発生回路175の検出した電圧が、Vref1以下、Vref2以上の期間には、昇圧動作制御回路74は昇圧動作を停止する(昇圧回路停止期間)。
これにより、昇圧回路20から出力される直流電圧(図8(d))は、第1の実施形態と同様に昇圧と放電によるわずかな電圧低下を繰り返す。電源周期に対応させて昇圧回路20を停止させた場合、昇圧の停止期間は、図8(a)〜(d)から明らかなように電源周波数50Hzのとき1周期20msの半分以下、60Hzのとき1周期16msの半分以下に過ぎず、第1の実施形態で計算により求めたコンデンサ(Cd)23の放電時定数τoff＝3.6sと比較して十分に小さい。よって、昇圧回路停止期間に昇圧回路20を停止しても昇圧回路20の直流電圧は大きく低下しないため、再び昇圧動作オンに切り替わる際に、スイッチング素子22、インダクタ21に大電流が流れるということがなく、昇圧回路20の停止に伴う損失が生じない。
一方、管電圧制御回路72は、昇圧動作制御回路74とは同期せず、操作部80に設定されたフレームレートに対応する周期でインバータ回路動作期間とインバータ回路停止期間とを繰り返す。
他の構成は、第1の実施形態と同様であるので説明を省略する。
上述してきたように、第2の実施形態では、整流回路10から閾値以上の電圧が印加されるタイミングで、昇圧回路20に昇圧動作をオンにし(昇圧回路動作期間)、それ以外は昇圧動作をオフにする(昇圧回路停止期間)ことにより、効率よく昇圧を行うことができるとともに、昇圧動作のオンオフを繰り返すことにより、昇圧回路のインダクタ21の損失およびスイッチング素子22のスイッチング損失を低減することができる。よって、装置の発熱を低減でき、冷却機構の簡略化、X線高電圧装置の小型化が可能である。また、X線高電圧装置のノイズ(騒音)を低減できる。
第2の実施形態では、商用電圧検出/同期信号発生回路175が商用電源電圧を検出する構成としたが、整流回路10で整流後の電圧を検出する構成にすることももちろん可能である。
＜第3の実施形態＞
第3の実施形態では、第1の実施形態と第2の実施形態とを組み合わせ、フレームレートの周期に同期したインバータ回路動作期間であって、かつ、整流回路10の直流電圧が閾値以上になるタイミングで昇圧回路20を動作させる。
図9(a)〜(c)に示すように、第2の実施形態の構成では、整流回路10の直流電圧が閾値Vref1以上になるタイミングで昇圧回路動作期間を開始する。図9(d)のように、第1の実施形態の構成ではフレームレートに同期した周期でインバータ回路動作期間とインバータ回路停止期間を交互に繰り返し、インバータ回路動作期間に同期する期間を昇圧回路動作期間とする構成である。第3の実施形態では、これを組み合わせ、整流回路10の直流電圧が閾値Vref1以上になるタイミングで、かつ、インバータ回路動作期間である期間を昇圧回路動作期間にする。例えば、電源電圧が60Hzで、フレームレートが30fpsである場合には、図9(e)に示すタイミングで昇圧動作をオンにする。
これにより、直流電圧が閾値以上の状態で昇圧を効率よく行えるとともに、昇圧動作をオンにする時間を短縮できるため、昇圧回路20のスイッチング素子のスイッチング損失を低減でき、インダクタ21の損失も低減できる。
本実施形態では、昇圧回路20がオフになる期間(昇圧回路停止期間)は、インバータ回路停止期間よりも少し長い期間になるが、第1の実施形態で説明したように、コンデンサ(Cd)23の放電時定数τoffは、インバータ回路停止期間よりも十分長いため、昇圧回路20がオフになる期間に直流電圧はほとんど低下しない(図9(f))。よって、再び昇圧動作がオンに切り替わる際に、スイッチング素子22、インダクタ21に大電流が流れるということがなく、昇圧回路20の停止に伴う損失が生じない。これにより、昇圧回路20をX線停止時に停止することにより、インダクタ及びスイッチング素子の損失低減の効果を得られる。
＜第4の実施形態＞
第4の実施形態のX線高電圧装置について図10〜図12を用いて説明する。
第4の実施形態のX線高電圧装置は、比較的弱いX線をパルス状に連続照射するパルス透視のみならず、大きな管電流・管電圧のX線を一度に照射する撮影を行うことのできる装置である。装置の全体構成は、図10に示すように、第2の実施形態と同様であるが、昇圧回路20の内部の回路構成と、昇圧動作制御回路74の動作が第2の実施形態とは異なっている。
図11に示すように、昇圧回路20は、3つのインダクタ21-1，21-2，21-3、3つのスイッチ22a-1，22a-2，22a-3、3つのダイオード22b-1、22b-2、22b-3、および3つのダイオード24-1，24-2，24-3を備え、3つの並列な昇圧回路20-1、20-2、20-3を構成している。すなわち、第1の昇圧回路20-1は、インダクタ21-1、スイッチ22a-1，ダイオード22b-1およびダイオード24-1により構成される。
第2の昇圧回路20-2は、インダクタ21-2、スイッチ22a-2，ダイオード22b-2およびダイオード24-2により構成される。第3の昇圧回路20-3は、インダクタ21-3、スイッチ22a-3，ダイオード22b-3およびダイオード24-3により構成される。第1〜第3の昇圧回路20-1、20-2、20-3は、3つのスイッチ22a-1，22a-2，22a-3を同時に繰り返しスイッチングすることにより、一つのコンデンサ(Cd)23に電荷を蓄積できる。よって、第2の実施形態で説明したパルス透視のみならず、大きな管電流・管電圧のX線を一度に照射する撮影を行うことが可能である。整流回路10、インバータ回路30、高電圧変圧器40、高電圧整流回路50およびX線管60の構成は、第1の実施形態と同様である。
昇圧動作制御回路74には、直流電圧の目標値として、パルス透視時の目標値と撮影時の目標値の二つが設定される。昇圧動作制御回路74は、撮影時には、3つのスイッチ22a-1，22a-2，22a-3を同時に繰り返しスイッチングし、撮影時の目標値の電圧までコンデンサ(Cd)23を昇圧する。例えば、3つの昇圧回路にそれぞれ100Aずつの電流が流れるようにスイッチングし、合計300Aの電流でコンデンサ(Cd)23を昇圧する。
一方、パルス透視時には、商用電圧検出/同期信号発生回路175が、商用電源の電圧周期(図12(a))を検出し、予め定めた周期(例えば2周期)ごとの同期信号を発生する。この同期信号を受け取った昇圧動作制御回路74は、図12(b)〜(d)のように電源周期の2周期毎に、3つの昇圧回路20-1、20-2，20-3を順に昇圧回路動作期間にして動作させる。
すなわち、第1の昇圧回路20-1を昇圧回路動作期間にし、スイッチ22a-1を繰り返しスイッチングして例えば30Aの電流をコンデンサ(Cd)23に2周期供給し、コンデンサ(Cd)23を昇圧する。このとき、第2および第3の昇圧回路20-2，20-3のスイッチ22a-2，22a-3は、オフとする(昇圧回路停止期間)。
次の2周期は、第2の昇圧回路20-2を昇圧回路動作期間にして、スイッチ22a-2を繰り返しスイッチングして30Aの電流をコンデンサ(Cd)23に2周期供給し、第1および第3の昇圧回路20-1，20-3はオフとする(昇圧回路停止期間)。さらに次の2周期は、第3の昇圧回路20-3を昇圧回路動作期間にして、スイッチ22a-3を繰り返しスイッチングして30Aの電流をコンデンサ(Cd)に2周期供給し、第1および第2の昇圧回路20-1、20-2はオフとする(昇圧回路停止期間)。
このように、3つの昇圧回路20-1、20-2，20-3を一つずつ選択して昇圧回路動作期間にすることにより、図12(e)のようにコンデンサ(Cd)23の電圧を昇圧する。なお、図12(b)〜(d)では、図示を容易にするために、スイッチ22a-1〜22a-3への制御信号がオンの期間の波形を常時オンのように描いているが、上述のようにこのオン期間は、制御信号は繰り返しオンオフされている。
このように、パルス透視時に3つの昇圧回路を順次動作させることにより、3つの昇圧回路を同時に(例えば10Aずつ)動作させてパルス透視に必要な電圧まで昇圧させる場合と比較して、コンデンサ(Cd)23に昇圧される電圧は同じであるが、常に二つの昇圧回路がオフとなるため、オフとなっている昇圧回路のインダクタ22の損失を低減できる。動作させている昇圧回路には、3つの昇圧回路を同時に動作させる場合に流れる電流(例えば10A)と比較して、3倍の電流(30A)が流れるため、スイッチング素子22の損失低減およびインダクタ21の損失低減の効果は得られないが、昇圧回路20の発熱の大きな原因はインダクタ22の損失であるため、インダクタ22の損失を低減できる本実施の形態は、発熱低減の効果が大きい。
なお、管電圧制御回路72は、第2の実施形態と同様にフレームレートの周期に同期してインバータ回路停止期間とインバータ回路動作期間とを繰り返す。
このように、第4の実施形態では、複数の昇圧回路が並列に接続された構成の昇圧回路20を用いるX線高電圧装置において、複数の昇圧回路を順に昇圧回路動作期間にすることにより、損失を低減する効果が得られる。
また、第4の実施形態と第1の実施形態とを組み合わせることも可能である。具体的には、複数の昇圧回路のうち昇圧回路動作期間にある昇圧回路であっても、管電圧制御回路72のインバータ回路停止期間には昇圧動作を停止し、インバータ回路動作期間にのみ昇圧動作を行う構成にすることも可能である。
また、第4の実施形態と第2の実施形態とを組み合わせることも可能である。具体的には、複数の昇圧回路のうち昇圧回路動作期間にある昇圧回路であっても、整流後の電源電圧が所定の電圧Vref1より小さい期間は昇圧動作を停止し、所定の電圧Vref1以上となる期間にのみ昇圧動作をオンにする構成にすることも可能である。
なお、上述の第1〜第4の実施形態では、X線高電圧装置のパルス透視時について説明してきたが、コンデンサ(Cd)23の電圧は、昇圧動作をオフにしている際にもほとんど低下しないため、連続透視を行うことも可能である。また、電源電圧の変化に同期して昇圧動作をオンにする第2の実施形態および第4の実施形態の昇圧回路は、X線高電圧装置に限らず、他の装置の昇圧回路として用いる場合にも損失低減の効果が得られる。
以上説明したように、本発明によれば、昇圧回路のスイッチング素子やインダクタの損失を低減することができるため、損失に伴う温度上昇を抑制でき、冷却装置(ヒートシンクや冷却ファン等)の大規模化を防ぎ、装置の簡素化および小型化を図ることができる。
また、装置のコストも抑制できる。さらに、昇圧回路の動作周波数の高周波化が可能である。
10 整流回路、20 昇圧回路、21 インダクタ、22 スイッチング素子、22a スイッチ、22b ダイオード、23 コンデンサ、30 インバータ回路、31〜34 スイッチング素子、40 高電圧変圧器、50 高電圧整流回路、60 X線管、61 陽極回転駆動回路、70 制御部、71 管電圧検出回路、72 管電圧制御回路、73 直流電圧検出回路、74 昇圧動作制御回路、75 同期信号発生回路、80 操作部、175 商用電圧検出/同期信号発生回路

Claims (7)

  1. 電源からの電圧を昇圧する昇圧回路と、前記昇圧回路の出力電圧を高周波の交流電圧に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路の出力電圧を昇圧および整流してX線管に供給する高電圧変圧・整流部と、前記昇圧回路を制御する昇圧動作制御回路と、前記インバータ回路を制御する管電圧制御回路とを有し、
    前記管電圧制御回路は、前記インバータ回路を制御し、所定の出力電圧を前記高電圧変圧・整流部に出力させるインバータ回路動作期間と、前記インバータ回路の動作を停止させるインバータ回路停止期間とを、所定のタイミングに同期させて繰り返し、
    前記昇圧動作制御回路は、当該インバータ回路動作期間と同期して前記昇圧回路の出力電圧を所定の昇圧電圧に一致させるように制御する昇圧回路動作期間と、前記インバータ回路停止期間と同期して前記昇圧回路の動作を停止させる昇圧回路停止期間とを、繰り返すことを特徴とするX線高電圧装置。
  2. 請求項1に記載のX線高電圧装置において、
    前記昇圧動作制御回路は、前記昇圧回路に供給される電源電圧の大きさが所定値以上になる期間と当該インバータ回路動作期間とが重なる期間を前記昇圧回路動作期間とし、前記昇圧回路に供給される電源電圧の大きさが所定値より小さい期間または前記インバータ
    回路停止期間を前記昇圧回路停止期間とすることを特徴とするX線高電圧装置。
  3. 請求項1又は2に記載のX線高電圧装置において、前記管電圧制御回路は、前記X線管から
    のX線の間欠照射の周期に同期させて、前記インバータ回路動作期間と前記インバータ回路停止期間とを繰り返すことを特徴とするX線高電圧装置。
  4. 請求項1に記載のX線高電圧装置において、前記昇圧回路は、複数並列に配置され、
    前記昇圧動作制御回路は、前記昇圧回路動作期間として、前記複数の昇圧回路を所定のタイミングで択一的に順に選択して、選択した昇圧回路の出力電圧を所定の昇圧電圧に一致させるように制御し、選択していない期間は、その昇圧回路の動作を停止させ、前記昇圧回路停止期間とすることを特徴とするX線高電圧装置。
  5. 電源電圧を昇圧にする昇圧回路と、前記昇圧回路の出力電圧を高周波の交流電圧に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路の出力電圧を昇圧および整流してX線管に供給する高電圧変圧・整流部とを有するX線高電圧装置の運転方法であって、
    前記インバータ回路を制御し、所定の出力電圧を前記高電圧変圧・整流部に出力させるインバータ回路動作期間と、前記インバータ回路の動作を停止させるインバータ回路停止期間とを、所定のタイミングに同期させて繰り返し、
    当該インバータ回路動作期間と同期して前記昇圧回路の出力電圧を所定の昇圧電圧に一致させるように制御する昇圧回路動作期間と、前記インバータ回路停止期間と同期して前記昇圧回路の動作を停止させる昇圧回路停止期間とを、繰り返すことを特徴とするX線高電圧装置の運転方法。
  6. 請求項5に記載のX線高電圧装置の運転方法において、
    前記昇圧回路に供給される電源電圧の大きさが所定値以上になる期間と当該インバータ回路動作期間とが重なる期間を前記昇圧回路動作期間とし、前記昇圧回路に供給される電源電圧の大きさが所定値より小さい期間または前記インバータ回路停止期間を前記昇圧回路停止期間とすることを特徴とするX線高電圧装置の運転方法。
  7. 請求項5に記載のX線高電圧装置の運転方法において、前記昇圧回路は、複数並列に配置
    され、
    前記昇圧回路動作期間として、前記複数の昇圧回路を所定のタイミングで択一的に順に
    選択して、選択した昇圧回路の出力電圧を所定の昇圧電圧に一致させるように制御し、選
    択していない期間は、その昇圧回路の動作を停止させ、前記昇圧回路停止期間とすること
    を特徴とするX線高電圧装置の運転方法。
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