JP6162108B2 - 電力変換装置およびｘ線撮影装置 - Google Patents

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Description

本発明は、負荷の変動による共振周波数に追従した周波数で駆動されるインバータを用いた電力変換装置に関する。
高周波インバータ装置は、誘導過熱調理器や、医療・産業用途で被検体のX線透視画像や断層画像を取得するX線診断装置ならびにX線CT装置等、幅広く利用されている。これらの高周波インバータ装置において、電力供給の対象となる負荷は、インダクタやX線管である。負荷のインピーダンスは、負荷に設定された電圧及び電流の値や温度によって大きく変化し、それに伴って負荷の共振周波数も大きく変動する。そのため、インバータ回路では、負荷共振周波数の変動にインバータの駆動周波数を追従させると共に、負荷変動に対応して出力電力を制御する必要がある。
特許文献1には、インバータ出力電力を制御するため、インバータ回路を構成する複数の半導体スイッチのオンオフのタイミングを制御する位相シフト型インバータ装置が開示されている。具体的には、インバータ回路内の複数の半導体スイッチのうち所定の対がオンになるタイミングの差(位相シフト角)を制御することにより、軽負荷時はインバータ出力電圧のパルス幅を狭く(位相シフト角を小さく)、重負荷時はインバータ出力電圧のパルス幅を広く(位相シフト角を大きく)する。これにより、負荷に供給するインバータ出力電力を制御している(段落0034)。この電力制御と同時に、特許文献1のインバータ回路では、出力電流位相が出力電圧位相に対して遅れるようにインバータ動作周波数を制御することにより、ソフトスイッチング動作を実現し、スイッチング損失を低減している(段落0035〜0036)。
なお、X線管は、フィラメントから発生する電子を陽極(ターゲット)に当てることでX線を発生する構成であるが、陽極を固定したまま電子を当て続けると陽極がその熱によって融解してしまうため、陽極を回転させながら電子を当てる構成(回転陽極式X線管)が広く用いられている。そのため、X線診断装置ならびにX線CT装置等に用いられるX線高電圧装置では、X線管(負荷)に電力を供給する高周波インバータ回路とは別に、陽極回転用のインバータ回路を有している。この陽極回転用インバータ回路に供給される直流電圧は、負荷への電力供給用の高周波インバータ回路に直流電圧を供給するDCバスコンデンサから供給されている。
国際公開第2010/053108号明細書
特許文献1の位相シフト型インバータ装置では、出力電圧のパルス幅を制御することにより出力電力を制御するため、軽負荷時には、出力電圧のパルス幅が狭くなる。ソフトスイッチングのために出力電流パルスの立ち上がりの位相を出力電圧パルスの立ち上がりの位相に対してわずかに遅らせる必要があるが、出力電圧パルスの幅が狭くなっている場合、その分だけ出力電流パルスの位相遅延量を増加させる必要がある。すなわち、軽負荷時には、出力電圧のパルス幅が十分狭くなっているため、出力電流パルスの位相を出力電圧パルスに対して90度近く遅らせる必要がある。このため、重負荷時には高い力率を達成できても、軽負荷時には力率が大きく悪化するという問題が生じる。軽負荷時に力率が悪化すると、インバータの出力電流が増加するため、ケーブル等での損失が増加する。
一方、特許文献1の技術では、負荷電圧の立ち上がり時には、これに追従して位相シフト制御によりインバータ出力電圧のパルス幅も変動するため、ソフトスイッチングの達成が困難になり、スイッチング損失が増加するという問題もある。
本発明の目的は、負荷の変動に関わらず、スイッチング損失低減と、高力率を維持できるインバータ回路の制御技術を提供することにある。
前記課題を解決するために、本発明の電力変換装置は、負荷を含む共振回路に電力を出力するインバータと、インバータに直流電圧を供給する直流電圧供給回路と、インバータの動作を制御するインバータ制御回路と、直流電圧供給回路が前記インバータに供給する直流電圧を制御する直流電圧制御回路とを有する構成である。直流電圧制御回路は、負荷に供給されている電圧を検出し、検出した電圧が負荷に供給すべき電圧と一致するように直流電圧供給回路がインバータ回路に供給する直流電圧を制御する。インバータ制御回路は、インバータの駆動周波数を、負荷を含む共振回路の共振周波数よりも所定値だけ高くするように制御する。
本発明の電力変換装置によれば、負荷の変動に関わらず、スイッチング損失低減と、高力率を維持できるため、装置全体の効率を向上させることができる。
第1の実施形態の電力変換装置をX線高電圧発生装置に適用した全体構成を示すブロック図 図1のインバータ4の回路構成を示すブロック図 図1の直流電圧制御回路57の詳しい構成を示すブロック図 図1のインバータ制御回路56の詳しい構成を示すブロック図 比較例の高周波位相シフト型インバータを用いたX線高電圧装置における(a)X線管電圧の変化を示すグラフ、(b)インバータの出力電圧波形(軽負荷時)、(c)インバータの出力電圧波形(重負荷時) 本実施形態のX線高電圧装置における(a)X線管電圧の変化を示すグラフ、(b)インバータの出力電圧波形(軽負荷時)、(c)インバータの出力電圧波形(重負荷時) (a)図5の比較例のインバータの出力電圧と出力電流の波形とその位相差を示す説明図、(b)図6の本実施形態のインバータ4の出力電圧と出力電流の波形とその位相差を示す説明図 第2の実施形態のチョッパ回路を用いた電力変換装置(X線高電圧発生装置)の全体構成を示すブロック図 図8の直流電圧制御回路57の詳しい構成を示すブロック図 第3の実施形態の陽極回転駆動回路(スタータ回路)50を備えた電力変換装置(X線高電圧発生装置)の全体構成を示すブロック図 図10のスタータ回路50の詳しい構成を示すブロック図 (a)図10のスタータ回路50にDCバスコンデンサ3から供給される電圧波形、(b)図11のインバータドライブ回路49内で生成される基本波と搬送波の波形、(c)インバータドライブ回路49の出力波形(軽負荷時) (a)図10のスタータ回路50にDCバスコンデンサ3から供給される電圧波形、(b)図11のインバータドライブ回路49内で生成される基本波と搬送波の波形、(c)インバータドライブ回路49の出力波形(重負荷時) 第4の実施形態のCT装置の全体構成を示すブロック図 図14のCT装置のX線高電圧装置の構成を示すブロック図 図14のCT装置のX線高電圧装置の別の構成例を示すブロック図 第5の実施形態のX線撮影装置の全体構成を示すブロック図
本発明では、インバータに供給する直流電圧を、負荷の電圧に応じて制御することにより、インバータの出力電力を制御する。これにより、インバータの出力電圧パルス幅を、負荷の変動に応じて変化させることなく、出力電力を調整することができる。インバータ制御回路は、インバータの駆動周波数を、負荷を含む共振回路の共振周波数よりも所定値だけ高くするように、インバータを制御する。これにより、インバータの出力電流の立ち上がりが出力電圧の立ち上がりからわずかに遅れるソフトスイッチングを実現できる。出力電圧のパルス幅は、負荷が必要とする電力の大小(負荷が重いか軽いか)に関わらず一定であるため、電流パルスの位相を電圧パルスの位相に対して大きく遅らせる必要がなく、力率を高く維持できる。
具体的には、本発明の電力変換装置は、負荷を含む共振回路に電力を出力するインバータと、インバータに直流電圧を供給する直流電圧供給回路と、インバータの動作を制御するインバータ制御回路と、直流電圧供給回路が前記インバータに供給する直流電圧を制御する直流電圧制御回路とを有する構成である。直流電圧制御回路は、負荷に供給されている電圧を検出し、検出した電圧が負荷に供給すべき電圧と一致するように直流電圧供給回路がインバータに供給する直流電圧を制御する。インバータ制御回路は、インバータの駆動周波数を、負荷を含む共振回路の共振周波数よりも所定値だけ高くするように制御する。
上記インバータ制御回路は、インバータの出力パルス幅を、負荷の変動に関わらず、一定に制御する。また、インバータ制御回路は、上述のように駆動周波数を設定することで、インバータの出力電流の位相をインバータの出力電圧の位相よりも所定時間だけ遅らせる。これにより、ソフトスイッチングが実現されるとともに、力率も高く維持できる。
インバータ制御回路は、インバータを構成する複数のスイッチング素子を駆動周波数のタイミングよりも予めデッドタイム分だけ遅らせたタイミングでオンする構成とする。インバータの出力電流の位相とインバータの出力電圧の位相との差(上述の所定時間)は、デッドタイム以上に設定されていることが望ましい。
直流電圧供給回路は、例えば、インバータに直流電圧を供給するDCバスコンデンサと、DCバスコンデンサに供給される電力を調整する調整回路とを含む構成とする。この場合、直流電圧制御回路は、調整回路からDCバスコンデンサに供給される電力を制御することにより、DCバスコンデンサがインバータに供給する直流電圧を制御することができる。例えば、上記調整回路は、交流直流変換回路または昇降圧チョッパを含む構成とすることができる。
負荷は、X線管である場合、本発明の電力変換装置は、X線高電圧装置として機能する。
インバータ制御回路は、直流電圧供給回路の立ち上がり時に、直流電圧供給回路の出力電圧を検出し、所定値に達するまで、インバータからX線管へ電力を供給させない構成とすることも可能である。これにより、直流電圧供給回路の立ち上がりを速くすることができるとともに、被検体の無効被ばくを低減できる。
また、本発明の別の態様によれば、上述してきた電力変換装置と、X線管と、X線管の陽極を回転駆動する陽極回転駆動回路とを有するX線撮影装置を提供できる。陽極回転駆動回路は、X線管を回転させるモータと、モータに電力を供給するモータ駆動回路とを備え、モータ駆動回路は、直流電圧供給回路にインバータと並列に接続される。モータ駆動回路は、直流電圧供給回路の出力電圧を検出し、検出結果に応じて、直流電圧供給回路の出力を変調して、モータに供給する。これにより、直流電圧供給回路の出力が変動しても、陽極の回転速度やトルクを所定値以上に維持することができる。
以下、より具体的に本発明の実施形態について説明する。
(第1の実施形態)
以下、第1の実施形態では、本発明の電力変換装置を、X線CT装置に用いられるX線高電圧装置に適用した例について図面を用いて説明する。すなわち、電力変換装置の負荷はX線管であり、X線CT装置の撮像条件によって、負荷であるX線管に供給すべき電力が変化する。
図1は、X線高電圧装置の全体構成を示すブロック図である。電力変換装置(以下、X線高電圧装置と称す)は、交流直流変換部51と、直流交流変換部52と、高電圧発生部53と、直流電圧制御回路57とを有する。高電圧発生部53には、負荷であるX線管8が接続されている。
交流直流変換部51は、3相の交流電源1と、交流電源1から供給される電圧を直流電圧に変換する交流直流変換回路2と、その直流電圧を蓄えておくDCバスコンデンサ3とを備えて構成される。交流直流変換回路2とDCバスコンデンサ3は、直流交流変換部52(インバータ4)に直流電圧を供給する直流電圧供給回路55を構成している。直流電圧供給回路55には、直流電圧制御回路57が接続されている。直流電圧制御回路57は、X線管8(負荷)に供給されている電圧を検出し、検出した電圧がX線管8に供給すべき電圧(X線管電圧指令値)と一致するように、DCバスコンデンサ3の出力電圧を調整する制御を行う。
直流交流変換部52は、直流電圧を高周波交流電圧に変換する高周波方形波インバータ4により構成されている。インバータ4には、インバータ制御回路56が接続されている。インバータ制御回路56は、インバータ4の駆動周波数を、負荷(X線管8)を含む共振回路54(X線管8および高電圧発生部53を合わせた回路)の共振周波数よりも所定値だけ高くするようにインバータ4を制御する。
高電圧発生部53は、インバータ4の出力電圧を高電圧に昇圧する高電圧変圧器5と、高電圧変圧器5の出力電圧を直流電圧に変換し昇圧するための全波多倍昇圧回路6と、全波多倍昇圧回路6の出力電圧を蓄えておく出力平滑コンデンサ7とを備えて構成される。
上述の直流電圧制御回路57は、交流直流変換回路2の入力端に配置された電流検出回路9と、DCバスコンデンサ3の出力端に配置された出力電圧検出回路10と、X線管8(負荷)の入力端に配置されたX線管電圧検出回路12とを備えている。さらに、直流電圧制御回路57は、X線管電圧制御部13と、DCバスコンデンサ電圧制御部14と、入力電流制御部15と、交流直流変換回路ドライブ回路16とを備えている。
上述のインバータ制御回路56は、インバータ4の出力端に配置されたインバータ出力電流検出回路11と、インバータ駆動周波数制御部17と、インバータドライブ回路18とを備えて構成される。
インバータ4は、図2に示すように、2つのレグ回路101、102を並列接続した構成である。レグ回路101は、ダイオード(D1，D2)111b、112bをそれぞれ並列に逆接続した半導体スイッチ(S1，S2)111a、112aを直列接続した回路である。レグ回路102は、ダイオード(D3，D4)121b、122bをそれぞれ並列に逆接続した半導体スイッチ(S3，S4)121a、122aを直列接続した回路である。半導体スイッチ(S1〜S4)は、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)により構成されている。
インバータ4の出力端子aは、レグ回路11の中点(半導体スイッチ(S1)111aと半導体スイッチ(S2)112aとの間)に配置され、出力端子bは、レグ回路12の中点(半導体スイッチ(S3)121aと半導体スイッチ(S4)122aとの間)に配置されている。出力端子a，bには、負荷(X線管8)を含む共振回路54が接続されている。
各々の半導体スイッチ(S1〜S4)111a，112a，121a，122aには、インバータドライブ回路18が接続され、駆動信号(ゲート電圧信号)が与えられる。
交流直流変換回路2は、インバータ4と同様のレグ回路が3つ並列に接続された構成である。
つぎに、直流電圧制御回路57の詳しい構成と動作について図3を用いて説明する。
図3は、直流電圧制御回路57の詳しいブロック図である。X線管電圧制御部13は、差分回路19とPI補償器20とを備えている。
差分器19は、X線CT装置の制御部から受け取ったX線管電圧指令値22と、X線管電圧検出回路12の検出した電圧信号との差分値を求める。X線管電圧指令値22は、X線管8の管電圧を指示する指令値であり、X線管8から被検体に曝射すべきX線の設定条件によって値が異なる。差分器19の差分値は、PI補償器20に入力され、差分値が正(検出したX線管電圧がX線管指令値22よりも小さい値)であるならば、PI補償器20は、出力を増大させ、その逆ならば出力を低減させる。PI補償器20の出力は、DCバスコンデンサ電圧制御部14に受け渡される。
DCバスコンデンサ電圧制御部14は、基準値出力回路23と、加算器81と、上限・下限リミット回路21と、差分器82と、PI補償器25とを備えている。このような構成において、加算器81は、PI補償器20の出力を、基準値出力回路23の出力する一定の基準値信号に加算し、DCバスコンデンサ電圧指令値83を生成する。PI補償器20の出力の大きさは、前述の通りであるため、加算器81の出力するDCバスコンデンサ電圧指令値83は、検出したX線管電圧がX線管電圧指令値22よりも小さければ増加し、大きければ減少する。つまり、検出したX線管電圧の大きさによって、DCバスコンデンサ電圧指令値83の大きさが決定される。
DCバスコンデンサ3の電圧が大きくなりすぎる、もしくは、小さくなりすぎると、高周波インバータ4の半導体スイッチ(S1〜S4)が破損したり、交流直流変換器2の入力電流の制御が困難になったり、PI補償器25が発振する可能性がある。そのため、加算器81が出力するDCバスコンデンサ電圧指令値23を上限・下限リミット回路21に入力し、DCバスコンデンサ電圧指令値23の大きさを所定の範囲内に制限する。
上限・下限リミット回路21により所定の範囲内に制限されたDCバスコンデンサ電圧指令値83は、差分器82により、DCバスコンデンサ電圧検出回路10で検出されたDCバスコンデンサ3の出力電圧と比較され、差分値がPI補償器25に入力される。PI補償器25は、検出されたDCバスコンデンサ3の出力電圧がDCバスコンデンサ電圧指令値83よりも大きければ、出力を低減し、DCバスコンデンサ3の出力電圧を低減させるように動作する。逆に、検出されたDCバスコンデンサ3の出力電圧がDCバスコンデンサ電圧指令値83よりも小さければ、出力を増大させ、DCバスコンデンサ3の出力電圧を増加させるように動作する。
入力電流制御部15は、上限・下限リミット回路26と、U相、V相、W相の電流基準波形出力回路27、28、29と、乗算器84，85，86と、差分器87，88，89と、U相、V相、W相のPI補償器31、32，33とを備えて構成される。U相、V相、W相の電流基準波形出力回路27、28、29はそれぞれ、予め設定された基準波形(交流波形)信号を出力する。上述のPI補償器25の出力は、PI補償器31〜33の発振を防止するため、上限・下限リミット回路26に入力され、所定の範囲内の大きさに制限される。上限・下限リミット回路26の出力は、U相、V相、W相電流基準波形出力回路27、28、29が出力する基準波形(交流波形)信号と乗算される。これにより、交流直流変換回路2に流れるべきU相、V相、W相の電流の大きさを示す指令値(交流波形)90、91，92が生成される。この指令値90，91，92は、電流検出回路9によって検出された交流直流変換回路2に流れる各相の電流値と、差分器87，88，89により比較される。差分器87，88，89の出力は、U相、V相、W相のPI補償回路31、32，33に入力され、差分値が正(検出した入力電流が指令値90，91，92よりも小さい値)であるならば、PI補償器31、32，33は、出力を増加する。その逆ならばPI補償器31，32，33は、出力は減少させる。PI補償器31、32，33の出力は、それぞれ、交流直流変換回路ドライブ回路16に受け渡される。
交流直流変換回路ドライブ回路16は、受け取ったPI補償器31、32，33の出力に応じて、交流直流変換回路2の各半導体スイッチング素子への出力信号を制御する。これにより、PI補償器31、32，33の出力が増加している場合には交流直流変換回路2に流れる電流を増大させ、PI補償器31、32，33の出力が減少している場合には交流直流変換回路2に流れる電流を減少させる制御をU相、V相、W相ごとに行う。
このように、直流電圧制御回路57は、交流直流変換回路2を制御することにより、DCバスコンデンサ3に供給される電力を制御する。この制御により、DCバスコンデンサ3からインバータ4に供給される直流電圧を、検出されるX線管電圧がX線管電圧指令値22に一致するように調整することができる。
つぎに、インバータ制御回路56の詳しい構成と動作について図4を用いて説明する。
図4は、インバータ制御回路56のブロック図である。インバータ制御回路56は、インバータ出力電流正負判別回路35と、差分器93と、PI補償器37と、VCO回路38と、遅延回路94とを備えて構成される。
インバータ出力電流検出回路11によって検出されたインバータ出力電流は、インバータ出力電流正負判別回路35に入力され、インバータ出力電流の正負によって極性が反転する方形波となって出力される。この出力は、遅延回路94の出力との差分器93により比較され、差分値がPI補償器37に入力される。PI補償器37は、インバータ出力電流正負判別回路35の出力の位相(すなわち、インバータ出力電流の位相)が遅延回路94の出力の位相よりも遅れている場合、出力が減少し、進んでいる場合には、出力が増加するように動作する。PI補償器37の出力は、VCO回路38に入力される。VCO回路は、PI補償器37から入力される電圧の大きさによって出力する周波数を変化させる。すなわち、インバータ出力電流検出回路11が検出したインバータ出力電流の位相が、遅延回路94の出力波形よりも遅れ位相であればVCO回路は周波数(インバータ駆動周波数)を下げるように制御され、逆に進み位相であれば周波数(インバータ駆動周波数)を高くするように制御される。VCO回路38は、生成した駆動周波数の出力をインバータ制御信号36として、インバータドライブ回路18に受け渡す。これと同時に、VCO回路は、インバータ制御信号36を遅延回路94にも受け渡す。遅延回路94は、所定の位相ずれ量だけインバータ制御信号36の位相を遅延させて、差分器93に出力する。
インバータドライブ回路18は、デッドタイム生成回路や反転回路を内蔵した公知の回路構成であり、受け取ったインバータ制御信号36からインバータ4の4つの半導体スイッチ(S1〜S4)の駆動信号を生成し、それぞれの半導体スイッチ(S1〜S4)に受け渡す。具体的には、スイッチ(S1〜S4)の短絡を防ぐために、予め定めたデッドタイム分だけスイッチングタイミングをずらしながら、パルス幅のデューティサイクルがほぼ50％の一般的なインバータと同様の動作をする。これにより、インバータ4は、インバータ制御信号36の周波数(インバータ駆動周波数)でほぼデューティサイクル50％の電流波形および電圧波形を出力する。
これにより、負荷(X線管8)を含む共振回路54の変動する共振周波数よりも、所定値だけ高い周波数で追従してリアルタイムでインバータ4の駆動周波数を制御することができる。この制御により、インバータ4の出力電流位相を、出力電圧位相に対して所定値だけ遅らせることができる。すなわち、共振周波数と駆動周波数の差に対応した位相差分だけ出力電流位相が出力電圧位相に対して遅れ、半導体スイッチをオンする時点で電流が負極性を持つ(すなわち、ダイオード111b等に電流が流れ、スイッチ111a等に流れない)ため、ソフトスイッチングを実現することができる。
インバータ4の駆動周波数が、負荷(X線管8)を共振周波数に一致する場合、インバータ4の出力電圧位相は、出力電流位相に対して、デッドタイム分だけ遅れているため、ソフトスイッチングを実現するためには、少なくとも出力電流位相が、出力電圧位相に対して、デッドタイム分以上遅れるように、負荷(回路54)の共振周波数よりもインバータ4の駆動周波数を高く設定する必要がある。遅延回路94には、これが実現される遅延量が予め設定されている。
以下、比較例として従来の位相シフト型インバータ回路を用いたX線高電圧装置(特許文献1)のインバータ出力波形と、本実施形態のX線高電圧装置のインバータ出力波形とを比較しながら、インバータ4の出力制御とソフトスイッチングについてさらに説明する。
従来の特許文献1の装置において、インバータの出力電圧のパルス幅を調整することにより電力制御を行う位相シフト型のため、図5(a)のX線管電圧の上昇に対応して、インバータ出力電圧のパルス幅は、図5(b)、(c)に示すようにTinv1、Tinv2、Tinv3と変化し、管電圧の立ち上がり時はパルス幅が広く、出力電圧の半周期T/2からデッドタイムDの分だけ狭くなったパルス幅であるが、管電圧が定常状態に落ち着くとパルス幅は狭く一定となる。負荷が重い場合(図5(c))には、定常状態になってもパルス幅は立ち上がり時と大差ないが、負荷が軽い場合(図5(b))には、定常状態のパルス幅は、出力電圧T/2の半周期の数分の1程度まで狭くなる。
これに対し、本実施形態では、DCバスコンデンサ3からインバータ4に供給する電圧をX線管電圧に対応させるように制御し、パルス幅の狭くする制御は行わない。このため、インバータ4の出力電圧は、図6(a)に示すX線管電圧の上昇に対応して、立ち上がり時には、パルス電圧値が大きく、定常状態に近づくにつれ、パルス電圧値が小さくなるが、インバータ出力電圧のパルス幅は、図6(b)、(c)に示すように軽負荷時も重負荷時も一定のtinvである。tinvは、出力電圧の半周期T/2からデッドタイムDの分だけ狭くなったパルス幅である。
このため、比較例の図5(b)のパルス幅の狭くなったインバータ出力電圧の立ち上がり位相に対して、インバータの出力電流の立ち上がり位相を遅らせてソフトスイッチング制御を行うためには、図7(a)に示すように、パルス幅が狭くなっている分に対応する位相差φ1だけ、出力電流位相を大きく遅らせる必要がある。X線管8が軽負荷になるほどに出力電圧のパルス幅は狭くなるため、出力電流と出力電圧の位相差φ1が大きくなり、軽負荷時においては力率の悪化が顕著となる。
一方、本実施形態では、図6(b)、(c)のように、X線管電圧の立ち上がり時や定常状態に関わらず、パルス幅tinvは、出力電圧の半周期T/2からデッドタイムDの分だけ狭くなっているだけのほぼ半周期に近いパルス幅である。このため、インバータの出力電流の立ち上がり位相を出力電圧の立ち上がり位相よりも遅らせてソフトスイッチング制御を行うためには、図7(b)に示すように最低でデッドタイムDの分に対応する位相差φ2だけ電流位相を遅らせればよい。よって、出力電流と出力電圧の位相差φ2は最低でデッドタイム分に過ぎないため、X線管電圧の立ち上がり時や定常状態に関わらず、また、軽負荷か重負荷に関わらず、力率を1に近く維持することができる。
このように、本実施形態によれば、負荷(X線管8)の軽重に関わらず、ソフトスイッチングを実現しながら、力率を高く維持することができる高効率なX線高電圧装置を提供することができる。
なお、インバータ制御回路56は、DCバスコンデンサ3の立ち上がり時において、DCバスコンデンサ3の出力電圧が所定値(例えば最大値)に達するまで、インバータ4から負荷(X線管8)への電力供給を行わない構成にすることも可能である。例えば、出力電圧検出回路10の検出した電圧をインバータ制御回路56が受け取って、この電圧が所定値に達するまで、インバータ4に駆動信号を出力しない構成にする。これにより、DCバスコンデンサ3の電圧が、常に所定値に達した状態から、インバータ4はX線管8に電力供給を開始できるため、DCバスコンデンサ3の電圧が不十分な状態からインバータ4の動作を開始する場合と比較して、図6(a)に示した管電圧の立ち上がりが速くなる。
よって、被検体への無効被ばくを低減することができる。
(第2の実施形態)
第2の実施形態のX線高電圧装置について図8を用いて説明する。第1の実施形態と異なる点は、第1の実施形態の交流直流変換回路2が、第2の実施形態では3相のサイリスタ全波整流回路40と昇降圧チョッパ回路41に置き換えられていることである。このため、直流電圧制御回路57の構成も第1の実施形態とは異なっており、第1の実施形態の入力電流制御部15と交流直流変換ドライブ回路16を、チョッパドライブ回路42に置き換えられている。また、入力電流検出回路9は、第2の実施形態では備えられていない。これら以外の構成は、第1の実施形態と同様であるので、同様である構成については説明を省略する。
サイリスタ全波整流回路40は、サイリスタ素子を2つ直列に接続された回路を、2つ並列に接続した構成である。昇降圧チョッパ回路41は、半導体スイッチング素子と、半導体スイッチング素子に並列に接続されるインダクタと、半導体スイッチング素子と直列に接続されるダイオードによって構成される。
直流電圧制御回路57の詳しい構成と、その動作について図9を用いて説明する。図9に示すように、X線管電圧制御部13と、DCバスコンデンサ電圧制御部14の構成は、第1の実施形態と同じである。DCバスコンデンサ電圧制御部14の出力は、上限・下限リミット回路26により所定の範囲に制限してからチョッパドライブ回路42に入力される。上限・下限リミット回路26は、図8では図示を省略している。
したがって、X線管電圧検出回路12によりX線管出力電圧を検出してからDCバスコンデンサ電圧制御部14のPI補償器25までの制御動作は、第1の実施形態と同様である。よって、PI補償器25は、DCバスコンデンサ3の出力電圧がDCバスコンデンサ電圧指令値83よりも大きければ、出力を低減し、DCバスコンデンサ3の出力電圧を低減させるように動作する。逆に、検出されたDCバスコンデンサ3の出力電圧がDCバスコンデンサ電圧指令値83よりも小さければ、出力を増大させ、DCバスコンデンサ3の出力電圧を増加させるように動作する。PI補償器25の出力は、上限・下限リミット回路26により上限値と下限値を制限された後、チョッパドライブ回路42に入力される。
チョッパドライブ回路42は、PI補償器25の出力値が、DCバスコンデンサ3の電圧が不足していることを示している場合は、昇降圧チョッパ回路41の半導体スイッチがオンする時間が長くなるよう制御する。これにより、昇降圧チョッパ回路41からDCバスコンデンサ3に供給される電力を増大させる。逆に、PI補償器25の出力値が、DCバスコンデンサの電圧が大きすぎることを示している場合は、昇降圧チョッパ回路41の半導体スイッチがオンする時間を短くなるようによう制御する。これにより、昇降圧チョッパ回路41からDCバスコンデンサ3に供給される電力を減少させる。
このように、昇降圧チョッパ回路の41の昇降圧比を制御することにより、負荷(X線管8)の条件に応じてDCバスコンデンサ3の出力電圧を制御することができる。例えば、X線管電圧の立ち上がり時には、インバータ出力電圧の振幅が最大になるようにインバータ4に電圧を供給し、X線管電圧が定常状態になった時には、インバータ出力電圧の振幅がその時の所望するX線管電圧を達成できる最小限の大きさになるように、インバータ4に電圧を供給することができる。
これにより、第1の実施形態と同様に、負荷(X線管8)の軽重に関わらず、インバータ出力電圧のパルス幅を常に最大にしてインバータを駆動することが可能となるため、ソフトスイッチングを実現しながら、力率を高く維持することができる高効率なX線高電圧装置を提供することができる。
(第3の実施形態)
第3の実施形態のX線高電圧装置について図10を用いて説明する。第3の実施形態では、X線管8の陽極が電子の衝突により溶融するのを防止するため、陽極を回転させる陽極回転駆動回路(以下、スタータ回路と称す)50を備えている。スタータ回路50は、DCバスコンデンサ3の出力端に、インバータ4と並列に接続され、DCバスコンデンサ3の出力電力によりモータを駆動し、陽極を回転させる。他の構成は、第1の実施形態と同じであるので説明を省略する。
スタータ回路50は、図11に示すように、インバータ44と、インダクタにより構成されるフィルタ45と、キャパシタにより構成されるフィルタ46と、陽極を回転させるモータ47と、インバータドライブ回路49と、変調率計算部48とを備えて構成される。インバータ44は、交流直流変換回路2と同様に、3レグの回路である。フィルタ45およびフィルタ46は、LCフィルタを構成している。
インバータ44、フィルタ45、フィルタ46およびモータ47の構成は、従来のスタータ回路と同様である。従来は、DCバスコンデンサ3から供給された電圧によりインバータ44が予め定められた駆動周波数の交流波形を生成し、LCフィルタ45，46を介して生成された交流波形をモータ47に供給し、回転させる構成である。すなわち、供給電圧によってモータの回転速度およびトルクが決まるオープンループ制御である。
そのため、第1の実施形態で説明したように、X線管8に管電圧および管電流を供給するインバータ4への供給電圧を制御するために、DCバスコンデンサ3の出力電圧を制御すると、スタータ回路50のインバータ44に供給される電圧も変化する。これにより、従来のスタータ回路の構成では回転速度およびトルクが変化してしまい、負荷条件によっては陽極の回転力不足やすべりを生じる可能性がある。
そこで、第3の実施形態では、変調率計算部48とインバータドライブ回路49とをスタータ回路50の内部に配置し、インバータ44の動作を制御する。これにより、DCバスコンデンサ3の出力電圧が変化しても、モータ47を一定の回転速度およびトルクで動作させる。
具体的には、変調率計算部48は、出力電圧検出回路10からDCバスコンデンサ3の電圧の検出値(DCバス電圧の検出値)を受け取り、その検出値を基に、下式(1)の計算を行って、モータ47の駆動に必要な電圧の最小値とDCバス電圧の検出値の比である変調率を求める。すなわち、DCバスコンデンサ3の出力電圧が大きければ、変調率は小さくなり、DCバスコンデンサ3の出力電圧が小さければ、変調率は大きくなる。
Figure 0006162108
ただし、式(1)において、スタータ駆動用電圧最小値は、予め定めた固定値である。
インバータドライブ回路49は、PWM制御を行う際に、変調率計算部48が求めた変調率に対応する振幅の基本波を用いてインバータ44の駆動パルスを生成する。具体的には上述の変調率を予め定めた振幅、周期および位相の正弦波に掛け、図12(b)のように基本波を生成する。正弦波は、U相、V相、W相用に位相が異なる波形が、3種類用意されており、3相それぞれについて基本波が生成される。この基本波は、図12(a)のようにDCバスコンデンサ3の出力電圧が大きい場合、変調率が小さいために振幅が小さくなり、DCバスコンデンサ3の出力電圧が小さければ、変調率は大きいために振幅が大きくなる。一方、搬送波として所定の振幅および周期の三角波を生成する。インバータドライブ回路49は、搬送波と基本波の交点を検出し、図12(c)のように交点の時間間隔に対応したパルス幅の駆動信号をU相、V相、W相ごとに生成する。インバータ44の各相のスイッチング素子にそれぞれ受け渡して駆動する。
図12(a)〜(c)は、軽負荷時の波形であるが、重負荷時の波形は、図13(a)〜(c)のようになる。重負荷時にはDCバスコンデンサ3の出力電圧が定常状態になってもあまり小さくならないため(図13(a))、インバータ44の駆動信号のパルス幅は大きく変化しない(図13(c))。
このように、第3の実施形態では、DCバスコンデンサ3の電圧が減少した場合であっても、インバータ44からモータ47に供給される電力を一定に保つことができるため、モータの回転数およびトルクが減少せず、陽極を安定して回転させることが可能となる。
(第4の実施形態)
第4の実施形態として、上記第1〜第3の実施形態のX線高電圧装置を用いたX線撮影装置の一例として、X線CT(Computer Tomography)装置について、図14等を用いて説明する。
図14はX線CT装置301の全体構成図である。この装置はスキャンガントリ部300と操作卓320とを備える。
スキャンガントリ部300は、X線管8と、回転円盤302と、コリメータ303と、X線検出器306と、データ収集装置307と、寝台305と、ガントリ制御装置308と、寝台制御装置309と、X線高電圧装置207と、を備えている。
X線高電圧装置207のうち、X線管8と高電圧発生部53は、回転円盤302に搭載され、回転円盤302と共に回転する。他の構成は、回転円盤302には搭載されず、静止している。回転円盤302には、回転円盤302に搭載された構成と、静止系の構成とを電気的に接続するスリップリング255(図15参照)が備えられている。X線高電圧装置207の高電圧発生部53は、スリップリング255の回転側に接続され、直流高流変換部52はスリップリング255の静止側に接続されている。これにより、直流高流変換部52と高電圧発生部53は、スリップリング255を介して電気的に接続されている。
コリメータ303はX線管8から照射されるX線の照射範囲を制御する。X線検出器306は、X線管8と対向配置され被検体を透過したX線を検出する。回転円盤302は、寝台305上に搭載された被検体が入る開口部304を備えるとともに、X線管8とX線検出器306を搭載し、被検体の周囲を回転する駆動部を備える。X線検出器306は、複数の検出素子を回転円盤302の回転方向(チャンネル方向ともいう)に配置した構成である。複数の検出素子は、回転方向の並びを1列としたときに、この列を回転円盤302の回転軸方向(スライス方向ともいう)に多列(例えば64列)並べたものであっても良い。
X線高電圧装置207は、第1〜第3の実施形態のいずれかのX線高電圧装置である。データ収集装置307は、X線検出器306で検出されたX線を所定の電気信号に変換する装置である。ガントリ制御装置308は回転円盤302の回転を制御する装置である。寝台制御装置309は、寝台305の上下動および前後動(回転円盤302の回転軸方向の移動)を制御する装置である。
操作卓320は、入力装置321と、画像演算装置322と、表示装置325と、記憶装置323と、システム制御装置324とを備えている。入力装置321は、被検体氏名、検査日時、撮影条件などを入力するための装置であり、具体的にはキーボードやポインティングデバイス等である。画像演算装置322は、データ収集装置307から送出される計測データを演算処理してCT画像再構成を行う装置であり、具体的には演算処理を実行するCPU、若しくは専用の演算回路である。表示装置325は、画像演算装置322で作成されたCT画像を表示する装置である。記憶装置323は、データ収集装置307で収集されたデータ及び画像演算装置322で作成されたCT画像の画像データを記憶する装置である。システム制御装置324は、これらの装置及びガントリ制御装置308と寝台制御装置309とX線高電圧装置207を制御する装置である。
X線管8には、入力装置321から入力された撮影条件(管電圧等)になるように、X線高電圧装置207によって制御された管電流および管電圧が供給される。X線高電圧装置207の構成および動作は、第1〜第3の実施形態で説明した通りであるので、ここでは説明を省略する。
X線管8から照射され被検体を透過したX線は、X線検出器306に備わるX線検出素子によって検出される。この間、回転円盤302は、X線管8とX線検出器306とを回転させることにより、被検体の各方向からX線が照射され、検出されるようにする。回転円盤302の回転速度は、入力装置321から入力された撮影条件(スキャン速度など)となるようにガントリ制御装置308により制御される。また、X線が照射されて検出されている間、寝台305は、寝台制御装置309の制御により、被検体を体軸方向に移動させ、入力装置321から入力された撮影条件(らせんピッチなど)となるように動作する。
X線検出器306の出力信号は、データ収集装置307により投影データとして収集される。データ収集装置307で収集された投影データは、画像演算装置322へ送出される。画像演算装置322は、投影データを再構成演算してCT画像とする。再構成されたCT画像は表示装置325に表示され、また撮影条件とともに画像データとして記憶装置323に記憶される。
また、本実施形態のX線CT装置に、本発明のX線高電圧装置207を用いることにより、X線高電圧装置におけるスイッチング損失が少なく、かつ、力率が高いため、エネルギー効率がよく、安定運転が可能なX線CT装置を提供することができる。
なお、図15の構成のスリップリング255は、静止側と回転側をそれぞれコイルで構成し、電磁誘導で非接触に信号を受け渡す構成であり、静止側(直流−交流変換部52)から回転側(高電圧発生部53)に受け渡される信号は、同じ電圧であるが、静止側と固定側のコイルの巻き線比を異ならせる構成にすることが可能である。この構成により、スリップリング255で非接触に信号を受け渡す際に信号を昇圧することが可能であるため、図16のようにスリップリング255が非接触高電圧発生部56の一部を構成する。
(第5の実施形態)
第5の実施形態として、上記第1〜3の実施形態のX線高電圧装置のいずれかを用いたX線撮影装置について、図17を用いて説明する。
図17に示すように、本実施形態のX線撮影装置405は、X線検査室の操作室401と撮影室402とに跨って設置されている。病院におけるX線検査室の操作室401と撮影室402は、X線に対する防護壁403によって隔離されている。防護壁403には、鉛ガラスによりなる窓404が設けられている。
撮影室402には、X線撮影装置405の主要な構成が設置されている。具体的には、X線管8と、X線管支持装置410と、コリメータ411と、X線受像装置412a、412bと、X線高電圧装置207と、制御装置413とがそれぞれ所定の位置に設置されている。X線管8は、被検体に照射するX線を発生する。X線高電圧装置207は、設定された条件で管電圧および管電流をX線管8に供給する。X線高電圧装置207は、第1〜第3の実施形態のいずれかの装置であるので、ここではその詳細な構造については説明を省略する。
X線管支持装置410は、図17の紙面上下方向に伸縮可能な構造を有するL字型の伸縮部415を有している。伸縮部415のL字型の端部にはX線管8が保持されている。
X線管支持装置410は、天井416に配設されたレール417に取り付けられている。
X線管支持装置410は、レール417に沿って図17の紙面左右方向に移動可能な構造となっている。コリメータ411は、X線の照射野を決定する。
X線受像装置412a、412bは、被検体を透過したX線を受像する装置であって、本実施形態では2台配置されている。一方のX線受像装置412aは、被検体を立位の状態で撮影するためのものであり、他方のX線受像装置412bは、被検体を臥位の状態で撮影するためのものである。立位用のX線受像装置412aは、フイルムやイメージングプレートの入った撮影用カセッテ419と、この撮影用カセッテ419を支持する支持台420とを有する構成になっている。臥位用のX線受像装置412bは、撮影台422と、その内部に配置されたフイルムやイメージングプレートの入った撮影用カセッテ421とを含む。立位用のX線受像装置412aを用いる場合には、図17のようにX線管8とコリメータ411を立位用のX線受像装置412aに向けて横向きに配置し、臥位用のX線受像装置412bを用いる場合は、X線管8とコリメータ411を下向きにし、X線受像装置412bに向けてX線が照射されるようにする。
尚、撮影用カセッテ419、421に替えて、イメージインテンシファイヤとTVカメラとを組み合わせてX線画像を動画で出力する構成や、フラットパネルディテクタ(FPD)を備えてX線画像を出力する構成でも良いものとする。
操作室401には、操作器406が設置されている。この操作器406は、操作卓407と、操作卓407を支持する支持台408とを有して構成されている。操作卓407は、X線管8の管電圧、管電流、撮影時間等の撮影条件の設定を操作者から受け付ける操作部と、表示部とを備えている。表示部には、受け付けた設定条件や、X線受像装置412a、412bが受像した画像が表示される。また、操作卓407には、X線高電圧装置207を作動させるためのスイッチ、コリメータ411の開閉量を調節するための操作ボタン等が設けられている。
制御装置413は、上記の各装置をそれぞれ制御するとともに、X線受像装置412a、412bが受像した画像の表示制御を行う。また、制御装置413には、記憶装置が内蔵されており、撮影条件と撮影画像とが格納される。
また、本実施形態のX線撮影装置に、本発明のX線高電圧装置を用いることにより、X線高電圧装置におけるスイッチング損失が少なく、かつ、力率が高いため、エネルギー効率がよく安定運転が可能なX線撮影装置を提供することができる。
1 交流電源、2 3相交流‐直流変換回路、3 DCバスコンデンサ、4 高周波インバータ、5 高電圧変圧器、6 多倍圧整流回路、7 平滑コンデンサ、8 X線管、9 入力電流検出回路、10 出力電圧検出回路、11 インバータ出力電流検出回路、12 X線管電圧検出回路、40 サイリスタ全波整流回路、41 チョッパ回路、42 交流電源、44 インバータ、45 フィルタ、46 フィルタ、47 モータ

Claims (4)

  1. 負荷を含む共振回路に電力を出力するインバータと、前記インバータに直流電圧を供給する直流電圧供給回路と、前記インバータの動作を制御するインバータ制御回路と、前記直流電圧供給回路が前記インバータに供給する直流電圧を制御する直流電圧制御回路とを有し、
    前記直流電圧制御回路は、前記負荷に供給されている電圧を検出し、当該検出した電圧が前記負荷に供給すべき電圧と一致するように前記直流電圧供給回路が前記インバータに供給する直流電圧を制御し、
    前記インバータ制御回路は、前記インバータの駆動周波数を、前記負荷を含む共振回路の共振周波数よりも所定値だけ高く設定し、
    前記インバータ制御回路は、前記インバータの出力電流の位相を前記インバータの出力電圧の位相よりも所定時間だけ遅らせ、前記インバータを構成する複数のスイッチング素子を前記駆動周波数のタイミングよりも予めデッドタイム分だけ遅らせたタイミングでオンし、
    前記所定時間は、前記デッドタイム以上に設定されていることを特徴とする電力変換装置。
  2. 負荷を含む共振回路に電力を出力するインバータと、前記インバータに直流電圧を供給する直流電圧供給回路と、前記インバータの動作を制御するインバータ制御回路と、前記直流電圧供給回路が前記インバータに供給する直流電圧を制御する直流電圧制御回路とを有し、
    前記直流電圧制御回路は、前記負荷に供給されている電圧を検出し、当該検出した電圧が前記負荷に供給すべき電圧と一致するように前記直流電圧供給回路が前記インバータに供給する直流電圧を制御し、
    前記インバータ制御回路は、前記インバータの駆動周波数を、前記負荷を含む共振回路の共振周波数よりも所定値だけ高く設定し、
    前記インバータ制御回路は、前記インバータの出力パルス幅を、前記負荷の変動に関わらず、一定にすることを特徴とする電力変換装置。
  3. 請求項1又は2に記載の電力変換装置において、
    前記直流電圧供給回路は、前記インバータに直流電圧を供給するDCバスコンデンサと、前記DCバスコンデンサに供給される電力を調整する調整回路とを含み、
    前記直流電圧制御回路は、前記調整回路から前記DCバスコンデンサに供給される電力を制御することにより、前記DCバスコンデンサが前記インバータに供給する直流電圧を制御し、
    前記調整回路は、交流直流変換回路を含むことを特徴とする電力変換装置。
  4. 請求項1乃至3のいずれか一項に記載の電力変換装置と、X線管とを有することを特徴とするX線撮影装置。
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