JP7166876B2 - 電源装置及び医用画像診断装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電源装置及び医用画像診断装置に関する。

磁気共鳴イメージング装置、Ｘ線ＣＴ装置、Ｘ線診断装置、光線治療装置等の医用画像診断装置では、インバータ回路を内蔵した電源装置が用いられることが多い。この種の電源装置では、インバータ回路のパワーデバイスのスイッチング動作に起因したノイズにより、インバータ回路を駆動するためのゲート信号を中継するゲートドライブ回路に異常が発生する場合がある。スイッチング動作に起因したノイズには、コモンモード電流やサージ電圧等が含まれる。

主な異常として、ゲートドライブ回路を構成するＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）素子内に存在する寄生サイリスタによるラッチアップがある。ラッチアップが発生すると、ゲートドライブ回路の出力が高電位又は低電位にはりついてしまい、インバータ回路を正常に駆動できなくなる。従って、ゲートドライブ回路におけるラッチアップを早期に判定し、インバータ回路を速やかに停止させる必要がある。

特開２０００－２３５４０５号公報 特開平１－２４６６４２号公報

しかしながら、従来の電源装置では、ラッチアップの発生の判定に漏れが生じる場合があった。

本発明が解決しようとする課題は、ラッチアップの発生を適切に判定することである。

実施形態に係る電源装置は、判定回路を備える。前記判定回路は、インバータ回路を駆動するためのゲート信号を中継するゲートドライブ回路におけるラッチアップの発生を、前記ゲート信号に重畳させた既知の周期性パルスの有無により判定する。

図１は、一実施形態に係る医用画像診断装置とその内部の電源装置の例を示す図である。 図２は、電源装置の構成例を示すブロック図である。 図３は、電源装置内の各部の信号変化の例を示す図（１）である。 図４は、電源装置内の各部の信号変化の例を示す図（２）である。 図５は、比較例を示す図（１）である。 図６は、比較例を示す図（２）である。

以下、図面を参照して、電源装置及び医用画像診断装置の各実施形態を説明する。なお、実施形態は、以下の内容に限られるものではない。また、１つの実施形態や変形例に記載された内容は、原則として他の実施形態や変形例にも同様に適用される。

図１は、一実施形態に係る医用画像診断装置１とその内部の電源装置２の例を示す図である。図１において、医用画像診断装置１は、例えば、磁気共鳴イメージング装置、Ｘ線ＣＴ装置、Ｘ線診断装置、光線治療装置等である。

医用画像診断装置１の内部には、医用画像診断装置１の各部に電源を供給するための電源装置２が設けられている。電源装置２にはインバータ回路が内蔵されており、電源装置２は所望の電圧又は電流の電源を医用画像診断装置１の各部に対して供給する。なお、電源装置２は、所定の波形の電圧又は電流を供給する場合と、直流の電圧又は電流を供給する場合とがある。所定の波形の電圧又は電流を供給する場合としては、例えば、磁気共鳴イメージング装置の傾斜磁場電源として、撮像空間に印加される傾斜磁場の波形に応じた電圧又は電流を傾斜磁場コイルに出力するのに用いられる。また、直流の電圧又は電流を供給する場合としては、例えば、Ｘ線ＣＴ装置のＸ線管に印加する高電圧を生成するのに用いられる。

図２は、電源装置２の構成例を示すブロック図である。図２において、電源装置２は、コントローラ２１と、１次側ゲートドライブ回路２２と、絶縁トランス２３と、２次側ゲートドライブ回路２４と、インバータ回路２５とを備えている。コントローラ２１、１次側ゲートドライブ回路２２、絶縁トランス２３、２次側ゲートドライブ回路２４、インバータ回路２５は、一つの筐体内に設けられるものでもよいし、複数の筐体に分けられて医用画像診断装置１内に設けられるものでもよい。

コントローラ２１は、インバータ回路２５を制御するためのゲート信号を生成して次段の１次側ゲートドライブ回路２２に対して出力する機能を有している。コントローラ２１は、例えば、終段のインバータ回路２５から得た出力電流又は出力電圧等のフィードバック信号と内部の基準電圧等とを比較し、終段のインバータ回路２５の出力電流又は出力電圧等が所望の値になるようにゲート信号のオン期間とオフ期間を変化させる。なお、コントローラ２１は、電源装置２における制御以外の、医用画像診断装置１の一部の制御を兼ねる場合もある。

１次側ゲートドライブ回路２２は、コントローラ２１から出力されたゲート信号を中継する機能を有しており、ノイズの発生源であるインバータ回路２５から離れ、コントローラ２１側に近い位置に設けられている。１次側ゲートドライブ回路２２は、周期性パルス重畳回路２２１と、周期性パルス生成回路２２２とを備えている。周期性パルス重畳回路２２１は、重畳回路の一例である。

周期性パルス生成回路２２２は、ラッチアップ検知用の既知の周期性パルスを発生する機能を有している。周期性パルス重畳回路２２１は、コントローラ２１から入力されたゲート信号に対して、周期性パルス生成回路２２２で生成された周期性パルスを重畳する機能を有している。なお、周期性パルスの重畳には、ゲート信号に対して周期性パルスを単純に加算又は減算する場合と、ゲート信号を周期性パルスにより変調する場合とがある。変調には、振幅変調（ＡＭ：Amplitude Modulation）や周波数変調（ＦＭ：Frequency Modulation）等がある。

絶縁トランス２３は、一次巻線と二次巻線とが絶縁されている変圧器であり、ノイズの影響を排除すべき１次側ゲートドライブ回路２２より上流と、２次側ゲートドライブ回路２４より下流とを直流的に分離する機能を有している。絶縁トランス２３により阻止されるのは直流成分であるため、周期性パルスが重畳されたゲート信号の通過に支障はない。

２次側ゲートドライブ回路２４は、絶縁トランス２３を通過してきたゲート信号を中継し、インバータ回路２５にゲート信号を供給する機能を有している。２次側ゲートドライブ回路２４は、ラッチアップ判定回路２４１と、ラッチアップ判定回路２４１内の周期性パルス除去回路２４２と、ゲート信号遮断回路２４３と、バックゲートバイアス生成回路２４４とを備えている。ラッチアップ判定回路２４１は、判定回路の一例である。周期性パルス除去回路２４２は、除去回路の一例である。ゲート信号遮断回路２４３は、遮断回路の一例である。

ラッチアップ判定回路２４１の周期性パルス除去回路２４２は、絶縁トランス２３を通して入力された、周期性パルスが重畳されたゲート信号から周期性パルスを除去するとともに、周期性パルスが重畳されているか否かを判定して、周期性パルスが重畳されているか否かを示す周期性パルス存否信号を出力する機能を有している。周期性パルスが重畳されているか否かを示す周期性パルス存否信号の生成は、例えば、単安定マルチバイブレータやハイパスフィルタ（High Pass Filter）等により行われる。周期性パルスの除去は、例えば、ゲート信号のパルスの周波数帯を通過させ、周期性パルスの周波数帯を減衰させて通過させないローパスフィルタ（Low Pass Filter）等により行われる。

単安定マルチバイブレータによる場合、周期性パルスにより単安定マルチバイブレータにトリガがかけられて非安定状態に移行し、単安定マルチバイブレータの非安定状態から安定状態への復帰時間が周期性パルスの周期よりも若干長めに設定されることで、周期性パルスが連続して到来している場合には単安定マルチバイブレータの出力が一定となり、周期性パルスが途切れると単安定マルチバイブレータの出力が反転することで、周期性パルスが重畳されているか否かを示す周期性パルス存否信号が生成される。ハイパスフィルタによる場合、ゲート信号のパルスの周波数帯を減衰させ、周期性パルスの周波数帯を通過させることで、通過した信号のレベルが高い場合は周期性パルスが存在することを示し、通過した信号のレベルが低い場合は周期性パルスが存在しないことを示すものとすることができる。

ゲート信号遮断回路２４３は、ラッチアップ判定回路２４１の周期性パルス除去回路２４２からの周期性パルス存否信号が周期性パルスの存在を示している場合には、周期性パルス除去回路２４２から入力された周期性パルスの除去後のゲート信号を後続のインバータ回路２５に出力する機能を有している。また、ゲート信号遮断回路２４３は、周期性パルス存否信号が周期性パルスの存在を示していない場合、すなわち、ラッチアップの発生により周期性パルスが消失している場合には、周期性パルス除去回路２４２からのゲート信号のインバータ回路２５への供給を停止し、バックゲートバイアス生成回路２４４から入力されたバックゲートバイアスをインバータ回路２５に出力する機能を有している。なお、ラッチアップの発生により周期性パルスが消失している場合には、ゲート信号の基本的なパルスも消失し、高電位又は低電位にはりついてしまっている場合がほとんどである。

バックゲートバイアス生成回路２４４は、ラッチアップの発生時にインバータ回路２５のパワーデバイス２５１の停止を促進するためのバックゲートバイアスを出力する機能を有している。バックゲートバイアスは、例えば、インバータ回路２５のパワーデバイス２５１が正の電圧により駆動されるものである場合には、バックゲートバイアスを負の電圧とすることで、パワーデバイス２５１のゲート又はベースに滞留する電荷を急速に消失させ、スイッチング動作を急速に停止させる。

なお、インバータ回路２５内のパワーデバイス２５１等の構成によっては、ラッチアップが検知された時点でパワーデバイス２５１等を即座に停止させてしまうと不都合が生ずる場合があるため、バックゲートバイアス生成回路２４４は、インバータ回路２５から内部の動作状態を示すタイミング信号を取得し、望ましいタイミングでバックゲートバイアスを出力するようにしている。例えば、インバータ回路２５内においてパワーデバイス２５１等がオン又はオフした際の過渡的な電流が流れている途中での急激な停止は好ましくない。また、インバータ回路２５内においてパワーデバイス２５１等がインバータブリッジを構成している場合、入力段のパワーデバイス２５１をオフさせる動作が、内部の他のパワーデバイスをオンさせる動作にもなるため、単純に入力段のパワーデバイス２５１をオフさせる方向の動作が安全とはいえない。また、インバータ回路２５内の動作の遅延からも、単純に入力段のパワーデバイス２５１をオフさせる方向の動作が安全とはいえない。そのため、インバータ回路２５は、内部での処理において安全に停止できる期間を示すタイミング信号を出力することで、安全な状態で停止させるようにすることができる。

インバータ回路２５は、２次側ゲートドライブ回路２４のゲート信号遮断回路２４３からゲート信号が与えられて駆動するパワーデバイス２５１を有している。パワーデバイス２５１はスイッチング素子であり、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＦＷＤ（Free Wheeling Diode）等を有する。なお、インバータ回路２５は、直流の電圧又は電流を供給する場合には、変圧、整流、平滑等の機能も備えている。

図３は、電源装置２内の各部の信号変化の例を示す図であり、ラッチアップが発生していない正常時の波形を示している。図３において、上段から、コントローラ２１から出力されるゲート信号、１次側ゲートドライブ回路２２の周期性パルス生成回路２２２から出力される周期性パルス、１次側ゲートドライブ回路２２の周期性パルス重畳回路２２１から出力される、周期性パルスが重畳されたゲート信号、２次側ゲートドライブ回路２４の周期性パルス除去回路２４２から出力され、ゲート信号遮断回路２４３を介してインバータ回路２５のパワーデバイス２５１に供給される、周期性パルスが除去されたゲート信号、がそれぞれ示されている。なお、図では周期性パルスの周期が誇張して描かれているが、ゲート信号のパルスが数１０ｋＨｚのオーダーであるのに対し、周期性パルスは数ＭＨｚのオーダーであり、ゲート信号のパルスに対して周期性パルスは２桁程度の短い周期である。

図３に示された状態では、周期性パルスが除去されたゲート信号がインバータ回路２５のパワーデバイス２５１に供給され、正常に電源の供給が行われる。

図４は、電源装置２内の各部の信号変化の例を示す図であり、正常状態からラッチアップが発生して異常状態となった場合の波形を示している。図４において、上段から、コントローラ２１から出力されるゲート信号、１次側ゲートドライブ回路２２の周期性パルス生成回路２２２から出力される周期性パルス、１次側ゲートドライブ回路２２の周期性パルス重畳回路２２１から出力される、周期性パルスが重畳されたゲート信号、２次側ゲートドライブ回路２４の周期性パルス除去回路２４２から出力され、ゲート信号遮断回路２４３を介してインバータ回路２５のパワーデバイス２５１に供給される、周期性パルスが除去されたゲート信号、がそれぞれ示されている。

ここで、周期性パルスが重畳されたゲート信号の波形に対して記入された時刻ｔ１においてラッチアップが発生したとすると、周期性パルスが重畳されたゲート信号は、例えば、図示のように高電位側に固定される。そのため、本来は周期性パルスの周期によりレベル変化があるはずの時刻ｔ２においてレベル変化が生じないため、周期性パルス除去回路２４２により周期性パルスが存在しないと判断され、ラッチアップが判定される。これにより、続く時刻ｔ３において、ゲート信号遮断回路２４３によりインバータ回路２５のパワーデバイス２５１へのゲート信号の供給が停止される。なお、インバータ回路２５のパワーデバイス２５１には、バックゲートバイアス生成回路２４４からのバックゲートバイアスが印加される。

このように、ラッチアップが発生してから、周期性パルスの周期程度の時間内にラッチアップが判定され、インバータ回路２５へのゲート信号の供給が停止され、バックゲートバイアスによりパワーデバイス２５１等の停止が促進されることとなり、インバータ回路２５の損傷等を防止することができる。なお、ラッチアップが発生したことは、電源装置２を収容する医用画像診断装置１にもラッチアップ判定回路２４１から報知され、電源装置２のリセット動作等の後処理が行われる。

図５及び図６は、比較例を示す図である。図５において、ゲートドライブ回路３１と、異常検知回路３２と、ゲート信号遮断回路３３と、インバータ回路３４とが設けられている。ゲート信号を中継するゲートドライブ回路３１とは独立に異常検知回路３２が設けられ、異常検知回路３２によりゲート信号遮断回路３３を制御し、異常検知時にゲートドライブ回路３１からインバータ回路３４へのゲート信号を遮断するようにしている。

異常検知回路３２は、ゲートドライブ回路３１に入力されるのと同じゲート信号を入力しており、ゲート信号に異常が発生すると異常を検知する。また、ゲートドライブ回路３１と異常検知回路３２とが同時にラッチアップした場合にも異常を検知する。すなわち、異常検知回路３２は自身がラッチアップした際にも、異常を検知するよう構成されている。

図６は、図５におけるゲートドライブ回路３１及び異常検知回路３２の具体的な構成例を示しており、ゲートドライブ回路３１の一部がＣＭＯＳ ＩＣ３５の回路素子３６により構成され、異常検知回路３２の一部が同じＣＭＯＳ ＩＣ３５の回路素子３７により構成されている。ラッチアップはインバータ回路３４からのノイズが印加されることで発生することから、同じＣＭＯＳ ＩＣ３５内の回路素子３６と回路素子３７とが同時にラッチアップする可能性が高い。なお、異常検知回路３２がゲートドライブ回路３１の出力信号等を直接に監視して異常を検知する構成をとっていないのは、異常検知回路３２から見てゲートドライブ回路３１は独立した他の回路であって、出力信号等に不用意に回路素子を接続することは、信号の干渉を招き、動作に微妙な影響を及ぼして誤動作を生じさせるおそれがあるためである。

しかし、図５及び図６において、ゲートドライブ回路３１や回路素子３６にラッチアップが発生しても、必ずしも異常検知回路３２や回路素子３７においてラッチアップが発生するとは限らず、そのような場合はラッチアップの検知漏れにつながる。

上記の比較例に対し、図２に示した実施形態では、ゲート信号を処理するラッチアップ判定回路２４１の周期性パルス除去回路２４２の中で周期性パルスの存在の有無を判定するようにしているため、ラッチアップの発生の判定漏れが発生することはなくなる。すなわち、ゲート信号の処理とラッチアップの判定とを同一の信号系の回路で処理することができるため、別回路を追加する場合のような干渉を考慮する必要がなく、回路の本来の処理機能としてラッチアップの発生の判定を実現することができる。また、インバータ回路２５の直前の２次側ゲートドライブ回路２４においてゲート信号に周期性パルスが存在するか否かによりラッチアップの有無を判定しているため、インバータ回路２５より前段のほぼ全ての回路部分におけるラッチアップを監視することができる。また、周期性パルスの周期と同等の時間内にラッチアップの発生を判定することができるため、インバータ回路２５のパワーデバイス２５１を迅速に遮断することが可能となり、パワーデバイス２５１の損傷等を有効に防止することができる。前述したように、ゲート信号のパルスが数１０ｋＨｚのオーダーであるのに対し、周期性パルスは数ＭＨｚのオーダーであり、ラッチアップの発生から極めて短時間に判定することができる。

以上説明された少なくとも１つの実施形態によれば、ラッチアップの発生を適切に判定することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１ 医用画像診断装置
２ 電源装置
２１ コントローラ
２２ １次側ゲートドライブ回路
２２１ 周期性パルス重畳回路
２２２ 周期性パルス生成回路
２３ 絶縁トランス
２４ ２次側ゲートドライブ回路
２４１ ラッチアップ判定回路
２４２ 周期性パルス除去回路
２４３ ゲート信号遮断回路
２４４ バックゲートバイアス生成回路
２５ インバータ回路
２５１ パワーデバイス

Claims (8)

1. インバータ回路を駆動するためのゲート信号を中継するゲートドライブ回路におけるラッチアップの発生を、前記ゲート信号に重畳させた既知の周期性パルスの有無により判定する判定回路、
   を備える電源装置。
2. 前記ゲート信号に対して前記周期性パルスを重畳させる重畳回路と、
   前記周期性パルスが重畳されたゲート信号に前記周期性パルスが重畳されているか否かを判断し、前記周期性パルスを除去したゲート信号を生成する除去回路と、
   を備える請求項１に記載の電源装置。
3. 前記周期性パルスが重畳されている場合に、前記周期性パルスが除去されたゲート信号を前記インバータ回路に供給し、前記周期性パルスが重畳されていない場合に、前記インバータ回路へのゲート信号の供給を停止する遮断回路、
   を備える請求項２に記載の電源装置。
4. 前記遮断回路は、前記周期性パルスが重畳されていない場合に、前記インバータ回路に所定のバイアスを出力する、
   請求項３に記載の電源装置。
5. 絶縁トランスを介して接続された１次側ゲートドライブ回路と２次側ゲートドライブ回路とを備え、
   前記重畳回路は前記１次側ゲートドライブ回路に設けられ、
   前記除去回路及び前記遮断回路は前記２次側ゲートドライブ回路に設けられる、
   請求項３に記載の電源装置。
6. 前記周期性パルスは、前記ゲート信号に加算されることで重畳される、
   請求項１～５のいずれか一つに記載の電源装置。
7. 前記周期性パルスは、前記ゲート信号に重畳される、
   請求項１～５のいずれか一つに記載の電源装置。
8. インバータ回路を駆動するためのゲート信号を中継するゲートドライブ回路におけるラッチアップの発生の判定を、前記ゲート信号に重畳させた既知の周期性パルスの有無により判定する回路を有する電源装置
   を備える医用画像診断装置。
   

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