JPH02250296A - インバータ式ｘ線発生用電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、Ｘ＠発生装置用の電源に係り、特に小型・軽
量化に好適な共振型インバータ式Ｘ線発生用電源装置に
関するものである。

〔従来の技術〕

Ｘ線発生用電源装置の小型軽量化を計るには、商用電源
の電圧をＸ線管へ印加するための高電圧へ昇圧する高圧
変圧器を小型軽量な物とすることが最も大きな課題であ
った。

高圧変圧器は、それへの入力電圧の周波数を高くするこ
とによって小型軽量化を計れるものである。そのような
高圧変圧器への入力電圧を高周波化する技術は、近年発
達の著しい電力制御用の半導体デバイスをスイッチング
素子として用いることによって開発されている。いわゆ
る、インバータ式Ｘ線装置と称されて現在実用化されて
いる。

そのようなインバータ式Ｘ線装置の一方式として、米国
特許第４２２５７８８号に開示されている直列共振型イ
ンバータを用いたものがある。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記直列共振型インバータ式Ｘ線発生用電源装置は、高
圧変圧器の漏洩インダクタンスＬｉ　と、この変圧器の
一次巻線と直列に接続されたコンデンサＣとの共振を利
用するもので、基準インピーダンス、ｒ口τ７てに対し
て、負荷抵抗Ｒｘ　　（Ｘ線管の等価抵抗で、Ｘ線管電
圧／Ｘ線管電流）と出力電力Ｐｏとの間には、第４図の
ような関係がある。

すなわち、基準インピーダンスに対して出力Ｐｏが最大
となる負荷抵抗Ｒｘがあり、実際の装置を構成するに当
っては、この条件に合うように上記漏洩インダクタンス
Ｌｔ　、コンデンサの容量Ｃ１高圧変圧器の巻数比等を
選定する必要がある。

第４図を参照すると解かるように、出力ＰＯが最大とな
る負荷抵抗Ｒｘは非常に小さな値（対数目盛）となるた
め、高圧変圧器への入力電圧が低い場合、例えば２００
■交流電圧をそのまま直流に変換してインバータに供給
し、高周波化して高圧変圧器に印加する場合には、高圧
変圧器の巻数比を非常に大きくしなければならない。し
たがって、高圧変圧器の二次巻線数が非常に多くなり、
高圧変圧器の小型軽量化を阻害するばかりでなく、二次
巻線と接地間の静電容量も大きくなるため効率も悪くな
る。

また、インバータへの１入力電圧が低い場合にはインバ
ータ電流が増大するので、インバータスイッチング素子
の定格電流容量も大きなものにしなければならない。

これらの問題に対しては、インバータの入力電圧を高く
する方法が考えられるが、電圧を高くすると、透視時の
ような軽負荷時、２００ｖ商用電源の場合、定常時のイ
ンバータの入力電圧は無負荷時とほぼ等しい約６００ｖ
となり、この電圧でインバータの周波数及び位相を制御
すると、以下の問題が生じる。

（１）周波数制御方式の場合 周波数制御方式の共振型インバータは、高圧変圧器の漏
洩インダクタンスＬｉと共振用のコンデンサＣによって
決まる共振周波数 動作周波数Ｆ１を変えるもので、入力電圧Ｖｉ　と高圧
変圧器の出力電圧ｖＯとの比Ｖｏ／Ｖｔと、上記周波数
の比Ｆ　ｉ　／　Ｆ　ｒとの関係は、負荷抵抗Ｒｘ（ｇ
ｔ＞Ｒｚ＞・・・〉Ｒ５）をパラメータとすると第５図
のようになることが米国特許第４５０４８９５号にて知
られている。この方式では、Ｆ　Ｉ／　Ｆ　ｒ”Ｆ　１
．のときにＶｏが最大となり、インバータの動作周波数
Ｆｉ　を共振周波数Ｆ、より低くするか、または高くす
るとＶｏが低下する。現実的には共振周波数Ｆ、を高く
するよりは低くする方が、スイッチング素子でのターン
オン・ターンオフ損失が小さくなるのでＦｉ　を低くす
ることでｖＯを下げることになる。

ところが、Ｘ線装置はＸ線発生条件（Ｘ線管電圧／Ｘ線
管電流、Ｘａ放射時間）の範囲が非常に広く、管電圧に
おいて２０ＫＶ程度から１５０ＫＶ程度までの広い範囲
での制御が要求され、管電流において０．１ｍＡ程度か
ら１０１００Ｏ程度までの範囲での制御が要求される。

前述のように管電圧を２０ＫＶ〜１５０ＫＶもの広い範
囲で制御する場合、低管電圧を設定しようとすると、イ
ンバータの動作周波数Ｆｌ　を下げるため、高圧変圧器
における印加電圧時間積が大きくなるので、高圧変圧器
の鉄心の断面積を大きくしなければならず、高圧変圧器
が大型化し、共振型インバータを組み合わせたメリット
が失われるという問題を有していた。

（２）位相制御方式の場合 位相制御方式の共振型インバータを用いたＸ線発生装置
は、例えば特開昭６３−１．９０５５６号公報に記載さ
れている６位相制御力式の詳しい説明は前記公報に記載
されているので省略する。

位相制御方式の位相差と管電圧の関係は、１記公報に記
載されているよう憾、位相差を制御することによって管
電圧を広範囲に可変できるが、管電圧が低くするために
は位相差を非常に大きくする必要がある。

しかし、位相差の大きい領域では利得が大きくなるため
、入力電圧が約６００Ｖと高い場合は管電圧制御が非常
に難しくなる。

本発明は、Ｘ線発生用電源装置における高圧変圧器の小
型、軽量化、インバータ電流の低減を計ると同時に撮影
から透視までの全負荷範囲で安定に管電圧制御ができる
Ｘ線発生用電源装置を提供することを目的とする。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題は、交流電源電圧を受電しそれを整流する第一
の整流回路と、この第一の整流回路の出力電圧を平滑す
る平滑回路と、この平滑回路の出力電圧を高周波交流に
変換する共振型インバータと、このインバータの出力電
圧を昇圧する高圧変圧器と、この高圧変圧器の出力電圧
を整流する第二の整流回路と、この第二の整流回路の出
力電圧が平滑して印加されるｘＢ管と、このＸ線管に印
加される電圧を制御するインバータ制御回路とを備えた
インバータ式ｘｖＡ発生用電源装置において、前記第一
の整流回路と平滑回路とで倍電圧整流回路を構成すると
ともに、前記Ｘ線管に対する負荷の設定値が予め決めら
れた所定値より大きいか小さいかを判定し、その結果を
前記インバータ制御回路へ出力する負荷条件判定回路と
、この負荷条件判定回路の判定結果により負荷が大きい
とき前記交流電源を前記倍電圧整流回路へ接続し、負荷
が小さいとき前記交流電源を前記第一の整流回路へ接続
する電源接続手段とを備えることにより達成される。

〔作用〕

ＸＩｌ管に対する負荷（管電圧、管電流）が設定される
と、この負荷の設定値に対応する信号が負荷条件判定回
路に入力される。負荷条件判定回路は入力信号と、予め
設定された所定値とを比較しそれらの大小を判定する。

この判定結果は電源接続手段へ入力される。電源接続手
段は判定結果によって、負荷が大きいときには第一の整
流回路と平滑回路とが倍電圧整流回路を構成するように
接続する。すると交流電源電圧は倍電圧整流回路を介し
てインバータへ印加される。負荷が小さいときには第一
の整流回路へ交流電源電圧は供給される。この切換接続
は自動的になされる。

このように負荷条件に応じて、インバータには高低２種
類の電圧が印加される。したがって、高圧変圧器におけ
る昇圧比は低減でき、２００■電源使用時を例にとると
、本発明を実施した場合、従来装置より高圧変圧器の巻
数比は約１／４となり、高圧変圧器の小型・軽量化が計
れる。また、負荷が大きいときには、インバータへの入
力電圧を高くするため、インバータ電流が低減し、半導
体デバイスは容量の小さいものを使用することができる
ようになる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例を第１図乃至第３図により説明す
る。

第１図は本発明の一実施例によるインバータ式Ｘ線発生
用電源装置の主要回路を示している。図において、１は
ダイオード、２，３．３’はサイリスタ、４，５は平滑
コンデンサ、６はトランジスタ７〜１０とこれらのトラ
ンジスタに逆並列接続されたダイオード１１〜１４とか
ら成るフルブリッジ型インバータ、１５は高圧変圧器１
６の一次巻線に直列接続された共振用コンデンサ、１７
は高圧変圧器の出力電圧を整流する整流回路、１９はＸ
線線、１８はＸ線管１９のアノードとカソード間に印加
される電圧（以下、管電圧と記す）を検出する抵抗、２
０は管電圧設定値と前記管電圧検出値とを比較し、この
両者が一致するようにインバータ６を制御する周波数倍
量又は位相差信号を生成する電圧制御器、２１は電圧制
御器２０の出力信号を増幅し、インバータ６のトランジ
スタ７〜１０のベースへそれを供給するベースドライブ
回路、２２は管電圧設定信号と管電流設定信号とを入力
し、これらにより負荷の大小を判定する負荷条件判定回
路であり、その判定結果に基づいて、前記サイリスタ２
と３を二者択一的に開閉する信号をサイリスタのゲート
回路２４に入力する。また、負荷条件判定回路からは前
記サイリスタ２と３のどちらが開閉しているかの信号を
電圧制御回路２０へ出力する。

上記構成において、ダイオード１とサイリスタ２．３．
３’及び平滑コンデンサ４，５の関係について説明する
。第２図（Ａ）に示すようにサイリスタ２をオフ、サイ
リスタ３，３′　をオンすると、コンデンサ５はサイリ
スタ３，３′により両方向に短絡され、コンデンサ４の
両端、すなわちインバータにはダイオード１により半波
整流され平滑された第３図（ロ）の電圧が印加される。

上記とは逆に第２図（Ｂ）に示すように、サイリスタ２
をオン、サイリスタ３，３′をオフすると。

交流電源電圧はその一相がダイオード１とサイリスタ２
との接続点に入力され、他の一相は平滑コンデンサ４と
５との接続点に入力される。このとき、ダイオード１．
サイリスタ２と平滑コンデンサ４，５とは倍電圧整流回
路を形成し、インバータ入力電圧は倍電圧整流され平滑
された第３図（ニ）となる。

次に、第１図により上記実施例の回路動作を説明する。

先ず、被検者の撮影部位に応じたＸ線条件（管電圧、管
電流１時間）を設定する。

本発明は管電圧制御に係わるものであるため、第１図は
管電圧制御に関係した主要部のみを示している。いま、
負荷が大きいとき１例えば撮影時のように管電流が大き
いときはその条件に対応したＸ線管電圧と管電流設定信
号の一方又は双方が電圧制御回路２０及び負荷条件判定
回路２２へ入力する。管電圧及び管電流設定（ｉ号が入
力すると、負荷条件判定回路２２は負荷の大きさが予め
設定された所定値、例えば管電圧が１００ｋＶ、管電流
が３００ｍＡのとき、その積３０ｋＷが所定値よりも大
きいか小さいかを判定する。いま仮りに、この判定が大
きいとなったとする。この場合、負荷条件判定回路２２
はサイリスタ２をオン、サイリスタ３，３′をオフする
信号を出力するとともに、電圧制御回路２０ヘインバー
タ６へ印加される電圧は電源電圧を倍電圧整流したもの
であることを伝える信号を出力する。すると、電圧制御
回路２０はＸ線管電圧設定信号と負荷条件判定回路２２
からの信号とにより、管電圧を設定値にするために必要
なインバータ６への制御信号を生成する。この制御信号
はベースドライブ回路２１で増幅されてインバータ６の
トランジスタ７〜１０のベースへ供給される。

ここでＸ線曝射信号（図示省略）を入力すると、交流電
源電圧は前述の倍電圧整流回路にて整流・平滑され、入
力電圧より高められたインバータ６へ印加される。イン
バータ６は前記制御信号に対応した周期で、トランジス
タ７と１０、及び８と９とを対として交互にターンオン
／ターンオフするスイッチング動作を開始し、コンデン
サとインダクタンスで定まる振動周期の電流（共振電流
）が高圧変圧器１６に流れる。

振動周期を定めるコンデンサとインダクタンスのうち、
コンデンサは高圧変圧器１６の一次巻線に直列接続され
た共振用コンデンサ１５と、高圧変圧器１６の二次巻線
の層間に存在する浮遊容量と、高圧ケーブルの浮遊容量
（図示省略）とであり、インダクタンスは高圧変圧器１
６の漏洩インダクタンスと配線のインダクタンスとであ
る。

トランジスタ７．１ｏがターンオンされた前記周波数の
周期の半周期間内において、共振電流は先ず、トランジ
スタ７→共振コンデンザ１５→高圧変圧器１６の一次巻
線→トランジスタ１０の回路で共振周波数の弧を描いて
流れ、ある時間（共振周期の１／２）経過後に共振電流
が零となり、今度は逆方向にダイオード１４→高圧変圧
器１６の一次巻線→共振コンデンサ１５→ダイオード１
１の回路で流れる。そして、トランジスタ７゜１０がタ
ーンオフし、次の半周期には、トランジスタ８，９がタ
ーンオンする。すると、上記に対し、トランジスタ及び
ダイオードを入れ替えた回路で共振電流が流れる。

この高圧変圧器１６の一次巻線を流れる一次電流から高
圧変圧器１６の励磁電流と二次巻線の浮遊容量に流れる
電流とを減じた交流電流が整流回路１７で整流され、高
圧ケーブルの動遊容量で平滑されてＸ線管１９へ印加さ
れる。

管電圧検出用抵抗１８により検出された実際の管電圧に
対応した信号は電圧制御回路２０に入力され、設定管電
圧信号とそれとの差が零となるように、インバータの動
作周波数あるいはパルス幅を制御するための信号が作成
され、この信号はベースドライブ回路２１を介してトラ
ンジスタ７〜１０のベースに与えられる。これにより次
の周期におけるインバータ６の動作周波数が補正され、
管電圧が設定値に対し正確に制御される。

次に、透視時のような負荷が小さい場合について説明す
る。いま、管電圧が８０ｋＶ、管電流が１ｍＶに設定し
たとすると、負荷条件判定回路２２は８０ｋＶと１ｍＡ
の積を求め所定値との大小比較を行う。その判定結果は
小となるので、負荷条件判定回路２２はサイリスタ２を
オフし、サイリスタ３，３′をオンする信号を出力する
とともに、電圧制御回路２０ヘインバータ６へ印加され
る電圧は電源電圧を半波整流したものであることを伝え
る信号を出力する。電圧制御回路２０はＸ線管電圧設定
信号と負荷条件判定回路２２からの信号とにより管電圧
を設定値にするために必要なインバータ６への制御信号
を生成する。この制御信号はベースドライブ回路で増幅
されてインバータ６のトランジスタ７〜１０のベースへ
供給される。以後の動作は負荷が大きい場合と同様であ
るので説明を省略する。

以上の実施例によれば、負荷が所定値よりも大きい場合
には電源電圧を倍電圧整流してインバータへ供給し、負
荷が所定値よりも小さい場合には電源電圧を半波１１流
してインバータへ供給することが自動的に可能となる。

負荷が大きい場合にインバータ及び高圧変圧器の一次巻
線への印加電圧は、従来装置のように電源電圧を余波整
流したものでなく、電源電圧を倍電圧整流したものとな
るので、高圧変圧器の巻数比は従来の約１／４程度にで
き、高圧変圧器は著しく小型・軽量化される。

また、巻数比が小さくできることから、二次巻線の浮遊
容量も小さくでき、高圧変圧器の効率も良くなる。逆に
、負荷が小さい場合、インバータの入力電圧は負荷が大
きい場合の約１／２になるので、周波数を下げることな
く、位相差を大きくせずとも、所定の管電圧の値にでき
るのでリップルの小さい安定した管電圧制御が可能とな
る。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものでなく、種
々の変更が可能であることは言うまでもない。上記実施
例では、インバータは直列共振型で説明したが、他の共
振型でも良い。また、インバータのスイッチング素子と
してトランジスタを用い、かつフルブリッジ型のインバ
ータを用いた例を示したが、スイッチング素子は他の自
己消弧素子では、サイリスタのような自然消弧素子でも
良いし、プッシュプル型のインバータを用いても良い。

さらに、上記実施例では、負荷が小さいときインバータ
入力電圧を半波整流電圧とするために、サイリスタ２を
負荷が大きいときに導通のま・まとしてダイオードと同
じ動作をさせる構成について述べたが、第６図に示すよ
うに、ダイオード１をサイリスタ２５におきかえ、サイ
リスタ２，２５を次のように動作させることによって、
以下のような効果がある。すなわち、負荷が小さいとき
にはサイリスタ２をオフにし、サイリスタ２５のゲート
の位相を制御し、負荷が太さいときにはサイリスタ２及
びサイリスタ２５の両方のゲートの位相を制御すること
によって、インバータ入力電圧を広範囲に可変すること
ができ、さらに広範囲の負荷に対応した管電圧制御が可
能となる。

なお、上記実施例において、負荷が小さいときは半波整
流する方式の例について述べたが、第８図に示すような
全波整流方式としても良い。

第８図において、負荷が小さい場合、負荷条件判定回路
２２からはサイリスタ３０．３１をオフする信号が出力
され、整流回路は第９図（Ａ）のように全波整流回路と
なり、サイリスタ２８゜２９のゲートを制御してインバ
ータ入力電圧を第１０図（ロ）に示す値から０まで可変
する。負荷が大きいときは、サイリスタ２８．２９をオ
フすると、整流回路は第９図（Ｂ）の構成となり、すイ
リスタ３０．３１のゲートを制御することによって、イ
ンバータ入力電圧を第１０図（ニ）に示す倍電圧整流電
圧からＯまで可変することができる。この実施例によれ
ば、負荷が小さいときのインバータ入力電圧のリップル
が小さくすることができる。

なお、以上の実施例では単相電源を用いた例について述
べたが、三相電源にも用いることができ、この場合の電
源と整流回路、平滑回路の接続図を第１１図に示す。

第１１図において、負荷が小さいときはサイリスタ３８
．３９をオフし、サイリスタ３４〜３７を制御する。負
荷が大きいときはサイリスタ３４〜３７をオフし、サイ
リスタ３８．３９を制御する。なお、ダイオード３２．
３３はサイリスタであってもよい。

この例においても、上記実施例とほぼ同様の効果が得ら
れる。

〔発明の効果〕

以上述べたように、本発明によれば、インバータに倍電
圧整流電圧と半波又は全波整流電圧を負荷の大きさに応
じて入力するようにしたので、高圧変圧器の小型化、イ
ンバータ電流の低減、広範囲の負荷に対してリップルの
小さい、安定した管電圧制御ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示すインバータ式Ｘ線発生
用電源装置の主回路図、第２図は電源と整流回路との接
続状態を示す図、第３図は整流回路の出力電圧波形図、
第４図は直列共振型インバータの負荷抵抗と出力電力と
の関係を示す図、第５図は周波数制御方式の共振型イン
バータのＶ。 ／Ｖｔ　とＦｌ／Ｆ、の関係を示す図、第６図は本発明
のその他の実施例における電源と整流回路との接続状態
を示す図、第７図はその詳細図、第８図は本発明の異な
る実施例の回路図、第９図は第８図の電源と整流回路と
の接続状態を示す図、第１０図は第９図の整流回路の出
力電圧波形図、第１１図は電源が三相電源の場合の実施
例の電源と整流回路との接続状態を示す図である。 １．２６，２７，３２，３３・・・ダイオード、２゜３
．３’　、２５．２８〜３１．３４〜３７・・・サイリ
スタ、４，５・・・コンデンサ、６・・・インバータ、
１５・・・共振用コンデンサ、１６・・・高圧変圧器、
１７・・・整流回路、１９・・・Ｘ線管、２０・・・電
圧制御器、２２・・・負荷条件判定回路、２４．２４’
・・・サイリスタのゲート回路。 晒３０ 第 ■ ム、あ 第 図 １’ｉ／Ｆ。 第らの 晒ワに （Ａ） （Ａ） 第ｑの （β） 宅 Ｉ７ｉ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、交流電源電圧を受電しそれを整流する第一の整流回
   路と、この第一の整流回路の出力電圧を平滑する平滑回
   路と、この平滑回路の出力電圧を高周波交流に変換する
   共振型インバータと、このインバータの出力電圧を昇圧
   する高圧変圧器と、この高圧変圧器の出力電圧を整流す
   る第二の整流回路と、この第二の整流回路の出力電圧を
   平滑して印加されるＸ線管と、このＸ線管に印加される
   電圧を制御するインバータ制御回路とを備えたインバー
   タ式Ｘ線発生用電源装置において、前記第一の整流回路
   と平滑回路とで倍電圧整流回路を構成するとともに、前
   記Ｘ線管に対する負荷の設定値が予め決められた所定値
   より大きいか小さいかを判定し、その結果を前記インバ
   ータ制御回路へ出力する負荷条件判定回路と、この負荷
   条件判定回路の判定結果により負荷が大きいとき前記交
   流電源を前記倍電圧整流回路へ接続し、負荷が小さいと
   き前記交流電源を前記第一の整流回路へ接続する電源接
   続手段とを備えたことを特徴とするインバータ式Ｘ線発
   生用電源装置。