JPH07211485A - インバータ式ｘ線高電圧装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 交流電源を整流するコンバータの出力電圧を
平滑コンデンサで平滑した後、インバータで高周波交流
に変換し、それを昇圧して整流し、Ｘ線管に与えるもの
で、管電圧の目標値と実際値の一致をとるべくインバー
タを制御する回路を備えたインバータ式Ｘ線高電圧装置
において、電源電圧歪みと皮相電力を低減し、またイン
バータでの損失と電磁ノイズを低減する。 【構成】 交流電源各相に接続され平滑コンデンサの正
側へ電流を供給する自己消弧可能スイッチ、及び交流電
源各相に接続され平滑コンデンサの負側から交流電源側
へ電流を流す自己消弧可能スイッチを備えたコンバータ
１と、このコンバータの出力電圧が目標電圧値に一致す
るように制御するコンバータ制御回路３１とを設け、交
流入力電流を正弦波状に変化させ、かつ相電圧に同期さ
せ、またコンバータ出力電圧を最適化する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、交流電源を一旦、直流
に変換し、この直流をインバータを用いて高周波の交流
に変換し、その出力電圧を高電圧変圧器で昇圧すると共
に整流して直流の高電圧を発生し、これをＸ線管に印加
してＸ線を放射するインバータ式Ｘ線高電圧装置に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のこの種のインバータ式Ｘ線高電圧
装置は、図６に示すように商用の３相交流電源Ｕ，Ｖ，
Ｗからの交流電圧をダイオード４０〜４５で構成された
３相全波整流回路（以下、単にコンバータと呼ぶ）１′
で直流電圧に変換し、これをコンデンサ６で平滑してイ
ンバータ２へ入力していた。

【０００３】インバータ２は、コンデンサ７と高電圧変
圧器５の漏れインダクタンスとの共振現象を利用してイ
ンバータ２の位相差と周波数を制御することにより負荷
であるＸ線管４に管電圧を印加するものである。すなわ
ち、インバータ２から出力された交流電圧を前記高電圧
変圧器５で昇圧し、これを高電圧整流回路３で高電圧の
直流に変換してＸ線管４に印加していた。

【０００４】このコンバータ１′の出力電圧は、Ｕ，
Ｖ，Ｗの線間電圧のピーク値を最大電圧として、平滑コ
ンデンサ６の容量とインバータ２へ供給する電力に応じ
てやや電圧が下がり、線間電圧と同程度を最低電圧とし
て、ほぼ線間電圧〜線間電圧×√２の範囲になり、積極
的にこれを制御することはできない。

【０００５】インバータ２は実際の管電圧Ｖx を検出
し、これと目標値 kＶrとをインバータ制御回路３２に
入力してインバータ２の位相差と周波数を求め、これを
制御する。管電流は、フィラメント加熱回路（図示せ
ず）によってＸ線管４のフィラメントの温度を調節する
ことによって制御する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来装置では、コ
ンバータ１′の出力電圧、すなわちインバータ２の入力
電圧を任意に設定することができず、これによって、イ
ンバータ２で大きな電力損失が発生したり、電磁ノイズ
が生じるという問題点があった。

【０００７】また、交流電源Ｕ，Ｖ，Ｗからコンバータ
１′に供給される電流が急峻に変化し、電源電圧に電圧
歪み生じさせたり、皮相電力が大きくなって電源設備に
負担をかけるという問題点もあった。以下、これらの問
題点について詳細に説明する。

【０００８】まず、インバータ２の入力電圧を任意に設
定できないために電力損失と電磁ノイズが生じる問題点
について説明する。

【０００９】図７はインバータ２の位相差によってイン
バータ２の出力電圧を制御し、結果として、管電圧を制
御する原理を説明するためのインバータ動作を示すタイ
ミング図である。図６におけるインバータ２の各スイッ
チ１６〜１９は、図７（ａ）〜（ｄ）に示すように、ス
イッチ１６に対してスイッチ１９を位相差φ１だけ遅ら
せ、スイッチ１７に対してスイッチ１８を位相差φ１だ
け遅らせてオン，オフする。また上下のスイッチ、すな
わちスイッチ１６と１７、スイッチ１８と１９とは位相
を９０゜ずらしてオン，オフする。このとき、インバー
タ２の出力側に接続されたコンデンサ７と高電圧変圧器
５の漏れインダクタンスとで共振電流が流れ、スイッチ
１６〜１９と逆並列ダイオード２６〜２９とに流れる電
流は、各々図７（ｅ）〜（ｈ）に示すようになる。ま
た、インバータ２の出力電圧は図７（ｊ）に示すよう
に、出力電流は図７（ｉ）に示すようになる。

【００１０】図８は、このときの位相差φと管電圧の関
係を示している。位相差φが小さいほど高い管電圧が出
力され、φが１８０゜で出力がゼロになる。また、Ｘ線
管４に流れる電流（以下、管電流という）が大きいとき
と小さいときでは同じ位相差でも出力電圧が違う。更
に、この図８ではコンバータ出力電圧（管電圧）が低い
ときの特性を実線で、コンバータ出力電圧（管電圧）が
高いときは点線で示している。

【００１１】このように位相差φか、コンバータ出力電
圧を変化させることによって所望の管電圧を得ることが
できる。例えば管電流が小さいとき、ある管電圧を得る
には、コンバータ出力電圧を低くし位相差をφ１として
もよいし、コンバータ出力電圧を高くしておいて位相差
をφ２としてもよいことになる。

【００１２】次に図７に戻り、コンバータ出力電圧の大
きさによって、インバータ２のスイッチ１６〜１９の電
流と電圧波形が異なることを説明する。

【００１３】図７において、点線で示す波形は、コンバ
ータ出力電圧が高いときの各部の電流と電圧を示してい
る。コンバータ出力電圧が高いときは、位相差をφ１よ
り大きいφ２として、スイッチ１６と１９、あるいはス
イッチ１７と１８の重なりを小さくし、インバータの出
力電圧を図７（ｊ）の点線に示すようにすることによっ
て、結果的に所望の管電圧を得る。

【００１４】しかしこのとき、インバータ２を構成する
スイッチ１６〜１９には、図７（ｅ）〜（ｈ）の点線で
示すような波形で電流が流れる。これは、スイッチ１
６，１７についてはターンオフ、スイッチ１８，１９に
ついてはターンオンする電流が大きいばかりでなく、電
流のピーク値も大きくなり、コンバータ出力電圧が低い
場合に比べてスイッチ１６〜１９や高電圧変圧器５で発
生する損失や電磁ノイズは著しく大きい。

【００１５】そして従来装置は、図６で示したように、
コンバータ１′がダイオードで構成されているために、
インバータ２の入力電圧を適正に制御して位相差φを小
さく、すなわち、インバータ２で生じるスイッチ１６〜
１９の損失や電磁ノイズを最小に抑制することができな
かった。このため、特にＸ線管４に供給する電力が小さ
いときに、インバータ２のスイッチ１６〜１９が発熱し
たり、電磁ノイズによってこのインバータ式装置周囲に
ある図示しないモニタや各種画像処理装置などに悪影響
を与えるものであった。

【００１６】次に、ダイオード４０〜４５による全波整
流回路で構成されたコンバータ１′を用いている従来装
置において、交流入力電流が急峻に変化し、皮相電力が
大きくなったり交流電源Ｕ，Ｖ，Ｗに大きな歪みを生じ
させる問題点について説明する。

【００１７】図９は、従来装置についてＵ相の交流入力
電圧（ここでは、線間電圧ではなく相電圧で表現してい
る）と交流入力電流を表している。ダイオード４０〜４
５で整流し、平滑コンデンサ６で出力電圧を平滑するコ
ンバータ１′では、交流入力電流はピークが大きく尖っ
た波形になる。このように急峻な電流によって、図９に
示すように相電圧に歪みを生じさせる。この電圧歪み
は、同じ電源設備（図示せず）に接続された周囲の機器
の電源電圧をも変動させ、故障や誤動作の原因になっ
た。

【００１８】また図９で、各時刻における相電圧と交流
入力電流との積から求められる皮相電力は非常に大き
く、実際にエネルギとしてインバータ式Ｘ線高電圧装置
に取り込むことのできる有効電力との比にあたる力率
（＝有効電力／皮相電力）は０．３〜０．８程度であ
る。したがって、実際に必要な電力の１．３〜３倍もの
皮相電力を電源設備から供給しなければならず、電源設
備の設置や保守に多大な経費を要していた。

【００１９】本発明の目的は、インバータで生じる損失
と電磁ノイズを低減し、また電源電圧の歪みと皮相電力
を低減することのできるインバータ式Ｘ線高電圧装置を
提供することにある。

【００２０】

【課題を解決するための手段】上記目的は、交流電源を
受電しこれを整流するコンバータと、このコンバータの
出力電圧を平滑する平滑コンデンサと、この平滑コンデ
ンサの出力電圧を高周波の交流に変換するインバータ
と、このインバータの出力電圧を昇圧する高電圧変圧器
と、この高電圧変圧器の出力を整流してＸ線管に与える
高電圧整流回路と、目標管電圧値を入力しこれと前記Ｘ
線管の実際の管電圧が一致するように前記インバータを
制御するインバータ制御回路とを備えてなるインバータ
式Ｘ線高電圧装置において、前記交流電源の各相に接続
され前記平滑コンデンサの正側へ電流を供給する自己消
弧可能なスイッチ、及び前記交流電源の各相に接続され
前記平滑コンデンサの負側から前記交流電源側へ電流を
流す自己消弧可能なスイッチを備えてなるコンバータ
と、このコンバータをその出力電圧が目標電圧値に一致
するように制御するコンバータ制御回路とを設けること
によって達成される。

【００２１】

【作用】このように構成された本発明のインバータ式Ｘ
線高電圧装置では、交流電源に接続された自己消弧可能
なスイッチにより交流電源から供給させる電流を適宜制
御することができる。これによって、急峻な変化や高い
ピーク電流を抑制しつつ電力を受電することができ、交
流入力電流を正弦波状に変化させ、かつ、相電圧に同期
させることができ、このため、有害な電源電圧の歪みと
皮相電力を低減することができる。また、コンバータの
出力電圧を任意に制御することができるので、コンバー
タの出力電圧を調整して最適化し、インバータのスイッ
チで生じる損失と電磁ノイズを最小限に抑制できること
になる。

【００２２】

【作用】このように構成された本発明のインバータ式Ｘ
線高電圧装置では、交流電源に接続された自己消弧可能
なスイッチにより交流電源から供給させる電流を適宜制
御することによって、急峻な変化や高いピーク電流を抑
制しつつ電力を受電することができ、かつコンバータの
出力電圧を任意に制御することができるので、インバー
タのスイッチで生じる損失と電磁ノイズを最小限に抑制
することができる。

【００２３】

【実施例】以下、図面を参照して本発明の実施例を説明
する。図１は、本発明によるインバータ式Ｘ線高電圧装
置の第１の実施例を示す回路図である。この図１におい
て、５１〜５３は交流電源Ｕ，Ｖ，Ｗの各相Ｕ，Ｖ，Ｗ
に挿入したリアクトルである。６１〜６３はリアクトル
５１〜５３に接続されたコンデンサで、このコンデンサ
５１〜５３はスター結線されている。

【００２４】１０〜１５はスイッチ、ここでは絶縁ゲー
ト型バイポーラトランジスタ（以下、ＩＧＢＴとい
う）、２０〜２５はＩＧＢＴ１０〜１５に直列に接続さ
れたダイオードである。これらＩＧＢＴ１０〜１５とダ
イオード２０〜２５で各々自己消弧型スイッチを構成
し、それら６組の自己消弧型スイッチでコンバータ１を
構成している。

【００２５】５４は上記コンバータ１に接続されたリア
クトル、６はコンバータ１の出力電流を電圧に変換する
ための平滑コンデンサ、１６〜１９はスイッチ、ここで
はＩＧＢＴ、２６〜２９はＩＧＢＴ１６〜１９に逆並列
に接続されたダイオードである。このＩＧＢＴ１６〜１
９とダイオード２６〜２９でインバータ２を構成してい
る。

【００２６】７はインバータ２の出力側に挿入された共
振用コンデンサ、５はインバータ２と共振用コンデンサ
７とに接続され、インバータ出力電圧を昇圧し高周波の
交流高電圧を発生するための高電圧変圧器、３は高電圧
変圧器５の２次側に接続された高電圧整流回路、４は高
電圧整流回路３に接続されたＸ線管である。

【００２７】３１はコンバータ１のＩＧＢＴ１０〜１５
を制御するコンバータ制御回路で、詳細を後述する。３
２はＸ線管４の両端の電圧（実際の管電圧）Ｖx を検出
し、これと目標値 kＶrとによりインバータ２のＩＧＢ
Ｔ１６〜１９を制御するインバータ制御回路である。

【００２８】以下、上述構成の本発明装置の動作を説明
するが、平滑コンデンサ６以降の各部の動作については
従来装置と同様であるのでその説明を省略する。すなわ
ち本発明装置は、自己消弧可能なスイッチを用いてコン
バータ１を構成した点に大きな特徴があるもので、ま
ず、このコンバータ１の動作について図２を併用して説
明する。図２はコンバータ１のＩＧＢＴ１０〜１５の動
作（スイッチング動作）を概念的に示したタイミング図
である。

【００２９】コンバータ１のＩＧＢＴ１０〜１５は、以
下の規則（１）〜（３）に従って一定周期毎にオン，オ
フ動作させる。なお、この実施例では、説明を簡単化す
るためにＩＧＢＴ１０〜１５は一定周期毎に動作させて
いるが、必ずしもそうである必要はない。

【００３０】（１）上側のＩＧＢＴ１０，１２，１４の
少なくとも１つはオンさせ、下側のＩＧＢＴ１１，１
３，１５の少なくとも１つはオンさせることによって、
リアクトル５４に連続的に電流を流す。 （２）図２において、例えば区間Ｉのとき、Ｕ相から供
給する電流を増加させたいときには、ＩＧＢＴ１０のオ
ン時間を長くする。同様にＶ相から供給する電流を増加
させたいときは、ＩＧＢＴ１４のオン時間を長くする。
そして残りの時間はＩＧＢＴ１２をオンさせる。 （３）このとき、ＩＧＢＴ１３はオンさせておく。

【００３１】コンバータ制御回路３１は、上記規則
（１）〜（３）に基づいてコンバータ１を構成するスイ
ッチであるＩＧＢＴ１０〜１５のオン，オフを制御する
もので、コンバータ出力電圧の目標値Ｖ1 に一致するよ
うに、コンバータ１の出力電圧（平滑コンデンサ６の両
端の電圧Ｖc ）を検出して上記制御をするものである。

【００３２】このように、本発明装置は、図２中、区間
Ｉ〜ＶＩに対応して図２に示すようにコンバータ１（Ｉ
ＧＢＴ１０〜１５）を制御するもので、これにより、交
流入力電流は自由に制御できるようになり、交流入力電
流を正弦波状に変化させ、かつ、相電圧に同期させるこ
とができる。

【００３３】図３は、本発明の上述第１の実施例におけ
る交流電源Ｕ，Ｖ，Ｗの相電圧と入力電流波形を示す図
で、この図３で示すように、本発明によれば電源電圧の
歪みと皮相電力を低減することができる。また、交流入
力電流が制御可能になると、結果的にコンバータ１の出
力電圧を調整して最適化可能となり、インバータ２での
損失と電磁ノイズを低減できることになる。

【００３４】なお交流リアクトル５１〜５３は、本発明
装置の電源設備（図示せず）のインダクタンスと、コン
バータ１のスイッチングによって生じる電圧変動を電源
側へ戻さないように、必要に応じて付加したリアクトル
とを表わすもので、動作原理上は必ずしも必要とするも
のではない。

【００３５】コンデンサ６１〜６３も同様に、リアクト
ル５１〜５３と共にコンバータ１のスイッチングによる
高周波の電圧変動を電源側へ戻すことを防ぐため、ま
た、リアクトル５１〜５３に流れる電流を連続させてサ
ージ電圧の発生することを防ぐ目的で設けてあり、動作
原理上は必ずしも必要とするものではない。

【００３６】ダイオード２０〜２５は、ＩＧＢＴ１０〜
１５に流れる電流が一定方向になるように、また、逆電
圧がかからないように挿入してある。ゲート・ターンオ
フ・サイリスタ（ＧＴＯ）に代表されるように、元々一
方向にしか電流を流せないスイッチを用いた場合には不
要である。

【００３７】リアクトル５４は、コンバータ１の出力電
流を連続させ、電源電圧（相電圧）がゼロ付近のとき
も、交流入力電流を流し続けることができるように設け
てある。しかし、この電流が僅かに断続してもよいのな
ら、省略してもよい。

【００３８】図４は、本発明装置の第２の実施例とし
て、交流電源Ｕ，Ｖ，Ｗとコンバータ１との接続部の前
記コンデンサ６１〜６３を線間に挿入した場合を示す回
路図である。これらのコンデンサ６１〜６３の接続方法
はΔ型でもスター型でもよい。

【００３９】図５は、第３の実施例として、本発明を単
相交流電源用のインバータ式Ｘ線高電圧装置に適用した
場合を示す回路図である。単相交流電源Ｕ，Ｗでは、Ｉ
ＧＢＴ１０〜１５とダイオード２０〜２５による４組の
自己消弧型スイッチでコンバータ１を構成する。入力の
各相には、リアクトル５１と５３、線間にコンデンサ６
１を挿入し、電源側へ高周波の電圧変動が戻ることを防
いでいる。リアクトル５４と平滑コンデンサ６は第１の
実施例と同様である。

【００４０】なお上述実施例では、コンバータ１を構成
するスイッチとしてＩＧＢＴを用いたが、ＩＧＢＴに代
えて、バイポーラトランジスタ、電解効果トランジスタ
（ＭＯＳ−ＦＥＴ）などの他の自己消弧型のスイッチを
用いてもよい。また、ＭＯＳコントロールドサイリスタ
( ＭＣＴ)、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）な
どのように逆方向に電流が流れないスイッチを使用した
場合には、ＩＧＢＴに接続された逆電流阻止用のダイオ
ードは不要となる。

【００４１】また上述実施例では、インバータ２が位相
差によって管電圧を制御する方式であったが、パルス幅
変調や周波数変調など他の制御方式であってもよい。ま
たインバータ２では管電圧を制御せず、単に直流−交流
変換だけを行い、コンバータ１で管電圧を制御するよう
にしてもよい。更に上述実施例では、インバータ２の出
力側に共振用コンデンサ７を設けたが、これは必ずしも
なくてよい。

【００４２】

【発明の効果】以上で説明したように本発明によれば、
交流入力電流を正弦波状に変化させ、かつ、相電圧に同
期させることができる。このため、有害な電源電圧の歪
みと皮相電力を低減することができる。また、コンバー
タの出力電圧を調整して最適化し、インバータでの損失
と電磁ノイズを低減できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明装置の第１の実施例を示す回路図であ
る。

【図２】図１中のコンバータのＩＧＢＴの動作を示すタ
イミング図である。

【図３】本発明装置による相電圧，交流入力電流の波形
図である。

【図４】本発明装置の第２の実施例の要部を示す回路図
である。

【図５】本発明装置の第３の実施例の要部を示す回路図
である。

【図６】従来装置を示す回路図である。

【図７】図６中のインバータの動作を示すタイミング図
である。

【図８】図７中の位相差φと管電圧の関係を示すグラフ
である。

【図９】従来装置による相電圧，交流入力電流の波形図
である。

【符号の説明】

Ｕ，Ｖ，Ｗ 交流電源 １，１′コンバータ、 ２ インバータ、 ３ 高電圧整流回路、 ４ Ｘ線管、 ５ 高電圧変圧器、 ６ 平滑コンデンサ、 ７ 共振コンデンサ、 １０〜１９ スイッチ、 ２０〜２９ ダイオード、 ３１ コンバータ制御回路、 ３２ インバータ制御回路、 ５１〜５４ リアクトル、 ６１〜６３ コンデンサ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 交流電源を受電しこれを整流するコンバ
   ータと、このコンバータの出力電圧を平滑する平滑コン
   デンサと、この平滑コンデンサの出力電圧を高周波の交
   流に変換するインバータと、このインバータの出力電圧
   を昇圧する高電圧変圧器と、この高電圧変圧器の出力を
   整流してＸ線管に与える高電圧整流回路と、目標管電圧
   値を入力しこれと前記Ｘ線管の実際の管電圧が一致する
   ように前記インバータを制御するインバータ制御回路と
   を備えてなるインバータ式Ｘ線高電圧装置において、前
   記交流電源の各相に接続され前記平滑コンデンサの正側
   へ電流を供給する自己消弧可能なスイッチ、及び前記交
   流電源の各相に接続され前記平滑コンデンサの負側から
   前記交流電源側へ電流を流す自己消弧可能なスイッチを
   備えてなるコンバータと、このコンバータをその出力電
   圧が目標電圧値に一致するように制御するコンバータ制
   御回路とを具備することを特徴とするインバータ式Ｘ線
   高電圧装置。