WO2013172320A1 - 電力変換装置およびｘ線撮影装置 - Google Patents

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WO2013172320A1
WO2013172320A1 PCT/JP2013/063356 JP2013063356W WO2013172320A1 WO 2013172320 A1 WO2013172320 A1 WO 2013172320A1 JP 2013063356 W JP2013063356 W JP 2013063356W WO 2013172320 A1 WO2013172320 A1 WO 2013172320A1
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将太郎 進藤
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株式会社 日立メディコ
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    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Definitions

  • the present invention relates to a power conversion device using an inverter driven at a frequency that follows a resonance frequency due to load fluctuations.
  • High-frequency inverter devices are widely used in induction overheating cookers, X-ray diagnostic devices and X-ray CT devices that acquire X-ray fluoroscopic images and tomographic images of subjects for medical and industrial purposes.
  • the load to be supplied with power is an inductor or an X-ray tube.
  • the impedance of the load varies greatly depending on the voltage and current values and temperature set in the load, and the resonance frequency of the load varies greatly accordingly. Therefore, in the inverter circuit, it is necessary to make the drive frequency of the inverter follow the fluctuation of the load resonance frequency and to control the output power corresponding to the load fluctuation.
  • Patent Document 1 discloses a phase shift inverter device that controls on / off timings of a plurality of semiconductor switches constituting an inverter circuit in order to control inverter output power. Specifically, by controlling the timing difference (phase shift angle) when a given pair of semiconductor switches in the inverter circuit is turned on, the pulse width of the inverter output voltage is narrowed (phase Reduce the shift angle) and widen the pulse width of the inverter output voltage (increase the phase shift angle) under heavy load. This controls the inverter output power supplied to the load (paragraph 0034).
  • the inverter circuit of Patent Document 1 realizes soft switching operation and reduces switching loss by controlling the inverter operating frequency so that the output current phase is delayed with respect to the output voltage phase. (Paragraphs 0035-0036).
  • the X-ray tube is configured to generate X-rays by applying electrons generated from the filament to the anode (target). However, if the electrons are continuously applied while the anode is fixed, the anode will be melted by the heat. Therefore, a configuration (rotating anode type X-ray tube) in which electrons are applied while rotating the anode is widely used. Therefore, X-ray high-voltage devices used in X-ray diagnostic devices and X-ray CT devices have an inverter circuit for rotating the anode separately from the high-frequency inverter circuit that supplies power to the X-ray tube (load). Yes.
  • the DC voltage supplied to the anode rotating inverter circuit is supplied from a DC bus capacitor that supplies the DC voltage to the high-frequency inverter circuit for supplying power to the load.
  • An object of the present invention is to provide a control technique for an inverter circuit that can reduce switching loss and maintain a high power factor regardless of load fluctuations.
  • the power conversion device of the present invention includes an inverter that outputs power to a resonance circuit including a load, a DC voltage supply circuit that supplies a DC voltage to the inverter, and an inverter control that controls the operation of the inverter.
  • the DC voltage control circuit detects the voltage supplied to the load, and controls the DC voltage supplied to the inverter circuit by the DC voltage supply circuit so that the detected voltage matches the voltage to be supplied to the load.
  • the inverter control circuit controls the drive frequency of the inverter to be higher by a predetermined value than the resonance frequency of the resonance circuit including the load.
  • the efficiency of the entire device can be improved.
  • Block diagram which shows the whole structure which applied the power converter device of 1st Embodiment to the X-ray high voltage generator
  • Block diagram showing the circuit configuration of inverter 4 in FIG. 1 is a block diagram showing a detailed configuration of the DC voltage control circuit 57 in FIG. 1 is a block diagram showing a detailed configuration of the inverter control circuit 56 of FIG.
  • FIG. 8 is a block diagram showing a detailed configuration of the DC voltage control circuit 57 in FIG.
  • the block diagram which shows the whole structure of the power converter device (X-ray high voltage generator) provided with the anode rotation drive circuit (starter circuit) 50 of 3rd Embodiment.
  • Block diagram showing the detailed configuration of the starter circuit 50 of FIG. (a) Voltage waveform supplied from the DC bus capacitor 3 to the starter circuit 50 in FIG.
  • the block diagram which shows the whole structure of CT apparatus of 4th Embodiment 14 is a block diagram showing the configuration of the X-ray high voltage device of the CT apparatus in FIG. 14 is a block diagram showing another configuration example of the X-ray high voltage apparatus of the CT apparatus in FIG.
  • the output power of the inverter is controlled by controlling the DC voltage supplied to the inverter according to the voltage of the load.
  • the output power can be adjusted without changing the output voltage pulse width of the inverter in accordance with the load variation.
  • the inverter control circuit controls the inverter so that the drive frequency of the inverter is higher than the resonance frequency of the resonance circuit including the load by a predetermined value.
  • soft switching in which the rise of the output current of the inverter is slightly delayed from the rise of the output voltage can be realized.
  • the pulse width of the output voltage is constant regardless of the amount of power required by the load (whether the load is heavy or light), so there is no need to greatly delay the phase of the current pulse with respect to the phase of the voltage pulse. High rate can be maintained.
  • the power converter of the present invention includes an inverter that outputs power to a resonance circuit including a load, a DC voltage supply circuit that supplies a DC voltage to the inverter, an inverter control circuit that controls the operation of the inverter,
  • the DC voltage supply circuit includes a DC voltage control circuit that controls a DC voltage supplied to the inverter.
  • the DC voltage control circuit detects the voltage supplied to the load, and controls the DC voltage supplied to the inverter by the DC voltage supply circuit so that the detected voltage matches the voltage to be supplied to the load.
  • the inverter control circuit controls the drive frequency of the inverter to be higher by a predetermined value than the resonance frequency of the resonance circuit including the load.
  • the inverter control circuit controls the output pulse width of the inverter to be constant regardless of load fluctuations. Further, the inverter control circuit sets the drive frequency as described above to delay the phase of the output current of the inverter by a predetermined time from the phase of the output voltage of the inverter. Thereby, soft switching is realized and the power factor can be maintained high.
  • the inverter control circuit is configured to turn on a plurality of switching elements constituting the inverter at a timing delayed in advance by a dead time from the timing of the driving frequency.
  • the difference between the phase of the output current of the inverter and the phase of the output voltage of the inverter (predetermined time) is preferably set to be equal to or greater than the dead time.
  • the DC voltage supply circuit includes, for example, a DC bus capacitor that supplies a DC voltage to the inverter and an adjustment circuit that adjusts the power supplied to the DC bus capacitor.
  • the DC voltage control circuit can control the DC voltage supplied to the inverter by the DC bus capacitor by controlling the power supplied from the adjustment circuit to the DC bus capacitor.
  • the adjustment circuit may include an AC / DC conversion circuit or a step-up / down chopper.
  • the power conversion device of the present invention functions as an X-ray high voltage device.
  • the inverter control circuit may detect the output voltage of the DC voltage supply circuit when the DC voltage supply circuit starts up, and may be configured not to supply power from the inverter to the X-ray tube until a predetermined value is reached. Thereby, the rise of the DC voltage supply circuit can be accelerated, and the ineffective exposure of the subject can be reduced.
  • an X-ray imaging apparatus having the above-described power conversion device, an X-ray tube, and an anode rotation drive circuit that rotationally drives the anode of the X-ray tube
  • the anode rotation drive circuit includes a motor that rotates the X-ray tube and a motor drive circuit that supplies electric power to the motor, and the motor drive circuit is connected to the DC voltage supply circuit in parallel with the inverter.
  • the motor drive circuit detects the output voltage of the DC voltage supply circuit, modulates the output of the DC voltage supply circuit according to the detection result, and supplies the modulated voltage to the motor. Thereby, even if the output of the DC voltage supply circuit fluctuates, the rotation speed and torque of the anode can be maintained at a predetermined value or more.
  • the load of the power conversion device is an X-ray tube, and the power to be supplied to the X-ray tube as a load varies depending on the imaging conditions of the X-ray CT device.
  • FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of the X-ray high voltage apparatus.
  • the power converter (hereinafter referred to as an X-ray high voltage device) includes an AC / DC converter 51, a DC / AC converter 52, a high voltage generator 53, and a DC voltage control circuit 57.
  • An X-ray tube 8 that is a load is connected to the high voltage generator 53.
  • the AC / DC converter 51 includes a three-phase AC power source 1, an AC / DC converter circuit 2 that converts a voltage supplied from the AC power source 1 into a DC voltage, and a DC bus capacitor 3 that stores the DC voltage. Configured.
  • the AC / DC converter circuit 2 and the DC bus capacitor 3 constitute a DC voltage supply circuit 55 that supplies a DC voltage to the DC / AC converter 52 (inverter 4).
  • a DC voltage control circuit 57 is connected to the DC voltage supply circuit 55.
  • the DC voltage control circuit 57 detects the voltage supplied to the X-ray tube 8 (load) and makes the detected voltage coincide with the voltage to be supplied to the X-ray tube 8 (X-ray tube voltage command value). Control for adjusting the output voltage of the DC bus capacitor 3 is performed.
  • the DC / AC converter 52 includes a high-frequency square wave inverter 4 that converts a DC voltage into a high-frequency AC voltage.
  • An inverter control circuit 56 is connected to the inverter 4.
  • the inverter control circuit 56 makes the drive frequency of the inverter 4 higher by a predetermined value than the resonance frequency of the resonance circuit 54 (the circuit combining the X-ray tube 8 and the high voltage generator 53) including the load (X-ray tube 8).
  • Inverter 4 is controlled as follows.
  • the high voltage generator 53 includes a high voltage transformer 5 that boosts the output voltage of the inverter 4 to a high voltage, and a full-wave multiple boost circuit 6 that converts the output voltage of the high voltage transformer 5 into a DC voltage and boosts it.
  • the output smoothing capacitor 7 is configured to store the output voltage of the full-wave multiple booster circuit 6.
  • the DC voltage control circuit 57 described above includes a current detection circuit 9 disposed at the input end of the AC / DC conversion circuit 2, an output voltage detection circuit 10 disposed at the output end of the DC bus capacitor 3, and an X-ray tube 8 ( And an X-ray tube voltage detection circuit 12 disposed at the input end of the load. Furthermore, the DC voltage control circuit 57 includes an X-ray tube voltage control unit 13, a DC bus capacitor voltage control unit 14, an input current control unit 15, and an AC / DC conversion circuit drive circuit 16.
  • the above-described inverter control circuit 56 includes the inverter output current detection circuit 11 disposed at the output terminal of the inverter 4, the inverter drive frequency control unit 17, and the inverter drive circuit 18.
  • the inverter 4 has a configuration in which two leg circuits 101 and 102 are connected in parallel as shown in FIG.
  • the leg circuit 101 is a circuit in which semiconductor switches (S1, S2) 111a and 112a in which diodes (D1, D2) 111b and 112b are reversely connected in parallel are connected in series.
  • the leg circuit 102 is a circuit in which semiconductor switches (S3, S4) 121a, 122a in which diodes (D3, D4) 121b, 122b are reversely connected in parallel are connected in series.
  • the semiconductor switches (S1 to S4) are constituted by, for example, insulated gate bipolar transistors (IGBT).
  • the output terminal a of the inverter 4 is arranged at the midpoint of the leg circuit 11 (between the semiconductor switch (S1) 111a and the semiconductor switch (S2) 112a), and the output terminal b is the midpoint of the leg circuit 12 (semiconductor switch (Between (S3) 121a and the semiconductor switch (S4) 122a).
  • a resonance circuit 54 including a load (X-ray tube 8) is connected to the output terminals a and b.
  • An inverter drive circuit 18 is connected to each of the semiconductor switches (S1 to S4) 111a, 112a, 121a, 122a, and a drive signal (gate voltage signal) is given.
  • AC / DC converter circuit 2 has a configuration in which three leg circuits similar to inverter 4 are connected in parallel.
  • FIG. 3 is a detailed block diagram of the DC voltage control circuit 57.
  • the X-ray tube voltage control unit 13 includes a difference circuit 19 and a PI compensator 20.
  • the difference unit 19 obtains a difference value between the X-ray tube voltage command value 22 received from the control unit of the X-ray CT apparatus and the voltage signal detected by the X-ray tube voltage detection circuit 12.
  • the X-ray tube voltage command value 22 is a command value for instructing the tube voltage of the X-ray tube 8, and the value varies depending on the setting conditions of X-rays to be exposed from the X-ray tube 8 to the subject.
  • the difference value of the differentiator 19 is input to the PI compensator 20, and if the difference value is positive (the detected X-ray tube voltage is smaller than the X-ray tube command value 22), the PI compensator 20 The output is increased, and vice versa.
  • the output of the PI compensator 20 is transferred to the DC bus capacitor voltage control unit 14.
  • the DC bus capacitor voltage control unit 14 includes a reference value output circuit 23, an adder 81, an upper limit / lower limit circuit 21, a difference unit 82, and a PI compensator 25.
  • the differentiator 81 adds the output of the PI compensator 20 to a certain reference value signal output from the reference value output circuit 23 to generate a DC bus capacitor voltage command value 83. Since the magnitude of the output of the PI compensator 20 is as described above, the DC bus capacitor voltage command value 83 output from the adder 81 is such that the detected X-ray tube voltage is smaller than the X-ray tube voltage command value 22. It increases if it is large, and decreases if it is large. That is, the magnitude of the DC bus capacitor voltage command value 83 is determined by the magnitude of the detected X-ray tube voltage.
  • the semiconductor switches (S1 to S4) of the high-frequency inverter 4 may be damaged, or it will be difficult to control the input current of the AC / DC converter 2.
  • the PI compensator 25 may oscillate. For this reason, the DC bus capacitor voltage command value 23 output from the adder 81 is input to the upper limit / lower limit circuit 21 to limit the magnitude of the DC bus capacitor voltage command value 23 within a predetermined range.
  • the DC bus capacitor voltage command value 83 restricted within the predetermined range by the upper / lower limit circuit 21 is compared with the output voltage of the DC bus capacitor 3 detected by the DC bus capacitor voltage detection circuit 10 by the differentiator 82.
  • the difference value is input to the PI compensator 25. If the detected output voltage of the DC bus capacitor 3 is larger than the DC bus capacitor voltage command value 83, the PI compensator 25 operates to reduce the output and reduce the output voltage of the DC bus capacitor 3. Conversely, if the detected output voltage of the DC bus capacitor 3 is smaller than the DC bus capacitor voltage command value 83, the output is increased and the output voltage of the DC bus capacitor 3 is increased.
  • the input current control unit 15 includes an upper limit / lower limit circuit 26, U-phase, V-phase, and W-phase current reference waveform output circuits 27, 28, and 29, multipliers 84, 85, and 86, and difference units 87 and 88. 89 and U-phase, V-phase, and W-phase PI compensators 31, 32, and 33.
  • the U-phase, V-phase, and W-phase current reference waveform output circuits 27, 28, and 29 each output a preset reference waveform (AC waveform) signal.
  • the output of the PI compensator 25 described above is input to the upper limit / lower limit circuit 26 to prevent oscillation of the PI compensators 31 to 33, and is limited to a size within a predetermined range.
  • the output of the upper limit / lower limit circuit 26 is multiplied by the reference waveform (AC waveform) signal output from the U-phase, V-phase, and W-phase current reference waveform output circuits 27, 28, and 29.
  • command values (AC waveforms) 90, 91, and 92 indicating the magnitudes of the U-phase, V-phase, and W-phase currents that should flow through the AC / DC conversion circuit 2 are generated.
  • the command values 90, 91, 92 are compared by the differentiators 87, 88, 89 with the current values of the respective phases flowing through the AC / DC conversion circuit 2 detected by the current detection circuit 9.
  • the outputs of the differentiators 87, 88, 89 are input to the U-phase, V-phase, and W-phase PI compensation circuits 31, 32, 33, and the difference value is positive (the detected input current is from the command values 90, 91, 92).
  • the PI compensators 31, 32, 33 increase the output. If the opposite is true, the PI compensators 31, 32, 33 reduce the output.
  • the outputs of the PI compensators 31, 32, and 33 are transferred to the AC / DC converter circuit drive circuit 16, respectively.
  • the AC / DC converter circuit drive circuit 16 controls the output signals to the respective semiconductor switching elements of the AC / DC converter circuit 2 according to the received outputs of the PI compensators 31, 32, and 33. As a result, when the output of the PI compensator 31, 32, 33 is increased, the current flowing through the AC / DC converter circuit 2 is increased, and when the output of the PI compensator 31, 32, 33 is decreased. Performs control for decreasing the current flowing through the AC / DC converter circuit 2 for each of the U phase, V phase, and W phase.
  • the DC voltage control circuit 57 controls the power supplied to the DC bus capacitor 3 by controlling the AC / DC conversion circuit 2. With this control, the DC voltage supplied from the DC bus capacitor 3 to the inverter 4 can be adjusted so that the detected X-ray tube voltage matches the X-ray tube voltage command value 22.
  • FIG. 4 is a block diagram of the inverter control circuit 56.
  • the inverter control circuit 56 includes an inverter output current positive / negative discrimination circuit 35, a difference unit 93, a PI compensator 37, a VCO circuit 38, and a delay circuit 94.
  • the inverter output current detected by the inverter output current detection circuit 11 is input to the inverter output current positive / negative discrimination circuit 35, and is output as a square wave whose polarity is inverted by the positive / negative of the inverter output current.
  • This output is compared with the output of the delay circuit 94 by the difference unit 93, and the difference value is input to the PI compensator 37.
  • PI compensator 37 when the output phase of inverter output current positive / negative discriminating circuit 35 (that is, the phase of the inverter output current) lags behind the output phase of delay circuit 94, the output decreases and advances Works to increase the output.
  • the output of the PI compensator 37 is input to the VCO circuit 38.
  • the VCO circuit changes the output frequency according to the magnitude of the voltage input from the PI compensator 37. In other words, if the phase of the inverter output current detected by the inverter output current detection circuit 11 is delayed from the output waveform of the delay circuit 94, the VCO circuit is controlled to lower the frequency (inverter drive frequency), and proceeds in reverse. If it is a phase, it is controlled to increase the frequency (inverter drive frequency).
  • the VCO circuit 38 transfers the generated drive frequency output to the inverter drive circuit 18 as the inverter control signal 36. At the same time, the VCO circuit passes the inverter control signal 36 to the delay circuit 94.
  • the delay circuit 94 delays the phase of the inverter control signal 36 by a predetermined phase shift amount and outputs the delayed signal to the differencer 93.
  • the inverter drive circuit 18 has a known circuit configuration including a dead time generation circuit and an inverting circuit, and generates drive signals for the four semiconductor switches (S1 to S4) of the inverter 4 from the received inverter control signal 36.
  • the semiconductor switches (S1 to S4) To the semiconductor switches (S1 to S4). Specifically, in order to prevent a short circuit of the switches (S1 to S4), the switching timing is shifted by a predetermined dead time, and the operation is the same as that of a general inverter having a pulse width duty cycle of almost 50%. . Thereby, the inverter 4 outputs a current waveform and a voltage waveform with a duty cycle of approximately 50% at the frequency of the inverter control signal 36 (inverter drive frequency).
  • the drive frequency of the inverter 4 can be controlled in real time by following a predetermined frequency higher than the fluctuating resonance frequency of the resonance circuit 54 including the load (X-ray tube 8).
  • the output current phase of the inverter 4 can be delayed by a predetermined value with respect to the output voltage phase. That is, the output current phase is delayed from the output voltage phase by a phase difference corresponding to the difference between the resonance frequency and the drive frequency, and the current has a negative polarity when the semiconductor switch is turned on (that is, the current flows through the diode 111b etc. Therefore, soft switching can be realized.
  • the drive frequency of the inverter 4 matches the resonance frequency of the load (X-ray tube 8)
  • the output voltage phase of the inverter 4 is delayed by the dead time with respect to the output current phase, so soft switching is realized.
  • the delay circuit 94 a delay amount for realizing this is preset.
  • the inverter output corresponds to the increase in the X-ray tube voltage in FIG.
  • the pulse width of the voltage changes as Tinv 1 , Tinv 2 , and Tinv 3 as shown in FIGS. 5 (b) and 5 (c), the pulse width is wide at the rise of the tube voltage, and the half cycle T / 2 of the output voltage
  • the pulse width becomes narrower by the dead time D.
  • the pulse width becomes narrow and constant.
  • the pulse width is not much different from the rising time even when the steady state is reached, but when the load is light (Fig. 5 (b)), the pulse width in the steady state is
  • the output voltage T / 2 is reduced to about a fraction of a half cycle of the output voltage T / 2.
  • the voltage supplied from the DC bus capacitor 3 to the inverter 4 is controlled so as to correspond to the X-ray tube voltage, and control for narrowing the pulse width is not performed.
  • the output voltage of the inverter 4 corresponds to the increase in the X-ray tube voltage shown in FIG. 6 (a), the pulse voltage value is large at the time of rising, and the pulse voltage value becomes smaller as it approaches the steady state.
  • the pulse width of the inverter output voltage is a constant tinv at both light load and heavy load as shown in FIGS. 6 (b) and 6 (c). tinv is a pulse width narrowed by the dead time D from the half cycle T / 2 of the output voltage.
  • the pulse width tinv is determined from the half cycle T / 2 of the output voltage regardless of the rise time or steady state of the X-ray tube voltage.
  • the pulse width is nearly half a cycle that is narrowed by D.
  • the current phase should be delayed by ⁇ 2. Therefore, the phase difference ⁇ 2 between the output current and the output voltage is at least the amount of dead time, so the power factor can be increased regardless of whether the X-ray tube voltage rises or steady state, and whether it is light or heavy. Can be kept close to one.
  • a high-efficiency X-ray high voltage apparatus capable of maintaining a high power factor while realizing soft switching regardless of the weight of the load (X-ray tube 8) is provided. can do.
  • the inverter control circuit 56 supplies power from the inverter 4 to the load (X-ray tube 8) until the output voltage of the DC bus capacitor 3 reaches a predetermined value (for example, the maximum value) when the DC bus capacitor 3 rises. It is also possible to adopt a configuration that does not. For example, the inverter control circuit 56 receives the voltage detected by the output voltage detection circuit 10 and does not output a drive signal to the inverter 4 until this voltage reaches a predetermined value. As a result, the inverter 4 can start supplying power to the X-ray tube 8 from the state where the voltage of the DC bus capacitor 3 always reaches a predetermined value. Compared to the case where the operation is started, the rise of the tube voltage shown in FIG. Therefore, invalid exposure to the subject can be reduced.
  • a predetermined value for example, the maximum value
  • the thyristor full-wave rectifier circuit 40 has a configuration in which two circuits in which two thyristor elements are connected in series are connected in parallel.
  • the step-up / down chopper circuit 41 includes a semiconductor switching element, an inductor connected in parallel to the semiconductor switching element, and a diode connected in series with the semiconductor switching element.
  • the detailed configuration and operation of the DC voltage control circuit 57 will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 9, the configurations of the X-ray tube voltage control unit 13 and the DC bus capacitor voltage control unit 14 are the same as those in the first embodiment.
  • the output of the DC bus capacitor voltage control unit 14 is input to the chopper drive circuit 42 after being limited to a predetermined range by the upper limit / lower limit circuit 26.
  • the upper limit / lower limit circuit 26 is not shown in FIG.
  • the control operation from the detection of the X-ray tube output voltage by the X-ray tube voltage detection circuit 12 to the PI compensator 25 of the DC bus capacitor voltage control unit 14 is the same as that of the first embodiment. Therefore, if the output voltage of DC bus capacitor 3 is greater than DC bus capacitor voltage command value 83, PI compensator 25 operates to reduce the output and reduce the output voltage of DC bus capacitor 3. Conversely, if the detected output voltage of the DC bus capacitor 3 is smaller than the DC bus capacitor voltage command value 83, the output is increased and the output voltage of the DC bus capacitor 3 is increased.
  • the output of the PI compensator 25 is input to the chopper drive circuit 42 after the upper limit value and the lower limit value are limited by the upper limit / lower limit circuit 26.
  • the chopper drive circuit 42 increases the time during which the semiconductor switch of the buck-boost chopper circuit 41 is turned on. Control. As a result, the power supplied from the step-up / step-down chopper circuit 41 to the DC bus capacitor 3 is increased. Conversely, when the output value of the PI compensator 25 indicates that the voltage of the DC bus capacitor is too large, control is performed so as to shorten the time during which the semiconductor switch of the buck-boost chopper circuit 41 is turned on. As a result, the power supplied from the step-up / down chopper circuit 41 to the DC bus capacitor 3 is reduced.
  • the output voltage of the DC bus capacitor 3 can be controlled according to the conditions of the load (X-ray tube 8). For example, when the X-ray tube voltage rises, the voltage is supplied to the inverter 4 so that the amplitude of the inverter output voltage is maximized. When the X-ray tube voltage is in a steady state, the amplitude of the inverter output voltage is the desired value at that time. The voltage can be supplied to the inverter 4 so that the X-ray tube voltage can be minimized.
  • this makes it possible to drive the inverter by always maximizing the pulse width of the inverter output voltage regardless of the weight of the load (X-ray tube 8).
  • a high-efficiency X-ray high-voltage device that can maintain a high power factor while realizing it can be provided.
  • an X-ray high voltage apparatus (Third embodiment) An X-ray high voltage apparatus according to a third embodiment will be described with reference to FIG.
  • an anode rotation drive circuit (hereinafter referred to as a starter circuit) 50 that rotates the anode is provided in order to prevent the anode of the X-ray tube 8 from melting due to collision of electrons.
  • the starter circuit 50 is connected to the output end of the DC bus capacitor 3 in parallel with the inverter 4, drives the motor by the output power of the DC bus capacitor 3, and rotates the anode.
  • Other configurations are the same as those of the first embodiment, and thus description thereof is omitted.
  • the starter circuit 50 includes an inverter 44, a filter 45 formed of an inductor, a filter 46 formed of a capacitor, a motor 47 that rotates an anode, an inverter drive circuit 49, and a modulation rate. And a calculation unit 48.
  • the inverter 44 is a three-leg circuit, like the AC / DC converter circuit 2.
  • the filter 45 and the filter 46 constitute an LC filter.
  • the inverter 44 generates an AC waveform with a predetermined drive frequency by the voltage supplied from the DC bus capacitor 3, and supplies the AC waveform generated via the LC filters 45 and 46 to the motor 47 for rotation. It is the structure to make. That is, open loop control in which the rotational speed and torque of the motor are determined by the supply voltage.
  • the starter The voltage supplied to the inverter 44 of the circuit 50 also changes.
  • the rotational speed and the torque change, and depending on the load conditions, there is a possibility that the rotational force of the anode is insufficient or slips.
  • the modulation factor calculation unit 48 and the inverter drive circuit 49 are arranged inside the starter circuit 50 to control the operation of the inverter 44. As a result, even if the output voltage of the DC bus capacitor 3 changes, the motor 47 is operated at a constant rotational speed and torque.
  • the modulation factor calculation unit 48 receives the detection value of the voltage of the DC bus capacitor 3 (the detection value of the DC bus voltage) from the output voltage detection circuit 10, and based on the detection value, the following equation (1) Is calculated to obtain a modulation factor that is a ratio between the minimum value of the voltage required to drive the motor 47 and the detected value of the DC bus voltage. That is, if the output voltage of the DC bus capacitor 3 is large, the modulation factor is small, and if the output voltage of the DC bus capacitor 3 is small, the modulation factor is large.
  • the minimum value for the starter driving voltage is a predetermined fixed value.
  • the inverter drive circuit 49 generates a drive pulse for the inverter 44 using a fundamental wave having an amplitude corresponding to the modulation rate obtained by the modulation rate calculation unit 48 when performing PWM control. Specifically, a fundamental wave is generated as shown in FIG. 12 (b) by multiplying the above-described modulation factor by a sine wave having a predetermined amplitude, period and phase. There are three types of sine waves with different phases for the U phase, V phase, and W phase, and a fundamental wave is generated for each of the three phases. As shown in FIG.
  • the fundamental wave when the output voltage of the DC bus capacitor 3 is large, the fundamental wave has a small amplitude because the modulation rate is small, and when the output voltage of the DC bus capacitor 3 is small, the modulation rate is large. Therefore, the amplitude becomes large.
  • a triangular wave having a predetermined amplitude and period is generated as a carrier wave.
  • the inverter drive circuit 49 detects the intersection of the carrier wave and the fundamental wave, and generates a drive signal having a pulse width corresponding to the time interval of the intersection for each of the U phase, the V phase, and the W phase as shown in FIG. It is delivered to each phase switching element of the inverter 44 and driven.
  • Figures 12 (a) to 12 (c) are waveforms at light load, but waveforms at heavy load are as shown in Figures 13 (a) to (c). Even when the output voltage of the DC bus capacitor 3 is in a steady state under heavy load, the pulse width of the drive signal of the inverter 44 does not change greatly (FIG. 13 (c)).
  • the power supplied from the inverter 44 to the motor 47 can be kept constant. Torque does not decrease, and the anode can be rotated stably.
  • an X-ray CT (Computer Tomography) apparatus will be described as an example of an X-ray imaging apparatus using the X-ray high-voltage apparatus of the first to third embodiments with reference to FIG. To do.
  • FIG. 14 is an overall configuration diagram of the X-ray CT apparatus 301.
  • This apparatus includes a scan gantry unit 300 and a console 320.
  • the scan gantry unit 300 includes an X-ray tube 8, a rotating disk 302, a collimator 303, an X-ray detector 306, a data collection device 307, a bed 305, a gantry control device 308, a bed control device 309, And an X-ray high voltage device 207.
  • the X-ray tube 8 and the high voltage generator 53 are mounted on the rotating disk 302 and rotate together with the rotating disk 302. Other configurations are not mounted on the rotating disk 302 and are stationary.
  • the rotating disk 302 is provided with a slip ring 255 (see FIG. 15) that electrically connects the structure mounted on the rotating disk 302 and the stationary system.
  • the high voltage generator 53 of the X-ray high voltage device 207 is connected to the rotation side of the slip ring 255, and the DC high flow converter 52 is connected to the stationary side of the slip ring 255. As a result, the DC high flow converter 52 and the high voltage generator 53 are electrically connected via the slip ring 255.
  • the collimator 303 controls the irradiation range of X-rays emitted from the X-ray tube 8.
  • the X-ray detector 306 is arranged to face the X-ray tube 8 and detects X-rays transmitted through the subject.
  • the rotating disk 302 includes an opening 304 into which the subject mounted on the bed 305 enters, and also includes a driving unit that mounts the X-ray tube 8 and the X-ray detector 306 and rotates around the subject.
  • the X-ray detector 306 has a configuration in which a plurality of detection elements are arranged in the rotation direction (also referred to as channel direction) of the rotating disk 302.
  • the plurality of detection elements may be arranged in multiple rows (for example, 64 rows) in the rotation axis direction (also referred to as the slice direction) of the rotary disk 302 when the rotation direction is one row. .
  • the X-ray high voltage device 207 is the X-ray high voltage device according to any one of the first to third embodiments.
  • the data collection device 307 is a device that converts the X-rays detected by the X-ray detector 306 into a predetermined electrical signal.
  • the gantry control device 308 is a device that controls the rotation of the rotary disk 302.
  • the bed control device 309 is a device that controls the vertical movement and back-and-forth movement of the bed 305 (movement of the rotary disk 302 in the rotation axis direction).
  • the console 320 includes an input device 321, an image arithmetic device 322, a display device 325, a storage device 323, and a system control device 324.
  • the input device 321 is a device for inputting a subject name, examination date and time, imaging conditions, and the like, specifically a keyboard, a pointing device, and the like.
  • the image calculation device 322 is a device that performs calculation processing on the measurement data sent from the data collection device 307 and performs CT image reconstruction, and is specifically a CPU that executes calculation processing or a dedicated calculation circuit.
  • the display device 325 is a device that displays the CT image created by the image calculation device 322.
  • the storage device 323 is a device that stores the data collected by the data collection device 307 and the image data of the CT image created by the image calculation device 322.
  • the system control device 324 is a device that controls these devices, the gantry control device 308, the bed control device 309, and the X-ray high voltage device 207.
  • the tube current and tube voltage controlled by the X-ray high voltage device 207 are supplied to the X-ray tube 8 so that the imaging conditions (tube voltage and the like) input from the input device 321 are satisfied. Since the configuration and operation of the X-ray high voltage apparatus 207 are as described in the first to third embodiments, the description thereof is omitted here.
  • X-rays irradiated from the X-ray tube 8 and transmitted through the subject are detected by an X-ray detection element provided in the X-ray detector 306.
  • the rotating disk 302 rotates the X-ray tube 8 and the X-ray detector 306 so that X-rays are irradiated and detected from each direction of the subject.
  • the rotational speed of the rotating disk 302 is controlled by the gantry control device 308 so as to satisfy the imaging conditions (scanning speed, etc.) input from the input device 321.
  • the bed 305 moves the subject in the body axis direction under the control of the bed control device 309, and imaging conditions (such as a helical pitch) input from the input device 321. It works to be.
  • the output signal of the X-ray detector 306 is collected as projection data by the data collection device 307.
  • the projection data collected by the data collection device 307 is sent to the image calculation device 322.
  • the image arithmetic device 322 reconstructs the projection data to obtain a CT image.
  • the reconstructed CT image is displayed on the display device 325 and stored in the storage device 323 as image data together with the imaging conditions.
  • the switching loss in the X-ray high voltage apparatus is low, and the power factor is high, so the energy efficiency is good,
  • An X-ray CT apparatus capable of stable operation can be provided.
  • the slip ring 255 configured as shown in FIG. 15 is configured so that the stationary side and the rotating side are configured by coils, and signals are transferred in a non-contact manner by electromagnetic induction.
  • the slip ring 255 rotates from the stationary side (the DC-AC converter 52).
  • the signals delivered to the side (high voltage generation unit 53) have the same voltage, but the winding ratio of the stationary side coil and the stationary side coil can be made different.
  • the slip ring 255 forms a part of the non-contact high voltage generation unit 56 as shown in FIG. .
  • the X-ray imaging apparatus 405 of the present embodiment is installed across the operation room 401 and the imaging room 402 of the X-ray examination room.
  • An operation room 401 and an imaging room 402 in an X-ray examination room in a hospital are separated by a protective wall 403 against X-rays.
  • the protective wall 403 is provided with a window 404 made of lead glass.
  • the main configuration of the X-ray imaging apparatus 405 is installed in the imaging room 402. Specifically, the X-ray tube 8, the X-ray tube support device 410, the collimator 411, the X-ray image receiving devices 412a and 412b, the X-ray high voltage device 207, and the control device 413 are respectively in predetermined positions. is set up.
  • the X-ray tube 8 generates X-rays that irradiate the subject.
  • the X-ray high voltage device 207 supplies a tube voltage and a tube current to the X-ray tube 8 under set conditions. Since the X-ray high voltage apparatus 207 is one of the first to third embodiments, the detailed structure thereof is omitted here.
  • the X-ray tube support device 410 has an L-shaped expansion / contraction portion 415 having a structure that can be expanded and contracted in the vertical direction of the paper in FIG. An X-ray tube 8 is held at the L-shaped end of the extendable part 415.
  • the X-ray tube support device 410 is attached to a rail 417 disposed on the ceiling 416.
  • the X-ray tube support device 410 has a structure that can move along the rail 417 in the left-right direction in FIG.
  • the collimator 411 determines an X-ray irradiation field.
  • the X-ray image receiving devices 412a and 412b are devices that receive X-rays that have passed through the subject, and two in this embodiment are arranged.
  • One X-ray image receiving device 412a is for imaging the subject in a standing position
  • the other X-ray image receiving device 412b is for imaging the subject in a lying position.
  • the standing X-ray image receiving apparatus 412a includes an imaging cassette 419 containing a film and an imaging plate, and a support base 420 that supports the imaging cassette 419.
  • the X-ray image receiving apparatus 412b for the supine position includes an imaging table 422 and an imaging cassette 421 containing a film and an imaging plate arranged therein.
  • the X-ray tube 8 and the collimator 411 are disposed sideways toward the X-ray image receiving apparatus 412a for standing position, and When the X-ray image receiving device 412b is used, the X-ray tube 8 and the collimator 411 are directed downward so that X-rays are irradiated toward the X-ray image receiving device 412b.
  • the operation device 406 is installed in the operation room 401.
  • the operation device 406 includes an operation console 407 and a support base 408 that supports the operation console 407.
  • the console 407 includes an operation unit that receives setting of imaging conditions such as tube voltage, tube current, and imaging time of the X-ray tube 8 from an operator, and a display unit.
  • the display unit displays the received setting conditions and images received by the X-ray image receiving apparatuses 412a and 412b.
  • the console 407 is provided with a switch for operating the X-ray high voltage apparatus 207, an operation button for adjusting the opening / closing amount of the collimator 411, and the like.
  • the control device 413 controls each of the above devices and controls display of images received by the X-ray image receiving devices 412a and 412b.
  • the control device 413 has a built-in storage device, and stores shooting conditions and shot images.
  • the switching loss in the X-ray high voltage apparatus is low and the power factor is high, so that the energy efficiency is high and stable operation It is possible to provide an X-ray imaging apparatus capable of performing the above.

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Abstract

　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ために、インバータ4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4の出力電力を制御する。これにより、インバータ4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4の駆動周波数は、負荷8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。これにより、ソフトスイッチングを実現できる。インバータ4の出力電圧のパルス幅は、負荷8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。

Description

電力変換装置およびＸ線撮影装置
　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、差分器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 JPOXMLDOC01-appb-M000001
　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 (9)

  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することを特徴とする電力変換装置。
  2. 　請求項1に記載の電力変換装置において、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ることを特徴とする電力変換装置。
  3. 　請求項2に記載の電力変換装置において、前記インバータ制御回路は、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。
  4. 　請求項1に記載の電力変換装置において、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。
  5. 　請求項1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することを特徴とする電力変換装置。
  6. 　請求項5に記載の電力変換装置において、前記調整回路は、交流直流変換回路または昇降圧チョッパを含むことを特徴とする電力変換装置。
  7. 　請求項1に記載の電力変換装置において、前記負荷は、X線管であることを特徴とする電力変換装置。
  8. 　請求項7に記載の電力変換装置において、前記インバータ制御回路は、前記直流電圧供給回路の立ち上がり時に、前記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、前記インバータから前記X線管へ電力を供給させないことを特徴とする電力変換装置。
  9. 　請求項7に記載の電力変換装置と、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線撮影装置であって、
    　前記陽極回転駆動回路は、前記X線管を回転させるモータと、前記モータに電力を供給するモータ駆動回路とを備え、
    　前記モータ駆動回路は、前記直流電圧供給回路に前記インバータと並列に接続され、前記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、前記直流電圧供給回路の出力を変調して、前記モータに供給することを特徴とするX線撮影装置。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023068342A1 (ja) * 2021-10-21 2023-04-27 富士フイルム株式会社 制御装置、制御方法、及び制御プログラム

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5120534A (en) * 1974-08-09 1976-02-18 Mitsubishi Electric Corp Seiryusochino danpingukairo
JP2002237397A (ja) * 2001-02-09 2002-08-23 Hitachi Medical Corp Ｘ線発生装置及びこれを用いたｘ線ｃｔ装置
JP2006004782A (ja) * 2004-06-17 2006-01-05 Matsushita Electric Works Ltd 調光用放電灯点灯装置及び照明装置
WO2010053108A1 (ja) * 2008-11-05 2010-05-14 株式会社 日立メディコ 位相シフト型インバータ回路、それを用いたｘ線高電圧装置、ｘ線ｃｔ装置、および、ｘ線撮影装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5120534A (en) * 1974-08-09 1976-02-18 Mitsubishi Electric Corp Seiryusochino danpingukairo
JP2002237397A (ja) * 2001-02-09 2002-08-23 Hitachi Medical Corp Ｘ線発生装置及びこれを用いたｘ線ｃｔ装置
JP2006004782A (ja) * 2004-06-17 2006-01-05 Matsushita Electric Works Ltd 調光用放電灯点灯装置及び照明装置
WO2010053108A1 (ja) * 2008-11-05 2010-05-14 株式会社 日立メディコ 位相シフト型インバータ回路、それを用いたｘ線高電圧装置、ｘ線ｃｔ装置、および、ｘ線撮影装置

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2023068342A1 (ja) * 2021-10-21 2023-04-27 富士フイルム株式会社 制御装置、制御方法、及び制御プログラム

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