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JP3714745B2 - Inverter X-ray high voltage device - Google Patents
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JP3714745B2 JP29929796A JP29929796A JP3714745B2 JP 3714745 B2 JP3714745 B2 JP 3714745B2 JP 29929796 A JP29929796 A JP 29929796A JP 29929796 A JP29929796 A JP 29929796A JP 3714745 B2 JP3714745 B2 JP 3714745B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流電源を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した後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】
図6に従来技術によるインバータ式X線高電圧装置の主回路図を示す。
図6において、商用の電源電圧を整流回路1で直流電圧に変換し、これを平滑コンデンサ11で平滑してインバータ回路2に入力する。このインバータ回路2は、コンデンサ10と高電圧変圧器3の漏れインダクタンスとの共振現象を利用して高周波の交流に変換し、これを高電圧変圧器3で昇圧し、この出力を高電圧整流回路4で直流の高電圧に変換して高電圧ケーブル5を介してX線管6に印加してX線を放射するものである。X線管に印加する高電圧(管電圧と略記)は、インバータ回路2の位相差や周波数あるいはパルス幅等の制御により可変する。なお、高電圧変圧器3は、通常絶縁耐圧の確保と冷却を目的として高電圧整流器4、後述する管電圧検出器8等と共に絶縁油を満たしたタンク12内に設置される。また、高電圧ケーブル5は静電容量を持っており、これが管電圧の平滑作用をもたらす。
【0003】
管電圧を安定化するための管電圧フィードバック制御回路9は、実際の管電圧Vxを管電圧検出器8で検出し、これと目標管電圧信号Vrとを入力して前記インバータ2の位相差や周波数あるいはパルス幅を求め、検出した管電圧Vxが目標管電圧Vrと一致するようにこれを制御する。管電流はフィラメント加熱回路(図示省略)を用いてX線管6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。
【0004】
従来の上記構成のインバータ式X線高電圧装置において、インバータ回路2のスイッチング素子、例えば絶縁ゲート型バイポーラトランジスタIGBTは、X線曝射中スイッチング損失及び導通損失によって発熱するが、通常それらのIGBTは放熱フィンを伴うヒートシンクと呼ばれる熱容量が大きい金属に固定され、それと同時に冷却ファン等を用いて前記ヒートシンクを強制空冷する手法を用いて冷却している。前記ヒートシンク及び冷却ファンは比較的大きな体積と重量とを要するので、高電圧変圧器タンク12とインバータ回路2を含むそれ以外の回路31を分離配置し同一の筐体内に収納していた。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
このように、上記冷却用部品は大きなスペースを要するのみでなく高価なものであった。さらにX線高電圧装置には、大出力を短時間曝射する撮影モードと小出力を長時間曝射する透視モードがあるが、撮影モードにおいては前記IGBTの損失が大きいためIGBTの温度は急激に上昇するが、高電圧変圧器タンク12の温度は、容積が比較的大きい(熱容量が大きい)と同時に油冷式であるために、ほとんど上昇することはない。
【0006】
一方、透視モードにおいては電力損失が小さいためにインバータ2はほとんど温度上昇はせず、また高電圧変圧器タンク12も撮影時よりは若干温度上昇はするもののその上昇は非常に僅かなものであった。従って、上記ヒートシンク及び冷却ファンは主に撮影時のインバータ2の温度上昇の抑制のため必要であった。一方、高電圧変圧器タンク12内に注入される絶縁油は上述したように絶縁耐圧の確保と同時に高電圧変圧器3の冷却という二つの目的を有するものであったが、注入される絶縁油量は絶縁耐圧の確保の点からのみ決定されていた。すなわち、例えば最高150kVに達する高電圧変圧器の二次巻線と、通常アース電位とする高電圧変圧器タンク12との絶縁耐圧を確保するためにはそれ相応の大きな絶縁距離を設けなければならなく、そのスペースに絶縁油が満たされていた。
【0007】
しかし、上したように絶縁油及び高電圧変圧器タンク12の温度上昇は非常に小さく、単に冷却という目的からのみ見れば、注入される絶縁油は必要以上に多量であり、その意味でオーバースペックであった。
【0008】
また、一方において最近の医用X線装置においては、診断能の高い、鮮鋭なX線写真を撮るためにX線高電圧装置には高精度で再現性の良い大電流、短時間制御が要求されており、立ち上がりが高速で脈動の無い管電圧波形が求められている(図7に理想的な管電圧波形と実際の管電圧波形とを比較して示す)。したがって、管電圧の立ち上がり、立ち下がりの高速化は同時に写真効果の向上及び軟X線による被爆低減の意味からも強く要求されており、それらを実現する手段としてインバータ回路の動作周波数の高周波化が進んでいる。ところが、その高周波化の障害になる一つの要因として、インバータ回路から高電圧変圧器に至る配線の存在がある。もしこのインダクタンスが大きいままにインバータ回路の動作周波数を高くすると、インダクタンスのインピーダンスは周波数に比例するから、負荷に電流が十分に流れず、所定のX線出力が得られなくなってしまうことになる。従って、高周波化のためにはこのインダクタンスの低減が不可欠の課題となっていた。さらに、最近の医用X線装置は、上述したような性能面だけでなく、設置面積の縮減、小型軽量化、低価格化に対する要求が益々強まる一方であり、中でも高電圧変圧器が装置体積に占める割合は高く、高電圧変圧器を小型化するためにも高周波化が求められている。
【0009】
このように上記従来技術では、以下のような課題及び改善されるべき点などがあった。
(1)インバータ回路のスイッチング素子がヒートシンク及び冷却ファンによって冷却されているが、これら冷却部品の占めるスペースは非常に大きくまた高価である。
(2)高電圧変圧器タンク内に注入される絶縁油は絶縁耐圧の確保と同時に高電圧変圧器の冷却という二つの目的を有するものであるが、注入される絶縁油量は従来絶縁耐圧の確保の点からのみ決定され、冷却という目的からのみ見れば絶縁油は必要以上に多量であり、絶縁油を十分有効に活用できてはいない。
(3)インバータ回路2と高電圧変圧器タンク12とを分離配置していたため、インバータ回路2と高電圧変圧器3との間の配線のインダクタンスの低減に限界があった。このため高周波化に限界があり、要求される理想に近い管電圧波形を得て、同時に高電圧変圧器の小型化を図るためにはこの距離を短縮する必要がある。
【0010】
本発明の目的は、小型、安価で医用X線装置に要求される理想に近い管電圧波形を得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。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、直流電源と、この直流電源を高周波の交流に変換するインバータ回路と、このインバータ回路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線管に印加する高電圧整流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、前記インバータ回路のスイッチング素子をその素子と比較してより熱伝導率の高い金属板に固定し、その固定された金属板を前記高電圧変圧器タンクの一外壁面に密着させて前記スイッチング素子の発熱を前記高電圧変圧器タンク内の絶縁油に伝導することによって達成される。
【0012】
また、上記直流電源は、商用電源をIGBTを用いたパルス幅変調制御方式のコンバータ(特願平6−71303号)やダイオードあるいはサイリスタによる整流回路等を用いて直流に変換する場合において、上記IGBTやダイオード、サイリスタ等の発熱が問題になる場合も上記と同様に上記やダイオード、サイリスタ等をそれらと比較してより熱伝導率の高い金属板に固定し、その固定された金属板を前記高電圧変圧器タンクの一外壁面に密着させて、前記スイッチング素子での発熱を前記高電圧変圧器タンク内の絶縁油に効率よく伝導させことにより達成される。
【0013】
このように構成された本発明のインバータ式X線高電圧装置は、
(1)整流回路(コンバータ回路)やインバータ回路のヒートシンク及び冷却用ファンが除去できるために小型・軽量化と同時にコストの低減が可能になる。
(2)撮影時において整流回路(コンバータ回路)やインバータ回路のスイッチング素子で発生した熱を高電圧変圧器タンク内の絶縁油に効率よく伝導させることができ、前記スイッチング素子の温度上昇を最小限に抑制できる。また同時に、従来冷却の面では必要以上に多量であった絶縁油を有効に整流回路(コンバータ回路)やインバータ回路の冷却に利用できる。
(3)インバータ回路と高電圧変圧器の配線が短縮できるので、この間のインダクタンスの低減が可能となり、インバータ回路の動作周波数を高くすることによって要求される理想に近い管電圧波形を得ることができ、また高電圧変圧器のさらなる小型化が可能となる。
【0014】
この結果、設置面積が小さく、小型・軽量、安価で医用X線装置に要求される理想に近い管電圧波形を得るインバータ式X線高電圧装置を提供することができる。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図1は本発明によるインバータ式X線高電圧装置の実装配置の実施例図である。
【0016】
このX線高電圧装置は、整流回路からの直流電圧をインバータを用いて交流電圧に変換し、その出力電圧を昇圧した後整流して直流電圧をX線管に供給してX線を放射するもので、図6の回路図に示される。整流回路1と、インバータ2と、高電圧変圧器3と、高電圧整流回路4と、高電圧ケーブル5と、X線管6と、管電圧検出器8と、管電圧フィードバック制御装置9等を備えて構成される。図1はその内、X線管6は除外して示してある。この回路の機能については、従来と同様であるので説明は省略する。
【0017】
次に、本発明の要部であるインバータ回路2と高電圧変圧器3のタンク12の構成について先ず大まかに述べる。図1において、本発明によるインバータ回路2は、そのスイッチング素子であるIGBT13が機械的強度に耐えうる程度で比較的熱伝導率が高い金属等の固定板15にボルトにより平滑コンデンサ11と共に固定し、その固定板15がやはり熱伝導率の高い金属などを材料とし高電圧変圧器3及び高電圧整流器4等を内蔵し絶縁油24を注入する高電圧変圧器タンク12の一外壁面に密着した状態で固定・保持する。また、インバータ回路2から高電圧変圧器3に至る配線14は、漏れインダクタンスと配線抵抗の低減のため、IGBT13の近傍に設けられた接続端子17を介してタンク内に至り、高電圧変圧器タンク12内部に設置された高電圧変圧器3に最短距離で達する。一方、X線制御回路9は、支持具16に支えられてIGBT13の前面に固定されている。
【0018】
続いて、平滑コンデンサ11とIGBT13との配置例を図2,図3を用いさらに詳細に説明する。整流回路の出力電圧を平滑するコンデンサ11は、アルミ電解コンデンサを用いており、配線のインダクタンス成分を低減してIGBT13のスイッチング時のサージ電圧を抑制するためと同時に最小限のスペース内に部品が入るようにIGBT13に可能な限り接近して配置する。また上記コンデンサ11は耐圧を高くするために2直列とし、その軸を固定板15の面に沿うよう支持具22などにより固定板15に設置する。
【0019】
上記コンデンサ11は図2のように折り曲がった形状の銅板21等を用いてIGBT13と電気的に接続する。図2の実施例では一つのパッケージに2つのスイッチが内蔵されているタイプのモジュールを2個用いており、この2個のモジュールによりフルブリッジのインバータが構成される。3つの端子を有しているこのモジュールの等価回路を図3に示すが、図2における端子は右から順に図3中のC1,E2,C2E1の端子にそれぞれ対応している。コンデンサ11及びIGBT13が固定する固定板15はねじ穴を設けた高電圧変圧器タンク12の一外壁面に固定用ボルト23などにより固定・保持する。
【0020】
続いて上記の様に構成されたインバータ回路2及び高電圧変圧器タンク12における熱伝導の経路とIGBTの冷却効果について詳細に述べる。IGBT13での発熱の一部分は以下に述べる経路の各プロセスにおいて直接周囲の空気や電気配線経路あるいは各部品の支持具等にも伝導されるが、上記発熱の大部分はIGBT13のケースに、ケースから固定板15へ、固定板15から高電圧変圧器タンク12の壁面に、高電圧変圧器タンク12の壁面から高電圧変圧器タンク12内部の絶縁油24へと順に伝導される。上記IGBT13と上記固定板15とのすき間、及び上記固定板15と高電圧変圧器タンク12外壁面とのすき間には、例えばシリコングリース等が塗布されて互いの密着度を高めて(接触面積を大きくすることで接触熱抵抗を小さくして)おり、IGBT13での発熱が熱容量の大きい高電圧変圧器タンク12に効率よく伝導され、IGBT13の冷却効果を高めるようになっている。高電圧変圧器タンク12内の絶縁油24は上述したように従来高電圧変圧器3のみの冷却という目的から見れば必要以上に多量であり、有効に活用されてはいなかったが、上記の様な構成とすることにより、絶縁油24は高電圧変圧器3のみならずIGBT13の冷却にも有効に活用でき、インバータ式X線高電圧装置にとってバランスのよい熱設計を実現できる。
【0021】
本発明の第二の実施例は整流回路1を上記発明のインバータ回路2と一体とするものであり、これを図4と図5を用いて説明する。図4は整流回路1にパルス幅変調制御方式コンバータ回路(特願平6−71303号)を適用した例であり、本発明第二の実施例の要部の構成図、図5はその回路図を示している。第一の実施例におけるインバータ回路2の場合と同様に前記コンバータ回路のスイッチング素子には一つのパッケージにスイッチが2個内蔵されたIGBTモジュールを2個使用している。上記コンバータ回路用IGBTモジュールもやはり第一の実施例のインバータ回路用IGBTモジュールと同様固定板15に密着した状態で固定し、その発熱が熱容量の大きい高電圧変圧器タンク12内の絶縁油24に効率よく伝導するようになっている。配線抵抗やインダクタンス成分を可能な限り小さくするために、上記IGBTモジュールも平滑コンデンサ11の近傍に配置し、銅板により電気的に接続する。IGBTの上面にはスイッチング時のサージ電圧抑制のためのスナバ回路を配置し、IGBT駆動用の配線(図は省略)などが必要なため、IGBTの上面のスペースはあまり複雑にならないように実装する。このため、図4の例ではコンバータ回路用IGBTモジュールの“E2”端子は、平滑コンデンサ11に近い側のIGBTモジュールの側面を沿うように設けられた銅板を介して平滑コンデンサ(2)11のマイナス端子に電気的に接続する。上記の様な構成とすることにより、絶縁油24は高電圧変圧器3のみならず整流回路1及びインバータ回路2の冷却にも有効に活用できる。それと同時に省スペース化が図れるのみならず、整流回路1からインバータ回路2に至るまでの配線を短縮でき、装置の電力損失も低減できる。
【0022】
また、第二の実施例において、整流回路1にはブリッジの4つのスイッチ全てにIGBTを用いるパルス幅変調制御方式のコンバータ回路を適用することとしたが、これは、図4のコンバータ回路よりやや力率が低下するものの、二つのコンバータ回路用IGBTモジュールのうちどちらか一方をダイオードモジュールとするコンバータ回路を適用してもよい。あるいは、一切IGBTを用いず、IGBTモジュールの代わりにダイオードモジュールあるいはサイリスタモジュールを配置し、その入力側を商用電源に、一方出力側を平滑コンデンサ11のプラス端子(図4中のC1端子と接続されている端子)及び同じくコンデンサ11のマイナス端子(図4中のE2端子と接続されている端子)と電気的に接続することにより全波整流回路を構成しても本発明は適用できる。ただし、この場合ダイオードあるいはサイリスタは商用周波数でしか動作しないため発熱はあまり問題にはならず、必ずしも固定板15に設置して冷却効果を高める必要はなく、他の部品との兼ね合いも考慮して設置しやすい場所に配置すればよい。さらに、上述した実施例においてIGBTモジュール同士及びIGBTモジュールと平滑コンデンサ11との電気的接続は銅板を用いているが、この電気的接続には電線を用いても構わない。
【0023】
さらに、図1においては高電圧整流器4の出力電圧は高電圧変圧器タンク12の上面を介して高電圧ケーブル5に出力されているが、高電圧変圧器タンク12上部のスペースを有効に使用したい場合等には高電圧変圧器タンク12の側面を介して出力させてもよい。
【0024】
なお、図6においては、インバータ2の出力側に共振用のコンデンサ10を接続したものとして示したが、このコンデンサ10は、高電圧変圧器3の漏れインダクタンスの影響で高周波の電流が上記高電圧変圧器3の巻線に十分に流れないことを改善する目的で挿入してあり、上記の改善の必要のない場合には挿入しなくてもよい。
【0025】
【発明の効果】
以上で説明したように、本発明によれば、
(1)整流回路(コンバータ回路)及びインバータ回路のヒートシンク及び冷却用ファンが除去できるために小型・軽量化と同時にコストの削減が可能になる。
(2)撮影時においてインバータのスイッチング素子で発生した熱を熱容量の大きい高電圧変圧器タンクに効率よく伝導することができるために、スイッチング素子の温度上昇を最小限に抑制できる。
(3)インバータ回路と高電圧変圧器の配線が短縮できるので、この間のインダクタンスの低減が可能となり、インバータ動作が高周波化でき、高電圧変圧器の小型化が実現できると同時に要求される理想に近い管電圧波形を得ることができる。
【0026】
以上の3点によって、医用X線装置に要求される理想に近い管電圧波形を得ることができ、しかも設置面積が小さく、小型・軽量でしかも安価なインバータ式X線高電圧装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一の実施例を示すインバータ式X線高電圧装置の実装配置図である。
【図2】本発明の第一の実施例における平滑コンデンサとIGBTの実装状態を示す図である。
【図3】図1に示す実施例に使用するIGBTモジュールの等価回路図である。
【図4】本発明の第二の実施例におけるコンバータ回路と平滑コンデンサ及びインバータ回路の実装状態を示す図である。
【図5】図4に示す実施例におけるコンバータ回路からインバータ回路まで回路図である。
【図6】従来のインバータ式X線高電圧装置の回路構成図である。
【図7】医用X線装置における管電圧の理想的波形図及び実際の波形図である。
【符号の説明】
1 整流回路(コンバータ回路)
2 インバータ回路
3 高電圧変圧器
4 高電圧整流器
5 高電圧ケーブル
6 X線管
8 管電圧検出器
11 平滑コンデンサ
12 高電圧変圧器タンク
13 IGBT
14 インバータから高電圧変圧器に至る配線
15 固定板
19 ヒートシンク
20 冷却用ファン
24 絶縁油
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention converts a DC power source into high-frequency AC, boosts the output voltage with a high-voltage transformer and then rectifies it to generate a DC high voltage, which is applied to an X-ray tube to emit X-rays. The present invention relates to an inverter type X-ray high voltage apparatus.
[0002]
[Prior art]
FIG. 6 shows a main circuit diagram of an inverter type X-ray high voltage apparatus according to the prior art.
In FIG. 6, a commercial power supply voltage is converted into a DC voltage by the rectifier circuit 1, smoothed by the smoothing capacitor 11, and input to the inverter circuit 2. This inverter circuit 2 uses the resonance phenomenon between the capacitor 10 and the leakage inductance of the high voltage transformer 3 to convert it into a high frequency alternating current, boosts this with the high voltage transformer 3, and outputs this output to the high voltage rectifier circuit. 4 is converted into a DC high voltage and applied to the X-ray tube 6 via the high-voltage cable 5 to emit X-rays. The high voltage (abbreviated as tube voltage) applied to the X-ray tube is variable by controlling the phase difference, frequency, pulse width, etc. of the inverter circuit 2. The high voltage transformer 3 is usually installed in a tank 12 filled with insulating oil together with a high voltage rectifier 4 and a tube voltage detector 8 to be described later for the purpose of ensuring and cooling the withstand voltage. Further, the high voltage cable 5 has a capacitance, which brings about a smoothing action of the tube voltage.
[0003]
The tube voltage feedback control circuit 9 for stabilizing the tube voltage detects the actual tube voltage Vx with the tube voltage detector 8 and inputs this and the target tube voltage signal Vr to obtain the phase difference of the inverter 2 and the like. The frequency or pulse width is obtained, and this is controlled so that the detected tube voltage Vx matches the target tube voltage Vr. The tube current is controlled by adjusting the filament temperature of the X-ray tube 6 using a filament heating circuit (not shown).
[0004]
In the conventional inverter type X-ray high voltage apparatus having the above-described configuration, the switching element of the inverter circuit 2, for example, the insulated gate bipolar transistor IGBT, generates heat due to switching loss and conduction loss during X-ray exposure. It is fixed to a metal having a large heat capacity called a heat sink with heat radiation fins, and at the same time, the heat sink is cooled by using a method of forcibly air cooling using a cooling fan or the like. Since the heat sink and the cooling fan require a relatively large volume and weight, the high voltage transformer tank 12 and the other circuit 31 including the inverter circuit 2 are separately arranged and accommodated in the same casing.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
Thus, the cooling component not only requires a large space but also is expensive. Further, the X-ray high voltage apparatus has an imaging mode in which a large output is exposed for a short time and a fluoroscopic mode in which a small output is exposed for a long time. In the imaging mode, the IGBT temperature is abrupt because of a large loss of the IGBT. However, since the temperature of the high voltage transformer tank 12 is relatively large (having a large heat capacity) and is oil-cooled, it hardly increases.
[0006]
On the other hand, since the power loss is small in the fluoroscopic mode, the temperature of the inverter 2 hardly rises, and the high voltage transformer tank 12 also rises slightly compared with the time of shooting, but the rise is very slight. It was. Therefore, the heat sink and the cooling fan are necessary mainly for suppressing the temperature rise of the inverter 2 during photographing. On the other hand, the insulating oil injected into the high voltage transformer tank 12 has the two purposes of securing the withstand voltage and cooling the high voltage transformer 3 as described above. The amount was determined only from the viewpoint of ensuring withstand voltage. That is, for example, in order to ensure the withstand voltage between the secondary winding of the high-voltage transformer reaching a maximum of 150 kV and the high-voltage transformer tank 12 that is normally at the ground potential, a corresponding large insulation distance must be provided. The space was filled with insulating oil.
[0007]
However, the temperature rise of the insulating oil and the high voltage transformer tank 12 as above mentioned is very small, just when viewed only purpose of cooling, the injected insulating oil is a large amount more than necessary, over in that sense It was spec.
[0008]
On the other hand, in recent medical X-ray apparatuses, in order to take sharp X-ray photographs with high diagnostic ability, high-current, short-time control with high accuracy and good reproducibility is required for X-ray high voltage apparatuses. Therefore, a tube voltage waveform having a high rise and no pulsation is required (a comparison between an ideal tube voltage waveform and an actual tube voltage waveform is shown in FIG. 7). Therefore, increasing the rise and fall times of the tube voltage is also strongly demanded from the viewpoint of improving the photographic effect and reducing the exposure caused by soft X-rays. As a means for realizing them, the operating frequency of the inverter circuit is increased. Progressing. However, one factor that hinders the high frequency is the presence of wiring from the inverter circuit to the high voltage transformer. If the operating frequency of the inverter circuit is increased while the inductance is large, the impedance of the inductance is proportional to the frequency, so that a sufficient current does not flow to the load, and a predetermined X-ray output cannot be obtained. Therefore, the reduction of the inductance has become an indispensable problem for increasing the frequency. Furthermore, recent medical X-ray apparatuses are not only in terms of performance as described above, but also demands for reduction in installation area, reduction in size and weight, and price reduction are increasing. Among them, high-voltage transformers are increasing in volume. The ratio is high, and higher frequencies are required to reduce the size of high-voltage transformers.
[0009]
As described above, the prior art has the following problems and points to be improved.
(1) Although the switching element of the inverter circuit is cooled by the heat sink and the cooling fan, the space occupied by these cooling components is very large and expensive.
(2) The insulating oil injected into the high-voltage transformer tank has the two purposes of securing the withstand voltage and simultaneously cooling the high-voltage transformer. It is determined only from the point of securing, and if viewed only from the purpose of cooling, the amount of insulating oil is larger than necessary, and the insulating oil cannot be used sufficiently effectively.
(3) Since the inverter circuit 2 and the high voltage transformer tank 12 are separately arranged, there is a limit to the reduction of the inductance of the wiring between the inverter circuit 2 and the high voltage transformer 3. For this reason, there is a limit to increasing the frequency, and it is necessary to shorten this distance in order to obtain a tube voltage waveform that is close to the required ideal, and at the same time to reduce the size of the high-voltage transformer.
[0010]
An object of the present invention is to provide an inverter type X-ray high voltage apparatus that is small and inexpensive and can obtain a tube voltage waveform close to ideal required for a medical X-ray apparatus.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The purpose is to provide a direct current power supply, an inverter circuit for converting the direct current power supply to a high frequency alternating current, a high voltage transformer for boosting the output voltage of the inverter circuit, and an X-ray by rectifying the output of the high voltage transformer. In an inverter type X-ray high voltage apparatus comprising a high voltage rectifier circuit applied to a tube, the switching element of the inverter circuit is fixed to a metal plate having a higher thermal conductivity than the element, and the fixed This is achieved by bringing a metal plate into close contact with one outer wall surface of the high voltage transformer tank and conducting heat generated by the switching element to insulating oil in the high voltage transformer tank.
[0012]
Further, the above-mentioned DC power source is the above-mentioned IGBT when the commercial power source is converted into DC using a pulse width modulation control type converter (Japanese Patent Application No. 6-71303) using a IGBT, a rectifier circuit such as a diode or a thyristor, etc. In the same way as above, the diode, the thyristor, etc. are fixed to a metal plate having higher thermal conductivity than the above, and the fixed metal plate is fixed to the high plate. This is achieved by closely contacting one outer wall surface of the voltage transformer tank and efficiently conducting heat generated by the switching element to the insulating oil in the high voltage transformer tank.
[0013]
The inverter type X-ray high voltage apparatus of the present invention configured as described above is
(1) Since the heat sink and cooling fan of the rectifier circuit (converter circuit) and inverter circuit can be removed, it is possible to reduce the cost while reducing the size and weight.
(2) The heat generated in the switching element of the rectifier circuit (converter circuit) and the inverter circuit at the time of photographing can be efficiently conducted to the insulating oil in the high voltage transformer tank, and the temperature rise of the switching element is minimized. Can be suppressed. At the same time, insulating oil, which is more than necessary in terms of conventional cooling, can be effectively used for cooling the rectifier circuit (converter circuit) and the inverter circuit.
(3) Since the wiring between the inverter circuit and the high-voltage transformer can be shortened, the inductance between them can be reduced, and a tube voltage waveform close to ideal can be obtained by increasing the operating frequency of the inverter circuit. In addition, the high voltage transformer can be further downsized.
[0014]
As a result, it is possible to provide an inverter type X-ray high voltage apparatus that has a small installation area, is small, light, and inexpensive, and obtains a tube voltage waveform that is close to the ideal required for medical X-ray apparatuses.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
FIG. 1 is a diagram showing an embodiment of the mounting arrangement of an inverter type X-ray high voltage apparatus according to the present invention.
[0016]
This X-ray high voltage device converts a DC voltage from a rectifier circuit into an AC voltage using an inverter, boosts the output voltage, rectifies it, supplies the DC voltage to the X-ray tube, and emits X-rays. As shown in the circuit diagram of FIG. A rectifier circuit 1, an inverter 2, a high voltage transformer 3, a high voltage rectifier circuit 4, a high voltage cable 5, an X-ray tube 6, a tube voltage detector 8, a tube voltage feedback control device 9, etc. It is prepared for. In FIG. 1, the X-ray tube 6 is excluded. Since the function of this circuit is the same as that of the prior art, the description thereof is omitted.
[0017]
Next, the configurations of the inverter circuit 2 and the tank 12 of the high voltage transformer 3 which are the main parts of the present invention will be roughly described first. In FIG. 1, an inverter circuit 2 according to the present invention is fixed together with a smoothing capacitor 11 with a bolt on a fixing plate 15 made of metal or the like having a relatively high thermal conductivity so that the IGBT 13 as a switching element can withstand mechanical strength. The fixing plate 15 is also in close contact with one outer wall surface of the high-voltage transformer tank 12 in which the high-voltage transformer 3 and the high-voltage rectifier 4 and the like are made of a metal having high thermal conductivity and the insulating oil 24 is injected. Fix and hold with. Further, the wiring 14 from the inverter circuit 2 to the high voltage transformer 3 reaches the inside of the tank via a connection terminal 17 provided in the vicinity of the IGBT 13 in order to reduce leakage inductance and wiring resistance, and the high voltage transformer tank. 12 reaches the high voltage transformer 3 installed in the shortest distance. On the other hand, the X-ray control circuit 9 is supported by the support 16 and fixed to the front surface of the IGBT 13.
[0018]
Subsequently, an arrangement example of the smoothing capacitor 11 and the IGBT 13 will be described in more detail with reference to FIGS. The capacitor 11 that smoothes the output voltage of the rectifier circuit uses an aluminum electrolytic capacitor. In order to suppress the surge voltage at the time of switching of the IGBT 13 by reducing the inductance component of the wiring, components are placed in a minimum space. Thus, it arrange | positions as close as possible to IGBT13. The capacitors 11 are arranged in series in order to increase the withstand voltage, and the axis thereof is installed on the fixed plate 15 by a support 22 or the like along the surface of the fixed plate 15.
[0019]
The capacitor 11 is electrically connected to the IGBT 13 by using a bent copper plate 21 or the like as shown in FIG. In the embodiment of FIG. 2, two modules of a type in which two switches are incorporated in one package are used, and a full-bridge inverter is constituted by these two modules. FIG. 3 shows an equivalent circuit of this module having three terminals. The terminals in FIG. 2 correspond to the terminals C1, E2, and C2E1 in FIG. 3 in order from the right. The fixing plate 15 to which the capacitor 11 and the IGBT 13 are fixed is fixed and held on one outer wall surface of the high voltage transformer tank 12 provided with a screw hole by a fixing bolt 23 or the like.
[0020]
Next, the heat conduction path and the IGBT cooling effect in the inverter circuit 2 and the high voltage transformer tank 12 configured as described above will be described in detail. A part of the heat generation in the IGBT 13 is directly conducted to the surrounding air, the electric wiring path, the support of each component, etc. in each process of the path described below, but most of the heat generation is transferred to the case of the IGBT 13 from the case. Conducted to the fixed plate 15, from the fixed plate 15 to the wall surface of the high voltage transformer tank 12, and from the wall surface of the high voltage transformer tank 12 to the insulating oil 24 inside the high voltage transformer tank 12. For example, silicon grease or the like is applied to the gap between the IGBT 13 and the fixed plate 15 and the gap between the fixed plate 15 and the outer wall surface of the high voltage transformer tank 12 to increase the degree of close contact with each other (the contact area is reduced). The contact heat resistance is reduced by increasing the heat resistance, and the heat generated in the IGBT 13 is efficiently conducted to the high voltage transformer tank 12 having a large heat capacity, thereby enhancing the cooling effect of the IGBT 13. As described above, the insulating oil 24 in the high voltage transformer tank 12 is larger than necessary for the purpose of cooling only the conventional high voltage transformer 3 and has not been effectively utilized. With this configuration, the insulating oil 24 can be effectively used not only for cooling the high-voltage transformer 3 but also for the IGBT 13, and a well-balanced thermal design can be realized for the inverter type X-ray high-voltage device.
[0021]
In the second embodiment of the present invention, the rectifier circuit 1 is integrated with the inverter circuit 2 of the present invention, which will be described with reference to FIGS. FIG. 4 shows an example in which a pulse width modulation control system converter circuit (Japanese Patent Application No. 6-71303) is applied to the rectifier circuit 1. FIG. 5 is a configuration diagram of the main part of the second embodiment of the present invention, and FIG. Is shown. As in the case of the inverter circuit 2 in the first embodiment, the switching element of the converter circuit uses two IGBT modules in which two switches are incorporated in one package. The converter circuit IGBT module is also fixed in close contact with the fixing plate 15 in the same manner as the inverter circuit IGBT module of the first embodiment, and the generated heat is transferred to the insulating oil 24 in the high voltage transformer tank 12 having a large heat capacity. It is designed to conduct efficiently. In order to make wiring resistance and inductance components as small as possible, the IGBT module is also arranged in the vicinity of the smoothing capacitor 11 and electrically connected by a copper plate. A snubber circuit for suppressing the surge voltage at the time of switching is arranged on the top surface of the IGBT, and wiring for driving the IGBT (not shown) is necessary, so that the space on the top surface of the IGBT is not so complicated. . For this reason, in the example of FIG. 4, the “E2” terminal of the IGBT module for converter circuit is the minus of the smoothing capacitor (2) 11 through a copper plate provided along the side surface of the IGBT module close to the smoothing capacitor 11. Electrically connect to the terminal. With the above-described configuration, the insulating oil 24 can be effectively used not only for cooling the rectifier circuit 1 and the inverter circuit 2 but also the high-voltage transformer 3. At the same time, not only can the space be saved, the wiring from the rectifier circuit 1 to the inverter circuit 2 can be shortened, and the power loss of the apparatus can be reduced.
[0022]
In the second embodiment, the rectifier circuit 1 is a pulse width modulation control type converter circuit that uses IGBTs for all four switches of the bridge. This is slightly different from the converter circuit of FIG. Although the power factor decreases, a converter circuit in which one of the two IGBT modules for converter circuit is a diode module may be applied. Alternatively, an IGBT is not used at all, and a diode module or a thyristor module is arranged in place of the IGBT module, its input side is connected to a commercial power source, and one output side is connected to the plus terminal of the smoothing capacitor 11 (the C1 terminal in FIG. 4). And a negative terminal of the capacitor 11 (a terminal connected to the E2 terminal in FIG. 4), and the present invention can be applied even if a full-wave rectifier circuit is configured. However, in this case, since the diode or thyristor operates only at the commercial frequency, heat generation is not a major problem, and it is not always necessary to enhance the cooling effect by installing it on the fixed plate 15, taking into consideration the balance with other components. What is necessary is just to arrange | position in the place which is easy to install. Furthermore, in the above-described embodiments, the copper modules are used for the electrical connection between the IGBT modules and between the IGBT module and the smoothing capacitor 11, but an electric wire may be used for this electrical connection.
[0023]
Further, in FIG. 1, the output voltage of the high voltage rectifier 4 is output to the high voltage cable 5 via the upper surface of the high voltage transformer tank 12, but it is desired to effectively use the space above the high voltage transformer tank 12. In some cases, the voltage may be output through the side surface of the high voltage transformer tank 12.
[0024]
In FIG. 6, the resonance capacitor 10 is connected to the output side of the inverter 2. However, the capacitor 10 has a high frequency current due to the leakage inductance of the high voltage transformer 3. It is inserted for the purpose of improving the fact that it does not sufficiently flow into the winding of the transformer 3, and may not be inserted if the above improvement is not necessary.
[0025]
【The invention's effect】
As explained above, according to the present invention,
(1) Since the heat sink and cooling fan of the rectifier circuit (converter circuit) and inverter circuit can be removed, it is possible to reduce the cost while reducing the size and weight.
(2) Since heat generated in the switching element of the inverter at the time of photographing can be efficiently conducted to the high voltage transformer tank having a large heat capacity, an increase in temperature of the switching element can be suppressed to a minimum.
(3) Since the wiring between the inverter circuit and the high-voltage transformer can be shortened, the inductance between them can be reduced, the inverter operation can be performed at a high frequency, the miniaturization of the high-voltage transformer can be realized, and the ideal required A close tube voltage waveform can be obtained.
[0026]
With the above three points, it is possible to obtain an ideal tube voltage waveform required for a medical X-ray apparatus, and to provide an inverter type X-ray high voltage apparatus that has a small installation area, is small and light, and is inexpensive. Can do.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a mounting layout diagram of an inverter type X-ray high voltage apparatus showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a mounted state of the smoothing capacitor and the IGBT in the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an equivalent circuit diagram of an IGBT module used in the embodiment shown in FIG.
FIG. 4 is a diagram showing a mounted state of a converter circuit, a smoothing capacitor, and an inverter circuit in a second embodiment of the present invention.
5 is a circuit diagram from a converter circuit to an inverter circuit in the embodiment shown in FIG. 4;
FIG. 6 is a circuit configuration diagram of a conventional inverter type X-ray high voltage device.
FIG. 7 is an ideal waveform diagram and an actual waveform diagram of a tube voltage in a medical X-ray apparatus.
[Explanation of symbols]
1 Rectifier circuit (converter circuit)
2 Inverter circuit 3 High voltage transformer 4 High voltage rectifier 5 High voltage cable 6 X-ray tube 8 Tube voltage detector 11 Smoothing capacitor 12 High voltage transformer tank 13 IGBT
14 Wiring from inverter to high voltage transformer 15 Fixing plate 19 Heat sink 20 Cooling fan 24 Insulating oil

Claims (2)

直流電源と、この直流電源を高周波の交流に変換するインバータ回路と、このインバータ回路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力を整流してX線管に印加する高電圧整流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、前記インバータ回路のスイッチング素子をその素子と比較してより熱伝導率の高い金属板に固定し、その固定された金属板を前記高電圧変圧器タンクの一外壁面に密着させて前記スイッチング素子の発熱を前記高電圧変圧器タンク内の絶縁油に伝導することを特徴とするインバータ式X線高電圧装置。A DC power supply, applies the DC power supply and the inverter circuit that converts the alternating current of high frequency, high voltage transformer for boosting the output voltage of the inverter circuit, the X-ray tube by rectifying the output of the high voltage transformer In the inverter type X-ray high voltage apparatus comprising the high voltage rectifier circuit, the switching element of the inverter circuit is fixed to a metal plate having a higher thermal conductivity than the element, and the fixed metal plate The inverter type X-ray high voltage apparatus is characterized in that the heat generated by the switching element is conducted to the insulating oil in the high voltage transformer tank by adhering to the outer wall surface of the high voltage transformer tank. 前記直流電源は、商用電源を受電してこれを整流する整流回路からなり、この整流回路のスイッチング素子を前記高電圧変圧器のタンクの一外壁面に取り付けて前記スイッチング素子の発熱を前記高電圧変圧器タンク内の絶縁油に伝導することを特徴とする請求項に記載のインバータ式X線高電圧装置。The DC power source is composed of a rectifier circuit that receives a commercial power source and rectifies the commercial power source. The inverter type X-ray high voltage device according to claim 1 , wherein the inverter type X-ray high voltage device is conducted to insulating oil in a transformer tank.
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