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JP4169221B2 - Inverter X-ray high voltage device - Google Patents
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JP4169221B2 - Inverter X-ray high voltage device - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、商用の交流電源をコンバータ回路で直流に変換し、その直流をインバータ回路を用いて高周波の交流に変換し、その出力電圧を高電圧変圧器で昇圧すると共に整流して直流の高電圧を発生し、これをX線管に印加してX線を放射するインバータ式X線高電圧装置に係り、特に上記交流電源の設備容量と高調波の低減とコンバータ回路,インバータ回路及び高電圧変圧器の小型化に好適なインバータ式X線高電圧装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
インバータ式X線高電圧装置は、商用の交流電源からの交流電圧を交流リアクトルを介して、サイリスタまたはダイオードで構成された全波整流回路を用いたコンバータ回路により直流電圧に変換し、これを平滑コンデンサで平滑してインバータ回路に入力する。
【0003】
このインバータ回路は、例えば特開昭63−190556号公報に記載されているように、共振コンデンサと高電圧変圧器の漏れインダクタンスとの共振現象を利用してインバータ回路の位相差や周波数を制御することにより、負荷であるX線管に直流の高電圧(以下、管電圧と呼ぶことにする)を印加するものである。すなわち、インバータ回路から出力された高周波の交流電圧を前記高電圧変圧器で昇圧し、これを高電圧整流回路で直流に変換してX線管に印加する。インバータ回路は実際の管電圧を検出し、これと目標値をインバータ制御回路に入力してインバータの位相差や周波数を求めこれを制御する。
【0004】
管電流は、フィラメント加熱回路によってX線管のフィラメントの温度を調節して制御する。このようなX線高電圧装置は、一般X線撮影装置から循環器X線撮影装置,X線CT装置等に広く適用されているが、最近の医用X線高電圧装置は、性能面だけでなく、設置面積の縮減,小型軽量化に対する要求が益々強まる一方である。なかでも高電圧変圧器が装置体積に占める割合は大きく、高電圧変圧器を小型化することが装置の小型化に有効であるために、インバータ回路の高周波化を図ってきたが、更に小型化を図るためにはインバータ回路の電流を低減してこの回路のスイッチング素子には電流容量の小さいものを用い、高電圧変圧器の巻数比を少なくしてこの変圧器の小型化を図る必要がある。
【0005】
上記巻数比を少なくすることは、高電圧変圧器の漏れ磁束が一次巻線等に鎖交して発生する渦電流損の損失低減につながり、効率が向上し、これによってインバータ回路の電流も低減し、そのスイッチング素子の電流容量低減にも効果がある。さらに高電圧変圧器の漏れインダクタンスも低減し、さらなる高周波化による高電圧変圧器の小型化も期待できる。上記インバータ回路のスイッチング素子の電流容量と高電圧変圧器の巻数比は、前記インバータ回路の入力電圧,すなわち上記交流電源電圧を全波整流した電圧の大きさ(交流電源の線間電圧ピーク値を最大電圧として、ほぼ0(V)〜線間電圧×√2(V)の範囲で、インバータ回路へ供給する電力が大きい場合はこれより電圧は下がる)で決まるため、前記スイッチング素子の電流容量と高電圧変圧器の巻数比の低減によるインバータ回路と高電圧変圧器の小型化には限界があった。
【0006】
そこで、このような場合には、交流電源電圧を昇圧する(例えば前記交流電源電圧が200Vの場合には400Vに昇圧する)変圧器を前記交流電源とコンバータ回路との間に接続して、この変圧器の出力電圧を全波整流回路で整流してインバータ回路に入力すれば良いが、前記交流電源電圧を昇圧する変圧器には大容量のものが必要となるので装置の大型化と大幅なコストアップを招き好ましくない。他の方法としては、図3に示す倍電圧整流回路を用いてインバータ回路の入力電圧を高くする方法があるが、これもインバータの入力電圧は全波整流時の2倍までしか高めることができず、インバータ回路の入力電圧をこれ以上高くして小型化するにしても限界がある。
【0007】
また、従来のサイリスタまたはダイオードで構成された全波整流式のコンバータ回路を用いたインバータ式X線高電圧装置には、力率の低下と電源高調波の問題がある。すなわち、コンバータ回路のサイリスタのゲート制御信号の位相が交流電源電圧の位相に対して遅れ位相で与えられるために、例えば図4に示すように、電流波形は電圧波形よりもφだけ位相が遅れ、力率が低下していた。このため無効電力が大きく、交流電源の設備容量はその分だけ大きくせざるを得ない。
【0008】
更に、交流電源の相電流波形も歪み、高調波成分が多く、これによって高調波電流の電源系統への流入,延いては同電源系統に接続された他の機器へ障害が及ぶこともある。
【0009】
そこで、インバータ回路の入力電圧を所定の値まで高くし、かつ力率改善と電源高調波の低減ができるコンバータ回路を用いたインバータ式X線高電圧装置が特開平7−263175号公報や特開平7−272891号公報に公開されている。これらの公報には、インバータ回路の入力電圧を高くするとともに交流電源の電圧と電流の位相の遅れを無くして力率改善と電源高調波の低減ができるパルス幅変調制御(以下、PWM制御と略記)のフルブリッジ型や混合ブリッジ型のコンバータ回路を用いたインバータ式X線高電圧装置が提案されている。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の特開平7−263175号及び特開平7−272891号公報のPWM制御コンバータ回路を用いたインバータ式X線高電圧装置には以下のような問題点があった。
【0011】
(1)特開平7−263175号公報のコンバータ回路の問題点
このコンバータ回路は、自己消弧可能なスイッチング素子,例えばIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)からなる4つのスイッチング素子を組み合わせてフルブリッジ型を構成するので、スイッチング素子の数が多く経済性に難点がある。
【0012】
(2)特開平7−272891号公報のコンバータ回路の問題点
このコンバータ回路は、フルブリッジ型の4アームのうちの交流側又は直流側の2アームのみに自己消弧可能なスイッチング素子を用いるもので(混合ブリッジ型),自己消弧可能なスイッチング素子の数は少なく経済性の点でメリットがある。
【0013】
しかし、コンバータ回路の負荷電力を電源側に返す電力回生ができないためインバータ回路の入力電力となるコンバータ回路の出力電圧を下げたい時に下げられない点,及び交流電源の相電流のゼロ付近において電流波形を正弦波とすることができないため(この電流波形を図6に示す)、上記フルブリッジ型と比較すると力率が低く、電源高調波も大きくなるという欠点がある。
【0014】
(3)特開平7−263175号及び特開平7−272891号公報に共通の問題点
1.通常、商用の交流電源にはV相接地のものが用いられ、上述したフルブリッジ型,混合ブリッジ型の昇圧機能を有するPWM制御方式コンバータ回路に対しては、コンバータ回路のブリッジを構成する二組の自己消弧可能なスイッチング素子の直列接続体のうちの任意の一方の直列接続体の接続点を接地する。このことから、コンバータ回路の直流出力の正側の端子は、直流出力電圧をVDCとして、前記接地点から見てゼロボルトからVDCボルトまでの範囲で、またコンバータ回路の直流出力の負側の端子は、−VDCボルトからゼロボルトの範囲で大きく変化し、上記スイッチング素子のスイッチングによって前記電圧の変化率(dv/dt)が大きいので、これによって発生するノイズによる誤動作を起こすことも多く、その対策に多くの労力が費やされる。
【0015】
2.上記PWM制御方式のコンバータ回路を用いたインバータ式X線高電圧装置においては、コンバータ回路とインバータ回路は、IGBTとそれに逆並列に接続されたダイオードを含むスイッチングモジュールを組み合わせて構成し、これらのコンバータ回路とインバータ回路は別々に配置していた。また、前記スイッチングモジュールは耐電圧と電流容量に応じたサイズを持っており、それ相応のスペースを要するために、前記スイッチングモジュールのサイズが主回路全体のサイズをほぼ決定しており、小型化にも限界があった。また、前記各スイッチングモジュールは別個に配置されていたため、それらを接続する配線にインダクタンス成分が存在し、これがスイッチング時のサージ電圧を大きくさせると共にスイッチング損失を大きくしていた。このため、サージ電圧を抑制する手段やスイッチング素子を冷却する手段の実装が大がかりとなるものであった。
【0016】
本発明の目的は、電源設備容量及び電源高調波を低減することが可能で、小型で安価な,より信頼性の高いインバータ式X線高電圧装置を提供することにある。
【0017】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、交流電源を受電しこれを整流するコンバータ回路と、このコンバータ回路の出力電圧を高周波の交流に交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電圧を整流する高電圧整流回路と,この高電圧整流回路の出力電圧である直流電圧を印加してX線を放射するX線管とを備えたインバータ式X線高電圧装置において、上記コンバータ回路は、上記交流電源の電圧と電流の位相を一致させると共に上記インバータ回路への入力電圧を所定の設定値と等しくなるよにすることによって達成される。
特に、上記コンバータ回路は、自己消弧可能なスイッチング素子とこのスイッチング素子と逆並列に接続されたダイオードから成る二組のスイッチングモジュールを直列に接続したスイッチングモジュール直列接続体と、このスイッチングモジュール直列接続体と並列に二つのコンデンサを直列に接続したコンデンサ直列接続体とで構成され、前記スイッチングモジュール直列接続体の接続点に交流リアクトルの一端を接続し、この交流リアクトルの他の一端と前記コンデンサ直列接続体の接続点に上記交流電源を接続し、この交流電源の電圧と位相差及び前記コンデンサ直列接続体の両端の電圧の設定値との誤差に応じて上記二組のスイッチングモジュールをパルス幅変調制御して前記交流電源の電圧と電流の位相を一致させると共に前記コンデンサ直列接続体の両端の電圧を設定値に制御するパルス幅変調制御回路を具備し、前記コンデンサ直列接続体の両端の電圧を上記インバータ回路に入力することによって達成される。
【0018】
このように構成されたインバータ式X線高電圧装置は、二つの自己消弧可能なスイッチング素子及びダイオードと二つのコンデンサと一つの交流リアクトルとから成る最少の回路構成のコンバータ回路で交流電源の電流と電圧の位相差及び二つのコンデンサの両端電圧(インバータ回路の入力電圧)の設定値との誤差に応じて前記スイッチング素子をパルス幅変調制御し、交流電源の電流と電圧の位相を一致させると共に上記インバータ回路の入力電圧を設定値と等しくなるように制御する。これにより、交流電源の電流と電圧の位相が一致し、かつ電流波形は歪みのない正弦波となる。従って、力率は改善されて皮相電力は小さくなり、電源設備容量を小さくでき、かつ電源高調波も除去される。
【0019】
上記のコンバータ回路は、従来のフルブリッジ型や混合ブリッジ型のパルス幅変調制御方式のコンバータ回路と比較しても、小型軽量・安価にでき、1相をダイオードで構成した混合ブリッジ型とは異なって、電力回生ができ、相電流がゼロ付近でも相電流波形をより正弦波に近づけることができるので、特に透視時のように長時間にわたってX線を曝射する場合には電力消費量を低減できるので有利となる。
【0020】
そして、通常、交流電源にはV相接地のものが用いられ、上記のフルブリッジ型,混合ブリッジ型のコンバータ回路に対しては、コンバータ回路の片側のブリッジの中点を接地する。このことから、上記フルブリッジ型,混合ブリッジ型コンバータ回路の正側の出力端子は、直流出力電圧をVDCとして、アースから見てゼロボルトからVDCボルトまでの範囲で、またコンバータ回路の負側の出力端子は、−VDCボルトからゼロボルトの範囲で大きく変化してスイッチングノイズを発生し、このノイズで誤動作を起こすこともあった。しかし、本構成とすることにより、コンバータ回路の平滑コンデンサ(コンデンサ直列接続体)の中点をアース電位に落とすことができるので、コンバータ回路の正側の出力端子は、直流出力電圧をVDCとして、アースから見ておおよそゼロボルトからVDC/2ボルトまでの範囲で、またコンバータ回路の負側の出力端子は、−VDC/2ボルトからゼロボルトの範囲でしか変化しないことになる。つまり、フルブリッジ型,混合ブリッジ型と比較してその変化範囲はほぼ二分の一で収まることになり、スイッチングノイズに対してもそれだけ強い回路方式とする事ができる点で有利となる。
【0021】
また、上記コンバータ回路の昇圧機能を利用して、インバータ回路の入力電圧を最適な値まで高くする。これによって、高電圧変圧器の巻数比を少なくすることによる小型化のみならず、この高電圧変圧器の漏れ磁束も小さくしなって電力損失が低減して効率が向上する。そして、この効率向上とインバータ回路の入力電圧を高くすることによる回路の電流低減によりインバータ回路も小型化することができ、さらにスイッチングノイズも低減するので信頼性も向上する。
【0022】
また、自己消弧可能なスイッチング素子とこのスイッチング素子と逆並列に接続されたダイオードから成る二組のスイッチングモジュールを直列に接続したスイッチングモジュール直列接続体を二組並列に接続若しくは一組で上記インバータ回路を構成し、これらの二組並列に接続若しくは一組のスイッチングモジュールを直列接続体と上記コンバータ回路のスイッチングモジュール直列接続体と並列に接続して三相スイッチングモジュール若しくは単相スイッチングモジュールを構成する。
【0023】
このように構成された三相スイッチングモジュール若しくは単相スイッチングモジュールを用いてコンバータ回路及びインバータ回路を構成することにより、主回路部品に要するスペースとコストが低減でき、その上、コンバータ回路とインバータ回路間の配線のインダクタンスが低減して、スイッチング時のサージ電圧の低減による信頼性向上とスイッチング素子の損失低減によるこの素子の冷却実装の簡単化を図ることができる。
【0024】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
図1は、本発明によるインバータ式X線高電圧装置の第1の実施例を示す構成図である。このX線高電圧装置は、商用電源を直流に変換するコンバータ回路の出力電圧(直流電圧)をインバータ回路を用いて高周波の交流電圧に変換し、その出力電圧を変圧器で昇圧した後整流して直流の高電圧をX線管に印加してX線を放射するもので、コンバータ回路1と,インバータ回路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,コンバータ制御回路9及びインバータ制御回路10等で構成される。
【0025】
次に上記構成要素のそれぞれの機能について簡単に説明する。上記コンバータ回路1は、直流電圧を供給する装置であり、50Hzまたは60Hzの商用の交流電源30の交流電圧を整流するものである。インバータ回路2は、上記コンバータ回路1から出力された直流電圧を受電して高周波の交流電圧に変換すると共に管電圧を制御するものである。インバータ回路2は、上記コンバータ回路1から出力された直流電圧を受電して高周波の交流電圧に変換すると共に管電圧を制御するものである。
【0026】
高電圧変圧器3は、上記インバータ回路2からの交流電圧を昇圧するものであり、その一次側がインバータ回路2の出力に接続されている。X線管6は、上記高電圧整流回路4からの出力電圧を高電圧ケーブル5を介してX線を放射するもので、高電圧整流回路4の出力側に接続されている。さらに、上記コンバータ回路1は、上記交流電源30の電流と電圧の位相及びコンバータ回路1の出力電圧の設定値と実際の出力電圧との差に応じて前記コンバータ回路1のスイッチング素子であるIGBT13,14をパルス幅変調制御し、前記交流電源30の電流と電圧の位相を一致させると同時に、前記コンバータ回路1の出力電圧を前記設定値に一致させるように制御信号S1を生成するものである。
【0027】
また、上記インバータ制御回路10は、目標管電圧信号Vrと管電圧検出信号Vxを入力して目標管電圧信号Vrと管電圧検出信号Vxとを比較演算し上記X線管6の管電圧が目標管電圧と一致するように制御信号S2を生成するものである。
なお、26はインバータ回路2の出力側に挿入された共振用コンデンサで、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、上記の必要のない場合は挿入しなくてもよい。
【0028】
続いて、本発明の要部であるコンバータ回路1及びインバータ回路2の構成と機能について図1を用いて説明する。11,12は商用電源30の片側の1相を中点として直列接続されコンデンサ,13〜18は電力用半導体スイッチ,ここではIGBTであり、19〜24はIGBT13〜18にそれぞれ逆並列に接続されたダイオードである。これらIGBT13,14及びダイオード19,20とはコンデンサ11,12と共にコンバータ回路1を構成し、またIGBT15〜18及びダイオード21〜24とはインバータ回路2を構成している。そして、本実施例においては、コンバータ回路1及びインバータ回路2に用いるスイッチングモジュール(IGBTとこれと逆並列接続のダイオード)には同種のものが適用でき、しかもそれらの向きを揃えることができるため、IGBTとそれに逆並列接続されたダイオードの組が合計6個(2組の直列接続体を3組並列接続)内蔵された三相スイッチングモジュール25を適用して小型化とコスト低減を図っている。また、このように三相スイッチングモジュールを適用することによりコンバータ回路1とインバータ回路2との間の配線のインダクタンス分を低減してスイッチングによるサージ電圧を低減し、これによってスイッチング損失も低減している。
【0029】
そして、7は相間に挿入されたコンデンサであり、コンバータ回路1のスイッチングによる高周波の電源変動が電源側に戻ることを防ぐ目的で設けられており、動作原理上は必ずしも必要とするものではない。8は商用電源30とコンバータ回路2との間に挿入した交流リアクトルであり、後述するようにコンバータ回路1に昇圧機能を持たせると同時に、コンバータ回路1のスイッチングによって生じる電圧変動が電源側に戻らないように設けたものである。以下、上述の構成の本発明装置の要部における動作を説明するが、コンバータ回路1以降の動作は従来装置と同様であるので、その説明は省略する。
【0030】
本発明装置は、自己消弧可能なスイッチング素子を用いてコンバータ回路1を構成した点に大きな特徴があるので、このコンバータ回路1の動作を図2を用いて説明する。
【0031】
図2には、この回路における全ての動作モードを示してある。相電流の向きについて分類すれば、(a)と(b)は相電流が正の時であり、(c)と(d)は相電流が負の場合である。また、スイッチの動作状態で分類すれば(a)と(c)は、上側のスイッチがオン、下側のスイッチがオフの状態であり、(b)と(d)は、上側のスイッチがオフ、下側のスイッチがオンの状態である。そして、コンデンサ11あるいは12の充電,放電の動作で言えば(a)と(d)がコンデンサを充電(出力電圧が増加)するモードであり、(b)と(c)はコンデンサが放電(出力電圧が減少:電源側に電力を回生するモード)するモードである。なお、このコンバータ制御の基本的なアルゴリズムとしては上側のスイッチ13と下側のスイッチ14とは交互にオン/オフを繰り返す動作である。
【0032】
まず、出力電圧の制御と昇圧動作について説明する。相電流が正の時について考えると、(a)と(b)の充電/放電モードの時間比を制御することで出力電圧が制御できるが、スイッチのスイッチングのたびに電流の経路が変わり、その都度電源電圧はコンデンサ11あるいは12を介して短絡し、相電流が急激に増加すると同時に交流リアクトル8の両端の電圧は大きく増加することになる(交流リアクトル8の両端の電圧はLu・diu/dt、ただしLuは交流リアクトル8のインダクタンスの値)。
【0033】
この状態で、充電モード(a)とすることにより、リアクトル8の両端に高い電圧が発生しているので、これが電源電圧に加わることによってコンデンサ11が高い電圧になるまで充電される。これによって交流電源電圧のピーク値以上の高い電圧を得ること(昇圧動作:理論的には無限大の電圧が得られるが、実際には交流リアクトル8やスイッチング素子の損失等によって制約がある)が可能となる。また相電流の向きが逆(負)の場合にも上述したものと同様である。
【0034】
次に相電流の制御と高力率化について説明する。出力圧VDCの中点aを基準電位(アース)とし、上側のスイッチ13のコレクタ側の電位を+VDC/2,下側のスイッチ14のエミッタ側の電位を―VDC/2とする。また、交流電源30の1周期に対する上側のスイッチ13がオンする時間の割合をここではデューティと呼ぶが、このデューティを制御することがすなわち上述した充電/放電モードの比率を制御することと同一である。
【0035】
上側のスイッチ13と下側のスイッチ14の中点aの電位は、上側のスイッチ13と下側のスイッチ14がそれぞれ交互にオンするたびに、+VDC/2,―VDC/2となる。
従って、デューティを制御すると、中点aの平均電位を+VDC/2〜―VDC/2に制御でき、上記のように中点aの平均電位を制御すると、出力電圧のみならず交流リアクトル8に流れる電流iuも制御できる。また、交流電源電圧を観測し、この波形と相電流とが同じ位相になるようにパルス幅変調制御をすることによって、上記交流電源電圧とほぼ同じ位相の相電流波形とすることが可能となり、コンバータ回路1は高力率の電力を受電できることになる。なお、本コンバータ回路1は、相電流の正負が反転する際(例えばモード(a)→モード(c)に移行する場合)にも同じ電流経路で相電流の向きを反転させることで電流値を連続的に制御できるので、相電流値がゼロ付近でも相電流波形を正弦波状に制御することができる。
【0036】
図5に本発明装置における単相交流電源30の相電流とパルス幅変調信号の波形図を示す。このパルス幅変調制御の変調周波数を高くすることや交流側のフィルタの定数を調節する等により、一層滑らかな正弦波電流が得られる。
【0037】
このようにしてインバータ回路の入力電圧を高くして、高電圧変圧器の巻数比の低減及びインバータ回路の電流低減を図り、前記高電圧変圧器及びインバータ回路の小型化が可能となる。また、交流電源の電圧と電流の位相の一致による高力率化と相電流の正弦波化によって電源設備容量の低減と電源高調波の低減に大きく寄与するものである。
【0038】
次に、コンバータ回路1とインバータ回路2を三相スイッチングモジュールで一体化してこれらの回路の小型化とこれらの回路間の配線インダクタンスの低減によるスイッチングノイズの低減について説明する。通常、電力用半導体スイッチング素子メーカが用意しているスイッチング素子の耐圧の種類は、1200Vの下が600Vであるなど比較的粗くなっているのに対し、電流定格については例えば50A,75A,100A,150A,200A,300A,400Aというように比較的細かく区分されている。従来装置においては、例えば単相200V電源を用いる場合は、コンバータ回路の出力電圧は倍電圧整流回路(図3)の場合でも最大で450V程度であったが、スイッチング素子の耐圧は1200Vを採用しており、スイッチング時や異常動作時のサージ電圧を考慮しても耐圧の点では余裕がありすぎた。
【0039】
しかし、1200V耐圧の下の600V耐圧のものでは余裕がなく、スペックダウンができず、サイズの大きな1200V耐圧のものを採用せざるを得ない場合があった。
【0040】
そこで、本発明によってインバータ回路の入力電圧を素子耐圧相応の電圧にまで昇圧し、その分インバータ回路の電流を低減して(最終的な出力電力は電圧×電流の値にほぼ比例するので、電圧を高めればその分電流値を小さくできる)細かく分類された電流定格を選べば、X線高電圧装置の定格に応じた最適なスイッチング素子を選択することが出来るようになる。このようにしてスイッチング素子を選択し、かつコンバータ回路1及びインバータ回路2を一個の三相スイッチングモジュールで実装すれば、これらの回路の小型化とこれらの回路間の配線インダクタンスを低減することができ、スイッチングノイズの低減及びスイッチング素子を冷却するための実装が簡単になり、回路が大幅に小型化する。さらに、図1のコンバータ回路1を用いることにより、コンバータ回路1の平滑コンデンサ11,12の中点をアース電位に落とすことができるので、コンバータ回路1の正側の出力端子は、直流出力電圧をVDCとして、アースから見ておおよそゼロボルトからVDC/2ボルトまでの範囲で、またコンバータ回路1の負側の出力端子は、−VDC/2ボルトからゼロボルトの範囲、つまりフルブリッジ型,混合ブリッジ型と比較してほぼ二分の一の範囲の電圧変化で済むので、スイッチングノイズに対してもそれだけ強い回路方式とすることができる。
【0041】
図7に上記したコンバータ回路1とハーフブリッジ型のインバータ回路40を組み合わせたインバータ式X線高電圧装置を示す。
このインバータ式X線高電圧装置のインバータ回路40は、IGBT50及びこれに逆並列接続されたダイオード60とIGBT51及びこれに逆並列接続されたダイオード61の直列接続体の接続点を直列共振コンデンサ26の一端に接続し、コンデンサ11と12の接続点に高電圧変圧器3の一次巻線の一端を接続してハーフブリッジ型のインバータ回路を構成している。その他は図1と同じであるのでその説明は省略する。
【0042】
このハーフブリッジ型のインバータ回路40の出力電圧は、図1のフルブリッジ型の1/2となるので、高電圧変圧器3に入力する電圧をフルブリッジ型と同じにするためにはインバータ回路40の入力電圧、すなわちコンバータ回路1の出力電圧を図1の場合の2倍になるようにコンバータ回路1の動作点を設定すれば良い。このようにするとインバータ回路の電流を図1と同一にできるので、コンバータ回路1及びインバータ回路40以外は図1と同一にできる。
【0043】
また、コンバータ回路1及びインバータ回路40に用いるスイッチには同種のものが適用でき、しかもそれらの向きを揃えることができるため、IGBTとそれに逆並列接続されたダイオードの組が合計4個(2組の直列接続体を2組並列接続)内蔵された単相スイッチングモジュール70を適用して、図1のものよりもさらなる小型化と低コスト化を図ることができる。さらに、このように単相スイッチングモジュールを適用することによりコンバータ回路1とインバータ回路2との間の配線のインダクタンス分を低減してスイッチングによるサージ電圧を低減し、これによってスイッチング損失も低減できることは図1の実施例と同様である。
【0044】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によれば以下の効果が得られる。
【0045】
(1)コンバータ回路のパルス幅変調制御の効果
交流電源の電圧と電流の位相が一致し、かつ前記交流電源の電流を正弦波にできるので、力率を高くして交流電源の設備容量の低減と電源高調波の低減による周辺機器への影響を除去できる。
【0046】
(2)コンバータ回路の昇圧機能の効果
最少の構成のコンバータ回路でインバータ回路の入力電圧をスイッチング素子耐電圧相応の電圧にまで昇圧してインバータ回路の電流を低減し、細かく分類された電流定格の素子を選べば、X線高電圧装置の定格に応じた最適なスイッチング素子を選択できるので、インバータ回路の小型化が可能となる。これと共に高電圧変圧器の巻数比も少なくなるの高電圧変圧器の小型化が図れ、更に高電圧変圧器の巻数比の大幅低減によって漏れ磁束が低減し、これによって生じる変圧器の損失低減によりインバータ回路及び高電圧変圧器は一層小型にできる。
【0047】
(3)コンバータ回路とインバータ回路の一体化の効果
コンバータ回路はその素子数が2個で構成できるので、フルブリッジ型のインバータ回路を適用の場合は、コンバータ回路とインバータ回路のスイッチング素子数は6個で済み、2組のスイッチング素子の直列接続体を3組並列接続したものを一体化した三相スイッチングモジュールが適用できる。また、ハーフブリッジ型のインバータ回路を適用した場合は、コンバータ回路とインバータ回路のスイッチング素子数は4個で済み、2組のスイッチング素子の直列接続体を2組並列接続したものを一体化した単相スイッチングモジュールが適用できる。したがって、コンバータ回路及びインバータ回路はモジュール化されてこれらの回路の大幅な小型化が可能となる。また、このようにモジュール化することによって、コンバータ回路とインバータ回路間の配線のインダクタンスが低減するので、スイッチングノイズとスイッチング素子の損失が低減し、ノイズ吸収と素子の冷却実装の簡単化による回路の一層の小型化とX線高電圧装置の信頼性向上に大きく貢献する。
【0048】
(4)接地(アース)方法の効果
本発明のコンバータ回路の平滑コンデンサの中点をアース電位に落とすことができるので、コンバータ回路の正側の出力の端子は、直流出力電圧をVDCとして,アースから見ておおよそゼロボルトからVDC/2ボルトまでの範囲で、またコンバータ回路の負側の出力端子は、−VDC/2ボルトからゼロボルトの範囲、つまり従来フルブリッジ型及び混合ブリッジ型と比較してほぼ二分の一範囲の電圧変化に留まり、スイッチングノイズに対してもそれだけ強い回路方式とする事ができ、装置の信頼性が向上する。
【0049】
以上の効果をまとめると、小型化,電源設備容量低減,信頼性向上(ノイズ低減,電源高調波低減)となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第一の実施例によるインバータ式X線高電圧装置の回路構図である。
【図2】本発明の図1のコンバータ回路の動作を説明するための図である。
【図3】従来の単相倍電圧整流方式のコンバータ回路を示す図である。
【図4】従来のサイリスタ又はダイオードによる全波整流方式のコンバータ回路を用いた場合の単相交流電源の電流と電圧の波形図である。
【図5】本発明の図1のコンバータ回路を用いた場合の単相交流電源の電流とパルス幅変調信号の波形図である。
【図6】従来の混合ブリッジ型の昇圧機能を有するコンバータ回路を用いた場合の単相交流電源の電流波形図である。
【図7】本発明の第二の実施例によるインバータ式X線高電圧装置の回路構成図である。
【符号の説明】
1 コンバータ回路
2 インバータ回路(フルブリッジ型)
3 高電圧変圧器
4 高電圧整流回路
6 X線管
7 コンデンサ
8 交流リアクトル
9 コンバータ制御回路
10 インバータ制御回路
11,12 コンデンサ
13〜18,50,51 IGBT
19〜24,60,61 ダイオード
25 三相モジュール
30 単相交流電源
40 インバータ回路(ハーフブリッジ型)
70 単相モジュール
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention converts a commercial alternating current power source into a direct current with a converter circuit, converts the direct current into a high frequency alternating current with an inverter circuit, boosts the output voltage with a high voltage transformer, and rectifies the high voltage direct current. The present invention relates to an inverter type X-ray high voltage apparatus that generates a voltage and applies it to an X-ray tube to emit X-rays. In particular, it reduces the equipment capacity and harmonics of the AC power supply, converter circuit, inverter circuit and high voltage. The present invention relates to an inverter type X-ray high voltage device suitable for miniaturization of a transformer.
[0002]
[Prior art]
An inverter X-ray high-voltage device converts an AC voltage from a commercial AC power source into a DC voltage via an AC reactor by a converter circuit using a full-wave rectifier circuit composed of a thyristor or a diode, and smoothes this. Smoothed with a capacitor and input to the inverter circuit.
[0003]
This inverter circuit controls the phase difference and frequency of the inverter circuit by utilizing the resonance phenomenon between the resonant capacitor and the leakage inductance of the high voltage transformer, as described in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 63-190556. Thus, a high DC voltage (hereinafter referred to as tube voltage) is applied to the X-ray tube as a load. That is, the high-frequency AC voltage output from the inverter circuit is boosted by the high-voltage transformer, converted into DC by the high-voltage rectifier circuit, and applied to the X-ray tube. The inverter circuit detects the actual tube voltage, inputs this and the target value to the inverter control circuit, and obtains and controls the phase difference and frequency of the inverter.
[0004]
The tube current is controlled by adjusting the filament temperature of the X-ray tube by a filament heating circuit. Such X-ray high voltage apparatuses are widely applied from general X-ray imaging apparatuses to circulatory X-ray imaging apparatuses, X-ray CT apparatuses, etc., but recent medical X-ray high voltage apparatuses are only in terms of performance. However, the demand for reducing the installation area and reducing the size and weight is increasing. In particular, high-voltage transformers account for a large percentage of the equipment volume, and downsizing the high-voltage transformer is effective for downsizing the equipment. In order to achieve this, it is necessary to reduce the current of the inverter circuit and use a switching element of this circuit with a small current capacity, to reduce the turn ratio of the high voltage transformer and to reduce the size of the transformer. .
[0005]
Reducing the turns ratio leads to reduced loss of eddy current loss caused by the leakage flux of the high voltage transformer interlinked with the primary winding, etc., improving efficiency, thereby reducing the inverter circuit current. In addition, the current capacity of the switching element is also reduced. Furthermore, the leakage inductance of the high voltage transformer is reduced, and the high voltage transformer can be expected to be miniaturized by further increasing the frequency. The current capacity of the switching element of the inverter circuit and the turns ratio of the high voltage transformer are the magnitude of the input voltage of the inverter circuit, that is, the voltage obtained by full-wave rectification of the AC power supply voltage (the line voltage peak value of the AC power supply). The maximum voltage is determined in the range of approximately 0 (V) to line voltage × √2 (V), and when the power supplied to the inverter circuit is large, the voltage is lowered. There was a limit to the miniaturization of inverter circuits and high voltage transformers by reducing the turn ratio of high voltage transformers.
[0006]
Therefore, in such a case, a transformer for boosting the AC power supply voltage (for example, boosting to 400 V when the AC power supply voltage is 200 V) is connected between the AC power supply and the converter circuit, and this The output voltage of the transformer may be rectified by a full-wave rectifier circuit and input to the inverter circuit. However, since the transformer for boosting the AC power supply voltage requires a large capacity, the size of the device is greatly increased. This is not preferable because it increases costs. As another method, there is a method of increasing the input voltage of the inverter circuit by using the voltage doubler rectifier circuit shown in FIG. 3, but this also can increase the input voltage of the inverter only up to twice that during full-wave rectification. However, there is a limit even if the input voltage of the inverter circuit is further increased to reduce the size.
[0007]
Further, the inverter type X-ray high voltage apparatus using a full-wave rectification type converter circuit composed of a conventional thyristor or diode has a problem of power factor reduction and power supply harmonics. That is, because the phase of the gate control signal of the thyristor of the converter circuit is given as a delayed phase with respect to the phase of the AC power supply voltage, for example, as shown in FIG. 4, the current waveform is delayed in phase by φ from the voltage waveform, The power factor was decreasing. For this reason, reactive power is large, and the installation capacity of the AC power source must be increased accordingly.
[0008]
Furthermore, the phase current waveform of the AC power supply is also distorted and has many harmonic components. This may cause the harmonic current to flow into the power supply system, and thus cause troubles to other devices connected to the power supply system.
[0009]
In view of this, an inverter type X-ray high voltage apparatus using a converter circuit capable of increasing the input voltage of the inverter circuit to a predetermined value and improving the power factor and reducing the power supply harmonics is disclosed in Japanese Patent Laid-Open Nos. 7-263175 and It is disclosed in Japanese Patent Application No. 7-272891. In these publications, pulse width modulation control (hereinafter abbreviated as PWM control) that can increase the input voltage of the inverter circuit and eliminate the delay of the phase of the voltage and current of the AC power supply to improve the power factor and reduce the power supply harmonics. Inverter X-ray high-voltage devices using full-bridge or mixed-bridge type converter circuits have been proposed.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, the inverter type X-ray high voltage apparatus using the PWM control converter circuit described in Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 7-263175 and 7-272891 has the following problems.
[0011]
(1) Problems of the converter circuit disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 7-263175
Since this converter circuit forms a full bridge type by combining four switching elements made of self-extinguishing switching elements, for example, IGBTs (insulated gate bipolar transistors), there are many switching elements and there is a difficulty in economical efficiency. is there.
[0012]
(2) Problems with the converter circuit of Japanese Patent Laid-Open No. 7-272891
This converter circuit uses a switching element capable of self-extinguishing only in two arms on the AC side or DC side of four full-bridge type arms (mixed bridge type), and the number of switching elements capable of self-extinguishing There are few advantages in terms of economy.
[0013]
However, since the power regeneration that returns the load power of the converter circuit to the power supply side cannot be performed, it cannot be reduced when it is desired to reduce the output voltage of the converter circuit, which is the input power of the inverter circuit, and the current waveform near zero of the phase current of the AC power supply Cannot be a sine wave (this current waveform is shown in FIG. 6), and therefore has a disadvantage that the power factor is lower and the power harmonics are larger than the full bridge type.
[0014]
(3) Problems common to JP-A-7-263175 and JP-A-7-272891
1. In general, a commercial AC power supply having a V-phase ground is used. For the PWM control system converter circuit having the above-described full bridge type and mixed bridge type boosting functions, a bridge of the converter circuit is configured. The connection point of any one of the series connection bodies of the set of self-extinguishing switching elements is grounded. From this, the positive terminal of the DC output of the converter circuit is in the range from zero volt to VDC volt when viewed from the ground point with the DC output voltage as VDC, and the negative terminal of the DC output of the converter circuit is Since the voltage change rate (dv / dt) is large due to the switching of the switching element, it often causes malfunction due to noise generated by the switching element, and many countermeasures are taken. The effort is spent.
[0015]
2. In the inverter type X-ray high voltage apparatus using the PWM control type converter circuit, the converter circuit and the inverter circuit are configured by combining an IGBT and a switching module including a diode connected in reverse parallel thereto, and these converters The circuit and the inverter circuit were arranged separately. In addition, since the switching module has a size corresponding to a withstand voltage and a current capacity and requires a corresponding space, the size of the switching module almost determines the size of the entire main circuit, so that the size can be reduced. There was also a limit. Further, since each of the switching modules is arranged separately, an inductance component exists in the wiring connecting them, which increases the surge voltage at the time of switching and increases the switching loss. For this reason, mounting of the means for suppressing the surge voltage and the means for cooling the switching element has become a major issue.
[0016]
An object of the present invention is to provide an inverter-type X-ray high-voltage apparatus that can reduce power supply capacity and power supply harmonics, is small and inexpensive, and has higher reliability.
[0017]
[Means for Solving the Problems]
  The purpose of the present invention is to receive an AC power supply and rectify the converter circuit, an inverter circuit that replaces the output voltage of the converter circuit with a high-frequency AC, a high-voltage transformer that boosts the output voltage of the inverter circuit, Inverter-type X-ray high voltage comprising a high-voltage rectifier circuit that rectifies the output voltage of the high-voltage transformer, and an X-ray tube that applies a DC voltage that is the output voltage of the high-voltage rectifier circuit to emit X-rays In the deviceThe converter circuit is achieved by matching the phase of the voltage and current of the AC power supply and making the input voltage to the inverter circuit equal to a predetermined set value.
  In particular,The converter circuit includes a switching module series connection body in which two sets of switching modules each including a self-extinguishing switching element and a diode connected in reverse parallel to the switching element, and the switching module series connection body, A capacitor series connection body in which two capacitors are connected in series in parallel, one end of the AC reactor is connected to the connection point of the switching module series connection body, the other end of the AC reactor and the capacitor series connection body The AC power source is connected to the connection point of the AC power source, and the pulse width modulation control of the two sets of switching modules is performed in accordance with an error between the voltage of the AC power source and the phase difference and the set value of the voltage across the capacitor series connection body. To match the phase of the voltage and current of the AC power supply and Comprising a pulse width modulation control circuit for controlling the voltage across the series connection body to the set value, the voltage across the capacitor series connection is accomplished by input to the inverter circuit.
[0018]
The inverter type X-ray high-voltage apparatus configured as described above is a converter circuit having a minimum circuit configuration including two self-extinguishing switching elements and diodes, two capacitors, and one AC reactor. The switching element is subjected to pulse width modulation control in accordance with an error between the phase difference between the voltage and the voltage across the two capacitors (the input voltage of the inverter circuit) to match the phase of the current and voltage of the AC power supply. The input voltage of the inverter circuit is controlled to be equal to the set value. As a result, the phase of the current and the voltage of the AC power supply coincide with each other, and the current waveform becomes a sine wave without distortion. Accordingly, the power factor is improved, the apparent power is reduced, the capacity of the power supply facility can be reduced, and the power supply harmonics are also eliminated.
[0019]
The above converter circuit is smaller, lighter and cheaper than the conventional full bridge type or mixed bridge type pulse width modulation control type converter circuit, and is different from the mixed bridge type in which one phase is composed of a diode. Power regeneration is possible, and even when the phase current is near zero, the phase current waveform can be made closer to a sine wave, reducing power consumption especially when X-rays are exposed for a long time, such as during fluoroscopy. This is advantageous.
[0020]
Normally, a V-phase grounded one is used as the AC power source, and the midpoint of the bridge on one side of the converter circuit is grounded for the above-mentioned full bridge type and mixed bridge type converter circuit. From this, the output terminal on the positive side of the full-bridge type and mixed-bridge type converter circuit has a DC output voltage as VDC, in the range from zero volt to VDC volt when viewed from the ground, and the negative output of the converter circuit. The terminal greatly changes in the range of -VDC volt to zero volt to generate switching noise, and this noise sometimes causes malfunction. However, with this configuration, the midpoint of the smoothing capacitor (capacitor series connection body) of the converter circuit can be dropped to the ground potential, so that the output terminal on the positive side of the converter circuit has a DC output voltage as VDC, The range of approximately zero volts to VDC / 2 volts as viewed from the ground, and the negative output terminal of the converter circuit will change only in the range of -VDC / 2 volts to zero volts. That is, the change range is almost halved compared to the full bridge type and the mixed bridge type, which is advantageous in that the circuit system can be made stronger against switching noise.
[0021]
Also, the input voltage of the inverter circuit is increased to an optimum value by using the boosting function of the converter circuit. As a result, not only miniaturization by reducing the turn ratio of the high voltage transformer, but also leakage flux of the high voltage transformer is reduced, thereby reducing power loss and improving efficiency. The inverter circuit can be reduced in size by reducing the circuit current by increasing the input voltage of the inverter circuit and increasing the input voltage of the inverter circuit, and the switching noise is also reduced, so that the reliability is improved.
[0022]
In addition, two sets of switching modules, each of which includes a switching element capable of self-extinguishing and a diode connected in antiparallel with the switching element, are connected in series, or two sets of switching module series connection bodies are connected in parallel. A circuit is configured, and these two sets are connected in parallel or a set of switching modules are connected in parallel with a series connection body and a switching module series connection body of the converter circuit to form a three-phase switching module or a single-phase switching module. .
[0023]
By configuring the converter circuit and the inverter circuit using the three-phase switching module or the single-phase switching module configured as described above, it is possible to reduce the space and cost required for the main circuit components, and between the converter circuit and the inverter circuit. As a result, the inductance of the wiring can be reduced, the reliability can be improved by reducing the surge voltage during switching, and the cooling and mounting of the element can be simplified by reducing the loss of the switching element.
[0024]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of an inverter type X-ray high voltage apparatus according to the present invention. This X-ray high-voltage device converts the output voltage (DC voltage) of a converter circuit that converts commercial power into DC to an AC voltage of high frequency using an inverter circuit, boosts the output voltage with a transformer, and then rectifies it. A DC high voltage is applied to the X-ray tube to emit X-rays. The converter circuit 1, the inverter circuit 2, the high voltage transformer 3, the high voltage rectifier circuit 4, and the high voltage cable 5 , An X-ray tube 6, a converter control circuit 9, an inverter control circuit 10 and the like.
[0025]
Next, the function of each component will be briefly described. The converter circuit 1 is a device that supplies a DC voltage, and rectifies the AC voltage of a commercial AC power supply 30 of 50 Hz or 60 Hz. The inverter circuit 2 receives the DC voltage output from the converter circuit 1 and converts it into a high-frequency AC voltage and controls the tube voltage. The inverter circuit 2 receives the DC voltage output from the converter circuit 1 and converts it into a high-frequency AC voltage and controls the tube voltage.
[0026]
The high voltage transformer 3 boosts the AC voltage from the inverter circuit 2, and its primary side is connected to the output of the inverter circuit 2. The X-ray tube 6 emits X-rays from the high voltage rectifier circuit 4 via the high voltage cable 5, and is connected to the output side of the high voltage rectifier circuit 4. Further, the converter circuit 1 includes an IGBT 13 which is a switching element of the converter circuit 1 according to a difference between a current and voltage phase of the AC power supply 30 and a set value of the output voltage of the converter circuit 1 and an actual output voltage. 14 is subjected to pulse width modulation control to match the phase of the current and voltage of the AC power supply 30, and at the same time, the control signal S1 is generated so that the output voltage of the converter circuit 1 matches the set value.
[0027]
The inverter control circuit 10 receives the target tube voltage signal Vr and the tube voltage detection signal Vx, compares the target tube voltage signal Vr and the tube voltage detection signal Vx, and calculates the tube voltage of the X-ray tube 6 as a target. The control signal S2 is generated so as to coincide with the tube voltage.
Reference numeral 26 denotes a resonance capacitor inserted on the output side of the inverter circuit 2, and it is confirmed that a high frequency current does not sufficiently flow through the winding of the high voltage transformer 3 due to the leakage inductance of the high voltage transformer 3. It is inserted for the purpose of improvement, and may not be inserted if the above is not necessary.
[0028]
Then, the structure and function of the converter circuit 1 and the inverter circuit 2 which are the principal parts of this invention are demonstrated using FIG. Reference numerals 11 and 12 are capacitors connected in series with one phase of one side of the commercial power supply 30 as a midpoint, 13 to 18 are power semiconductor switches, here IGBTs, and 19 to 24 are connected in reverse parallel to the IGBTs 13 to 18, respectively. Diode. The IGBTs 13 and 14 and the diodes 19 and 20 constitute the converter circuit 1 together with the capacitors 11 and 12, and the IGBTs 15 to 18 and the diodes 21 to 24 constitute the inverter circuit 2. In the present embodiment, the same type can be applied to the switching modules (IGBT and diodes connected in reverse parallel thereto) used in the converter circuit 1 and the inverter circuit 2, and the orientations thereof can be aligned. The three-phase switching module 25 in which a total of six pairs of IGBTs and diodes connected in reverse parallel thereto (two sets of series-connected bodies are connected in parallel) is applied to reduce the size and cost. Further, by applying the three-phase switching module in this way, the amount of inductance of the wiring between the converter circuit 1 and the inverter circuit 2 is reduced to reduce the surge voltage due to switching, thereby reducing the switching loss. .
[0029]
Reference numeral 7 denotes a capacitor inserted between the phases, which is provided for the purpose of preventing high-frequency power supply fluctuations due to switching of the converter circuit 1 from returning to the power supply side, and is not necessarily required in terms of the operation principle. Reference numeral 8 denotes an AC reactor inserted between the commercial power supply 30 and the converter circuit 2. As will be described later, the converter circuit 1 has a boosting function, and at the same time, voltage fluctuations caused by switching of the converter circuit 1 are returned to the power supply side. It is provided so that there is no. Hereinafter, the operation of the main part of the device of the present invention having the above-described configuration will be described. Since the operation after the converter circuit 1 is the same as that of the conventional device, the description thereof will be omitted.
[0030]
The device according to the present invention is greatly characterized in that the converter circuit 1 is configured by using a self-extinguishing switching element. The operation of the converter circuit 1 will be described with reference to FIG.
[0031]
FIG. 2 shows all the operation modes in this circuit. If the direction of the phase current is classified, (a) and (b) are when the phase current is positive, and (c) and (d) are when the phase current is negative. In addition, if classified according to the operating state of the switch, (a) and (c) indicate that the upper switch is on and the lower switch is off, and (b) and (d) indicate that the upper switch is off. The lower switch is on. Speaking of the operation of charging or discharging the capacitor 11 or 12, (a) and (d) are modes in which the capacitor is charged (output voltage is increased), and (b) and (c) are the modes in which the capacitor is discharged (output). Voltage decreases: mode in which power is regenerated on the power supply side. The basic algorithm of this converter control is an operation in which the upper switch 13 and the lower switch 14 are alternately turned on and off.
[0032]
First, output voltage control and boosting operation will be described. Considering when the phase current is positive, the output voltage can be controlled by controlling the time ratio between the charge / discharge modes of (a) and (b), but the current path changes each time the switch is switched, Each time the power supply voltage is short-circuited via the capacitor 11 or 12, the voltage at both ends of the AC reactor 8 is greatly increased at the same time as the phase current increases rapidly (the voltage at both ends of the AC reactor 8 is Lu · diu / dt). However, Lu is the value of the inductance of the AC reactor 8).
[0033]
In this state, since the charging mode (a) is set, a high voltage is generated at both ends of the reactor 8, so that the capacitor 11 is charged until the capacitor 11 becomes a high voltage by being added to the power supply voltage. As a result, a voltage higher than the peak value of the AC power supply voltage can be obtained (step-up operation: an infinite voltage can be theoretically obtained, but there are actually limitations due to the loss of the AC reactor 8 and the switching element). It becomes possible. The same applies to the case where the direction of the phase current is reversed (negative).
[0034]
Next, phase current control and higher power factor will be described. The middle point a of the output pressure VDC is set as a reference potential (ground), the potential on the collector side of the upper switch 13 is + VDC / 2, and the potential on the emitter side of the lower switch 14 is -VDC / 2. The ratio of the time during which the upper switch 13 is turned on with respect to one cycle of the AC power supply 30 is referred to as duty here. Controlling this duty is the same as controlling the charge / discharge mode ratio described above. is there.
[0035]
The potential at the middle point a of the upper switch 13 and the lower switch 14 becomes + VDC / 2 and −VDC / 2 each time the upper switch 13 and the lower switch 14 are alternately turned on.
Therefore, when the duty is controlled, the average potential at the middle point a can be controlled to + VDC / 2 to -VDC / 2, and when the average potential at the middle point a is controlled as described above, the current flows to the AC reactor 8 as well as the output voltage. The current iu can also be controlled. In addition, by observing the AC power supply voltage and performing pulse width modulation control so that the waveform and the phase current have the same phase, it becomes possible to obtain a phase current waveform having substantially the same phase as the AC power supply voltage, The converter circuit 1 can receive high power factor power. The converter circuit 1 also reverses the direction of the phase current in the same current path when the phase current is inverted (for example, when shifting from mode (a) to mode (c)). Since continuous control is possible, the phase current waveform can be controlled in a sine wave shape even when the phase current value is near zero.
[0036]
FIG. 5 shows a waveform diagram of the phase current and pulse width modulation signal of the single-phase AC power supply 30 in the apparatus of the present invention. A smoother sine wave current can be obtained by increasing the modulation frequency of the pulse width modulation control or adjusting the constant of the filter on the AC side.
[0037]
In this way, the input voltage of the inverter circuit is increased to reduce the turn ratio of the high voltage transformer and the current of the inverter circuit, and the high voltage transformer and the inverter circuit can be miniaturized. In addition, a high power factor by matching the phase of the voltage and current of the AC power supply and a sine wave of the phase current greatly contribute to a reduction in power supply facility capacity and a reduction in power supply harmonics.
[0038]
Next, the converter circuit 1 and the inverter circuit 2 are integrated by a three-phase switching module to reduce the size of these circuits and reduce the switching noise by reducing the wiring inductance between these circuits. Normally, the breakdown voltage types of switching elements prepared by power semiconductor switching element manufacturers are relatively rough, such as 600V below 1200V, while current ratings are, for example, 50A, 75A, 100A, 150A, 200A, 300A, and 400A are relatively finely divided. In the conventional device, for example, when a single-phase 200V power source is used, the output voltage of the converter circuit is about 450V at the maximum even in the case of the voltage doubler rectifier circuit (FIG. 3), but the withstand voltage of the switching element is 1200V. Even with consideration of surge voltage during switching and abnormal operation, there was too much room in terms of breakdown voltage.
[0039]
However, the 600V withstand voltage below the 1200V withstand has no margin, and the specification cannot be reduced, and a large 1200V withstand voltage may have to be adopted.
[0040]
Therefore, according to the present invention, the input voltage of the inverter circuit is boosted to a voltage corresponding to the element withstand voltage, and the current of the inverter circuit is reduced by that amount (the final output power is approximately proportional to the value of voltage × current. If a current rating that is finely classified is selected, an optimum switching element corresponding to the rating of the X-ray high-voltage device can be selected. If the switching elements are selected in this way and the converter circuit 1 and the inverter circuit 2 are mounted with one three-phase switching module, the size of these circuits and the wiring inductance between these circuits can be reduced. Mounting for reducing the switching noise and cooling the switching element is simplified, and the circuit is greatly reduced in size. Further, by using the converter circuit 1 of FIG. 1, the midpoint of the smoothing capacitors 11 and 12 of the converter circuit 1 can be dropped to the ground potential, so that the output terminal on the positive side of the converter circuit 1 has a DC output voltage. As the VDC, the range from approximately zero volts to VDC / 2 volts as viewed from the ground, and the negative output terminal of the converter circuit 1 is in the range of -VDC / 2 volts to zero volts, that is, a full bridge type and a mixed bridge type. Compared with a voltage change that is almost a half of the voltage change, a circuit system that is strong against switching noise can be obtained.
[0041]
FIG. 7 shows an inverter type X-ray high-voltage apparatus that combines the converter circuit 1 and the half-bridge type inverter circuit 40 described above.
The inverter circuit 40 of this inverter type X-ray high-voltage device has a series resonance capacitor 26 connecting a connection point of a series connection body of an IGBT 50 and a diode 60 connected in reverse parallel thereto and an IGBT 51 and a diode 61 connected in reverse parallel thereto. One end of the primary winding of the high-voltage transformer 3 is connected to the connection point between the capacitors 11 and 12 to constitute a half-bridge type inverter circuit. The rest of the configuration is the same as that shown in FIG.
[0042]
Since the output voltage of the half-bridge type inverter circuit 40 is ½ that of the full-bridge type in FIG. 1, the inverter circuit 40 is used to make the voltage input to the high-voltage transformer 3 the same as that of the full-bridge type. The operating point of the converter circuit 1 may be set so that the input voltage of the converter circuit 1, that is, the output voltage of the converter circuit 1 is double that of FIG. In this way, the current of the inverter circuit can be made the same as that in FIG.
[0043]
Further, the same type of switches can be used for the switches used in the converter circuit 1 and the inverter circuit 40, and the orientations thereof can be made uniform. Therefore, a total of four sets of IGBTs and diodes connected in reverse parallel thereto (two sets). By applying the built-in single-phase switching module 70, it is possible to achieve further miniaturization and cost reduction than those of FIG. Furthermore, by applying the single-phase switching module in this way, the inductance of the wiring between the converter circuit 1 and the inverter circuit 2 can be reduced to reduce the surge voltage due to switching, thereby reducing the switching loss. This is the same as the first embodiment.
[0044]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the following effects can be obtained.
[0045]
(1) Effects of pulse width modulation control of converter circuit
Since the phase of the AC power supply voltage and current match and the current of the AC power supply can be made sinusoidal, the power factor is increased to reduce the capacity of the AC power supply and the influence on peripheral devices due to the reduction of power supply harmonics. Can be removed.
[0046]
(2) Effect of boost function of converter circuit
The X-ray high voltage device can be selected by reducing the inverter circuit current by boosting the input voltage of the inverter circuit to a voltage corresponding to the withstand voltage of the switching element with a converter circuit with the minimum configuration and selecting an element with a finely classified current rating. Since an optimum switching element can be selected according to the rating of the inverter, the inverter circuit can be downsized. At the same time, the turn ratio of the high-voltage transformer is reduced, and the high-voltage transformer can be reduced in size. Further, the magnetic flux is reduced by greatly reducing the turn ratio of the high-voltage transformer, thereby reducing the transformer loss. Inverter circuits and high voltage transformers can be made smaller.
[0047]
(3) Effect of integration of converter circuit and inverter circuit
Since the converter circuit can be configured with two elements, when a full-bridge inverter circuit is applied, the converter circuit and the inverter circuit need only have six switching elements, and the series connection body of two sets of switching elements. A three-phase switching module in which three sets are connected in parallel can be applied. In addition, when a half-bridge type inverter circuit is applied, the number of switching elements of the converter circuit and the inverter circuit is four, and a single unit in which two sets of series connection bodies of two sets of switching elements are connected in parallel is integrated. Phase switching module can be applied. Therefore, the converter circuit and the inverter circuit are modularized, and these circuits can be significantly downsized. In addition, by modularizing in this way, the inductance of the wiring between the converter circuit and the inverter circuit is reduced, so that switching noise and loss of the switching element are reduced, and noise absorption and circuit cooling are achieved by simplifying the cooling and mounting of the element. This greatly contributes to further miniaturization and improved reliability of X-ray high voltage devices.
[0048]
(4) Effects of grounding method
Since the midpoint of the smoothing capacitor of the converter circuit of the present invention can be dropped to the ground potential, the output terminal on the positive side of the converter circuit has a DC output voltage of VDC and is approximately zero volts to VDC / 2 volts as viewed from the ground. And the negative output terminal of the converter circuit has a voltage change in the range of -VDC / 2 volts to zero volts, that is, almost half of the voltage change compared to the conventional full bridge type and the mixed bridge type, A circuit system that is strong against switching noise can be obtained, and the reliability of the apparatus is improved.
[0049]
To summarize the above effects, it is possible to reduce the size, reduce the capacity of the power supply facility, and improve the reliability (noise reduction, power supply harmonic reduction).
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram of an inverter type X-ray high voltage apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram for explaining the operation of the converter circuit of FIG. 1 of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a conventional single-phase voltage doubler rectification converter circuit.
FIG. 4 is a waveform diagram of current and voltage of a single-phase AC power supply when a conventional full-wave rectification type converter circuit using a thyristor or a diode is used.
FIG. 5 is a waveform diagram of a current of a single-phase AC power supply and a pulse width modulation signal when the converter circuit of FIG. 1 of the present invention is used.
FIG. 6 is a current waveform diagram of a single-phase AC power source when a conventional converter circuit having a mixed bridge type boosting function is used.
FIG. 7 is a circuit configuration diagram of an inverter type X-ray high voltage apparatus according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Converter circuit
2 Inverter circuit (full bridge type)
3 High voltage transformer
4 High voltage rectifier circuit
6 X-ray tube
7 capacitors
8 AC reactor
9 Converter control circuit
10 Inverter control circuit
11,12 capacitor
13-18, 50, 51 IGBT
19-24, 60, 61 Diode
25 Three-phase module
30 Single-phase AC power supply
40 Inverter circuit (half-bridge type)
70 single-phase module

Claims (2)

交流電源を受電しこれを整流するコンバータ回路と,このコンバータ回路の出力電圧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電圧を整流する高電圧整流回路と,この高電圧整流回路の出力電圧である直流高電圧を印加してX線を放射するX線管とを備えたインバータ式X線高電圧装置において、
上記コンバータ回路は、
自己消弧可能なスイッチング素子とこのスイッチング素子と逆並列に接続されたダイオードから成る二組のスイッチングモジュールを直列に接続したスイッチングモジュール直列接続体と,このスイッチングモジュール直列接続体と並列に二つのコンデンサを直列に接続したコンデンサ直列接続体とで構成され、前記スイッチングモジュール直列接続体の接続点に交流リアクトルの一端を接続し、この交流リアクトルの他の一端と前記コンデンサ直列接続体の接続点に上記交流電源を接続し、この交流電源の電圧と電流の位相差及び前記コンデンサ直列接続体の両端の電圧の設定値との誤差に応じて上記二組のスイッチングモジュールをパルス幅変調制御して前記交流電源の電圧と電流の位相を一致させると共に前記コンデンサ直列接続体の両端の電圧を設定値に制御するパルス幅変調制御回路を具備し、前記コンデンサ直列接続体の両端の電圧を前記インバータ回路に入力し、
上記コンバータ回路は、上記交流電源の電圧と電流の位相を一致させると共に上記インバータ回路への入力電圧を所定の設定値と等しくなるようにすることを特徴とするインバータ式X線高電圧装置。
A converter circuit that receives and rectifies an AC power supply, an inverter circuit that converts the output voltage of the converter circuit into a high-frequency AC, a high-voltage transformer that boosts the output voltage of the inverter circuit, and the high-voltage transformer In an inverter type X-ray high-voltage apparatus comprising a high-voltage rectifier circuit that rectifies the output voltage and an X-ray tube that applies a DC high voltage that is an output voltage of the high-voltage rectifier circuit to emit X-rays,
The converter circuit is
A switching module series connection body in which two sets of switching modules each consisting of a self-extinguishing switching element and a diode connected in reverse parallel to the switching element are connected in series, and two capacitors are connected in parallel with the switching module series connection body. Is connected to the connection point of the switching module series connection body, and one end of the AC reactor is connected to the connection point of the switching module series connection body, and the other end of the AC reactor is connected to the connection point of the capacitor series connection body. An AC power supply is connected, and the AC voltage is controlled by performing pulse width modulation control on the two sets of switching modules in accordance with the phase difference between the voltage and current of the AC power supply and the set value of the voltage across the capacitor series connection body. Match the phase of the voltage and current of the power supply and Comprising a pulse width modulation control circuit for controlling the voltage at the end of the setting value, enter the voltage across the capacitor series connection to said inverter circuit,
The inverter X-ray high-voltage apparatus characterized in that the converter circuit makes the phase of the voltage and current of the AC power supply coincide with each other and makes the input voltage to the inverter circuit equal to a predetermined set value.
上記スイッチングモジュール直列接続体を二組並列に接続若しくは一組で上記インバータ回路を構成し、これら二組並列に接続若しくは一組のスイッチングモジュール直列接続体と上記コンバータ回路のスイッチングモジュール直列接続体とを並列に接続して三相スイッチングモジュール若しくは単相スイッチングモジュールを構成し、これを上記コンバータ回路及びインバータ回路に用いた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。Two sets of the switching module series connection bodies are connected in parallel or one set constitutes the inverter circuit, and these two sets are connected in parallel or one set of switching module series connection bodies and the switching circuit series connection body of the converter circuit. are connected in parallel to configure a three-phase switching modules or single phase switching module, the inverter type X-ray high voltage apparatus according to this claim 1, characterized in that used in the converter circuit and the inverter circuit.
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