JP5731328B2 - インバータ装置およびｍｒ装置 - Google Patents

Description

本発明は、直列に接続された複数のインバータブリッジ（inverter bridge）を備えたインバータ装置、およびそのインバータ装置を備えたＭＲ（Magnetic Resonance）装置に関する。

従来、ＭＲ装置は、勾配磁場発生装置を備えている。図１に、勾配磁場発生装置の構成例を概略的に示す。この勾配磁場発生装置は、例えば、複数のスイッチング（switching）素子を含むインバータブリッジ２０を備えたインバータ装置である。インバータ装置の入力側には電圧Ｖbus（例えば８００Ｖ）のバス電源１０が接続され、その出力側にはインダクタンス（inductance）性負荷である勾配コイル（coil）３０が接続されている。インバータブリッジ２０には、さらに制御部５０が接続され、勾配コイル３０には、電流センサ（sensor）４０が接続されている。制御部５０は、目標となる電流波形の電流Ｉｔと電流センサ４０の出力による実際の電流波形の電流Ｉｒとの差分が小さくなるよう、インバータブリッジ２０のスイッチング動作をフィードバック（feedback）制御する。

このフィードバック制御は、具体的には、電力を伝えるための実質的なスイッチングを行うスイッチング素子の選択と、選択されたスイッチング素子をスイッチングするときのオンデューティεの調整とを行って、出力電圧の正負および大きさを制御することである。図１の例では、スイッチング素子Ｑａ，Ｑｂを選択し、これらをオンデューティ（on-duty）εで同期したスイッチングを行うと、出力電圧Ｖoutは＋ε・Ｖbusとなる。また、スイッチング素子Ｑｃ，Ｑｄを選択し、これらをオンデューティεで同期したスイッチングを行うと、出力電圧Ｖoutは−ε・Ｖbusとなる。

ここで、勾配コイル３０の電流Ｉとインバータブリッジ２０の出力電圧Ｖoutとの関係について考えてみる。仮に、勾配コイル３０に台形状のパルス波形で電流Ｉを流す場合、勾配コイル３０の電流Ｉとインバータブリッジ２０の出力電圧Ｖoutとは、例えば図２に示すような関係になる。そして、電流Ｉと電圧Ｖoutとの極性が等しいときは、インバータブリッジ２０から勾配コイル３０に電力が与えられ、互いの極性が逆のときは、勾配コイル３０からインバータブリッジ２０に電力が回生されることになる。

ところで、勾配コイル３０に流したい電流波形の中には、一般的に、急峻な立上りや立下りが含まれている。電流Ｉを高速に上昇させたり下降させたりするには、インバータブリッジ２０の出力電圧Ｖoutの絶対値を大きくする必要がある。そして、出力電圧Ｖoutの絶対値を大きくするには、インバータブリッジ２０の入力側に接続されるバス電源１０の電圧Ｖbusを高くする必要がある。

しかし、インバータブリッジ２０を高い電圧のバス電源で常時駆動すると、内部抵抗や安定化のためのダミー（dummy）負荷等により消費電力が増大するため、好ましくない。また、勾配コイル３０に流す実際の電流波形は、概してフラット（flat）な部分が多く、急峻な立上りや立下り部分は、割合としてはそれほど多くはない。

そこで、改善策の一つとして、入力電源電圧が異なる複数のインバータブリッジを直列に接続したインバータブリッジ直列回路を用い、必要な出力電圧に応じてインバータブリッジ間の利用率を変化させることを考える。

例えば、図３に示すように、電源電圧が相対的に高い電圧Ｖbus1（例えば７００Ｖ）である第１のバス電源１１に接続された第１のインバータブリッジ２１と、電源電圧が相対的に低い電圧Ｖbus2（例えば１００Ｖ）である第２のバス電源１２に接続された第２のインバータブリッジ２２とを直列に接続したインバータブリッジ直列回路２５を用意する。このインバータブリッジ直列回路２５の出力側には、勾配コイル３０が接続されている。そして、制御部５１は、目標とする勾配コイル３０の電流波形に応じて、必要な出力電圧Ｖoutが得られるよう、第１および第２のインバータブリッジ２１，２２のそれぞれにおけるスイッチング素子の選択と、その選択されたスイッチング素子をスイッチングするときのオンデューティα，βの調整とを行って、それぞれのインバータブリッジの出力電圧Ｖ１（＝±α×Ｖbus1），Ｖ２（＝±β×Ｖbus2）を制御する（特許文献１，図３等参照）。

このようにすれば、高い電圧Ｖbus1の第１のバス電源１１による第１のインバータブリッジ２１を、必要なときだけ、必要な分だけ利用することができ、消費電力を抑えつつ、勾配コイル３０に目標の電流波形で電流を流すことが可能になる。なお、オンデューティαを０にして、第１のインバータブリッジ２１の出力を完全にカットオフ（cut off）するようにしてもよい。

特許第４３６２１７６号公報

しかしながら、このような勾配磁場発生装置では、勾配コイル３０の電流波形によっては、インバータブリッジ直列回路２５が勾配コイル３０に電力を与えるときの、その電力のインバータブリッジ間のバランスと、勾配コイル３０からインバータブリッジ直列回路２５に電力が回生されるときの、その電力のインバータブリッジ間のバランス（balance）とが異なるという現象が起きる。

例えば、図４に示すように、勾配コイル３０に、電流値が比較的緩やかに上昇した後、急峻に下降するような三角波の電流波形で電流を流す場合を考える。

電流Ｉを緩やかに上昇させるときは、出力電圧Ｖoutを＋（正）側で比較的小さく保てばよいので、入力電源電圧が低い第２のインバータブリッジ２２のみで、あるいは、これをメイン（main）として駆動し、入力電源電圧が高い第１のインバータブリッジ２１を休ませることができる。この場合は、勾配コイル３０へ与える電力は、比較的小さく、第２のインバータブリッジ２２が主に担うことになる。

一方、電流Ｉを、上昇し切った後に急峻に下降させるときは、出力電圧Ｖoutを、瞬間的に−（負）側で大きくする必要があるので、第１および第２のインバータブリッジ２１，２２の両方を駆動しなければならない。この場合は、勾配コイル３０から回生される電力は、比較的大きく、より大きな電圧を出力する第１のインバータブリッジ２１に、大きな割合で電力が回生されることになる。

つまり、第１のインバータブリッジ２１では、勾配コイル３０に与える電力がほとんどない状態から、突如、大きな電力が回生されることになる。一方、第２のインバータブリッジ２２では、勾配コイル３０に比較的小さい電力を与えていた状態から、比較的小さい電力が回生されることになる。これは、すなわち、インバータブリッジ直列回路２５が勾配コイル３０に電力を与えるときの、その電力のインバータブリッジ間のバランスと、勾配コイル３０からインバータブリッジ直列回路２５に電力が回生されるときの、その電力のインバータブリッジ間のバランスとが異なることを意味する。

こうなると、第１のインバータブリッジ２１では、与える電力よりも回生される電力の方が大きく上回るので、第１のバス電源１１は余った電力を吸収しきれず、電源電圧が上昇するなど不安定な動作をすることになる。

このように、勾配コイル３０に流す電流波形によっては、インバータブリッジにおける与える電力と回生される電力との不均衡が極端に増大することがある。そして、この不均衡が大きくなると、第１のバス電源１１もしくは第２のバス電源１２またはその両方がその不均衡を吸収できなり、出力電圧Ｖ１，Ｖ２が意図した電圧に制御できなくなる。その結果、バス電源そのものが不安定になり、勾配コイル３０の電流波形にも歪が発生することになる。

なお、このような現象は、ＭＲ装置の勾配磁場発生装置に限らず、直列に接続された複数のインバータブリッジを備えたインバータ装置で、インダクタンス性負荷を所望の電流波形で駆動しようとする際に発生するものである。

このような事情により、直列に接続された複数のインバータブリッジを備えたインバータ装置において、インバータブリッジ間の利用率を変えて、インダクタンス性負荷を効率よく駆動する際に、インバータブリッジの入力電源電圧を安定させる技術が望まれている。

第１の観点の発明は、複数のインバータブリッジが出力側で直列に接続されたインバータブリッジ直列回路であって、各々のインバータブリッジの入力電源電圧のうち少なくとも一つが他の入力電源電圧と異なるインバータブリッジ直列回路と、前記インバータブリッジ直列回路の出力側に接続されたインダクタンス性負荷と、前記インバータブリッジ直列回路の出力電圧が、前記インダクタンス性負荷に所望の電流波形で電流が流れるような電圧となるよう、前記複数のインバータブリッジのそれぞれのオンデューティを制御する制御部と、を備えたインバータ装置であって、前記制御部が、前記所望の電流波形における電流値の正負および電流微分値の正負に基づいて、前記インバータブリッジ直列回路が前記インダクタンス性負荷に与える電力のインバータブリッジ間のバランスと、前記インダクタンス性負荷から前記インバータブリッジ直列回路に回生される電力のインバータブリッジ間のバランスとの不均衡を是正するよう、前記それぞれのオンデューティを制御するインバータ装置を提供する。

第２の観点の発明は、前記インバータブリッジ直列回路が、入力電源電圧が相対的に高い第１のインバータブリッジと、入力電源電圧が相対的に低い第２のインバータブリッジとが出力側で直列に接続された回路である上記第１の観点のインバータ装置を提供する。

第３の観点の発明は、前記制御部が、前記所望の電流波形における電流値が正であり、電流微分値が正であるとき、前記第１のインバータブリッジのオンデューティを下げ、前記第２のインバータブリッジのオンデューティを上げる制御を行う上記第２の観点のインバータ装置を提供する。

第４の観点の発明は、前記制御部が、前記所望の電流波形における電流値が正であり、電流微分値が負であるとき、前記第１のインバータブリッジのオンデューティを上げ、前記第２のインバータブリッジのオンデューティを下げる制御を行う上記第２の観点または第３の観点のインバータ装置を提供する。

第５の観点の発明は、前記制御部が、前記所望の電流波形における電流値が負であり、電流微分値が負であるとき、前記第１のインバータブリッジのオンデューティを下げ、前記第２のインバータブリッジのオンデューティを上げる制御を行う上記第２の観点から第３の観点のいずれか一つの観点のインバータ装置を提供する。

第６の観点の発明は、前記制御部が、前記所望の電流波形における電流値が負であり、電流微分値が正であるとき、前記第１のインバータブリッジのオンデューティを上げ、前記第２のインバータブリッジのオンデューティを下げる制御を行う上記第２の観点から第４の観点のいずれか一つの観点のインバータ装置を提供する。

第７の観点の発明は、前記制御部が、前記所望の電流波形と前記インダクタンス性負荷の電流波形との差分が小さくなるよう、前記オンデューティをフィードバック制御する上記第１の観点から第６の観点のいずれか一つの観点のインバータ装置を提供する。

第８の観点の発明は、前記インバータブリッジを構成するスイッチング素子が、それぞれ、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラトランジスタ）またはＧＴＯ（ゲート・ターンオフ・サイリスタ）である上記第１の観点から第７の観点のいずれか一つの観点のインバータ装置を提供する。

第９の観点の発明は、前記インダクタンス性負荷が、ＭＲ撮影用の勾配コイルであり、前記所望の電流波形が、ＭＲ撮影用の勾配パルスを発生させるための電流波形である上記第１の観点から第８の観点のいずれか一つの観点のインバータ装置を提供する。

第１０の観点の発明は、上記第９の観点のインバータ装置を備えたＭＲ装置を提供する。

上記観点の発明によれば、制御部が、複数のインバータブリッジが直列に接続されたインバータブリッジ直列回路からインダクタンス性負荷に与えられる電力のインバータブリッジ間のバランスと、インダクタンス性負荷からインバータブリッジ直列回路に回生される電力のインバータブリッジ間のバランスとの不均衡が是正されるように、それぞれのインバータブリッジのオンデューティを制御するので、各インバータブリッジの上記不均衡による不安定動作を抑制することができ、それぞれのインバータブリッジの入力電源電圧をより安定させることができる。

従来の勾配磁場発生装置の構成例を概略的に示す図である。 勾配コイルにおける電流波形と電圧波形との関係の第一例を示す図である。 従来の改良型勾配磁場発生装置の構成例を概略的に示す図である。 勾配コイルにおける電流波形と電圧波形との関係の第二例を示す図である。 発明の実施形態に係る勾配磁場発生装置の構成を概略的に示す図である。

以下、発明の実施形態について説明する。なお、これにより発明が限定されるものではない。

図５は、本実施形態に係る勾配磁場発生装置（インバータ装置）の構成を概略的に示す図である。

図５に示すように、勾配磁場発生装置１００は、インバータブリッジ直列回路２５と、勾配コイル３０と、電流センサ４０と、制御部５２とを備えている。

インバータブリッジ直列回路２５は、第１のインバータブリッジ２１と第２のインバータブリッジ２２とが出力側で直列に接続された回路である。本例では、第１および第２のインバータブリッジ２１，２２は、いずれもフルブリッジ型である。第１のインバータブリッジ２１の入力側には、相対的に高い電圧Ｖbus1を電源電圧とする第１のバス電源１１が接続されている。第２のインバータブリッジ２２の入力側には、相対的に低い電圧Ｖbus2を電源電圧とする第２のバス電源１２が接続されている。第１および第２のインバータブリッジ２１は、それぞれ、複数のスイッチング素子により構成されている。高い電圧Ｖbus1は、例えば７００Ｖであり、低い電圧Ｖbus2は、例えば１００Ｖである。スイッチング素子としては、例えば、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラトランジスタ）やＧＴＯ（ゲート・ターンオフ・サイリスタ）、パワーＭＯＳＦＥＴ（電界効果トランジスタ）、パワー・バイポーラトランジスタなどが考えられる。インバータブリッジのスイッチング周波数は、例えば、５０〜１００ｋＨｚ程度である。

インバータブリッジ直列回路２５の出力側には、インダクタンス性負荷である勾配コイル３０が接続されている。勾配コイル３０は、勾配コイル３０の電流波形に応じた勾配パルス（pulse）磁場を発生させる。

電流センサ４０は、勾配コイル３０に流れる電流を検出する。電流センサ４０としては、例えば、非接触型のホール素子などが考えられる。

制御部５２は、基本的に、インバータブリッジ直列回路２５の出力電圧Ｖoutが、勾配コイル３０に所望の電流波形で電流が流れるような電圧となるよう、第１および第２のインバータブリッジ２１，２２において、スイッチング素子の選択と、選択されたスイッチング素子に対するスイッチングのオンデューティの調整とを行う。所望の電流波形とは、すなわち、勾配コイル３０に目的の勾配パルス磁場を発生させるための電流波形である。

また、制御部５２は、インバータブリッジ直列回路２５の出力電圧Ｖoutを変化させないことを前提に、所望の電流波形における電流値の正負および電流微分値の正負に基づいて、インバータブリッジ直列回路２５が勾配コイル３０に電力を与えるときのその電力のインバータブリッジ間のバランスと、勾配コイル３０からインバータブリッジ直列回路２５に電力が回生されるときのその電力のインバータブリッジ間のバランスとの不均衡を是正するよう、それぞれのインバータブリッジのオンデューティを調整する。

本例では、インバータブリッジのオンデューティをメイン因子とサブ（sub）因子との積とし、制御部５２は、第１のインバータブリッジ２１に対するメイン因子αおよびサブ因子Ａと、第２のインバータブリッジ２２に対するメイン因子βおよびサブ因子Ｂとを略リアルタイムで決定して、オンデューティを調整するものとする。なお、サブ因子Ａ，Ｂは、いずれも１を基準値として大小に振られるパラメータ（parameter）である。

制御部５２には、目的の勾配パルス磁場を発生させるのに必要な勾配コイル３０の所望の電流波形と、電流センサ４０によって実測された勾配コイル３０の電流波形とが入力される。制御部５２は、所望の電流波形と実測された電流波形との差分が小さくなるよう、所定のルール（rule）に従って、メイン因子α，βを調整する。

例えば、目標電流波形の電流Ｉｔなどから想定されるインバータブリッジ直列回路２５の出力電圧Ｖoutを電圧Ｖout1として、
条件ａ：１００Ｖ≧Ｖout1＞０Ｖであるときは、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２、Ｑ５，Ｑ６を、スイッチング対象に選択し、そのオンデューティのメイン因子α，βを、その比をα：β＝１：９に保持しながら調整する。

条件ｂ：８００Ｖ≧Ｖout1＞１００Ｖであるときは、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２、Ｑ５，Ｑ６を、スイッチング対象に選択し、そのオンデューティのメイン因子α，βを、β＝０．８に固定しながら調整する。

条件ｃ：０＞Ｖout1≧−１００Ｖであるときは、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４、Ｑ７，Ｑ８を、スイッチング対象に選択し、そのオンデューティのメイン因子α，βを、その比をα：β＝１：９に保持しながら調整する。

条件ｄ：−１００Ｖ＞Ｖout1＞−８００Ｖであるときは、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４、Ｑ７，Ｑ８を、スイッチング対象に選択し、そのオンデューティのメイン因子α，βを、β＝０．８に固定しながら調整する。

また、制御部５２は、所望の電流波形における電流値Ｉｔの正負の別と、その電流微分値ｄＩｔ／ｄｔ（すなわち電流波形を数式で表したときの傾き係数）の正負の別との組合せに応じて、第１のインバータブリッジ２１のオンデューティを構成するサブ因子Ａと、第２のインバータブリッジ２２のオンデューティを構成するサブ因子Ｂとを決定する。

例えば、条件１：電流値Ｉｔ＞０であり、かつ、電流微分値ｄＩｔ／ｄｔ＞０のときは、電流Ｉと電圧Ｖoutとの極性が同じになり、インバータブリッジ直列回路２５から勾配コイル３０に電力が与えられるので、サブ因子Ａを下げて、サブ因子Ｂを上げる。

条件２：電流値Ｉｔ＞０であり、かつ、電流微分値ｄＩｔ／ｄｔ＜０のときは、電流Ｉと電圧Ｖoutとの極性が逆になり、勾配コイル３０からインバータブリッジ直列回路２５に電力が回生されるので、サブ因子Ａを上げて、サブ因子Ｂを下げる。

条件３：電流値Ｉｔ＜０であり、かつ、電流微分値ｄＩｔ／ｄｔ＜０のときは、電流Ｉと電圧Ｖoutとの極性が同じになり、インバータブリッジ直列回路２５から勾配コイル３０に電力が与えられるので、サブ因子Ａを下げて、サブ因子Ｂを上げる。

条件４：電流値Ｉｔ＜０であり、かつ、電流微分値ｄＩｔ／ｄｔ＞０のときは、電流Ｉと電圧Ｖoutとの極性が逆になり、勾配コイル３０からインバータブリッジ直列回路２５に電力が回生されるので、サブ因子Ａを上げて、サブ因子Ｂを下げる。

これにより、インバータブリッジ直列回路２５が勾配コイル３０に電力を与えるとき、すなわち上記の条件１、３を満たすときは、入力電源電圧が高い第１のインバータブリッジ２１の寄与率が上がる傾向が強いので、この寄与率を下げる制御が行われる。また、インバータブリッジ直列回路２５が勾配コイル３０から電力の回生を受けるとき、すなわち上記の条件２、４を満たすときは、入力電源電圧が低い第２のインバータブリッジ２２に回生される率が上がる傾向が強いので、この回生される率を下げる制御が行われる。

なお、制御部５２としては、例えば、ＰＬＤやＡＳＩＣなどのＩＣが考えられる。

このような構成の勾配磁場発生装置１００によれば、インバータブリッジ直列回路２５が勾配コイル３０に与える電力のインバータブリッジ間のバランスと、勾配コイル３０からインバータブリッジ直列回路２５に回生される電力のインバータブリッジ間のバランスとの不均衡を是正し、各インバータブリッジの上記不均衡による不安定動作を抑制することができ、それぞれのインバータブリッジの入力電源電圧をより安定させることができる。

また、このような勾配磁場発生装置１００によれば、上記不均衡の是正を制御部５２によりアクティブ（active）に行うので、安定化のためのダミー負荷を不要あるいはより小さいものにすることができ、省スペース（space）化、コスト（cost）削減が可能になる。

なお、上記実施形態は、発明であるインバータ装置をＭＲ撮影用の勾配磁場発生装置に適用した例であるが、このような勾配磁場発生装置を備えたＭＲ装置もまた、発明の実施形態の一例である。また、発明の実施形態は、その発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変形が可能である。

１０ バス電源
１１ 第１のバス電源
１２ 第２のバス電源
２０ インバータブリッジ
２１ 第１のインバータブリッジ
２２ 第２のインバータブリッジ
３０ 勾配コイル
４０ 電流センサ
５０〜５２ 制御部
１００ 勾配磁場発生装置（インバータ装置）

Claims (10)

1. 複数のインバータブリッジが出力側で直列に接続されたインバータブリッジ直列回路であって、各々のインバータブリッジの入力電源電圧のうち少なくとも一つが他の入力電源電圧と異なるインバータブリッジ直列回路と、
   前記インバータブリッジ直列回路の出力側に接続されたインダクタンス性負荷と、
   前記インバータブリッジ直列回路の出力電圧が、前記インダクタンス性負荷に所望の電流波形で電流が流れるような電圧となるよう、前記複数のインバータブリッジのそれぞれのオンデューティを制御する制御部と、を備えたインバータ装置であって、
   前記制御部は、前記所望の電流波形における電流値の正負の別と、その電流微分値の正負の別との組合せに応じて、入力電源電圧が相対的に高いインバータブリッジのオンデューティと、入力電源電圧が相対的に低いインバータブリッジのオンデューティとのうち一方を上げ、他方を下げる制御を行う、インバータ装置。
2. 前記インバータブリッジ直列回路は、入力電源電圧が相対的に高い第１のインバータブリッジと、入力電源電圧が相対的に低い第２のインバータブリッジとが出力側で直列に接続された回路である請求項１に記載のインバータ装置。
3. 前記制御部は、前記所望の電流波形における電流値が正であり、電流微分値が正であるとき、前記第１のインバータブリッジのオンデューティを下げ、前記第２のインバータブリッジのオンデューティを上げる制御を行う請求項２に記載のインバータ装置。
4. 前記制御部は、前記所望の電流波形における電流値が正であり、電流微分値が負であるとき、前記第１のインバータブリッジのオンデューティを上げ、前記第２のインバータブリッジのオンデューティを下げる制御を行う請求項２または請求項３に記載のインバータ装置。
5. 前記制御部は、前記所望の電流波形における電流値が負であり、電流微分値が負であるとき、前記第１のインバータブリッジのオンデューティを下げ、前記第２のインバータブリッジのオンデューティを上げる制御を行う請求項２から請求項３のいずれか一項に記載のインバータ装置。
6. 前記制御部は、前記所望の電流波形における電流値が負であり、電流微分値が正であるとき、前記第１のインバータブリッジのオンデューティを上げ、前記第２のインバータブリッジのオンデューティを下げる制御を行う請求項２から請求項４のいずれか一項に記載のインバータ装置。
7. 前記制御部は、前記所望の電流波形と前記インダクタンス性負荷の電流波形との差分が小さくなるよう、前記オンデューティをフィードバック制御する請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のインバータ装置。
8. 前記インバータブリッジを構成するスイッチング素子は、それぞれ、ＩＧＢＴ（絶縁ゲート・バイポーラトランジスタ）またはＧＴＯ（ゲート・ターンオフ・サイリスタ）である請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のインバータ装置。
9. 前記インダクタンス性負荷は、ＭＲ撮影用の勾配コイルであり、
   前記所望の電流波形は、ＭＲ撮影用の勾配パルスを発生させるための電流波形である請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のインバータ装置。
10. 請求項９に記載のインバータ装置を備えたＭＲ装置。

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