JP2008226723A - Drive circuit for semiconductor switching element and x-ray high-voltage apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体スイッチング素子のドライブ回路に関する。またX線CT装置(X線コンピュータ断層撮影装置)に使用するX線高電圧装置に関する。 The present invention relates to a drive circuit for a semiconductor switching element. The present invention also relates to an X-ray high voltage apparatus used for an X-ray CT apparatus (X-ray computed tomography apparatus).
X線CT装置は、X線管からのX線ビームを被検体に照射し、被検体を透過したX線をX線検出器で検出し、その検出結果によるデータを画像処理して断層像を得るようにしている。 An X-ray CT apparatus irradiates a subject with an X-ray beam from an X-ray tube, detects X-rays transmitted through the subject with an X-ray detector, and performs image processing on data based on the detection result to produce a tomographic image. Trying to get.
一方、X線CT装置には、X線管に高電圧(管電圧)を供給するためにX線高電圧装置が搭載されている。X線高電圧装置は、商用交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換し、この直流電圧をインバータ回路で高周波の交流電圧に変換するようにしている。そしてこの高周波の交流電圧を高電圧トランスで昇圧し、この昇圧した交流電圧を整流することで直流高電圧を得て、この直流高電圧をX線管に印加してX線を発生するようにしている。 On the other hand, the X-ray CT apparatus is equipped with an X-ray high voltage apparatus for supplying a high voltage (tube voltage) to the X-ray tube. The X-ray high-voltage device converts an AC voltage from a commercial AC power source into a DC voltage, and converts this DC voltage into a high-frequency AC voltage using an inverter circuit. Then, the high-frequency AC voltage is boosted by a high-voltage transformer, and the boosted AC voltage is rectified to obtain a DC high voltage, and this DC high voltage is applied to the X-ray tube to generate X-rays. ing.
特許文献1には、インバータ回路を含むCTシステム用のX線発生器が記載されている。この例では、直流電圧をインバータによって特定の周波数の交流電圧に変換し、高電圧タンクに供給する例が記載されている。
また、直流電圧を高周波の交流電圧に変換するインバータ回路は、電力用半導体スイッチング素子を用いて構成しており、半導体スイッチング素子としてIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)が一般的に使用されている。 An inverter circuit for converting a DC voltage into a high-frequency AC voltage is configured using a power semiconductor switching element, and an IGBT (insulated gate bipolar transistor) is generally used as the semiconductor switching element.
上記半導体スイッチング素子(IGBT)を駆動するドライブ回路は、正と負の電源を用いるのが一般的であり、正、負の電源間に2つのトランジスタを直列に接続し、それらトランジスタの接続点(出力端)をIGBTのゲートに接続し、2つのトランジスタを交互にオン・オフすることで、IGBTをターン・オン又はターン・オフさせるようにしている。 The drive circuit for driving the semiconductor switching element (IGBT) generally uses positive and negative power supplies, and two transistors are connected in series between the positive and negative power supplies, and a connection point between these transistors ( The output terminal) is connected to the gate of the IGBT, and the two transistors are alternately turned on and off to turn on or off the IGBT.
図6は、一般的なIGBTのドライブ回路の一例を示す。IGBTを駆動するため、2つの直列接続したトランジスタQ10,Q20が設けられ、トランジスタQ10,Q20の接続点を、抵抗R10を介してIGBTのゲートに接続している。また直流電源V10とV20を直列に接続し、トランジスタQ10のコレクタを直流電源V20のプラス側に接続し、トランジスタQ20のエミッタを直流電源V10のマイナス側に接続し、直流電源V10とV20の接続点をIGBTのエミッタに接続している。 FIG. 6 shows an example of a general IGBT drive circuit. In order to drive the IGBT, two transistors Q10 and Q20 connected in series are provided, and the connection point of the transistors Q10 and Q20 is connected to the gate of the IGBT via the resistor R10. DC power supplies V10 and V20 are connected in series, the collector of transistor Q10 is connected to the positive side of DC power supply V20, the emitter of transistor Q20 is connected to the negative side of DC power supply V10, and the connection point of DC power supplies V10 and V20 Is connected to the emitter of the IGBT.
図6の回路において、IGBTをターン・オンさせる場合は、ドライブ回路の一方のトランジスタQ10をオンにして直流電源V20からの正電圧をIGBTのゲートに供給する。このときトランジスタQ20はオフしている。またIGBTをターンフさせる場合は、ドライブ回路の他方のトランジスタQ20をオンにして直流電源V10からの負電圧をIGBTのゲートに供給する。 In the circuit of FIG. 6, when turning on the IGBT, one transistor Q10 of the drive circuit is turned on to supply a positive voltage from the DC power supply V20 to the gate of the IGBT. At this time, the transistor Q20 is off. When the IGBT is turned on, the other transistor Q20 of the drive circuit is turned on to supply a negative voltage from the DC power supply V10 to the gate of the IGBT.
ところで、IGBTのゲートには入力容量Ciが存在し、IGBTのターン・オン時に、直流電源V20からトランジスタQ10を介して入力容量Ciに電流が流れ、入力容量Ciが充電され、IGBTのターン・オフ時に、入力容量Ciの充電電荷をトランジスタQ20を介して負電源側に放電するようにしている。 By the way, there is an input capacitance Ci at the gate of the IGBT. When the IGBT is turned on, a current flows from the DC power supply V20 to the input capacitance Ci through the transistor Q10, the input capacitance Ci is charged, and the IGBT is turned off. Sometimes, the charge of the input capacitor Ci is discharged to the negative power supply side through the transistor Q20.
しかしながら、このようなドライブ回路では、IGBTがターン・オンからターンフに切換わるたびに、ゲートにチャージした電荷を捨ててしまうため、入力容量Ciの大きな大電力用の半導体スイッチング素子をドライブする場合、スイッチング損失が大きくなるという欠点がある。 However, in such a drive circuit, every time the IGBT is switched from turn-on to turn-off, the charge charged to the gate is discarded. Therefore, when driving a high-power semiconductor switching element having a large input capacitance Ci, There is a disadvantage that the switching loss becomes large.
またX線CT装置では、大出力のX線高電圧装置を実現しようとすると、インバータ回路の動作周波数を高める必要があるが、従来のインバータ回路では動作周波数に比例してドライブ回路の損失が増加するため、小型化が難しく動作周波数をあまり高くすることができないという不具合があった。
従来のX線高電圧装置では、インバータ回路の半導体スイッチング素子をオン・オフするたびにゲートにチャージした電荷を捨てているため、入力容量の大きな大電力素子をドライブする場合、スイッチング損失が大きくなっていた。また、X線CT装置のように、限られた空間にX線高電圧装置を収納する場合、小型化が難しいため、インバータ回路の動作周波数を高くすることができないという不具合があった。 In the conventional X-ray high-voltage device, the charge charged to the gate is discarded every time the semiconductor switching element of the inverter circuit is turned on / off, so that when driving a high-power element having a large input capacity, the switching loss increases. It was. Further, when the X-ray high voltage apparatus is stored in a limited space like the X-ray CT apparatus, there is a problem that the operating frequency of the inverter circuit cannot be increased because it is difficult to reduce the size.
本発明は、上記事情に鑑み、半導体スイッチング素子のゲート入力容量Ciにチャージされた電荷を電源に回生することができるドライブ回路、及びインバータ回路の動作周波数を高めることが可能なX線高電圧装置を提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, the present invention provides a drive circuit that can regenerate the electric charge charged in the gate input capacitance Ci of the semiconductor switching element as a power supply, and an X-ray high-voltage device that can increase the operating frequency of the inverter circuit. The purpose is to provide.
請求項1記載の本発明は、ゲート電極と第1の出力電極間に入力容量が形成された半導体スイッチング素子を駆動するドライブ回路において、第1の直流電圧源からの直流電圧によって動作し、前記半導体スイッチング素子をターン・オン制御する第1の回路と;前記第1の直流電圧源からの直流電圧を昇圧して第2の直流電圧を生成する第2の直流電圧源と、前記第2の直流電圧によって動作し、前記半導体スイッチング素子をターン・オフさせる第2の回路と;前記半導体スイッチング素子のターン・オン時に前記入力容量に蓄積された電荷をターン・オフ時に前記第1の直流電圧源に回生する回生回路と;を具備したことを特徴とする。 According to a first aspect of the present invention, in a drive circuit for driving a semiconductor switching element in which an input capacitance is formed between a gate electrode and a first output electrode, the drive circuit operates with a DC voltage from a first DC voltage source, A first circuit for turning on and off a semiconductor switching element; a second DC voltage source for boosting a DC voltage from the first DC voltage source to generate a second DC voltage; and the second circuit A second circuit that operates by a DC voltage and turns off the semiconductor switching element; and the first DC voltage source that stores the charge accumulated in the input capacitor when the semiconductor switching element is turned on. And a regenerative circuit for regenerating.
また請求項5記載の本発明は、ゲート電極及び第1,第2の出力電極を有し前記ゲート電極と前記第1の出力電極間に入力容量が形成された半導体スイッチング素子を駆動するドライブ回路であって、第1の直流電圧源の出力電圧端子と前記半導体スイッチング素子のゲート電極間に主導電路が接続され、この主導電路と並列に逆極性のダイオードが接続された第1のトランジスタと;前記半導体スイッチング素子の前記第1の出力電極と前記第1の直流電圧源の基準電位端子間に主導電路が接続された第2のトランジスタと;前記第1の直流電圧源からの直流電圧を昇圧して第2の直流電圧を生成する第2の直流電圧源と;前記第2の直流電圧源の出力電圧端子と前記半導体スイッチング素子の前記第1の出力電極間に主導電路が接続された第3のトランジスタと;前記第1及び第2のトランジスタと、前記第3のトランジスタを交互にオン・オフ制御する制御回路と;を具備し、前記第1及び第2のトランジスタの導通によって前記半導体スイッチング素子をターン・オンさせて前記第入力容量を充電し、前記第3のトランジスタの導通によって前記半導体スイッチング素子をターン・オフさせて前記入力容量の充電電荷を前記ダイオードを介して前記第1の直流電圧源に回生することを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, there is provided a drive circuit for driving a semiconductor switching element having a gate electrode and first and second output electrodes and having an input capacitance formed between the gate electrode and the first output electrode. A first transistor in which a main conductive path is connected between the output voltage terminal of the first DC voltage source and the gate electrode of the semiconductor switching element, and a diode of opposite polarity is connected in parallel with the main conductive path; A second transistor having a main conductive path connected between the first output electrode of the semiconductor switching element and a reference potential terminal of the first DC voltage source; boosting a DC voltage from the first DC voltage source; A second DC voltage source for generating a second DC voltage; and a main conductive path is connected between the output voltage terminal of the second DC voltage source and the first output electrode of the semiconductor switching element. A third circuit; and a control circuit for alternately turning on and off the third transistor; and the semiconductor by the conduction of the first and second transistors. The switching element is turned on to charge the first input capacitor, and the semiconductor switching element is turned off by the conduction of the third transistor, and the charge of the input capacitor is transferred to the first capacitor via the diode. It is characterized by regenerating to a DC voltage source.
さらに請求項8記載の本発明のX線高電圧装置は、交流電源からの交流電圧を直流電圧に変換する直流電源部と;複数の半導体スイッチング素子を含み、これら複数の半導体スイッチング素子をオン・オフ制御して前記直流電源部からの直流電圧を交流電圧に変換して出力するインバータ回路と;前記インバータ回路からの交流出力電圧を昇圧する高電圧トランスと;前記高電圧トランスの出力電圧を直流電圧に変換してX線管に供給する高電圧整流回路と;から成り、前記インバータ回路の複数の半導体スイッチング素子をそれぞれ駆動するため、請求項1又は請求項5に記載のドライブ回路を用いたことを特徴とする。
Furthermore, the X-ray high voltage apparatus of the present invention according to
本発明によれば、半導体スイッチング素子のゲート入力容量Ciにチャージされた電荷を第1の直流電圧源に回生することによって、電力損失を低減することができ、半導体スイッチング素子のゲートドライブ回路を小型化することができる。またX線高電圧装置のインバータの動作周波数を高めることができる。 According to the present invention, the power loss can be reduced by regenerating the charge charged in the gate input capacitance Ci of the semiconductor switching element to the first DC voltage source, and the gate drive circuit of the semiconductor switching element can be reduced in size. Can be In addition, the operating frequency of the inverter of the X-ray high voltage apparatus can be increased.
以下、この発明の一実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は本発明のX線高電圧装置の全体の構成を示すブロック図である。X線高電圧装置10は、整流回路12、平滑コンデンサ13、インバータ回路14、高電圧トランス15、高電圧整流回路16、平滑コンデンサ17から成っており、整流回路12には商用交流電源11が接続され、平滑コンデンサ17の両端にX線管18が接続されている。
FIG. 1 is a block diagram showing the overall configuration of the X-ray high voltage apparatus of the present invention. The X-ray
整流回路12は、商用交流電源11からの交流電源電圧を直流電圧に変換する。平滑コンデンサ13は整流回路12の出力電圧を平滑するもので、整流回路12と平滑コンデンサ13は直流電源部となる。平滑コンデンサ13の一端を直流電圧端子とすると、他端は基準電位端子となる。
The
インバータ回路14は、平滑コンデンサ13からの直流電圧を高周波の交流電圧に変換するもので、半導体スイッチング素子21a,21b,21c,21dと、それぞれの半導体スイッチング素子21a〜21dを駆動するドライブ回路22a,22b,22c,22dを含んでいる。
The
インバータ回路14からの高周波の交流電圧は、高電圧トランス15によって昇圧され、高電圧整流回路16に供給され、直流高電圧に変換される。高電圧整流回路16からの直流高電圧は、さらに平滑コンデンサ17によって平滑される。
The high-frequency AC voltage from the
X線管18は、アノード18aとカソード18kを有し、アノード18aとカソード18k間に平滑コンデンサ17によって平滑された直流高電圧(管電圧)が印加される。
The
インバータ回路14の半導体スイッチング素子21a〜21dは、例えばIGBTで構成され、以下、IGBT21a〜21dとして説明する。
The
IGBT21aとIGBT21bは直列に接続され、平滑コンデンサ13の両端間に接続される。同様にIGBT21cとIGBT21dも直列に接続され、平滑コンデンサ14の両端間に接続される。IGBT21a〜21dは、ドライブ回路22a〜22dによってそれぞれ駆動され、IGBT21aとIGBT21bは交互にオン・オフ動作し、IGBT21cとIGBT21dも交互にオン・オフ動作する。
The IGBT 21 a and the IGBT 21 b are connected in series and are connected between both ends of the
図2は、IGBT21a〜21dの動作タイミングを示す波形図であり、VaはIGBT21aのゲート電圧、VbはIGBT21bのゲート電圧、VcはIGBT21cのゲート電圧、VdはIGBT21dのゲート電圧をそれぞれ示している。
FIG. 2 is a waveform diagram showing the operation timing of the
図2において、タイミングT1,T3は、IGBT21aとIGBT21dがオンする期間であり、この期間は、IGBT21bとIGBT21cがオフする。このとき、IGBT21a→高電圧トランス15の一次巻線→IGBT21dへと電流が流れる。
In FIG. 2, timings T1 and T3 are periods in which the
また、タイミングT2,T4は、IGBT21bとIGBT21cがオンする期間であり、この期間は、IGBT21aとIGBT21dがオフする。このとき、IGBT21c→高電圧トランス15の一次巻線→IGBT21bへと電流が流れる。
Timings T2 and T4 are periods in which the
こうして、高電圧トランス15の一次巻線には、タイミングT1,T3と、タイミングT2,T4で、それぞれ逆方向に電流が流れ、高電圧トランス15の二次巻線には高圧パルスが誘起され、高圧整流回路16によって整流することで直流高電圧が得られる。
Thus, current flows in the primary winding of the
次に、本発明のIGBTのドライブ回路22a〜22dの詳細について、図3を参照して説明する。
Next, details of the
インバータ回路14は、IGBT21a〜21dと、ドライブ回路22a〜22dで構成されているが、ドライブ回路22a〜22dの構成は同一であるため、図3では、IGBT21aとドライブ回路22aから成る回路部(図1の点線14aで示す部分)を代表的に示している。
The
IGBT21aは、ゲート電極、エミッタ電極、コレクタ電極を有し、エミッタ電極が第1の出力電極となり、コレクタ電極が第2の出力電極となる。以下の説明ではIGBT21aのゲート電極をゲート、第1の出力電極をエミッタ、第2の出力電極をコレクタと称して説明する。またIGBT21aのゲート・エミッタ間には入力容量Ciが存在する。
The
図3において、トランジスタQ1,Q2は第1,第2のスイッチであり、IGBT21aを駆動するトランジスタである。トランジスタQ1のコレクタは、直流電圧源23のプラス側(出力電圧端子)に接続され、エミッタは抵抗R1を介してIGBT21aのゲートに接続されている。またトランジスタQ1の主導電路(コレクタ・エミッタ路)には、並列にダイオードD1が逆向きに接続されている。ここで、直流電圧源23の電圧をV1(例えば15V)とする。
In FIG. 3, transistors Q1 and Q2 are first and second switches, and are transistors that drive the
一方、トランジスタQ2のコレクタは、IGBT21aのエミッタに接続され、トランジスタQ2のエミッタは直流電圧源23のマイナス側(基準電位端子)に接続されている。トランジスタQ1,Q2のベースには、制御回路IC1からの制御信号S1,S2が供給され、トランジスタQ1,Q2はそれぞれ同時にオン・オフ駆動される。
On the other hand, the collector of the transistor Q2 is connected to the emitter of the
また直流電圧源23のプラス側は、昇圧型のDC/DCコンバータ24に接続され、直流電圧は昇圧される。DC/DCコンバータ24は第2の直流電圧源となり、その出力端子はトランジスタQ3の主導電路(エミッタ・コレクタ路)を介してIGBT21aのエミッタ及びトランジスタQ2のコレクタに接続されている。
The positive side of the
トランジスタQ3は第3のスイッチであり、そのベースには、制御回路IC1からの制御信号S3が供給され、トランジスタQ1,Q2がオンする期間はオフし、トランジスタQ1,Q2がオフする期間はオンするように制御される。 The transistor Q3 is a third switch, and its base is supplied with a control signal S3 from the control circuit IC1, and is turned off when the transistors Q1 and Q2 are turned on, and turned on when the transistors Q1 and Q2 are turned off. To be controlled.
DC/DCコンバータ24は、コンデンサC1、リアクトルL1、スイッチ用のトランジスタQ4、ダイオードD2、コンデンサC2、及びトランジスタQ4をオン・オフ制御する制御回路IC2を有している。
The DC /
DC/DCコンバータ24は、制御回路IC2によってトランジスタQ4をオン・オフし、そのオン・オフ比率を制御することによって、昇圧した出力電圧V2を得ることができる。また抵抗R2,R3の分圧回路によって、出力電圧V2に比例した電圧を制御回路IC2にフィードバックするで、出力電圧V2を一定に保つようにしている。
The DC /
DC−DCコンバータ24のトランジスタQ4のオン時間をTon、オフ時間をToffとすると、デューティ比Dは、以下の(1)式で求められる。
When the on-time of the transistor Q4 of the DC-
D=Ton/(Ton+Toff) ・・・(1)
また、直流電圧源23の電圧をV1とすると、DC−DCコンバータ24の出力電圧V2は、(2)式で求められる。
D = Ton / (Ton + Toff) (1)
Further, assuming that the voltage of the
V2 = V1・1/(1−D) ・・・(2)
次に図3の動作を、図4を参照して説明する。図4のS1,S2,S3は、それぞれトランジスタQ1,Q2,Q3のベースに供給される制御信号の波形を示している。
V2 = V1 / 1 / (1-D) (2)
Next, the operation of FIG. 3 will be described with reference to FIG. S1, S2, and S3 in FIG. 4 indicate the waveforms of control signals supplied to the bases of the transistors Q1, Q2, and Q3, respectively.
IGBT21aをオンするためのゲート・エミッタ間の電圧をVon、IGBT21aをオフするためのゲート・エミッタ間の電圧をVoffとすると、例えばVon は15V、Voffは−9Vである。したがって、DC−DCコンバータ24の出力電圧V2は、(3)式で求められる。
Assuming that the gate-emitter voltage for turning on the
V2=Von−Voff ・・・(3)
これにより、V2=15V−(−9V)=24V となり、DC−DCコンバータ24のトランジスタQ4のオン・オフ比率を制御して、出力電圧V2として24Vを得るようにする。
V2 = Von−Voff (3)
As a result, V2 = 15V − (− 9V) = 24V, and the on / off ratio of the transistor Q4 of the DC-
次に、IGBT21aをオンするときの動作について説明する。このとき、図4の期間T1で示すように、トランジスタQ1とQ2は制御信号S1,S2によってオンとなり、トランジスタQ3は制御信号S3によってオフとなる。これにより、IGBT21aがターン・オンする。
Next, the operation when turning on the
この期間T1は、直流電圧源23→トランジスタQ1のコレクタ・エミツタ路→抵抗R1→入力容量Ci→トランジスタQ2のコレクタ・エミツタ路の経路で電流が流れ、IGBT21aの入力容量Ciを電圧15Vに充電する。
During this period T1, a current flows through the path of the
一方、IGBT21aをオフするときは、図4の期間T2で示すように、トランジスタQ1、Q2は制御信号S1,S2によってオフとなり、トランジスタQ3は制御信号S3によってオンとなる。これにより、IGBT21aがターン・オフする。
On the other hand, when the
この期間T2は、DC−DCコンバータ24の出力端(24V)→トランジスタQ3のエミッタ・コレクタ路→入力容量Ci→抵抗R1→ダイオードD1→直流電圧源23の経路で電流が流れ、IGBT21aの入力容量Ciは、−9Vに充電される。
During this period T2, a current flows through the output terminal (24V) of the DC-
この期間T2の電流は、直流電圧源23を充電する向きに流れるため、IGBT21aをオンするときに使われた入力容量Ciの電荷が直流電圧源23に回生される。したがって、IGBT21aをターン・オンするときは直流電圧源23から電力が供給されるが、IGBT21aをターン・オフするときは直流電圧源23に電力が戻ってくる。このときは、抵抗R1によって若干のロスは生じるが、抵抗R1以外に損失は発生しない。
Since the current in the period T2 flows in the direction of charging the
これにより、IGBT21aのゲートドライブ回路の電力損失を低下させることができる。またIGBT21aをオンするときに使われた電荷が直流電圧源23に回生されるため、ゲートドライブ回路22a〜22dの動作電源として高電圧の直流電源を設ける必要がなく、直流電圧源23を小型化することができる。
Thereby, the power loss of the gate drive circuit of IGBT21a can be reduced. In addition, since the charge used when the
図5は、直流電圧源23の一例を示す回路図である。
FIG. 5 is a circuit diagram showing an example of the
直流電圧源23は、直流電圧V0が一次巻線に供給されるトランス25と、トランス25の一次巻線に直列に接続されたスイッチ素子Q5と、スイッチ素子Q5を駆動する制御回路IC3と、トランス25の複数の二次巻線にそれぞれ接続された整流回路26,27を有してなる。
The
この直流電圧源23は、スイッチ素子Q5を所定のデューティ比でオン・オフすることにより、トランス25の一次巻線から二次巻線に電力エネルギーが供給され、整流回路26,27で整流し、平滑することにより、所定の電圧を得ることができる。尚、整流回路26は、整流用のダイオードD3と平滑用コンデンサC3を有し、整流回路27は、整流用のダイオードD4と平滑用コンデンサC4を有してなる。
The
整流回路26,27の出力電圧は、スイッチング素子Q5のオン・オフのデューティ比と、トランス25の一次巻線と二次巻線の巻数比で決まり、整流回路26の出力電圧をドライブ回路22aの直流電圧V1(図3)として使用することができる。また整流回路27の出力電圧は、ドライブ回路22bの直流電圧V1として使用することができる。他のドライブ回路22c,22dの直流電圧V1も同様にして得ることができる。
The output voltage of the
整流回路26の出力電圧をドライブ回路22aの電源電圧V1として利用した場合、整流回路26の出力電圧端子28は、図3のトランジスタQ1のコレクタ及びDC/DCコンバータ24に接続され、整流回路26の基準電位端29はトランジスタQ2のエミッタに接続される。
When the output voltage of the
したがって、IGBT21aがターン・オフの期間、出力電圧V1はDC/DCコンバータで昇圧されてトランジスタQ3に供給され、かつ入力容量Ciの電荷が抵抗R1、ダイオードD1を介して整流回路26に回生されることになる。
Therefore, during the period when the
一般的に、IGBTの動作周波数を高くした場合、入力容量Ciの電荷を放電する回数が増えるため、動作周波数が高くなるほど電力損失が大きくなり、ゲートドライブ回路が大型化する傾向にある。特にX線CT装置の架台のように限られたスベースに実装するには小型化する必要があり、このためIGBTの動作周波数をあまり高くすることができないという不具合があった。 Generally, when the operating frequency of the IGBT is increased, the number of times of discharging the charge of the input capacitor Ci increases, so that the power loss increases as the operating frequency increases, and the gate drive circuit tends to increase in size. In particular, in order to mount on a limited sbase like a gantry of an X-ray CT apparatus, it is necessary to reduce the size, and there has been a problem that the operating frequency of the IGBT cannot be made very high.
この点、本発明ではIGBTの入力容量Ciの電荷を直流電圧源23に回生することにより、電力損失を低下させることができ、動作周波数を高く設定することができるためドライブ回路を小型化することができる。したがって、X線CT装置の架台に実装する場合もスペース的に有利となる。
In this respect, in the present invention, by regenerating the charge of the input capacitor Ci of the IGBT to the
尚、以上の説明では、半導体スイッチング素子としてIGBTを用いた例を述べたが、電圧制御可能な電力用スイッチング素子としては、MOSFETを利用することもできる。また特許請求の範囲を逸脱しない範囲内で種々の変形が可能である。 In the above description, an example in which an IGBT is used as a semiconductor switching element has been described. However, a MOSFET can also be used as a voltage-controllable power switching element. Various modifications can be made without departing from the scope of the claims.
10…X線高電圧装置
11…交流電源
12…整流回路
13…平滑コンデンサ
14…インバータ回路
15…高電圧トランス
16…高電圧整流回路
18…X線管
21a〜21d…半導体スイッチング素子(IGBT)
22a〜22d…ドライブ回路
23…直流電圧源
24…昇圧型DC/DCコンバータ
Ci…入力容量
Q1,Q2,Q3…スイッチ(トランジスタ)
D1…回生用ダイオード
IC1…制御回路
DESCRIPTION OF
22a to 22d ... drive
D1 ... Regenerative diode IC1 ... Control circuit
Claims (9)
第1の直流電圧源からの直流電圧によって動作し、前記半導体スイッチング素子をターン・オン制御する第1の回路と、
前記第1の直流電圧源からの直流電圧を昇圧して第2の直流電圧を生成する第2の直流電圧源と、
前記第2の直流電圧によって動作し、前記半導体スイッチング素子をターン・オフさせる第2の回路と、
前記半導体スイッチング素子のターン・オン時に前記入力容量に蓄積された電荷をターン・オフ時に前記第1の直流電圧源に回生する回生回路と、を具備したことを特徴とする半導体スイッチング素子のドライブ回路。 In a drive circuit for driving a semiconductor switching element in which an input capacitance is formed between a gate electrode and a first output electrode,
A first circuit that operates with a DC voltage from a first DC voltage source and that controls turn-on of the semiconductor switching element;
A second DC voltage source that boosts a DC voltage from the first DC voltage source to generate a second DC voltage;
A second circuit operated by the second DC voltage to turn off the semiconductor switching element;
A drive circuit for a semiconductor switching element, comprising: a regeneration circuit for regenerating charge accumulated in the input capacitor to the first DC voltage source when the semiconductor switching element is turned on; .
第2の回路は、前記第2の直流電圧源の出力電圧端子と前記半導体スイッチング素子の前記第1の出力電極間に接続された第3のスイッチを有して成り、
前記第1,第2のスイッチのオンによって前記半導体スイッチング素子をターン・オンさせ、前記第1,第2のスイッチのオフ期間に前記第3のスイッチをオンして前記半導体スイッチング素子をターン・オフさせることを特徴とする請求項1記載の半導体スイッチング素子のドライブ回路。 The first circuit includes: a first switch connected between an output voltage terminal of the first DC voltage source and a gate electrode of the semiconductor switching element; the first output electrode of the semiconductor switching element; A second switch connected between reference potential terminals of one DC voltage source;
The second circuit includes a third switch connected between the output voltage terminal of the second DC voltage source and the first output electrode of the semiconductor switching element,
The semiconductor switching element is turned on when the first and second switches are turned on, and the third switch is turned on and the semiconductor switching element is turned off during the off period of the first and second switches. The drive circuit of the semiconductor switching element according to claim 1, wherein
第1の直流電圧源の出力電圧端子と前記半導体スイッチング素子のゲート電極間に主導電路が接続され、この主導電路と並列に逆極性のダイオードが接続された第1のトランジスタと、
前記半導体スイッチング素子の前記第1の出力電極と前記第1の直流電圧源の基準電位端子間に主導電路が接続された第2のトランジスタと、
前記第1の直流電圧源からの直流電圧を昇圧して第2の直流電圧を生成する第2の直流電圧源と、
前記第2の直流電圧源の出力電圧端子と前記半導体スイッチング素子の前記第1の出力電極間に主導電路が接続された第3のトランジスタと、
前記第1及び第2のトランジスタと、前記第3のトランジスタを交互にオン・オフ制御する制御回路と、を具備し、
前記第1及び第2のトランジスタの導通によって前記半導体スイッチング素子をターン・オンさせて前記入力容量を充電し、前記第3のトランジスタの導通によって前記半導体スイッチング素子をターン・オフさせて前記入力容量の充電電荷を前記ダイオードを介して前記第1の直流電圧源に回生することを特徴とする半導体スイッチング素子のドライブ回路。 A drive circuit for driving a semiconductor switching element having a gate electrode and first and second output electrodes and having an input capacitance formed between the gate electrode and the first output electrode,
A first transistor in which a main conductive path is connected between the output voltage terminal of the first DC voltage source and the gate electrode of the semiconductor switching element, and a diode of reverse polarity is connected in parallel with the main conductive path;
A second transistor having a main conductive path connected between the first output electrode of the semiconductor switching element and a reference potential terminal of the first DC voltage source;
A second DC voltage source that boosts a DC voltage from the first DC voltage source to generate a second DC voltage;
A third transistor having a main conductive path connected between an output voltage terminal of the second DC voltage source and the first output electrode of the semiconductor switching element;
A control circuit for alternately turning on and off the first and second transistors and the third transistor;
The semiconductor switching element is turned on by conduction of the first and second transistors to charge the input capacitor, and the semiconductor switching element is turned off by conduction of the third transistor to A drive circuit for a semiconductor switching element, wherein charge charge is regenerated to the first DC voltage source via the diode.
複数の半導体スイッチング素子を含み、これら複数の半導体スイッチング素子をオン・オフ制御して前記直流電源部からの直流電圧を交流電圧に変換して出力するインバータ回路と、
前記インバータ回路からの交流出力電圧を昇圧する高電圧トランスと、
前記高電圧トランスの出力電圧を直流電圧に変換してX線管に供給する高電圧整流回路とから成り、
前記インバータ回路の複数の半導体スイッチング素子をそれぞれ駆動するため、請求項1又は請求項5に記載のドライブ回路を用いたことを特徴とするX線高電圧装置。 A DC power supply unit that converts AC voltage from the AC power supply into DC voltage;
An inverter circuit that includes a plurality of semiconductor switching elements, converts the DC voltage from the DC power supply unit to an AC voltage, and outputs the AC voltage by controlling on / off of the plurality of semiconductor switching elements;
A high voltage transformer that boosts the AC output voltage from the inverter circuit;
A high-voltage rectifier circuit that converts the output voltage of the high-voltage transformer into a DC voltage and supplies it to the X-ray tube;
An X-ray high voltage apparatus using the drive circuit according to claim 1 or 5 for driving a plurality of semiconductor switching elements of the inverter circuit.
前記直流電源部の直流電圧端子と基準電位端子間に接続された、第1,第2半導体スイッチング素子で成る直列回路と、第3,第4半導体スイッチング素子で成る直列回路とを具備し、
第1,第2半導体スイッチング素子の接続点と、前記第3,第4半導体スイッチング素子の接続点との間に前記高電圧トランスの一次巻線を接続し、
前記第1,第4の半導体スイッチング素子と、前記第2,第3の半導体スイッチング素子を交互にオン・オフ制御することを特徴とする請求項8記載のX線高電圧装置。 The inverter circuit is
A series circuit including first and second semiconductor switching elements connected between a DC voltage terminal and a reference potential terminal of the DC power supply unit; and a series circuit including third and fourth semiconductor switching elements;
Connecting a primary winding of the high-voltage transformer between a connection point of the first and second semiconductor switching elements and a connection point of the third and fourth semiconductor switching elements;
9. The X-ray high voltage apparatus according to claim 8, wherein the first and fourth semiconductor switching elements and the second and third semiconductor switching elements are alternately turned on and off.
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