JP2022115528A - Ｘ線高電圧装置及びｘ線撮像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング損失を低減すること。【解決手段】 実施形態に係るＸ線高電圧装置は、インバータ、電圧発生回路及び制御回路を有する。インバータは、スイッチング素子と共振コンデンサとを含む共振回路を有する。電圧発生回路は、前記インバータへの入力直流電圧を発生する。制御回路は、前記入力直流電圧の電圧値が前記インバータのインバータ電流の電流値と前記共振回路の回路定数との乗算値を下回るように前記入力直流電圧を制御する。【選択図】 図２

Description

本明細書及び図面に開示の実施形態は、Ｘ線高電圧装置及びＸ線撮像装置に関する。

Ｘ線高電圧装置では、電源の小型化のため、電力損失及び発熱の低減が求められている。Ｘ線高電圧装置には、スイッチング素子を用いて直流電圧を交流電圧に変換するインバータを搭載する型式のものがある。スイッチング素子を用いたインバータでは、スイッチング素子のＯＮとＯＦＦとの切替に伴う電力損失や発熱等のスイッチング損失の低減が求められている。

国際公開第２０１３／１７２３２０号

本明細書及び図面に開示の実施形態が解決しようとする課題の一つは、スイッチング損失を低減することである。ただし、本明細書及び図面に開示の実施形態により解決しようとする課題は上記課題に限られない。後述する実施形態に示す各構成による各効果に対応する課題を他の課題として位置づけることもできる。

実施形態に係るＸ線高電圧装置は、インバータ、電圧発生回路及び制御回路を有する。インバータは、スイッチング素子と共振コンデンサとを含む共振回路を有する。電圧発生回路は、前記インバータへの入力直流電圧を発生する。制御回路は、前記入力直流電圧の電圧値が前記インバータのインバータ電流の電流値と前記共振回路の回路定数との乗算値を下回るように前記入力直流電圧を制御する。

図１は、本実施形態に係るＸ線コンピュータ断層撮影装置の構成例を示す図である。 図２は、図１のＸ線高電圧装置の構例成を示す図である。 図３は、従来動作での高負荷時におけるインバータの回路構成に電流及び電圧を示した図である。 図４は、従来動作での軽負荷時におけるインバータの回路構成に電流及び電圧を示した図である。 図５は、負荷電圧（管電圧）とインバータ電流との時間変化を示すグラフである。 図６は、三相コンバータ整流回路によるＡＣ／ＤＣコンバータの回路構成例を示す図である。 図７は、本実施形態に係る動作例での高負荷時におけるＸ線高電圧装置の回路構成に電流及び電圧を示した図である。 図８は、本実施形態に係る動作例での軽負荷時におけるＸ線高電圧装置の回路構成に電流及び電圧を示した図である。 図９は、本実施形態に係る動作例での負荷電圧、インバータ電流及びインバータ入力電圧の時間変化を示すグラフである。 図１０は、撮像条件毎のインバータ電流値のテーブルの一例を示す図である。

以下、図面を参照しながら、Ｘ線高電圧装置及びＸ線撮像装置の実施形態について詳細に説明する。

本実施形態に係るＸ線高電圧装置は、Ｘ線撮像装置に搭載されている。本実施形態に係るＸ線撮像装置は、被検体にＸ線を照射して撮像を行い医用画像診断装置である。本実施形態に係るＸ線撮像装置は、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置やＸ線診断装置に適用可能である。以下の説明では、本実施形態に係るＸ線撮像装置は、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置であるとする。

Ｘ線コンピュータ断層撮影装置（ＣＴ装置）には、第３世代ＣＴ、第４世代ＣＴ等様々なタイプがあり、いずれのタイプでも本実施形態へ適用可能である。ここで、第３世代ＣＴは、Ｘ線管と検出器とが一体として被検体の周囲を回転するＲｏｔａｔｅ／Ｒｏｔａｔｅ－Ｔｙｐｅである。第４世代ＣＴは、リング状にアレイされた多数のＸ線検出素子が固定され、Ｘ線管のみが被検体の周囲を回転するＳｔａｔｉｏｎａｒｙ／Ｒｏｔａｔｅ－Ｔｙｐｅである。

図１は、本実施形態に係るＸ線コンピュータ断層撮影装置の構成例を示す図である。図１に示すように、Ｘ線コンピュータ断層撮影装置１は、架台１０、寝台３０及びコンソール４０を有する。なお、図１では説明の都合上、架台１０が複数描画されているが、実際は一台でもよいし、複数台でもよい。架台１０は、被検体ＰをＸ線ＣＴ撮影するための構成を有するスキャン装置である。寝台３０は、Ｘ線ＣＴ撮影の対象となる被検体Ｐを載置し、被検体Ｐを位置決めするための搬送装置である。コンソール４０は、架台１０を制御するコンピュータである。

図１に示すように、架台１０は、Ｘ線管１１、Ｘ線検出器１２、回転フレーム１３、Ｘ線高電圧装置１４、制御装置１５、ウェッジ１６、コリメータ１７及びデータ収集回路（Data Acquisition System：ＤＡＳ）１８を有する。

Ｘ線管１１は、Ｘ線を被検体Ｐに照射する。Ｘ線管１１は、熱電子を発生する陰極と、陰極から飛翔する熱電子を受けてＸ線を発生する陽極と、陰極と陽極とを保持する真空管とを含む。

Ｘ線検出器１２は、Ｘ線管１１から照射され被検体Ｐを通過したＸ線を検出し、検出されたＸ線の線量に対応した電気信号をデータ収集回路１８に出力する。Ｘ線検出器１２は、チャネル方向に複数のＸ線検出素子が配列されたＸ線検出素子列がスライス方向（列方向）に複数配列された構造を有する。Ｘ線検出器１２は、例えば、グリッド、シンチレータアレイ及び光センサアレイを有する間接変換型の検出器が用いられる。

回転フレーム１３は、Ｘ線管１１とＸ線検出器１２とを回転軸（Ｚ軸）回りに回転可能に支持する円環状のフレームである。制御装置１５により回転フレーム１３が回転軸回りに回転することによりＸ線管１１とＸ線検出器１２とを回転軸回りに回転させる。

Ｘ線高電圧装置１４は、高電圧発生装置及びＸ線制御装置を有する。高電圧発生装置は、Ｘ線管１１に印加する高電圧及びＸ線管１１に供給するフィラメント電流を発生する。Ｘ線制御装置は、Ｘ線管１１が照射するＸ線に応じた出力電圧の制御を行う。高電圧発生装置は、インバータ方式である。Ｘ線高電圧装置１４は、架台１０内の回転フレーム１３に設けられてもよいし、架台１０内の固定フレーム（図示しない）に設けられても構わない。

ウェッジ１６は、Ｘ線管１１から被検体Ｐへ照射されるＸ線の線量が予め定められた分布になるようにＸ線を減衰する。例えば、ウェッジ１６としては、ウェッジフィルタ（wedge filter）やボウタイフィルタ（bow-tie filter）等のアルミニウム等の金属板が用いられる。コリメータ１７は、ウェッジ１６を透過したＸ線の照射範囲を限定する。コリメータ１７は、Ｘ線を遮蔽する複数の鉛板をスライド可能に支持し、複数の鉛板により形成されるスリットの形態を調節する。なお、コリメータ１７は、Ｘ線絞りと呼ばれる場合もある。

データ収集回路１８は、Ｘ線検出器１２により検出されたＸ線の線量に応じた電気信号をＸ線検出器１２から読み出す。データ収集回路１８は、読み出した電気信号を増幅し、ビュー期間に亘り電気信号を積分することにより当該ビュー期間に亘るＸ線の線量に応じたデジタル値を有する検出データを収集する。検出データは、投影データと呼ばれる。データ収集回路１８は、例えば、投影データを生成可能な回路素子を搭載した特定用途向け集積回路（Application Specific Integrated Circuit：ＡＳＩＣ）により実現される。投影データは、非接触データ伝送装置等を介してコンソール４０に伝送される。

なお、本実施形態では、積分型のＸ線検出器１２及び積分型のＸ線検出器１２が搭載されたＸ線コンピュータ断層撮影装置１を例として説明するが、本実施形態に係る技術は、光子計数型のＸ線検出器にも適用可能である。

制御装置１５は、コンソール４０の処理回路４４の撮影制御に従いＸ線ＣＴ撮影を実行するためにＸ線高電圧装置１４やデータ収集回路１８を制御する。制御装置１５は、プロセッサと、モータ及びアクチュエータ等の駆動機構とを有する。

寝台３０は、基台３１、支持フレーム３２、天板３３及び寝台駆動装置３４を備える。基台３１は、床面に設置される。基台３１は、支持フレーム３２を、床面に対して垂直方向（Ｙ軸方向）に移動可能に支持する筐体である。支持フレーム３２は、基台３１の上部に設けられるフレームである。支持フレーム３２は、天板３３を回転軸（Ｚ軸）に沿ってスライド可能に支持する。天板３３は、被検体Ｐが載置される柔軟性を有する板である。寝台駆動装置３４は、寝台３０の筐体内に収容される。寝台駆動装置３４は、被検体Ｐが載置された支持フレーム３２と天板３３とを移動させるための動力を発生するモータ又はアクチュエータである。寝台駆動装置３４は、コンソール４０等による制御に従い作動する。

コンソール４０は、メモリ４１、ディスプレイ４２、入力インターフェース４３及び処理回路４４を有する。メモリ４１とディスプレイ４２と入力インターフェース４３と処理回路４４との間のデータ通信は、バス（BUS）を介して行われる。なお、コンソール４０は架台１０とは別体として説明するが、架台１０にコンソール４０又はコンソール４０の各構成要素の一部が含まれてもよい。

メモリ４１は、種々の情報を記憶するHard Disk Drive（ＨＤＤ）やSolid State Drive（ＳＳＤ）、集積回路記憶装置等の記憶装置である。メモリ４１は、例えば、投影データや再構成画像データを記憶する。

ディスプレイ４２は、各種の情報を表示する。例えば、ディスプレイ４２は、処理回路４４によって生成されたＣＴ画像や、操作者からの各種操作を受け付けるためのＧＵＩ（Graphical User Interface）等を出力する。ディスプレイ４２としては、種々の任意のディスプレイが、適宜、使用可能となっている。例えばディスプレイ４２として、液晶ディスプレイ（Liquid Crystal Display：ＬＣＤ）、Cathode Ray Tube（ＣＲＴ）ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ（Organic Electro Luminescence Display：ＯＥＬＤ）又はプラズマディスプレイが使用可能である。ディスプレイ４２として、プロジェクタが用いられてもよい。

入力インターフェース４３は、ユーザからの各種の入力操作を受け付け、受け付けた入力操作を電気信号に変換して処理回路４４に出力する。具体的には、入力インターフェース４３は、マウス、キーボード、トラックボール、スイッチ、ボタン、ジョイスティック、タッチパッド及びタッチパネルディスプレイ等の入力機器に接続されている。また、入力インターフェース４３に接続される入力機器は、ネットワーク等を介して接続された他のコンピュータに設けられた入力機器でもよい。入力インターフェース４３は、マイクロフォンにより収集された音声信号を指示信号に変換する音声認識装置でもよい。

処理回路４４は、入力インターフェース４３から出力される入力操作の電気信号に応じてＸ線コンピュータ断層撮影装置１全体の動作を制御する。処理回路４４は、制御装置１５に対して指令を通知してＸ線ＣＴ撮影を行う。また、処理回路４４は、Ｘ線検出器１２からデータ収集回路１８を介して収集した投影データに基づいてＣＴ画像を再構成する。例えば、処理回路４４は、ハードウェア資源として、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のプロセッサを有する。

図２は、本実施形態に係るＸ線高電圧装置１４の構例成を示す図である。図２に示すように、Ｘ線高電圧装置１４は、商用電源５１とＸ線管１１とに接続されている。Ｘ線高電圧装置１４は、商用電源５１からの交流電圧を直流高電圧に変換し、Ｘ線管１１に印加する。具体的には、Ｘ線高電圧装置１４は、ＡＣ／ＤＣコンバータ５２、インバータ５３、高圧トランス５４、整流回路５５、コンバータ駆動回路５６、インバータ駆動回路５７及び制御回路５８を有する。

ＡＣ／ＤＣコンバータ５２の入力側は、商用電源５１に接続されている。ＡＣ／ＤＣコンバータ５２は、商用電源５１からの交流電圧を直流電圧に変換する。ＡＣ／ＤＣコンバータ５２の出力側はインバータ５３の入力側に接続されている。ＡＣ／ＤＣコンバータ５２は電圧発生回路の一例である。また、ＡＣ／ＤＣコンバータ５２と商用電源５１とを含めて電圧発生回路と呼ぶこともできる。電圧発生回路は、インバータ５３の入力直流電圧を発生する。

インバータ５３は、ＡＣ／ＤＣコンバータ５２からの入力直流電圧を出力交流電圧に変換する。インバータ５３は、スイッチング素子と共振コンデンサとを含む共振回路を有する。スイッチング素子にインバータ駆動回路５７から制御信号が供給されてオンとオフとが切り替えられる。スイッチング素子のオンとオフとの切替により、入力直流電圧が、商用電源５１よりも高い周波数の出力交流電圧に変換される。インバータ５３は、スイッチング素子に印加される制御信号にスイッチング素子間で位相差を与えることにより、インバータ５３の出力交流電圧の電圧値が調整される位相シフト型インバータである。インバータ５３の出力側は高圧トランス５４の入力側に接続される。

高圧トランス５４は、インバータ５３からの出力交流電圧を昇圧する。高圧トランス５４は、一次コイルと二次コイルと鉄心とを有する。一次コイルは一次巻線で巻かれ、二次コイルは二次巻線で巻かれている。一次コイルの入力側は、インバータ５３の出力側に接続されている。一次コイルは、インバータ５３からの交流電圧（一次電圧）の印加を受けて電磁誘導の原理により鉄心を介して二次コイルに交流電圧（二次電圧）を誘起する。一次巻線の巻数に対する二次巻線の巻数の比率に応じて一次電圧に対する二次電圧の増幅率が決定される。二次コイルの出力側は整流回路５５の入力側に接続されている。

整流回路５５は、高圧トランス５４からの出力交流電圧を整流平滑して出力直流電圧に変換する。整流回路５５は種々様々な構成が可能である。整流回路５５は整流平滑のみを行う回路でもよいし、整流平滑に加え昇圧を行う回路でもよい。整流平滑のみを行う整流回路５５としては、例えば、シリコン半導体を用いた高圧ダイオードであるシリコン整流器等が用いられればよい。整流平滑且つ昇圧を行う整流回路５５としては、各々が高圧整流コンデンサと高圧ダイオードとを有する複数の回路が任意の方式で接続された多倍昇圧回路等が用いられる。整流回路５５の出力側はＸ線管１１に接続されている。整流回路５５の出力直流電圧はＸ線管１１に印加される。

Ｘ線管１１は、熱電子を発生する陰極と、陰極から飛翔する熱電子を受けてＸ線を発生する陽極と、陰極と陽極とを保持する真空管とを含む。Ｘ線管１１は、高圧ケーブルを介してＸ線高電圧装置１４に接続されている。陰極と陽極との間には、整流回路５５からの出力直流電圧が印加される。陰極と陽極との間に印加される電圧は管電圧と呼ばれる。管電圧の印加により陰極から陽極に向けて熱電子が飛翔する。陰極から陽極に向けて熱電子が飛翔することにより管電流が流れる。熱電子が陽極に衝突することによりＸ線が発生される。

コンバータ駆動回路５６は、制御回路５８からの制御信号に従いＡＣ／ＤＣコンバータ５２を駆動してＡＣ／ＤＣコンバータ５２の出力直流電圧、換言すれば、インバータ５３への入力交流電圧を制御する。

インバータ駆動回路５７は、制御回路５８からの制御信号に従いインバータ５３を駆動してインバータ５３の出力交流電圧を制御する。具体的には、インバータ駆動回路５７は、インバータ５３に含まれる各スイッチング素子に制御信号を供給して各スイッチング素子のＯＮとＯＦＦとを切り替える。この際、インバータ駆動回路５７は、各スイッチング素子に供給する制御信号間に位相差を与えて各スイッチング素子に制御信号を供給する。制御信号間の位相差を調整することにより、インバータ５３からの出力交流電圧の電圧値が調整される。このようなスイッチング素子に供給する制御信号間の位相差によりインバータ５３からの出力交流電圧の電圧値を調整することを位相シフト制御と呼ぶ。

制御回路５８は、コンバータ駆動回路５６とインバータ駆動回路５７とを制御する。制御回路５８は、負荷電圧の検出値、インバータ５３を流れる電流（以下、インバータ電流と呼ぶ）の検出値、インバータ５３への入力直流電圧の検出値、ＡＣ／ＤＣコンバータ５２への入力交流電流の検出値、ＡＣ／ＤＣコンバータ５２への入力交流電圧の検出値を取得する。負荷電圧の検出値、インバータ電流の検出値、インバータ５３への入力直流電圧の検出値、ＡＣ／ＤＣコンバータ５２を流れる入力交流電流の検出値、ＡＣ／ＤＣコンバータ５２への入力交流電圧の検出値は、各々についての検出器により検出される。負荷電圧は、インバータ５３により発生された電力の供給先である高圧トランス５４、整流回路５５及びＸ線管１１に印加されている電圧の総称である。以下の実施形態において負荷電圧はＸ線管１１の管電圧であるとする。

制御回路５８は、負荷電圧の検出値、インバータ電流の検出値、インバータ５３への入力直流電圧の検出値、ＡＣ／ＤＣコンバータ５２への入力交流電流の検出値、ＡＣ／ＤＣコンバータ５２への入力交流電圧の検出値に基づいて、管電圧検出値が管電圧設定値に近づくようにコンバータ駆動回路５６とインバータ駆動回路５７とを同期的に制御する。具体的には、制御回路５８は、管電圧検出値と管電圧設定値とが一致するようにインバータ５３への入力直流電圧を調整する。並行して、制御回路５８は、インバータ５３に含まれるスイッチング素子のＯＮとＯＦＦとの切替に伴い発生するスイッチング損失を低減するためソフトスイッチングを行うようにインバータ駆動回路５７を制御する。ソフトスイッチングの効率を高めるため、制御回路５８は、インバータ５３への入力直流電圧の電圧値が、インバータ５３を流れるインバータ電流の電流値とインバータ５３に含まれる共振回路の回路定数との乗算値を下回るように、インバータ５３への入力直流電圧を制御する。制御回路５８は、デジタルフィードバック制御回路等の任意の回路により実現される。

次に、ソフトスイッチングの問題点について図３及び図４を参照しながら詳細に説明する。

図３は従来動作での高負荷時におけるインバータ５３の回路構成に電流及び電圧を示す図であり、図４は従来動作での軽負荷時におけるインバータ５３の回路構成に電流及び電圧を示す図である。高負荷時は負荷側に比較的高電圧を印加する場合であり、軽負荷時は負荷側に比較的低電圧を印加する場合である。なお図３及び図４においてＡＣ／ＤＣコンバータ５２は簡易的な回路記号により表されている。

図３及び図４に示すように、ＡＣ／ＤＣコンバータ５２とインバータ５３との間に直流バスコンデンサＣ_ｉｎが設けられている。直流バスコンデンサＣ_ｉｎにはＡＣ／ＤＣコンバータ５２からの出力直流電圧Ｖ_ＤＣが印加され、電圧Ｖ_ＤＣの印加に伴い供給される電荷を蓄える。インバータ５３は、例示的に、４個のアームを有する共振回路を有する。各アームは、並列接続されたスイッチング素子Ｓ１－Ｓ４、ダイオード及び共振コンデンサＣ１－Ｃ４を有する。インバータ５３により発生された交流電圧が高圧トランス５４により昇圧される。インバータ５３の出力側はチョークコイルＬ_１を介して高圧トランス５４の入力側に接続されている。チョークコイルＬ_１はインバータ電流の供給を受けてエネルギーを蓄積する。

ソフトスイッチングの方式としては、ゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ：Zero Voltage Switching）制御とゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ：Zero Current Switching）制御とを利用することが可能である。ゼロ電圧スイッチング制御は、スイッチング素子と共振コンデンサとに電荷を出し入れすることで電圧を共振させ、スイッチング素子の電圧が略０となったタイミングでスイッチングを行うことにより、スイッチング損失を低減する。ゼロ電流スイッチング制御は、インバータ電流が略０となるタイミングでスイッチングを行うことにより、スイッチング損失を低減する。以下の説明においては、ゼロ電圧スイッチング制御が用いられるものとする。

制御回路５８は、スイッチング素子Ｓ１－Ｓ４に並列して接続された共振コンデンサＣ１－Ｓ４と、チョークコイルＬ_１との並列共振を利用して、位相シフト制御によるゼロ電圧スイッチング制御を実行するようにインバータ駆動回路５７を制御する。ゼロ電圧スイッチング制御では、スイッチング素子Ｓ１－Ｓ４各々をオンにする直前に設けたデッドタイムの間に、チョークコイルＬ_１に蓄積されたエネルギーを利用して、共振コンデンサＣ１－Ｓ４に充電された電荷を引き抜く。この際、インバータ駆動回路５７は、スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ２とについて交互にＯＮとＯＦＦとを繰り返し、スイッチング素子Ｓ３とスイッチング素子Ｓ４とについて交互にＯＮとＯＦＦとを繰り返す。スイッチング素子Ｓ１－Ｓ４への制御信号をＯＮにすることによりスイッチング素子Ｓ１－Ｓ４がＯＮになる。スイッチング素子Ｓ１－Ｓ４がＯＮに切り替えられるとき、共振コンデンサＣ１－Ｓ４に充電された電荷がチョークコイルＬ_１のエネルギーを利用して放電される。スイッチング素子Ｓ１－Ｓ４がＯＮに切り替えられるとき、共振コンデンサＣ１－Ｓ４は放電しているため、スイッチング素子Ｓ１－Ｓ４のコレクタ－エミッタ間電圧はゼロになっている。このため、ゼロ電圧スイッチングが達成される。

ゼロ電圧スイッチング制御を実現するための条件式（以下、ＺＶＳ条件式と呼ぶ）は、下記の数式により表すことができる。下記の数式中、Ｌ_ｉはインバータ５３内のチョークコイルＬ_１等のインダクタのインダクタンス値であり、ｉはインバータ電流の電流値であり、Ｃはインバータ５３に含まれる共振コンデンサの容量、Ｖ_ＤＣはインバータ５３への入力直流電圧値である。ＺＶＳ条件式によれば、左辺に示すインダクタに蓄えられるエネルギーが共振コンデンサに蓄えられるエネルギーよりも大きいときにソフトスイッチングが実現される。なお、下記のＺＶＳ条件式は、スイッチング素子Ｓ３とスイッチング素子Ｓ４とを含むアームについての条件式である。スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ２とを含むアームについてのＺＶＳ上限式は、下記の数式のＣ_３とＣ_４とをそれぞれＣ_１とＣ_２とに置き換えることにより得られる。

図５は、負荷電圧（管電圧）とインバータ電流との時間変化を示すグラフである。図５に示すように、負荷電圧は、立ち上がりから管電圧設定値に向けて上昇する。インバータ５３からの出力交流電圧のパルス幅は、負荷電圧の立ち上がり時は比較的広いが、負荷電圧が定常状態に近づくにつれて狭くなり、定常状態になるとパルス幅は狭く一定になる。そのため、インバータ電流も負荷電圧の立ち上がりから上昇し、時刻ｔ１にピークを向かえた後、定常状態に近づくにつれて小さくなり、時刻ｔ２にて定常状態になると小さい値に収束する。

図５に示すように、図３に示す高負荷時（充電時）の場合、負荷側に電力を供給するためにインバータ５３が動作し、インバータ５３のインダクタに流れるインバータ電流の電流値ｉが大きく、共振コンデンサに電圧を蓄えるだけの十分なエネルギーをインダクタに蓄えることができる。この場合、左辺が右辺よりも大きくなり、ソフトスイッチングが実現される。一方、図４に示す軽負荷時（定常状態）の場合、インダクタに流れるインバータ電流の電流値ｉが小さく、共振コンデンサに電圧を蓄えるだけの十分なエネルギーをインダクタに蓄えることができない。この場合、左辺が右辺よりも小さくなり、ソフトスイッチングを達成することができない。

そこで、Ｘ線高電圧装置１４は、負荷状況に応じてインバータ５３への入力直流電圧を制御する。入力直流電圧を制御可能にするため、ＡＣ／ＤＣコンバータ５２としては、三相コンバータ整流回路が用いられる。

図６は、三相コンバータ整流回路によるＡＣ／ＤＣコンバータ５２の回路構成例を示す図である。図６に示すように、商用電源５１からはＵ相、Ｖ相及びＷ相からなる三相交流がＡＣ／ＤＣコンバータ５２の入力側に供給される。ＡＣ／ＤＣコンバータ５２は、各相について２対のアームを有する。各アームは、スイッチング素子と当該スイッチング素子Ｓ１－Ｓ６に逆並列に接続されたダイオードとを有する。３つのアームがブリッジ接続されている。ＡＣ／ＤＣコンバータ５２の出力側は直流バスコンデンサＣ_ｉｎを介してインバータ５３の入力側に接続されている。

ＡＣ／ＤＣコンバータ５２の出力直流電圧は、３個のアームの出力電圧の合成電圧により決定される。各アームの出力電圧は、一対のスイッチング素子各々のＯＮとＯＦＦとの切替により調整される。各スイッチング素子は、コンバータ駆動回路５６からの制御信号の供給を受けてＯＮとＯＦＦとを切り替える。３個のアーム間でスイッチング素子のＯＮ時間を調整することにより、ＡＣ／ＤＣコンバータ５２の出力電圧の電圧値を調整することが可能である。３個のアームの出力電圧の合成電圧である出力直流電圧が直流バスコンデンサＣ_ｉｎに印加される。

制御回路５８は、直流バスコンデンサＣ_ｉｎの直流バス電圧を制御する。具体的には、制御回路５８は、インバータ５３への入力直流電圧である直流バス電圧Ｖ_ｄｃの検出値を取得し、直流バス電圧Ｖ_ｄｃの検出値と目標値との差分値に応じた指令信号をコンバータ駆動回路５６に供給する。コンバータ駆動回路５６は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相各々の指令信号に応じて、各スイッチング素子Ｓ１－Ｓ６への制御信号を生成し、各スイッチング素子Ｓ１－Ｓ６に供給して各スイッチング素子Ｓ１－Ｓ６を駆動する。指令信号に応じて各スイッチング素子Ｓ１－Ｓ６を駆動することにより、直流バス電圧Ｖ_ｄｃの検出値と目標値との差分値が大きい場合、直流バスコンデンサＣ_ｉｎに印加する入力交流電圧を増大させ、差分値が小さい場合、直流バスコンデンサＣ_ｉｎに印加する入力交流電圧を減少させることができる。このようにして、直流バスコンデンサＣ_ｉｎの直流バス電圧Ｖ_ｄｃを調整することが可能になる。

次に、本実施形態に係るＸ線高電圧装置１４の動作例を実施例１と実施例２とに分けて説明する。

（実施例１）
図７は本実施形態に係る動作例での高負荷時におけるＸ線高電圧装置１４の回路構成に電流及び電圧を示した図であり、図８は本実施形態に係る動作例での軽負荷時におけるＸ線高電圧装置１４の回路構成に電流及び電圧を示した図である。図９は、本実施形態に係る動作例での負荷電圧、インバータ電流及びインバータ入力電圧の時間変化を示すグラフである。

制御回路５８は、管電圧検出値が設定値Ｖ_ｓｅｔに一致するように、コンバータ駆動回路５６とインバータ駆動回路５７とを制御する。並行して制御回路５８は、負荷条件に応じて変化するインバータ電流とインバータ５３への入力直流電圧である直流バス電圧とを検出し、それらを比較し、最適な直流バス電圧を得るためにコンバータ駆動回路５６を制御する。

Ｘ線高電圧装置１４の動作時において制御回路５８は、負荷電圧（管電圧）の検出値が設定値Ｖ_ｓｅｔに一致するように、コンバータ駆動回路５６とインバータ駆動回路５７とを制御する。ＣＴ撮像時において制御回路５８は、インバータ５３により発生された電力の供給先の負荷に印加されている負荷電圧の変化に応じて、軽負荷用制御と高負荷用制御とを切り替える。軽負荷用制御は、入力直流電圧（直流バス電圧）の電圧値が一定になるような入力直流電圧の制御である。高負荷用制御は、入力直流電圧（直流バス電圧）の電圧値が、インバータ５３のインバータ電流値と共振回路の回路定数との乗算値を下回るような入力直流電圧の制御である。

制御回路５８は、負荷電圧の検出値をモニタリングし、高負荷であるか軽負荷であるかを判定する。例えば、負荷電圧の検出値が設定値Ｖ_ｓｅｔの８０％等の所定割合以上に達する時点ｔ１までは高負荷であると判定され、時点ｔ１後は軽負荷であると判定される。また、制御回路５８は、負荷電圧の変化に応じて変化するインバータ電流の検出値をモニタリングし、高負荷であるか軽負荷であるかを判定してもよい。例えば、インバータ電流の検出値がピーク値に到達する時点ｔ１までは高負荷であると判定され、時点ｔ１後は軽負荷であると判定される。なお、ピーク値に到達し且つピーク値に対して所定割合だけ検出値が下降した時点まで高負荷であると判定され、当該時点後は軽負荷であると判定されてもよい。また、ピーク値に到達した時点ｔ１から所定時間が経過した時点まで高負荷であると判定され、当該時点後は軽負荷であると判定されてもよい。

高負荷であると判定された場合、制御回路５８は、図７及び図９に示すように、インバータ５３の入力直流電圧、すなわち、直流バスコンデンサＣ_ｉｎの直流バス電圧Ｖ_ｄｃが最大値Ｖ_ｍａｘとなるようにコンバータ駆動回路５６を制御する。より詳細には、制御回路５８は、インバータ５３への入力直流電圧である直流バス電圧Ｖ_ｄｃの検出値を取得し、直流バス電圧Ｖ_ｄｃの検出値と目標値Ｖ_ｍａｘとの差分値に応じた指令信号をコンバータ駆動回路５６に供給する。コンバータ駆動回路５６は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相各々の指令信号に応じて、各スイッチング素子Ｓ１－Ｓ６への制御信号を生成して各スイッチング素子Ｓ１－Ｓ６を駆動する。指令信号に応じた各スイッチング素子Ｓ１－Ｓ６の駆動により、直流バス電圧Ｖ_ｄｃの検出値と目標値Ｖ_ｍａｘとの差分値が大きい場合、直流バスコンデンサＣ_ｉｎに印加する入力交流電圧を増大させ、差分値が小さい場合、直流バスコンデンサＣ_ｉｎに印加する入力交流電圧を減少させることができる。これにより、直流バス電圧Ｖ_ｄｃを最大値Ｖ_ｍａｘに維持することが可能になる。なお、最大値Ｖ_ｍａｘは、管電圧設定値Ｖ_ｓｅｔと管電流設定値との組合せに応じて予め設定される。

軽負荷であると判定された場合、制御回路５８は、図８及び図９に示すように、インバータ５３の入力電圧（直流バス電圧Ｖ_ｄｃ）が最大値Ｖ_ｍａｘから下がるようにコンバータ駆動回路５６を制御する。より詳細には、制御回路５８は、インバータ電流の検出値と共振回路の回路定数との乗算値を下回るように、コンバータ駆動回路５６を制御して直流バス電圧を制御する。例えば、インバータ電流の検出値と共振回路の回路定数とをＺＶＳ条件式に当てはめて左辺よりも右辺が小さくなる直流バス電圧Ｖ_ｄｃの目標値を求める。すなわち、直流バス電圧Ｖ_ｄｃの目標値は、インバータ電流の検出値とインバータ５３内の共振回路の回路定数との乗算値を下回る値に設定される。回路定数は、上記ＺＶＳ条件式に示すように、スイッチングに係るスイッチング素子Ｃの容量とインダクタＬ_ｉのインダクタンスとを含む。より詳細には、スイッチング素子Ｓ３及びＳ４でのスイッチングに関する最適な直流バス電圧の電圧値は、インバータ電流値ｉと、（Ｌ_ｉのインダクタンス／（スイッチング素子Ｓ３に逆並列する共振コンデンサＣ_３の容量とスイッチング素子Ｓ４に並列する共振コンデンサＣ_４の容量との和））の平方根との乗算値よりも小さい値に設定される。すなわち、当該乗算値は、最適な直流バス電圧の電圧値の上限である。最適な直流バス電圧の電圧値の下限は、設定管電圧値及び設定管電流値を得ることが可能な直流バス電圧の最小値を下回らない値に設定されればよい。例えば、下限は、ユーザにより入力インターフェース４３を介して、上記の範囲内で任意の値に設定されればよい。

直流バス電圧Ｖ_ｄｃの目標値は、負荷状態が設定値Ｖ_ｓｅｔに略到達又は近接しているときの直流バス電圧Ｖ_ｓｔａに設定される。コンバータ駆動回路５６は、直流バス電圧Ｖ_ｄｃが目標値Ｖ_ｓｔａに近づくようにＡＣ／ＤＣコンバータ５２を駆動する。より詳細には、制御回路５８は、インバータ５３への入力直流電圧である直流バス電圧Ｖ_ｄｃの検出値を取得し、直流バス電圧Ｖ_ｄｃの検出値と目標値Ｖ_ｓｔａとの差分値に応じた指令信号をコンバータ駆動回路５６に供給する。コンバータ駆動回路５６は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相各々の指令信号に応じて、各スイッチング素子Ｓ１－Ｓ６への制御信号を生成して各スイッチング素子Ｓ１－Ｓ６を駆動する。指令信号に応じた各スイッチング素子Ｓ１－Ｓ６の駆動により、直流バス電圧Ｖ_ｄｃの検出値と目標値Ｖ_ｓｔａとの差分値が大きい場合、直流バスコンデンサＣ_ｉｎに印加する入力交流電圧を増大させ、差分値が小さい場合、直流バスコンデンサＣ_ｉｎに印加する入力交流電圧を減少させることができる。これにより、直流バス電圧Ｖ_ｄｃを目標値Ｖ_ｓｔａに移行することが可能になる。

なお、インバータ５３の入力電圧（直流バス電圧Ｖ_ｄｃ）最大値Ｖ_ｍａｘから定常値Ｖ_ｓｔａに滑らかに移行させる場合、目標値は、最大値Ｖ_ｍａｘから定常値Ｖ_ｓｔａへ徐々に減少するように数段階に分けて設定されてもよい。

上記の通り、実施例１によれば、負荷状態に応じて、入力直流電圧の電圧値がインバー５３タのインバータ電流の電流値と共振回路の回路定数との乗算値を下回るように入力直流電圧（直流バス電圧）を制御する。これにより、負荷電圧が定常状態に達する軽負荷時においても、インダクタに蓄えられるエネルギーが共振コンデンサに蓄えられるエネルギーよりも大きくすることができるので、ソフトスイッチングを実現することが可能になる。

（実施例２）
上記の通り、インバータ５３のソフトスイッチングが困難になる条件は、負荷電圧が定常状態に達し、インバータ５３のインバータ電流が減少したときである。負荷に印加される電圧の最大値と負荷に流れる最大電流値とは、それぞれ撮像条件の設定管電圧値と設定管電流値とに応じて決まっている。実施例２に係る制御回路５８は、各撮像条件時にインバータ５３に流れるインバータ電流値を事前データとして保持し、負荷電圧の検出値が設定管電圧値に一致したタイミングでコンバータ駆動回路５６を制御し、事前データのインバータ電流値に応じたインバータ５３の入力直流電圧（直流バス電圧）に調整する。

図１０は、撮像条件毎のインバータ電流値のテーブルの一例を示す図である。図に示すように、テーブルは、設定管電圧値［ｋｖ］と設定管電流値［ｍＡ］との組合せ毎に、インバータ電流の最大電流値「Ａ」を関連付けている。例えば、設定管電圧値ｘｋｖ且つ設定管電流値ａｍＡの組合せについては、インバータ５３に流れる最大電流値（１）Ａが関連付けられている。最大電流値は、設定管電圧値［ｋｖ］及び設定管電流値［ｍＡ］のもと負荷が定常状態になったときのインバータ電流値に規定される。テーブルは予め据付時やメンテナンス時等の任意時点において、設定管電圧値［ｋｖ］と設定管電流値［ｍＡ］との複数の組合せ毎について、インバータ電流の最大電流値を計測することにより生成される。

ＣＴ撮像時において制御回路５８は、インバータ電流の検出値をモニタリングする。実施例２において制御回路５８は、負荷電圧をモニタリングし、例えば、負荷管電圧値が設定管電圧値よりも低い場合、高負荷であると判定し、負荷管電圧値が設定管電圧値に到達した場合、軽負荷であると判定する。

高負荷であると判定された場合、制御回路５８は、実施例１と同様、設定管電圧値に対応する目標値Ｖ_ｍａｘの直流バス電圧が直流バスコンデンサに印加されるようにコンバータ駆動回路５６を制御してＡＣ／ＤＣコンバータ５２を駆動する。

軽負荷であると判定された場合、制御回路５８は、設定管電圧値と設定管電流値とを取得し、設定管電圧値と設定管電流値との組合せを検索キーとしてテーブルを参照して、検索キーに関連付けられた最大電流値を特定する。制御回路５８は、特定された最大電流値に応じてコンバータ駆動回路５６を制御して、上記テーブルで特定された最大電流値とＺＶＳ条件式とで決定される直流バス電圧値になるようにＡＣ／ＤＣコンバータ５２を駆動する。

実施例２に係る上記テーブルは、設定管電圧値［ｋｖ］と設定管電流値［ｍＡ］との組合せ毎に、インバータ電流の最大電流値「Ａ」を関連付けているものとした。しかしながら、上記テーブルは、設定管電圧値［ｋｖ］と設定管電流値［ｍＡ］との組合せ毎に、直流バス電圧の目標値「Ｖ」を関連付けてもよい。目標値「Ｖ」は、インバータ電流の電流値と共振回路の回路定数との乗算値を下回る直流バス電圧値に設定される。この場合、制御回路５８は、実施例１と同様、コンバータ駆動回路５６を制御して、直流バス電圧Ｖ_ｄｃが目標値Ｖ_ｓｔａに近づくようにＡＣ／ＤＣコンバータ５２を駆動する。この方法によってもソフトスイッチングを実現することが可能である。

上記の最大電流値又は直流バス電圧の目標値を関連付けたテーブルは、機械学習モデルや計算式で実現することも可能である。

実施例１及び実施例２においてＡＣ／ＤＣコンバータ５２は三相コンバータ整流回路であるとした。しかしながら、ＡＣ／ＤＣコンバータ５２は、三相コンバータ整流回路に限定されず、出力電圧（インバータ５３の入力電圧）を調整可能な回路であれば、昇降圧チョッパ回路など如何なる回路でもよい。

ＡＣ／ＤＣコンバータ５２として力率改善回路が用いられてもよい。この場合、ＡＣ／ＤＣコンバータ５２は、ＡＣ／ＤＣコンバータ５２への入力交流電圧の電圧検出器と入力交流電流の電流検出器とを有する。制御回路５８は、電圧検出器からの入力交流電圧の検出波形と電流検出器からの入力交流電流の検出波形との位相ズレをゼロにするようにコンバータ駆動回路５６を介してＡＣ／ＤＣコンバータ５２を制御する。これにより、直流バスコンデンサＣ_ｉｎにおける容量性負荷が原因で生ずる力率悪化を改善することができる。

以上説明した少なくとも１つの実施形態によれば、スイッチング損失を低減することができる。

上記説明において用いた「プロセッサ」という文言は、例えば、ＣＰＵ、ＧＰＵ、或いは、特定用途向け集積回路（Application Specific Integrated Circuit：ＡＳＩＣ））、プログラマブル論理デバイス（例えば、単純プログラマブル論理デバイス（Simple Programmable Logic Device：ＳＰＬＤ）、複合プログラマブル論理デバイス（Complex Programmable Logic Device：ＣＰＬＤ）、及びフィールドプログラマブルゲートアレイ（Field Programmable Gate Array：ＦＰＧＡ））等の回路を意味する。プロセッサは記憶回路に保存されたプログラムを読み出し実行することで機能を実現する。なお、記憶回路にプログラムを保存する代わりに、プロセッサの回路内にプログラムを直接組み込むよう構成しても構わない。この場合、プロセッサは回路内に組み込まれたプログラムを読み出し実行することで機能を実現する。また、プログラムを実行するのではなく、論理回路の組合せにより当該プログラムに対応する機能を実現しても良い。なお、本実施形態の各プロセッサは、プロセッサごとに単一の回路として構成される場合に限らず、複数の独立した回路を組み合わせて１つのプロセッサとして構成し、その機能を実現するようにしてもよい。さらに、図１及び図２における複数の構成要素を１つのプロセッサへ統合してその機能を実現するようにしてもよい。

いくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更、実施形態同士の組み合わせを行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１１ Ｘ線管
１４ Ｘ線高電圧装置
５１ 商用電源
５２ ＡＣ／ＤＣコンバータ
５３ インバータ
５４ 高圧トランス
５５ 整流回路
５６ コンバータ駆動回路
５７ インバータ駆動回路
５８ 制御回路

Claims (9)

1. スイッチング素子と共振コンデンサとを含む共振回路を有するインバータと、
   前記インバータへの入力直流電圧を発生する電圧発生回路と、
   前記入力直流電圧の電圧値が前記インバータのインバータ電流の電流値と前記共振回路の回路定数との乗算値を下回るように前記入力直流電圧を制御する制御回路と、
   を具備するＸ線高電圧装置。
2. 前記電圧発生回路は、前記入力直流電圧として、前記電圧発生回路と前記インバータとの間に設けられた直流バスコンデンサに印可される直流バス電圧を発生し、
   前記制御回路は、前記直流バス電圧を制御する、
   請求項１記載のＸ線高電圧装置。
3. 前記制御回路は、前記インバータにより発生された電力の供給先の負荷に印加されている負荷電圧又は前記インバータに流れる電流の変化に応じて、前記入力直流電圧の電圧値が一定になるような前記入力直流電圧の第１の制御と、前記入力直流電圧の電圧値が前記乗算値をと下回るような前記入力直流電圧の第２の制御とを切り替える、請求項１又は２記載のＸ線高電圧装置。
4. 前記制御回路は、前記負荷電圧が定常状態である場合、前記第１の制御を実行して前記入力直流電圧を下げる、請求項３記載のＸ線高電圧装置。
5. 前記電圧発生回路は、三相コンバータ整流回路又は昇降圧チョッパ回路を含むＡＣ／ＤＣコンバータを含む、請求項１記載のＸ線高電圧装置。
6. 前記インバータは、複数の前記スイッチング素子と複数の前記共振コンデンサとを含み、
   複数の前記スイッチング素子各々に並列して前記共振コンデンサが設けられる、
   請求項１記載のＸ線高電圧装置。
7. 負荷電圧値及び負荷電流値の組合せ毎に、前記インバータに流れる電流目標値を記憶する記憶部を更に備え、
   前記制御回路は、検出負荷電圧値と設定負荷電流値との組合せに対応する電流目標値に応じて前記電圧発生回路を制御する、
   請求項１記載のＸ線高電圧装置。
8. 前記回路定数は、前記共振回路のインダクタンスと前記共振コンデンサの容量とを含む、請求項１記載のＸ線高電圧装置。
9. Ｘ線を発生するＸ線管と、
   前記Ｘ線管に高電圧を印加するＸ線高電圧装置と、
   前記Ｘ線管から発生され被検体を透過したＸ線を検出するＸ線検出器と、
   前記Ｘ線検出器からの出力信号に基づいて前記被検体に関するＸ線画像を生成する画像生成部と、を具備し、
   前記Ｘ線高電圧装置は、
   スイッチング素子と共振コンデンサとを含む共振回路を有するインバータと、
   前記インバータへの入力直流電圧を発生する電圧発生回路と、
   前記入力直流電圧の電圧値が前記インバータのインバータ電流の電流値と前記共振回路の回路定数との乗算値を下回るように前記入力直流電圧を制御する制御回路と、を備える、
   Ｘ線撮像装置。

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