JP2588786B2 - X線電源装置 - Google Patents
X線電源装置Info
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- JP2588786B2 JP2588786B2 JP2045257A JP4525790A JP2588786B2 JP 2588786 B2 JP2588786 B2 JP 2588786B2 JP 2045257 A JP2045257 A JP 2045257A JP 4525790 A JP4525790 A JP 4525790A JP 2588786 B2 JP2588786 B2 JP 2588786B2
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、直列共振形インバータを用いたX線電源装
置に関する。
置に関する。
近年、トランジスタ、FET等のスイッチング素子を用
いたインバータ方式のX線電源装置が実用化されている
が、インバータの高周波化に伴う問題も発生している。
第6図は、従来のインバータ方式のX線電源装置を説明
するための図である。1は直流入力電源、2はインバー
タ、3は等価回路で表される昇圧トランス、4は高圧整
流器、5は負荷(X線管)である。昇圧トランス3は、
励磁インダクタンスLO、漏れインダクタンスLL、1次側
に換算した巻線分布容量CPで表される。インバータ2が
高周波化されると、漏れインダクタンスLL、巻線分布容
量CPがインバータ2の動作に影響し、インバータ2は漏
れインダクタンスLLと巻線分布容量CPの直列共振回路と
共に直列共振形インバータの動作に移行する。このよう
な動作モードでは、巻線分布容量CPは動作周波数fsで交
互に電圧反転するためだけに寄与し、負荷に供給されな
い回路循環電流iS、換言すれば無効電流が増加する。こ
の循環電流iSはスイッチング素子のスイッチング損失及
び導通損失と、昇圧トランス3の巻線の抵抗損失を生じ
る。この抵抗損失は、循環電流iSの周波数が高い程、巻
線材の表被効果によって大きくなる。この循環電流i
Sは、その性質上、出力電力の大小よりも出力電圧の大
小に比例し、X線電源装置では出力電圧、即ち管電圧が
高い程、増加する傾向がある。ところで、X線電源装置
においては、通電のX線撮影を行うために、例えば10kW
(管電圧100kV、管電流100mA)の大電力を数秒間、低デ
ューティで供給する撮影モードと、X線透視像をブラウ
ン管画面で観察するために、例えば500W(管電圧100k
V、管電流5mA)の小電力を長時間連続して供給する透視
モードが必要とされる。直列共振形インバータを用いた
X線電源装置において、撮影モードでは、インバータ
2、昇圧トランス3の電力損失は、出力電力に依存する
分と、循環電流に依存する分の和として大きくなるが、
運転時間のデューティが小さいため、インバータ2、昇
圧トランス3等の温度上昇は平均化されるので、インバ
ータ2、昇圧トランス3等は通常の設計よりも余裕のな
い設計を行って、小形化、経済化を図っている。しか
し、透視モードの電力損失は、出力電力に依存する分は
小さいが、管電圧が高いので循環電流による分は撮影モ
ードとほぼ同じであり、運転時間が長くなるため、イン
バータ2、昇圧トランス3の温度上昇も無視できなくな
る。
いたインバータ方式のX線電源装置が実用化されている
が、インバータの高周波化に伴う問題も発生している。
第6図は、従来のインバータ方式のX線電源装置を説明
するための図である。1は直流入力電源、2はインバー
タ、3は等価回路で表される昇圧トランス、4は高圧整
流器、5は負荷(X線管)である。昇圧トランス3は、
励磁インダクタンスLO、漏れインダクタンスLL、1次側
に換算した巻線分布容量CPで表される。インバータ2が
高周波化されると、漏れインダクタンスLL、巻線分布容
量CPがインバータ2の動作に影響し、インバータ2は漏
れインダクタンスLLと巻線分布容量CPの直列共振回路と
共に直列共振形インバータの動作に移行する。このよう
な動作モードでは、巻線分布容量CPは動作周波数fsで交
互に電圧反転するためだけに寄与し、負荷に供給されな
い回路循環電流iS、換言すれば無効電流が増加する。こ
の循環電流iSはスイッチング素子のスイッチング損失及
び導通損失と、昇圧トランス3の巻線の抵抗損失を生じ
る。この抵抗損失は、循環電流iSの周波数が高い程、巻
線材の表被効果によって大きくなる。この循環電流i
Sは、その性質上、出力電力の大小よりも出力電圧の大
小に比例し、X線電源装置では出力電圧、即ち管電圧が
高い程、増加する傾向がある。ところで、X線電源装置
においては、通電のX線撮影を行うために、例えば10kW
(管電圧100kV、管電流100mA)の大電力を数秒間、低デ
ューティで供給する撮影モードと、X線透視像をブラウ
ン管画面で観察するために、例えば500W(管電圧100k
V、管電流5mA)の小電力を長時間連続して供給する透視
モードが必要とされる。直列共振形インバータを用いた
X線電源装置において、撮影モードでは、インバータ
2、昇圧トランス3の電力損失は、出力電力に依存する
分と、循環電流に依存する分の和として大きくなるが、
運転時間のデューティが小さいため、インバータ2、昇
圧トランス3等の温度上昇は平均化されるので、インバ
ータ2、昇圧トランス3等は通常の設計よりも余裕のな
い設計を行って、小形化、経済化を図っている。しか
し、透視モードの電力損失は、出力電力に依存する分は
小さいが、管電圧が高いので循環電流による分は撮影モ
ードとほぼ同じであり、運転時間が長くなるため、イン
バータ2、昇圧トランス3の温度上昇も無視できなくな
る。
本発明は、以上の欠点を除去するために、少なくとも
一対のスイッチング素子で構成されるインバータの出力
に、等価的に共振用インダクタンスと共振用キャパシタ
ンスからなる直列共振回路を接続して直列共振形インバ
ータを構成し,共振用キャパシタンスの両端電圧を整流
して出力するX線電源装置において、通常のX線撮影を
行うために、大電力を短時間、低デューティで供給する
撮影モード時には、上記スイッチング素子を直列共振周
波数以下の略固定周波数でパルス幅変調若しくは位相変
調すると共に、X線透視像を観察するために、小電力を
長時間連続して供給する透視モード時には、上記スイッ
チング素子を上記略固定周波数以下の周波数でパルス周
波数変調することを特徴とするX線電源装置を提供する
ものである。
一対のスイッチング素子で構成されるインバータの出力
に、等価的に共振用インダクタンスと共振用キャパシタ
ンスからなる直列共振回路を接続して直列共振形インバ
ータを構成し,共振用キャパシタンスの両端電圧を整流
して出力するX線電源装置において、通常のX線撮影を
行うために、大電力を短時間、低デューティで供給する
撮影モード時には、上記スイッチング素子を直列共振周
波数以下の略固定周波数でパルス幅変調若しくは位相変
調すると共に、X線透視像を観察するために、小電力を
長時間連続して供給する透視モード時には、上記スイッ
チング素子を上記略固定周波数以下の周波数でパルス周
波数変調することを特徴とするX線電源装置を提供する
ものである。
このようなX線電源装置によれば、撮影モード時には
スイッチング素子を直列共振周波数以下の略固定周波数
でパルス幅変調若しくは位相変調し、透視モードにはス
イッチング素子を上記略固定周波数以下の周波数でパル
ス周波数変調するので、撮影モード時のリプルを小さく
できると共に、透視モード時の直列共振電流の実効値を
下げることができ、透視モード時にも少ない電力損失で
対応することができる。尚、透視モードでは電流が少な
いので、周波数が下がってもリプルは増加しない。
スイッチング素子を直列共振周波数以下の略固定周波数
でパルス幅変調若しくは位相変調し、透視モードにはス
イッチング素子を上記略固定周波数以下の周波数でパル
ス周波数変調するので、撮影モード時のリプルを小さく
できると共に、透視モード時の直列共振電流の実効値を
下げることができ、透視モード時にも少ない電力損失で
対応することができる。尚、透視モードでは電流が少な
いので、周波数が下がってもリプルは増加しない。
第1図は、本発明の一実施例を説明するための図であ
る。同図において、1はバッテリまたは商用交流電源を
整流平滑した直流入力電源を示し、通常はDC100V〜DC30
0Vである。2は4個のスイッチング素子6〜9と、各ス
イッチング素子6〜9に逆並列接続された帰還ダイオー
ド10〜13からなるブリッジ形インバータである。3はイ
ンバータ2の交流出力電圧を必要な電圧、例えば100kV
迄昇圧する昇圧トランスである。この昇圧トランス3の
漏れインダクタンスLLは、必要に応じて設けられる共振
用インダクタンス14と共に、2次巻線分布容量CSと直列
共振回路を形成する。昇圧トランス3の2次巻線は中点
接地され、且つ全波高圧整流器4に接続される。高圧整
流器4の直流出力は、負荷5であるX線管のアノードと
フィラメント間に接続される。X線管のフィラメント電
力供給回路は、本発明に直接関係しないので省略する
が、撮影モードと透視モードでファラメントの切替及び
フィラメント電力の調整が行われるのが通常である。抵
抗15、16はX線管電圧を検出する分圧器である。分圧器
の出力電圧は、誤差増幅器17において、管電圧設定基準
電源18の電圧と比較され誤差信号を発生する。ここで制
御回路全体は、連動したモード切替スイッチ20、21によ
って、撮影モードと透視モードに切替可能となってお
り、図のモード切替スイッチの接続は撮影モード側とな
っている。基準発振器22は、コンデンサ23と組合せる抵
抗との時定数で発振周波数を決める。例えば、モード切
替スイッチ21によって抵抗24が選択されると、インバー
タ動作周波数20kHzの2倍の40kHzで発振する。基準発振
器22の出力は、パルス幅変調回路25、最大パルス幅発生
回路26に供給される。パルス幅変調回路25は、例えば誤
差信号と三角波の比較による周知の方法でパルス幅変調
された40kHzのパルスを発生する。パルス幅制御信号
は、モード切替スイッチ20により選択され、アンド回路
27、28に加えられる。このアンド回路27、28には、更に
最大パルス幅発生回路26の最大パルス幅信号と、40kHz
の信号から20kHzの2相信号を発生するフリップフロッ
プ29からの2相振り分け信号が夫々加えられる。これら
の信号により、アンド回路27、28の出力には、交互に2
相の20kHzで且つ最大パルス幅が例えば20μsのオン信
号が発生する。これらのオン信号は、図示しないパルス
トランス、または光アイソレータ等の信号絶縁手段を介
して各スイッチング素子6〜9の制御極に加えられ、ス
イッチング素子を固定周波数20kHzでオンさせる。
る。同図において、1はバッテリまたは商用交流電源を
整流平滑した直流入力電源を示し、通常はDC100V〜DC30
0Vである。2は4個のスイッチング素子6〜9と、各ス
イッチング素子6〜9に逆並列接続された帰還ダイオー
ド10〜13からなるブリッジ形インバータである。3はイ
ンバータ2の交流出力電圧を必要な電圧、例えば100kV
迄昇圧する昇圧トランスである。この昇圧トランス3の
漏れインダクタンスLLは、必要に応じて設けられる共振
用インダクタンス14と共に、2次巻線分布容量CSと直列
共振回路を形成する。昇圧トランス3の2次巻線は中点
接地され、且つ全波高圧整流器4に接続される。高圧整
流器4の直流出力は、負荷5であるX線管のアノードと
フィラメント間に接続される。X線管のフィラメント電
力供給回路は、本発明に直接関係しないので省略する
が、撮影モードと透視モードでファラメントの切替及び
フィラメント電力の調整が行われるのが通常である。抵
抗15、16はX線管電圧を検出する分圧器である。分圧器
の出力電圧は、誤差増幅器17において、管電圧設定基準
電源18の電圧と比較され誤差信号を発生する。ここで制
御回路全体は、連動したモード切替スイッチ20、21によ
って、撮影モードと透視モードに切替可能となってお
り、図のモード切替スイッチの接続は撮影モード側とな
っている。基準発振器22は、コンデンサ23と組合せる抵
抗との時定数で発振周波数を決める。例えば、モード切
替スイッチ21によって抵抗24が選択されると、インバー
タ動作周波数20kHzの2倍の40kHzで発振する。基準発振
器22の出力は、パルス幅変調回路25、最大パルス幅発生
回路26に供給される。パルス幅変調回路25は、例えば誤
差信号と三角波の比較による周知の方法でパルス幅変調
された40kHzのパルスを発生する。パルス幅制御信号
は、モード切替スイッチ20により選択され、アンド回路
27、28に加えられる。このアンド回路27、28には、更に
最大パルス幅発生回路26の最大パルス幅信号と、40kHz
の信号から20kHzの2相信号を発生するフリップフロッ
プ29からの2相振り分け信号が夫々加えられる。これら
の信号により、アンド回路27、28の出力には、交互に2
相の20kHzで且つ最大パルス幅が例えば20μsのオン信
号が発生する。これらのオン信号は、図示しないパルス
トランス、または光アイソレータ等の信号絶縁手段を介
して各スイッチング素子6〜9の制御極に加えられ、ス
イッチング素子を固定周波数20kHzでオンさせる。
先ず、撮影モードの制御について説明する。撮影モー
ドでは、このような制御回路構成により、管電圧の検出
電圧が基準電源18の電圧と誤差増幅器17で比較され、オ
ン信号のパルス幅、即ちデューティを調節することによ
り、管電圧が定電圧化される。このような撮影モード
で、10kW出力時のコンピュータシミュレーション結果を
第2図に示す。条件は、直流入力電源電圧をDC250V、共
振インダクタンス15μH、共振キャパシタンス1.9μF
(直列共振周波数30kHz)、オンパルス幅20μsであ
る。第2図の横軸は時間であり、200μs〜500μsのシ
ミュレーション期間が表示されている。波形1は2相の
パルス幅制御信号を正、負極性で示した波形図、波形2
は高圧整流電流IOの波形図、波形3は昇圧トランス3の
1次側を流れる共振電流Ilの波形図、波形4はインバー
タ2の出力電圧Vlの波形図を夫々示す。第2図の下方の
枠内は、各波形の1目盛り当たりの電圧または電流(Sc
ale/div)と、シミュレーション期間(200μs〜500μ
s)の高圧整流電流IOの平均値が102mAであり、また共
振電流Ilの実効値が101Aであることを示している。即
ち、100kV、102mAの出力時に、昇圧トランス3の1次側
電流の実効値は101Aである。この撮影モードでは、20kH
zの固定周波数で動作しているので、出力電圧のリプル
を充分に小さくすることができる。
ドでは、このような制御回路構成により、管電圧の検出
電圧が基準電源18の電圧と誤差増幅器17で比較され、オ
ン信号のパルス幅、即ちデューティを調節することによ
り、管電圧が定電圧化される。このような撮影モード
で、10kW出力時のコンピュータシミュレーション結果を
第2図に示す。条件は、直流入力電源電圧をDC250V、共
振インダクタンス15μH、共振キャパシタンス1.9μF
(直列共振周波数30kHz)、オンパルス幅20μsであ
る。第2図の横軸は時間であり、200μs〜500μsのシ
ミュレーション期間が表示されている。波形1は2相の
パルス幅制御信号を正、負極性で示した波形図、波形2
は高圧整流電流IOの波形図、波形3は昇圧トランス3の
1次側を流れる共振電流Ilの波形図、波形4はインバー
タ2の出力電圧Vlの波形図を夫々示す。第2図の下方の
枠内は、各波形の1目盛り当たりの電圧または電流(Sc
ale/div)と、シミュレーション期間(200μs〜500μ
s)の高圧整流電流IOの平均値が102mAであり、また共
振電流Ilの実効値が101Aであることを示している。即
ち、100kV、102mAの出力時に、昇圧トランス3の1次側
電流の実効値は101Aである。この撮影モードでは、20kH
zの固定周波数で動作しているので、出力電圧のリプル
を充分に小さくすることができる。
次に、透視モードの制御について説明する。透視モー
ドでは、モード切替スイッチ20と21が図示と逆接続とな
る。即ち、モード切替スイッチ20によりアンド回路27、
28へのパルス幅制御信号は+Vレベルに切替えられ、機
能しなくなる。モード切替スイッチ21の切替によって、
抵抗24は可変抵抗としてのホトトランジスタ30と最高周
波数調整用抵抗31との直列回路に切替えられる。ホトト
ランジスタ30は誤差増幅器17の誤差信号電圧と抵抗33に
よって定まる電流で駆動される発光ダイオード32により
制御される。誤差信号の電圧が上昇すると、発光ダイオ
ード電流が増加し、ホトトランジスタ30の抵抗値が低下
して基準発振器22の発振周波数が上昇する。即ち、基準
発振器22は、誤差信号で制御される電圧制御発振器とし
て動作する。抵抗31は、ホトトランジスタ30が飽和した
時に、発振周波数の上限を決定するもので、この実施例
では、スイッチング周波数fsが直列共振周波数fr=30kH
z以下となり、また撮影モードのスイッチング周波数20k
Hz以下となるよう発振周波数を36kHzに選定する。この3
6kHzのパルスは振り分け信号により分周され、スイッチ
ング素子へは最大18kHzの信号となる。最大パルス巾
は、直列共振周波数frの略半周期〜1周期が望ましく、
この実施例では直列共振周波数frの1周期が約33.3μs
なので、撮影モードと同じ20μs位としている。このよ
うな透視モードの制御回路により、インバータ2は周波
数変調モードにより定電圧制御をする。出力電圧が設定
電圧より低い時には、これを補償するために周波数を上
げ、逆に出力電圧が設定電圧より高い時には、周波数を
下げる。このようなX線電源装置において、スイッチン
グ周波数と出力電圧の関係は、第3図に示すように、直
列共振点の前後を出力電圧のピーク値とし、その共振点
から離れると出力電圧が下がることは周知である。この
実施例では、透視モードで直列共振周波数fr以下でイン
バータ2を動作させる。このような低い周波数で動作さ
せても、出力電流が小さいので、出力電圧のリプル電圧
が大きくなることはない。第4図はこの実施例の制御方
式で100KV5.99mA出力した時のシミュレーション結果を
示す。図の見方は第2図と同様であるが、時間軸は0.70
ms〜1.00msとなっている。1次側共振電流の実効値は3
6.1Aである。これに対し、20kHzパルス幅制御でほぼ同
様な出力を発生するシミュレーション結果を第5図に示
す。この例では、100kV4.66mA出力するのに、1次側電
流の実効値は75.1Aであり、本発明の2倍以上であり、
これにより本発明の効果が証明される。尚、撮影モード
の制御方式として、スイッチング素子6〜9のオンパル
ス幅を一定とし、スイッチング素子6と7の組のオン位
相差と、スイッチング素子8と9の組のオン位相差を制
御して、出力制御することも可能である。
ドでは、モード切替スイッチ20と21が図示と逆接続とな
る。即ち、モード切替スイッチ20によりアンド回路27、
28へのパルス幅制御信号は+Vレベルに切替えられ、機
能しなくなる。モード切替スイッチ21の切替によって、
抵抗24は可変抵抗としてのホトトランジスタ30と最高周
波数調整用抵抗31との直列回路に切替えられる。ホトト
ランジスタ30は誤差増幅器17の誤差信号電圧と抵抗33に
よって定まる電流で駆動される発光ダイオード32により
制御される。誤差信号の電圧が上昇すると、発光ダイオ
ード電流が増加し、ホトトランジスタ30の抵抗値が低下
して基準発振器22の発振周波数が上昇する。即ち、基準
発振器22は、誤差信号で制御される電圧制御発振器とし
て動作する。抵抗31は、ホトトランジスタ30が飽和した
時に、発振周波数の上限を決定するもので、この実施例
では、スイッチング周波数fsが直列共振周波数fr=30kH
z以下となり、また撮影モードのスイッチング周波数20k
Hz以下となるよう発振周波数を36kHzに選定する。この3
6kHzのパルスは振り分け信号により分周され、スイッチ
ング素子へは最大18kHzの信号となる。最大パルス巾
は、直列共振周波数frの略半周期〜1周期が望ましく、
この実施例では直列共振周波数frの1周期が約33.3μs
なので、撮影モードと同じ20μs位としている。このよ
うな透視モードの制御回路により、インバータ2は周波
数変調モードにより定電圧制御をする。出力電圧が設定
電圧より低い時には、これを補償するために周波数を上
げ、逆に出力電圧が設定電圧より高い時には、周波数を
下げる。このようなX線電源装置において、スイッチン
グ周波数と出力電圧の関係は、第3図に示すように、直
列共振点の前後を出力電圧のピーク値とし、その共振点
から離れると出力電圧が下がることは周知である。この
実施例では、透視モードで直列共振周波数fr以下でイン
バータ2を動作させる。このような低い周波数で動作さ
せても、出力電流が小さいので、出力電圧のリプル電圧
が大きくなることはない。第4図はこの実施例の制御方
式で100KV5.99mA出力した時のシミュレーション結果を
示す。図の見方は第2図と同様であるが、時間軸は0.70
ms〜1.00msとなっている。1次側共振電流の実効値は3
6.1Aである。これに対し、20kHzパルス幅制御でほぼ同
様な出力を発生するシミュレーション結果を第5図に示
す。この例では、100kV4.66mA出力するのに、1次側電
流の実効値は75.1Aであり、本発明の2倍以上であり、
これにより本発明の効果が証明される。尚、撮影モード
の制御方式として、スイッチング素子6〜9のオンパル
ス幅を一定とし、スイッチング素子6と7の組のオン位
相差と、スイッチング素子8と9の組のオン位相差を制
御して、出力制御することも可能である。
以上説明したように、この発明によれば、透視モード
時の直列共振電流の実効値を下げることができ、透視モ
ード時にも少ない電力損失で対応することができるの
で、効率が向上し、インバータ、トランス等を小形、経
済的に設計することができる。また、本発明は、フルブ
リッジインバータ以外にも、ハーフブリッジインバー
タ、センタタップ形インバータにも適用できる。
時の直列共振電流の実効値を下げることができ、透視モ
ード時にも少ない電力損失で対応することができるの
で、効率が向上し、インバータ、トランス等を小形、経
済的に設計することができる。また、本発明は、フルブ
リッジインバータ以外にも、ハーフブリッジインバー
タ、センタタップ形インバータにも適用できる。
以上述べたように本発明は、透視モード時の直列共振
電流の実効値を下げることができる。従って、透視モー
ド時にも少ない電力損失で対応することができるので、
効率が向上し、インバータ、トランス等を小形、経済的
に設計することができる。
電流の実効値を下げることができる。従って、透視モー
ド時にも少ない電力損失で対応することができるので、
効率が向上し、インバータ、トランス等を小形、経済的
に設計することができる。
第1図乃至第5図は本発明の一実施例を説明するための
図、第6図は従来のX線電源装置を説明するための図で
ある。 1……直流入力電源、2……インバータ 3……昇圧トランス、4……高圧整流器 5……負荷、6〜9……スイッチング素子 10〜13……帰還ダイオード、14……共振用インダクタン
ス 15、16、24、31、33……抵抗、17……誤差増幅器 18……基準電源、20、21……モード切替スイッチ 22……基準発振器、23……コンデンサ 25……パルス幅変調回路、26……最大パルス幅発生回路 27、28……アンド回路、29……フリップフロップ 30……ホトトランジスタ、32……発光ダイオード
図、第6図は従来のX線電源装置を説明するための図で
ある。 1……直流入力電源、2……インバータ 3……昇圧トランス、4……高圧整流器 5……負荷、6〜9……スイッチング素子 10〜13……帰還ダイオード、14……共振用インダクタン
ス 15、16、24、31、33……抵抗、17……誤差増幅器 18……基準電源、20、21……モード切替スイッチ 22……基準発振器、23……コンデンサ 25……パルス幅変調回路、26……最大パルス幅発生回路 27、28……アンド回路、29……フリップフロップ 30……ホトトランジスタ、32……発光ダイオード
Claims (1)
- 【請求項1】少なくとも一対のスイッチング素子で構成
されるインバータの出力に,等価的に共振用インダクタ
ンスと共振用キャパシタンスからなる直列共振回路を接
続して直列共振形インバータを構成し,共振用キャパシ
タンスの両端電圧を整流して出力するX線電源装置にお
いて, 通常のX線撮影を行うために,大電力を短時間,低デュ
ーティで供給する撮影モード時には,上記スイッチング
素子を直列共振周波数以下の略固定周波数でパルス幅変
調若しくは位相変調すると共に,X線透視像を観察するた
めに,小電力を長時間連続して供給する透視モード時に
は,上記スイッチング素子を上記略固定周波数以下の周
波数でパルス周波数変調することを特徴とするX線電源
装置。
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