JP3053920B2 - 高電圧発生装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、Ｘ線診断装置やＸ線Ｃ
Ｔ装置におけるＸ線管に高電圧を供給するのに好適な高
電圧発生装置に係り、とくに、電圧共振形インバータを
用いた高電圧発生装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、電圧共振形インバータを搭載した
高電圧発生装置としては、図５に示す構成のものがあ
る。図５において、１００は空芯トランスであり、この
トランス１００の一次コイル１００ａのセンタ・タップ
はチョーク・コイル１０１及びチョッパ・トランジスタ
１０２を介して直流電源１０３のプラス側に接続されて
いる。この直流電源１０３のマイナス側はスイッチング
・トランジスタ１０４及び１０５を並列に介して一次コ
イル１００ａの両端に各々接続されると共に、両スイッ
チング・トランジスタ１０４、１０５のコレクタ間は共
振コンデンサ１０６を介して接続されている。図中、１
０７は転流ダイオードである。一方、トランス１００の
二次コイル１００ｂの両端は、ブリッジ整流器１０８を
介して負荷であるＸ線管１０９に接続されている。上記
チョッパ・トランジスタ１０２及びスイッチング・トラ
ンジスタ１０４、１０５は、トランス１００の一次コイ
ル１００ａにおける励磁バランスなどを考慮して、制御
回路１１０からの制御信号によりチョッパとスイッチン
グとが同期状態で駆動されるようになっている。

【０００３】このため、予め定めた素子定数のトランス
１００の一次、二次コイル１００ａ、１００ｂと共振コ
ンデンサ１０６との間に電圧共振を生じさせ、その共振
電圧をトランス１００で直接昇圧して、応答性の良い高
圧出力を得ることができる。その際、前段のチョッパ・
トランジスタ１０２に対するデューティ比を変えて、チ
ョーク・コイル１０１の通電電流の大きさを変えること
により、出力電圧を調整できる。

【０００４】さらに、スイッチング・トランジスタ１０
４、１０５に関しては、共振電圧の正弦波の弧を利用
し、零ボルト又はその近傍の低い電圧値の位相領域でス
イッチング動作を行わせることにより、トランジスタ１
０４、１０５のスイッチング損失及びスイッチングノイ
ズの発生を抑制させることができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、Ｘ線用の高
電圧発生装置では一般に、出力可変範囲を広くとるこ
と、及び、出力電圧を平滑化するために容量性負荷の接
続用途があるという特殊な要求がある。このため、ある
条件にて最適なスイッチング周波数を定めておいたとし
ても、例えばＸ線管の管電圧や管電流の設定を変更する
ことによりＸ線管のインピーダンスを変えた場合、トラ
ンス１００及びコンデンサ１０６から成る共振回路の固
有周波数が変化し、共振回路の動作モードが変わってし
まう。つまり、図５における一方のスイッチング・トラ
ンジスタ１０４のコレクタ、エミッタ間電圧Ｖｃｅで説
明すると、例えば図６（ａ）の適正状態から同図（ｂ）
の負荷変動状態に位相がずれてしまい、共振電圧が未だ
高い位相角でトランジスタ１０４のスイッチングを行わ
なければならない。また、２次側高電圧を平滑するため
に容量性負荷を接続した場合も、上記動作モードが過渡
的には大きく変化してしまう。

【０００６】このような状況において、上記従来装置は
負荷変動に伴う共振回路の動作モードの変化を考慮して
いないので、負荷インピーダンスが大きく変わった場
合、共振モードがずれ、図６（ｂ）のようにスイッチン
グのタイミングがずれてしまう。このため、導通時に流
れる電流と断時にかかる電圧との交差面積が大きくな
り、スイッチング損失やノイズが増大するという問題が
あった。また、放熱対策の必要性などに因り小形化が阻
害されたり、高出力化が困難になったり、さらにＳ／Ｎ
比が低下するという問題があった。これに対して、負荷
インピーダンスを所定値に固定したり、容量性負荷を接
続しないようにすれば、上記問題は生じないが、Ｘ線用
の高電圧発生装置に求められている前記要求を満たすこ
とができず、汎用性の低い装置になってしまう。

【０００７】本発明は、このような従来技術の問題に鑑
みてなされたもので、負荷であるＸ線管などのインピー
ダンスが変わった場合でも、共振モードの変化に伴うス
イッチングタイミングのずれを自動的に抑制することが
でき、これによりスイッチング損失の増大やスイッチン
グノイズの発生を防止することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明では、負荷側と電源側との間に挿入された変
圧用のトランスと、このトランスの１次コイルへの供給
電流を断続するスイッチング素子と、上記トランスのコ
イルとの間で所定固有周波数の電圧共振を発生させるコ
ンデンサとを有したインバータ回路を備えると共に、上
記電圧共振状態の電圧値を検出する共振状態検出手段
と、この共振状態検出手段の検出値に基づき、予め設定
した基準位相角に対応した基準電圧を設定する基準電圧
設定手段と、この基準電圧設定手段の設定値と前記共振
状態検出手段の検出値とが一致したことを示すタイミン
グ信号を形成するタイミング信号形成手段と、このタイ
ミング信号形成手段の形成信号に同期して前記スイッチ
ング素子の断続を制御するスイッチング制御手段とを備
えた。

【０００９】

【作用】電源からトランスの１次コイルに供給する電流
をスイッチング素子が所定周期で断続して高周波化する
ことにより、そのトランスのコイルとコンデンサとの間
で電圧共振が起こる。この共振電圧はそのままトランス
で昇圧され、その後、直流の高電圧に変換されて負荷に
供給される。このとき、正弦波の弧を描く共振電圧は共
振状態検出手段により検出され、その検出値に基づき基
準位相角に対応した基準電圧が基準電圧設定手段におい
て設定される。これと共に、タイミング信号形成手段で
は基準電圧設定値と共振電圧検出値とを比較しながら、
両者が一致したことを示すタイミング信号が形成され
る。即ちタイミング信号が形成されたときは、共振電圧
の観測位相角が基準位相角に達した状態となる。そこ
で、スイッチング制御手段により、タイミング信号に同
期してインバータ回路のスイッチング素子が断続制御さ
れる。

【００１０】これにより、負荷として例えばＸ線管を用
い、その管電圧や管電流の設定を変更してトランス２次
側の負荷インピーダンスが変わり、共振周波数がずれた
場合でも、インバータ回路のスイッチングタイミング
（動作周期）は、常に、変化した共振モード電圧波形の
中の基準位相角に強制的に同期させられる。このため、
その基準位相角を共振電圧の零ボルト近傍の適宜な値に
予め設定しておくことにより、共振電圧の高い値となっ
た時点でスイッチングが行われるという状態が確実に回
避され、負荷変動があってもスイッチング損失及びノイ
ズ発生の増大が抑えられる。

【００１１】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図１〜図４を参照
して説明する。この実施例はプッシュプル形電圧共振イ
ンバータを用いた、Ｘ線管用の高電圧発生装置である。

【００１２】図１に示した高電圧発生装置は電圧変換部
１ａ及びスイッチング制御部１ｂを備えている。電圧変
換部１ａは、商用電圧の直流電源１０と、昇圧用のトラ
ンス１１と、直流電源１０及び昇圧用トランス１１間に
接続されたチョッパ・トランジスタ（ＭＯＳ型）１２、
チョーク・コイル１３、転流ダイオード１４、及びスイ
ッチング・トランジスタ（ＭＯＳ型）１５、１６と、昇
圧用トランス１１の１次側に接続された共振コンデンサ
１７及び検出用トランス１８と、昇圧用トランス１１の
２次側（負荷側）に装備されたブリッジ整流器１９とを
備えている。

【００１３】この内、直流電源１０のプラス側はチョッ
パ・トランジスタ１２及びチョーク・コイル１３を介し
て昇圧用トランス１１の１次コイル１１ａのセンタタッ
プに接続されている。この１次コイル１１ａの両端は図
示のようにスイッチング・トランジスタ１５、１６のド
レインに接続され、各トランジスタ１５、１６のソース
が直流電源１０のマイナス側に至る。チョーク・コイル
１３及びトランジスタ１２間の中間点と直流電源１０の
マイナス側との間には、転流ダイオード１４が挿入され
ている。さらに、両方のスイッチング・トランジスタ１
５、１６のドレイン間、即ち昇圧用トランス１１の１次
コイル１１ａ両端は、コンデンサ１７を介して相互に接
続されている。

【００１４】昇圧用トランス１１は空芯トランスであ
り、その全インダクタンスＬと共振コンデンサ１７の静
電容量Ｃとで所定固有周波数の電圧共振回路を構成して
いる。ここで、昇圧用トランス１１、スイッチング・ト
ランジスタ１５、１６、及びコンデンサ１７は電圧共振
形インバータ回路を形成している。昇圧用トランス１１
の２次コイル１１ｂは、ブリッジ整流器１９を介して、
負荷であるＸ線管２０に至る。

【００１５】さらに、検出用トランス１８は降圧用トラ
ンスであり、その１次コイル１８ａが共振コンデンサ１
７に並列に接続されている。これにより、コンデンサ１
７両端の数百Ｖの共振電圧を２次コイル１８ｂで数Ｖの
交流電圧に降圧し、その交流電圧をスイッチング制御部
１ｂに供給する。

【００１６】スイッチング制御部１ｂは、検出用トラン
ス１８の２次コイル１８ｂに接続された制御回路２４
と、この制御回路２４の出力側に接続された、インバー
タ制御用発振器２５、インバータ駆動回路２６及びチョ
ッパ制御用発振器２７、チョッパ駆動回路２８の２系統
の回路群とを備えている。

【００１７】制御回路２４は、図２に示す如く、共振コ
ンデンサ１７両端の共振電圧を入力する全波整流器３０
と、この全波整流器３０の整流電圧のピーク値をホール
ドするピークホールド回路３１と、このピークホールド
回路３１の出力電圧を分圧する分圧回路３２とを備える
一方で、分圧回路３２の出力電圧を基準入力とし、前記
全波整流器３０の整流電圧を比較入力とする比較器３３
と、この比較器３３の出力電圧に立上がりに付勢されて
一定時間幅の方形パルスを出力する単安定マルチバイブ
レータ３４とを備えている。分圧回路３２は、入力電圧
に所定の係数（＜１）を掛けることで分圧を行うもので
ある。また単安定マルチバイブレータ３４には、インバ
ータ制御用発振器２５及びチョッパ制御用発振器２７が
各々並列に接続されている。なお、単安定マルチバイブ
レータ３４の出力信号はピークホールド回路３１のリセ
ット信号にもなっている。

【００１８】インバータ制御用発振器２５及びチョッパ
制御用発振器２７は、それらへの入力電圧の立上がりに
同期した制御パルス信号を、後段のインバータ駆動回路
２６及びチョッパ駆動回路２８に各々出力する。この
内、インバータ駆動回路２６は、発振器２５の制御パル
ス信号に同期して駆動し、スイッチング・トランジスタ
１５、１６を交互にオン、オフさせる。またチョッパ駆
動回路２８は発振器２７の制御パルス信号に同期して駆
動し、チョッパ・トランジスタ１２をオン、オフさせる
ようになっている。

【００１９】本実施例では、検出用トランス１８及び全
波整流器３０が本発明の共振状態検出手段を成し、ピー
クホールド回路３１及び分圧回路３２が基準電圧設定手
段を成し、比較器３３及び単安定マルチバイブレータ３
４がタイミング信号形成手段を成す。さらに、インバー
タ制御用発振器２５及びインバータ駆動回路２６がスイ
ッチング制御手段を形成している。

【００２０】次に、本実施例の動作を図３、４を用いて
説明する。

【００２１】いま、Ｘ線管２０のインピーダンスＺが予
め設定した規定値であり、この状態でインバータ制御用
発振器２５及びチョッパ制御用発振器２７が制御回路２
４からの方形波パルス信号に基づいて同一周波数で発振
し、各々、インバータ駆動回路２６及びチョッパ駆動回
路２８を駆動させているものとする。これにより、イン
バータ駆動回路２６は図３（ａ），（ｂ）の実線に示す
ように、スイッチング・トランジスタ１５、１６を交互
に同一周期Ｔａ／２でオン（導通）、オフ（非導通）さ
せる。また、チョッパ駆動回路２７は図３（ｃ）の実線
に示すように、チョッパ・トランジスタ１２を周期Ｔｂ
毎にオン（期間Ｔb1）及びオフ（期間Ｔb2）を繰り返
す。このとき、チョッパ・トランジスタ１２のオン周期
Ｔb1は、スイッチング・トランジスタ１５、１６の両方
のオン周期に等分に重ねられる。これよりトランス１１
の一次コイル１１ａの励磁バランスが良好に保持され
る。

【００２２】このため、直流電源１０の電源電圧はチョ
ッパ・トランジスタ１２によってチョッパして高周波化
され、負荷のインバータ回路に供給される。このとき、
インバータ回路では固有周波数に対応してスイッチング
・トランジスタ１５、１６のオン、オフが切り換えられ
るため、トランス１１の全インダクタンスと共振コンデ
ンサ１７の静電容量とにより、図３（ｅ）の実線に示す
正弦波波形の電圧共振が生じる。いま、負荷インピーダ
ンスＺ（Ｘ線管の管電流、管電圧）が規定値であるか
ら、電圧共振モードも予め設定したスイッチング損失や
ノイズ発生等が最も少ない規定状態である。この共振電
圧はトランス１１にてそのまま昇圧され、整流器１９で
整流されてＸ線管２０に供給される。

【００２３】このようにしてＸ線管２０にパワーが供給
されると、電圧共振形インバータ回路内に蓄積された電
力エネルギーが徐々に減ってくる。そこで、この減少し
た分のエネルギーは、スイッチング・トランジスタ１
５、１６の導通時において、その導通期間とチョッパ・
トランジスタ１２の導通期間の重複する間に、直流電源
１０から平滑コイル１３を介して供給されるから、共振
状態が継続する。平滑コイル１３を流れる電流Ｉ_L は、
図３（ｄ）の実線のようになる。

【００２４】なお、トランス１１の２次側出力電圧は、
チョッパ・トランジスタ１２のデューティ比を変えるこ
とにより、共振モードとは無関係の状態で変更される。

【００２５】一方、上記電源供給状態において、共振コ
ンデンサ１７の両端には正弦波状に振動する共振電圧ｖ
_R が図４（ａ）に示す如く発生している。この共振電圧
ｖ_R は検出用トランス１７により所定比で降圧され、こ
の降圧された共振電圧ｖ_R が制御回路２４に入力する。

【００２６】制御回路２４では、まず全波整流器３０が
共振電圧ｖ_R を全波整流し、図４（ｂ）に示す電圧波形
に変換する。この整流波形がピークホールド回路３１に
てピークホールドされると、図４（ｃ）の電圧波形のよ
うに、ピーク値に達した後はそのピーク値が保持された
波形に変換される。このようにピーク値をホールドする
のは、正弦波の共振電圧波形における９０度の位相（即
ちピーク値の位相）を設定するためである。

【００２７】次いで、このピークホールド電圧波形は分
圧回路３２で所定係数が乗じられて分圧波形に図４
（ｄ）の如く変換される。これにより、９０度以下の基
準位相角に対応した波高値を有する基準電圧値（波形）
が形成される。なお、分圧回路３２の係数値を変えるこ
とにより、基準電圧波形の波高値を適宜変更することが
できる。

【００２８】このように形成された基準電圧値は比較器
３３において全波整流値と比較される。全波整流波形が
基準電圧波形を上回っている間は、比較器３３の出力は
論理Ｌレベルを維持しているが、図４のタイミングｔ_３
で示すように、全波整流波形が基準電圧波形よりも小さ
くなる時点で、比較器３３の出力は論理Ｈレベルに立ち
上がる（図４（ｅ）参照）。この比較器３３の立上がり
に付勢されて、次段の単安定マルチバイブレータ３４が
図４（ｆ）の如く一定時間ＴＢだけ出力を立ち上げる。
この立上げによる方形波パルス信号はインバータ制御用
発振器２５及びチョッパ制御用発振器２７に供給され、
それらの発振器２５、２７における発振タイミングが強
制的に入力パルス信号に同期する。

【００２９】なお、単安定マルチバイブレータ３４の出
力によってピークホールド回路３１がリセットされるか
ら、比較器３３の立上がり信号は立上がり後直ちに立ち
下がり、トリガーパルスとなる。

【００３０】そこで、いま、負荷としてのＸ線管２０の
管電圧や管電流を必要があって変更したため、負荷側イ
ンピーダンスＺが変わり、共振電圧の位相が例えば図３
（ｅ）中の実線図示の規定モードから仮想線図示の位相
モードに変化したとする。このように共振電圧の位相が
ずれた場合でも、制御回路２４は、前述した監視制御を
行うことで、そのずれた共振電圧波形に対する基準位相
角θ（図４参照）のタイミングを割り出し、その基準位
相角θにインバータ、チョッパ制御用発振器２５、２７
の発振周波数を強制的且つ自動的に同期させる。これに
より、チョッパ回路及びインバータ回路の各スイッチタ
イミングは図３中の仮想線図示のように夫々変更され、
前述したと同一の電源供給動作が行われる。なお、分圧
回路３２の分圧比を変えることにより、基準位相角θ、
即ち強制同期タイミングを容易に可変できる。

【００３１】このように、インバータ回路のスイッチン
グタイミングは常に共振電圧の基準位相角θに合致する
から、共振周波数が変化しても常に好適な共振モードに
復帰させることができる。その結果、スイッチング損失
を減少させて、高効率でＸ線線量を増加させると共に、
スイッチングノイズの発生を抑制してＳ／Ｎ比を向上さ
せることができる。また、整流器１９の負荷側に容量性
負荷を併設して２次側高電圧を平滑化し、電圧リップル
を抑えることも容易に行えるから、ＣＴ画像の分解能、
解像度も向上する。さらに、この実施例の装置によれ
ば、スイッチング損失やスイッチングノイズを抑制した
まま、Ｘ線管の出力電流、出力電圧の可変範囲を広くと
ることができるから、汎用性の高い装置を提供できる。
さらに、電源フィルタの能力を削減して、装置の小形化
を推進できる。

【００３２】なお、上記実施例における高電圧発生装置
にあっては、インバータ回路の前段にチョッパ回路を搭
載する構成としたが、このチョッパ回路は必ずしも搭載
しなくてもよい。

【００３３】

【発明の効果】本発明では、負荷側と電源側との間に電
圧共振形のインバータ回路を備え、このインバータ回路
の共振電圧検出値に基づき基準位相角に対応した基準電
圧を設定し、この基準電圧設定値と共振電圧検出値とが
一致したことを示すタイミング信号を形成し、このタイ
ミング信号に同期してインバータ回路のスイッチング素
子の断続を制御するようにした。このため、負荷側イン
ピーダンスが変わって共振電圧の位相ずれなど、共振モ
ードがずれてしまった場合でも、インバータ回路のスイ
ッチングタイミングを基準電圧設定値、即ちスイッチン
グに適した位相に自動的に同期させることから、インバ
ータ回路のスイッチング損失の増大及びスイッチングノ
イズの発生を抑制できるとともに、インバータ動作に悪
影響を及ぼすこと無く、負荷側のインピーダンスを変化
させることが可能な、汎用性の高い装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の構成を示す、一部ブロック
化した回路構成図。

【図２】図１中の制御回路の詳細な構成を示すブロック
図。

【図３】（ａ）〜（ｅ）は本発明の一実施例のチョッパ
動作、インバータ動作のタイミングを示す波形図。

【図４】（ａ）〜（ｆ）は本発明の一実施例のインバー
タ同期制御の様子を示す波形図。

【図５】従来例の構成を示す、一部ブロック化した回路
構成図。

【図６】（ａ）および（ｂ）は共振モード（位相）のず
れを説明する波形図。

【符号の説明】

１０ 直流電源 １１ 昇圧用トランス １５、１６ スイッチング・トランジスタ １７ 共振コンデンサ １８ 検出用トランス ２０ Ｘ線管 ３０ 全波整流器 ３１ ピークホールド回路 ３２ 分圧回路 ３３ 比較器 ３４ 単安定マルチバイブレータ ３５ インバータ制御用発振器 ３６ インバータ駆動回路

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 負荷側と電源側との間に挿入された変圧
   用のトランスと、このトランスの１次コイルへの供給電
   流を断続するスイッチング素子と、上記トランスのコイ
   ルとの間で所定固有周波数の電圧共振を発生させるコン
   デンサとを有したインバータ回路を備えると共に、上記
   電圧共振状態の電圧値を検出する共振状態検出手段と、
   この共振状態検出手段の検出値に基づき、予め設定した
   基準位相角に対応した基準電圧を設定する基準電圧設定
   手段と、この基準電圧設定手段の設定値と前記共振状態
   検出手段の検出値とが一致したことを示すタイミング信
   号を形成するタイミング信号形成手段と、このタイミン
   グ信号形成手段の形成信号に同期して前記スイッチング
   素子の断続を制御するスイッチング制御手段とを備えた
   ことを特徴とする高電圧発生装置。