JP5637688B2

JP5637688B2 - インバータ装置、およびインバータ装置を用いたｘ線高電圧装置

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Publication number: JP5637688B2
Application number: JP2009544657A
Authority: JP
Inventors: 浩和飯嶋; 堂本　拓也; 拓也堂本; 貴之正木
Original assignee: Hitachi Medical Corp
Current assignee: Hitachi Healthcare Manufacturing Ltd
Priority date: 2007-12-03
Filing date: 2008-12-01
Publication date: 2014-12-10
Anticipated expiration: 2028-12-01
Also published as: US8249217B2; US20100254515A1; JPWO2009072460A1; WO2009072460A1

Description

本発明は、インバータ装置、およびインバータ装置を用いたX線高電圧装置に係り、特にインバータ装置を構成するスイッチング素子を過電流から保護することのできるインバータ装置、およびインバータ装置を用いたX線高電圧装置に関する。

X線CT装置は、検査時間の短縮のためのマルチスライス化と、心臓のような運動臓器への適用のためのスキャン時間の高速化、並びに撮影範囲の拡大が図られている。

X線CT装置において、X線管に高電圧を印加するためのX線高電圧装置は、スキャナ回転盤に搭載されている。しかし、X線CT装置のスキャナ回転盤の回転速度は、高速化が進んでいる。このため、スキャナ回転盤に搭載するX線高電圧装置は、小型軽量化が要求されている。

このように小型軽量化が要求されているX線高電圧装置には、小型軽量化を達成するために、インバータ式のX線高電圧装置が採用されている。

このインバータ回路は、扱うパワーが大きいため、フルブリッジインバータ回路が用いられている。このインバータ回路を構成するフルブリッジインバータ回路の各スイッチング素子には、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor 絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)モジュールが用いられている。IGBTは、MOSFEをゲート部に組み込んだバイポーラトランジスタで、ゲート・エミッタ間の電圧で駆動され、入力信号によってオン・オフができる自己消弧形で、大電力の高速スイッチングが可能な半導体素子である。

IGBTモジュールに代表されるスイッチング素子の過電流や短絡故障を検出して保護する方法として、スイッチング素子がオンしている場合のオン抵抗に電流が流れることにより発生するオン電圧が、過電流や短絡電流が流れた場合には異常に大きくなることを利用して、スイッチング素子の過電流や短絡故障を検出する方法がある(例えば、特許文献1参照。)。

この特許文献1は、過電流または短絡検出のためのオン電圧異常検出回路を、PWM駆動信号によるオン信号発生から一定の時間だけマスクする期間を設けて動作している。

特開平10−94269号公報

X線高電圧装置のように、負荷範囲が広い装置の場合は、最大負荷に対して十分に出力が得られるように設計されているので、最小負荷においては、非常に狭いPWM駆動信号でインバータがスイッチングすることになる。

したがって、特許文献1にあっては、PWM駆動信号が、オン電圧異常検出マスク時間より短い出力条件では、前記オン電圧異常検出による保護手段では保護ができないことになる。

すなわち、スイッチング素子に対する従来のPWM駆動信号は、非常に細いパルス幅(PWM幅)から始まり、管電圧設定値に対して管電圧出力が小さい場合には、徐々にそのPWM幅が広くなり、管電圧出力が管電圧設定値に一致したPWM幅で安定して動作するようになっている。

このとき、例えば、1つのスイッチング素子が短絡故障していた場合、このスイッチング素子と直列に接続されるスイッチング素子をオンするとDC電源を短絡する短絡電流が、直列接続された2つのスイッチング素子に流れることになる。そして、直列に接続されるスイッチング素子のPWM駆動信号が、徐々にそのPWM幅を広くしていった場合に、その全ての期間においてPWM駆動信号のオン時間が、デッドタイム補償回路でマスクされる時間よりも短い場合には、異常を検出する前に直列に接続されるスイッチング素子のPWM駆動信号がオフしてしまい、短絡検出ができないという問題を有している。

これを繰り返すことによって、直列接続された2つのスイッチング素子に短絡電流が繰り返し流れているうちに、直列接続された2つのスイッチング素子のいずれかが熱破壊に至り、安全に装置を停止することができないという問題を有している。

本発明の目的は、PWM駆動信号が非常に小さい負荷条件に対しても、短絡を検出することができるインバータ装置を提供することにある。

また、本発明の目的は、PWM駆動信号が非常に小さい負荷条件に対しても、短絡を検出することができるインバータ装置をX線高電圧装置に適用することによって、非常に広い負荷範囲に対して信頼性が高いインバータ装置を用いたX線高電圧装置を提供することにある。

上記課題を解決するためになされた本発明に係るインバータ装置は、複数のスイッチング素子によって構成され、前記スイッチング素子へのPWM駆動信号の供給を受けて直流電源から供給される直流電圧を高周波の交流電圧に変換して出力するインバータ回路と、前記各スイッチング素子に供給する前記PWM駆動信号を出力するとともに当該PWM駆動信号の出力を制御する制御手段とを備えたインバータ装置であって，前記インバータ回路が負荷へ電力を供給するためのPWM駆動信号を受ける前に、前記各スイッチング素子の短絡検出用PWM駆動信号を前記各スイッチング素子に供給する手段と、前記短絡検出用PWM駆動信号によって前記各スイッチング素子をオンしたときの該オンしたスイッチング素子に直列に接続されるスイッチング素子のオン電圧を検出し、前記スイッチング素子の過電流または短絡状態を検出する手段を設けたことを特徴とするものである。

上記課題を解決するためになされた本発明に係るインバータ装置を用いたX線高電圧装置は、直流電源とインバータ装置と高電圧発生装置と整流器と平滑コンデンサとを備え，前記直流電源から供給される直流電圧を、前記インバータ装置によって高周波交流電圧に変換して出力し、前記高周波交流電圧を、前記高電圧発生装置によって高周波高電圧に変換して出力し、前記高周波交流電圧を整流器によって整流してさらに平滑コンデンサによって平滑して管電圧としてX線管に供給するX線高電圧装置であって，前記インバータ装置は，前段落に記載のインバータ装置で構成したことを特徴とするものである。

本発明に係るインバータ装置によれば、非常に狭いPWM駆動信号で定常動作するような小さい負荷条件においても、短絡故障を検出することができる。

また、本発明に係るインバータ装置を用いたX線高電圧装置によれば、インバータ回路を構成するスイッチング素子の短絡故障等の異常検出が可能となる。

本発明に係るインバータ式X線高圧装置を示すブロック図である。図1に図示のインバータ回路を構成するフルブリッジインバータ回路を示す図である。図1に図示のインバータ式X線高圧装置における管電圧制御を示すブロック図である。本発明に係るPWM駆動制御の第1の実施例を示すPWM駆動信号のタイムチャートである。本発明に係るPWM駆動制御の第2の実施例を示すPWM駆動信号のタイムチャートである。本発明に係るPWM駆動制御の第3の実施例を示すPWM駆動信号のタイムチャートである。スイッチング素子をオンオフするためのPWM駆動信号と、実際のスイッチング素子のオンオフと、オン電圧異常検出回路の検出有効範囲との関係を示す図である。従来のPWM駆動信号を示す図である。

符号の説明

6 X線管、11，12 直流電源、21，22 インバータ回路、24 PWM駆動信号発生装置、26 オン電圧検出回路、31，32 高電圧発生装置、41 整流器、51 平滑コンデンサ、70 警報器、100 CPU

以下、図1〜図7を用いて、発明を実施するための最良の形態について説明する。

図1には、本発明に係るインバータ式X線高電圧装置の構成が示されている。

図1において、インバータ式X線高電圧装置は、直流電源11から供給される直流電圧を、インバータ回路21によって高周波交流電圧に変換している。そして、このインバータ式X線高電圧装置は、インバータ回路21によって作り出された高周波交流電圧を高電圧発生装置31に印加する。この高電圧発生装置31に高周波交流電圧が印加されると、前記高電圧発生装置31から出力される高周波高電圧は整流器41によって整流され、さらに平滑コンデンサ51によって平滑化されてX線管6に印加される。

図1に図示のインバータ式X線高電圧装置においては、このようにインバータ回路21を採用することによって、高電圧発生装置31の小型軽量化を達成している。

図1に図示のX線管6は、フィラメントを備えており、このフィラメントを加熱する電力を供給する回路(X線管のフィラメント加熱回路)が管電圧を印加する回路とは別に設けられている。このX線管のフィラメント加熱回路は、図1に図示のインバータ式X線高電圧装置の一部として構成されている。

そして、このX線管のフィラメント加熱回路は、図1に示す如く、直流電源12，インバータ回路22，高電圧発生装置32によって構成されている。このようにX線管のフィラメント加熱回路においても、インバータ回路が用いられている。さらに、図示していないが、X線管の陽極回転駆動回路においてもインバータ回路が用いられている。

図1に図示のインバータ式X線高電圧装置は、直流電源11から供給される直流電圧を、インバータ回路21によって高周波の交流電圧に変換して、管電圧をX線管6に印加している。

X線CT装置においては、このように管電圧を発生させるためのインバータ回路としては、前述のようにスキャンの高速化、撮影範囲の拡大に伴って扱うパワーが大きいため、図2に示されるフルブリッジインバータ回路が用いられている。

インバータ回路21を構成するフルブリッジインバータ回路は、図2に示されている。

図2において、スイッチング素子S1〜S4は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor 絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)モジュールとして示してある。IGBTは、ＭOSFＥＴをゲート部に組み込んだバイポーラトランジスタで、ゲート・エミッタ間の電圧で駆動され、入力信号によってオン・オフができる自己消弧形で、大電力の高速スイッチングが可能な半導体素子である。

スイッチング素子S1〜S4のそれぞれのゲートには、駆動信号を入力するためのPWM駆動信号発生回路24とオン電圧検出回路26が接続され、PWM駆動信号発生回路24とオン電圧検出回路26はCPU100へ接続されている。なお、オン電圧検出回路26は、スイッチング素子の端子間電圧を検出する回路で、公知のものを用いることができる。

これらのスイッチング素子S1〜S4において、スイッチング素子S1とスイッチング素子S2とは、また、スイッチング素子S3とスイッチング素子S4とは、直列に接続されている。そして、スイッチング素子S1とスイッチング素子S2との接続点と、スイッチング素子S3とスイッチング素子S4との接続点に、高電圧発生装置31の一次コイルが接続されている。

このような接続状態において、DC電源11からの電圧入力に対して、スイッチング素子S1とスイッチング素子S4を同時にオンした場合には、負荷である高電圧発生装置31にプラスの電圧が出力される。そして、DC電源からの電圧入力に対して、スイッチング素子S2とスイッチング素子S3を同時にオンした場合には、負荷である高電圧発生装置31にマイナスの電圧が出力される。

これらスイッチング素子S1，S2，S3，S4によって構成されるインバータ回路21(22)の出力制御方法としては、PWM制御がある。このPWM制御は、スイッチング素子S1とスイッチング素子S4、またはスイッチング素子S2とスイッチング素子S3を同時にオンするパルス状の駆動信号の時間幅を制御することによって、インバータの出力電力を制御する方法である。

このようなフルブリッジインバータ回路で形成されるインバータ回路21から出力される高周波交流電圧を高電圧発生装置31に印加して、X線管6に印加される管電圧を制御するインバータ式X線高電圧装置の管電圧制御ブロック図を図3に示す。

図3において、高電圧発生装置31を含むユニット2において管電圧を検出し、管電圧検出値と管電圧設定値とをCPU100の管電圧フィードバック調整部101において比較し、インバータ回路21のスイッチング素子S1〜S4をオンする時間を変化させ、管電圧を制御している。

図4には、本発明に係るインバータ装置の第1の実施例によるPWM駆動信号が示されている。

図4において、スイッチング素子S1〜S4のそれぞれのPWM駆動信号は、図2に図示のフルブリッジインバータ回路21を構成するスイッチング素子S1〜S4のそれぞれを駆動するゲート信号を示している。そして、このスイッチング素子S1〜S4のそれぞれのPWM駆動信号は、スイッチング素子S1，S2，S3，S4から成るフルブリッジインバータ回路21のそれぞれのスイッチング素子に対して、短絡チェック用のPWM駆動信号を備えている。

図4に図示の短絡チェック用のPWM駆動信号は、出力条件に関わらず、一定のPWM幅を備えている。この短絡チェック用のPWM駆動信号は、詳細は後に説明するが短絡検出マスク時間よりも十分に長い幅に設定されている。

図4に図示の短絡チェック用のPWM駆動信号では、フルブリッジインバータ回路21を構成するスイッチング素子S1〜S4を、それぞれ単独でオンさせる短絡チェック用のPWM駆動信号をスイッチング素子S1からスイッチング素子S4まで順次入れることによって、それぞれの短絡故障をチェックすることができるようになっている。

すなわち、フルブリッジインバータ回路21のスイッチング素子S1のみをオンした場合には、正常状態であればスイッチング素子S2，スイッチング素子S3，スイッチング素子S4は、オフしているので、スイッチング素子S1に電流は流れない。したがって、フルブリッジインバータ回路21のスイッチング素子S1のオン電圧は発生しない。

いま、仮にフルブリッジインバータ回路21のスイッチング素子S2が短絡故障していたとすると、フルブリッジインバータ回路21のスイッチング素子S1をオンした際に、フルブリッジインバータ回路21のスイッチング素子S1とスイッチング素子S2とによってDC電源を短絡することになる。

このフルブリッジインバータ回路21のスイッチング素子S1とスイッチング素子S2とに短絡電流が流れると、フルブリッジインバータ回路21のスイッチング素子S1のオン電圧は、異常に上昇する。

本実施例の場合は、フルブリッジインバータ回路21の各スイッチング素子の短絡チェック用のPWM駆動信号は、出力条件に関わらず、一定のPWM幅を備えており、この各スイッチング素子の短絡チェック用のPWM駆動信号のPWM幅は、短絡検出マスク時間よりも十分に長く設定されている。

このため、フルブリッジインバータ回路21のスイッチング素子S1の短絡チェック用のPWM駆動信号によって、異常を検出して、フルブリッジインバータ回路21を安全に停止することができる。

したがって、本実施例によれば、単純なPWM制御によるインバータ装置において、PWM駆動信号が非常に小さいような負荷条件に対しても、短絡を検出することができ、万が一インバータのスイッチング素子が短絡故障している場合には、短絡検出信号を受け取ったCPU100がPWM駆動信号発生回路24へ装置停止用制御信号を出力することにより、安全に動作を停止することができる。

さらに、本実施例によれば、本発明に係るインバータ装置をX線高電圧装置に適用することによって、非常に広い負荷範囲に対して信頼性が高い装置を提供することができる。

なお、オン電圧検出回路26の出力信号をCPU100において処理し、警報器70でスイッチング素子S1〜S4の正常状態又は異常状態を表示するようにしても良い。

図5には、本発明に係るインバータ装置の第2の実施例によるPWM駆動信号が示されている。

図5において、スイッチング素子S1〜S4のそれぞれのPWM駆動信号は、図2に図示のフルブリッジインバータ回路21を構成するスイッチング素子S1〜S4のそれぞれを駆動するゲート信号を示している。そして、このスイッチング素子S1〜S4のそれぞれのPWM駆動信号は、スイッチング素子S1，S2，S3，S4から成るフルブリッジインバータ回路21のそれぞれのスイッチング素子に対して、短絡チェック用のPWM駆動信号を備えている。

図5に図示の第2の実施例においては、フルブリッジインバータ回路21を構成するスイッチング素子S1の短絡チェック用のPWM駆動信号と、スイッチング素子S3の短絡チェック用のPWM駆動信号とを同じタイミングで発生し、スイッチング素子S1とスイッチング素子S3とを同時にオンしている。

また、図5に図示の第2の実施例においては、フルブリッジインバータ回路21を構成するスイッチング素子S2の短絡チェック用のPWM駆動信号と、スイッチング素子S4の短絡チェック用のPWM駆動信号とを同じタイミングで発生し、スイッチング素子S2とスイッチング素子S4とを同時にオンしている。

このように直列に接続されていないスイッチング素子S1とスイッチング素子S3、スイッチング素子S2とスイッチング素子S4を同時にオンすることにより、第1の実施例に比べて短絡チェック用の合計の時間が短縮され、インバータ装置が負荷に電力を供給開始するまでの時間を短くすることができる。

スイッチング素子S2，スイッチング素子S4のいずれも正常であれば、短絡チェック用のPWM駆動信号によってスイッチング素子S1とスイッチング素子S3とを同時にオンしてもインバータの出力端子には、電圧は発生しない。

また、スイッチング素子S1，スイッチング素子S3のいずれも正常であれば、短絡チェック用のPWM駆動信号によってスイッチング素子S2とスイッチング素子S4とを同時にオンしてもインバータの出力端子には、電圧は発生しない。

図6には、本発明に係るインバータ装置の第3の実施例によるPWM駆動信号が示されている。

図6において、スイッチング素子S1〜S4のそれぞれのPWM駆動信号は、図2に図示のフルブリッジインバータ回路21を構成するスイッチング素子S1〜S4のそれぞれを駆動するゲート信号を示している。そして、このスイッチング素子S1〜S4のそれぞれのPWM駆動信号は、スイッチング素子S1，S2，S3，S4から成るフルブリッジインバータ回路21のそれぞれのスイッチング素子に対して、短絡チェック用のPWM駆動信号を備えている。

図6に図示の第3の実施例においては、スイッチング素子の短絡チェック用PWM駆動信号をフルブリッジインバータ回路21の負荷への電力供給のための動作シーケンスに則って印加する。すなわち、フルブリッジインバータ回路21を構成するスイッチング素子S1の短絡チェック用のPWM駆動信号と、スイッチング素子S4の短絡チェック用のPWM駆動信号とを同じタイミングで発生し、スイッチング素子S1とスイッチング素子S4とを同時にオンし、また、スイッチング素子S2の短絡チェック用のPWM駆動信号と、スイッチング素子S3の短絡チェック用のPWM駆動信号とを同じタイミングで発生し、スイッチング素子S2とスイッチング素子S3とを同時にオンしている。

このように直列に接続されていないスイッチング素子S1とスイッチング素子S4、スイッチング素子S2とスイッチング素子S3を同時にオンすることによっても、第1の実施例に比べて短絡チェック用のPWM駆動信号を発生している合計の時間が短縮され、インバータ装置が負荷に電力を供給開始するまでの時間を早くすることができる。

第1の実施例および第2の実施例の場合は、インバータ装置が負荷に電力を供給する前に、短絡チェック用のPWM駆動信号を発生してスイッチング素子の短絡チェックをしている。

これに対し、本実施例においては、インバータ装置21が負荷に電力を供給する場合と同一のシーケンスでスイッチング素子S1からスイッチング素子S4の短絡チェック用のPWM駆動信号を発生している。

ただし、最初の1パルスだけは、短絡検出マスク時間よりも十分に長いPWM幅としたものである。

したがって、本実施例によれば、第1の実施例および第2の実施例における短絡チェック用のPWM駆動信号を発生している時間がないので、インバータ装置21が負荷に電力を供給するまでの時間が、従来装置とほとんど変わらないという利点がある。

なお、フルブリッジインバータ回路21を構成しているスイッチング素子S1とスイッチング素子S4、またはスイッチング素子S2とスイッチング素子S3とを、最初の1パルスだけ短絡検出マスク時間よりも十分に長いPWM幅でオンさせるので、負荷に出力を供給し始めることとなるが、例えば数10kHzのスイッチング周波数のインバータ装置に対して、短絡検出マスク時間は、2μs〜3μsであり、最初の1パルスだけこの短絡検出マスク時間よりも十分に長い、例えば5μsのPWM駆動信号を発生してスイッチング素子を駆動しても、出力が出過ぎるなどの問題は起こらない。

なお、図7には、本発明の実施形態においてCPU100によって制御される動作、すなわちスイッチング素子をオンオフするためのPWM駆動信号と、実際のスイッチング素子のオンオフ動作と、オン電圧検出回路26の検出動作との関係が示されている。

図7に示す如く、スイッチング素子は、オンオフを制御するためのPWM駆動信号がゲートに供給されてから実際にオンオフするまでに、遅れ時間と遷移時間とを有している。すなわち、スイッチング素子は、ゲートに入力されるPWM駆動信号が、オフ(Low)からオン(High)になってから，遅れ時間経過した後にOFF状態からON状態への遷移を開始し、一定の遷移時間をかけてON状態に遷移する。この現象は、スイッチング素子がオフする場合も同様である。

このため、本発明において、過電流または短絡検出のためのオン電圧検出回路26は、ゲートに入力されるPWM駆動信号がオフ(Low)からオン(High)になって、PWM駆動オン信号がゲートに入力されてから、一定の時間をマスクするマスク時間を経過した後から有効に動作するようになっている。

したがって、図4〜図6に示す実施例並びに図8に示すインバータ回路から負荷へ電力を供給開始する初期のPWM駆動信号のパルス幅内では異常検出は困難であるが、本発明の実施形態を採用することで、スイッチング素子の異常(短絡)検出が可能となる。

Claims

複数のスイッチング素子によって構成され、前記スイッチング素子へのPWM駆動信号の供給を受けて直流電源から供給される直流電圧を高周波の交流電圧に変換して出力するインバータ回路と、前記各スイッチング素子に供給する前記PWM駆動信号を出力するとともに当該PWM駆動信号の出力を制御する制御手段とを備えたインバータ装置であって，
前記インバータ回路が負荷へ電力を供給するためのPWM駆動信号を受ける前に、前記各スイッチング素子の短絡検出用PWM駆動信号を前記各スイッチング素子に供給する手段と、
前記短絡検出用PWM駆動信号によって前記各スイッチング素子をオンしたときの該オンしたスイッチング素子のオン電圧を検出し、前記スイッチング素子の過電流または短絡状態を検出する手段を設け、
スイッチング素子に前記PWM駆動信号が供給されてからスイッチング素子がオン状態に遷移するまでの時間である短絡検出マスク時間よりもパルス幅が長い前記短絡検出用PWM駆動信号が、前記直流電源から供給される直流電圧によって前記インバータ回路が負荷に電力を供給できる状態であるときに、前記インバータ回路が前記負荷へ電力を供給する場合と同一のシーケンスで前記各スイッチング素子に供給されることを特徴とするインバータ装置。
前記短絡検出用PWM駆動信号は，前記インバータ回路の出力に関係なく一定のパルス幅に設定されていることを特徴とする請求項1に記載のインバータ装置。
直流電源とインバータ装置と高電圧発生装置と整流器と平滑コンデンサとを備え，
前記直流電源から供給される直流電圧を、前記インバータ装置によって高周波交流電圧に変換して出力し、前記高周波交流電圧を、前記高電圧発生装置によって高周波高電圧に変換して出力し、前記高周波高電圧を整流器によって整流してさらに平滑コンデンサによって平滑して管電圧としてX線管に供給するX線高電圧装置であって，
前記インバータ装置は，請求項1または2に記載のインバータ装置であることを特徴とするX線高電圧装置。