JP6965077B2 - インバータ装置、傾斜磁場電源、及び磁気共鳴イメージング装置 - Google Patents

インバータ装置、傾斜磁場電源、及び磁気共鳴イメージング装置 Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、インバータ装置、傾斜磁場電源、及び磁気共鳴イメージング装置に関する。
従来、大出力のインバータ装置では、複数のスイッチング素子を並列に接続して電流容量を確保する実装形態が一般的である。このようなインバータ装置では、装置が高負荷運転状態になると、スイッチング素子の発熱が大きくなり、それに伴って、スイッチング素子間における素子特性のバラつきが助長されて、負荷の不均衡(アンバランス)が生じることがあり得る。このように、負荷が均衡していた時は定格範囲内であっても、スイッチング素子間で負荷の不均衡が生じた場合には、負荷が大きくなっているスイッチング素子が熱暴走によって破損し、その結果、インバータ装置の動作が異常になることもあり得る。
特開平5−68331号公報 特開2005−143232号公報
本発明が解決しようとする課題は、高負荷運転状態でも安定的に動作することができるインバータ装置、傾斜磁場電源、及び磁気共鳴イメージング装置を提供することである。
実施形態に係るインバータ装置は、複数のスイッチング素子と、負荷制御部とを備える。複数のスイッチング素子は、互いに並列に接続され、それぞれトランジスタ及び当該トランジスタに逆並列に接続された還流ダイオードを含む。負荷制御部は、各スイッチング素子に含まれる還流ダイオードに流れる電流又は当該還流ダイオードの温度を監視し、前記電流又は前記温度に基づいて、前記スイッチング素子間における還流ダイオードの負荷の不均衡が抑制されるように、各還流ダイオードの負荷を制御する。
図1は、第1の実施形態に係る磁気共鳴イメージング装置の構成例を示す図である。 図2は、第1の実施形態に係る傾斜磁場電源の構成例を示す図である。 図3は、第1の実施形態に係るインバータ装置に関連する半導体素子の出力特性の一例を示す図である。 図4は、第1の実施形態に係るインバータ装置に関連する半導体素子の出力特性の一例を示す図である。 図5は、第1の実施形態に係るインバータ装置に関連する還流ダイオードの特性と負荷の不均衡との関係の一例を示す図である。 図6は、第1の実施形態に係るインバータ装置に関連する還流ダイオードの特性と負荷の不均衡との関係の一例を示す図である。 図7は、第1の実施形態に係るインバータ装置に関連する還流ダイオードの特性と負荷の不均衡率との関係の一例を示す図である。 図8は、第1の実施形態に係るインバータ装置に関連する還流ダイオードの特性と負荷の不均衡率との関係の一例を示す図である。 図9は、第1の実施形態に係るインバータ装置の構成例を示す図である。 図10は、第1の実施形態に係るインバータ装置に関連する還流ダイオードの電気的な特性を示すタイミングチャートである。 図11は、第1の実施形態に係る負荷制御機能によって行われる処理の処理手順を示すフローチャートである。 図12は、第2の実施形態に係るインバータ装置の構成例を示す図である。 図13は、第2の実施形態に係る負荷制御機能によって行われる処理の処理手順を示すフローチャートである。
以下、図面を参照しながら、実施形態に係るインバータ装置、傾斜磁場電源、及び磁気共鳴イメージング(Magnetic Resonance Imaging:MRI)装置について詳細に説明する。
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係るMRI装置100の構成例を示す図である。例えば、図1に示すように、本実施形態に係るMRI装置100は、静磁場磁石1、傾斜磁場コイル2、傾斜磁場電源3、送信コイル4、送信回路5、受信コイル6、受信回路7、架台8、寝台9、入力インタフェース10、ディスプレイ11、記憶回路12、及び、処理回路13〜16を備える。
静磁場磁石1は、被検体Sが配置される撮像空間に静磁場を発生させる。具体的には、静磁場磁石1は、中空の略円筒状(円筒の中心軸に直交する断面が楕円状となるものを含む)に形成されており、円筒内の空間に静磁場を発生させる。例えば、静磁場磁石1は、略円筒状に形成された冷却容器と、当該冷却容器内に充填された冷却材(例えば、液体ヘリウム等)に浸漬された超伝導磁石等の磁石とを有している。ここで、例えば、静磁場磁石1は、永久磁石を用いて静磁場を発生させるものであってもよい。
傾斜磁場コイル2は、静磁場磁石1の内側に配置されており、被検体Sが配置される撮像空間に傾斜磁場を印加する。具体的には、傾斜磁場コイル2は、中空の略円筒状(円筒の中心軸に直交する断面が楕円状となるものを含む)に形成されており、円筒内の空間に、互いに直交するX軸、Y軸及びZ軸の各軸に沿った傾斜磁場を発生させる。ここで、X軸、Y軸及びZ軸は、MRI装置100に固有の装置座標系を構成する。例えば、Z軸は、傾斜磁場コイル2の円筒の軸に一致し、静磁場磁石1によって発生する静磁場の磁束に沿って設定される。また、X軸は、Z軸に直交する水平方向に沿って設定され、Y軸は、Z軸に直交する鉛直方向に沿って設定される。
傾斜磁場電源3は、傾斜磁場コイル2に電流を供給することで、傾斜磁場コイル2の内側の空間に、X軸、Y軸及びZ軸それぞれに沿った傾斜磁場を発生させる。
このように、傾斜磁場電源3がX軸、Y軸及びZ軸それぞれに沿った傾斜磁場を発生させることによって、リードアウト方向、位相エンコード方向、及びスライス方向それぞれに沿った傾斜磁場を発生させることができる。リードアウト方向、位相エンコード方向、及びスライス方向それぞれに沿った軸は、撮像の対象となるスライス領域又はボリューム領域を規定するための論理座標系を構成する。なお、以下では、リードアウト方向に沿った傾斜磁場をリードアウト傾斜磁場と呼び、位相エンコード方向に沿った傾斜磁場を位相エンコード傾斜磁場と呼び、スライス方向に沿った傾斜磁場をスライス傾斜磁場と呼ぶ。
これらの傾斜磁場は、静磁場磁石1によって発生する静磁場に重畳され、MR(Magnetic Resonance(磁気共鳴))信号に空間的な位置情報を付与するために用いられる。具体的には、リードアウト傾斜磁場は、リードアウト方向の位置に応じてMR信号の周波数を変化させることで、MR信号にリードアウト方向に沿った位置情報を付与する。また、位相エンコード傾斜磁場は、位相エンコード方向に沿ってMR信号の位相を変化させることで、MR信号に位相エンコード方向の位置情報を付与する。また、スライス傾斜磁場は、撮像領域がスライス領域の場合には、スライス領域の方向、厚さ、枚数を決めるために用いられ、撮像領域がボリューム領域である場合には、スライス方向の位置に応じてMR信号の位相を変化させることで、MR信号にスライス方向に沿った位置情報を付与する。
送信コイル4は、傾斜磁場コイル2の内側に配置されており、被検体Sが配置される撮像空間にRF(Radio Frequency)磁場を印加するRFコイルである。具体的には、送信コイル4は、中空の略円筒状(円筒の中心軸に直交する断面が楕円状となるものを含む)に形成されており、送信回路5から出力されるRFパルス信号に基づいて、円筒内の空間にRF磁場を印加する。
送信回路5は、ラーモア周波数に対応するRFパルス信号を送信コイル4に出力する。
受信コイル6は、被検体Sから発せられるMR信号を受信するRFコイルである。例えば、受信コイル6は、送信コイル4の内側に配置された被検体Sに装着され、送信コイル4によって印加されるRF磁場の影響で被検体Sから発せられるMR信号を受信する。そして、受信コイル6は、受信したMR信号を受信回路7へ出力する。例えば、受信コイル6には、撮像対象の部位ごとに専用のコイルが用いられる。ここで、専用のコイルとは、例えば、頭部用の受信コイル、頚部用の受信コイル、肩用の受信コイル、胸部用の受信コイル、腹部用の受信コイル、下肢用の受信コイル、脊椎用の受信コイル等である。
受信回路7は、受信コイル6から出力されるMR信号に基づいてMR信号データを生成し、生成したMR信号データを処理回路14に出力する。
なお、ここでは、送信コイル4がRF磁場を印加し、受信コイル6がMR信号を受信する場合の例を説明するが、各RFコイルの形態はこれに限られない。例えば、送信コイル4が、MR信号を受信する受信機能をさらに有してもよいし、受信コイル6が、RF磁場を印加する送信機能をさらに有していてもよい。送信コイル4が受信機能を有している場合は、受信回路7は、送信コイル4によって受信されたMR信号からもMR信号データを生成する。また、受信コイル6が送信機能を有する場合は、送信回路5は、受信コイル6にもRFパルス信号を出力する。
架台8は、静磁場磁石1、傾斜磁場コイル2及び送信コイル4を収容している。具体的には、架台8は、円筒状に形成された中空のボアBを有しており、ボアBを囲むように静磁場磁石1、傾斜磁場コイル2及び送信コイル4を配置した状態で、それぞれを収容している。ここで、架台8が有するボアBの内側の空間が、被検体Sの撮像が行われる際に被検体Sが配置される撮像空間となる。
なお、本実施形態では、MRI装置100が、略円筒状に形成された静磁場磁石1及び傾斜磁場コイル2を有する、いわゆるトンネル型の形状に構成されている場合の例を説明するが、実施形態はこれに限られない。例えば、MRI装置100は、被検体Sが配置される撮像空間を挟んで対向するように一対の静磁場磁石及び一対の傾斜磁場コイルを配置した、いわゆるオープン型の形状に構成されていてもよい。
寝台9は、被検体Sが載置される天板9aを備え、被検体Sの撮像が行われる際に、架台8におけるボアBの内側へ天板9aを挿入する。例えば、寝台9は、長手方向が静磁場磁石1の中心軸と平行になるように設置されている。
入力インタフェース10は、操作者から各種指示及び各種情報の入力操作を受け付ける。具体的には、入力インタフェース10は、処理回路16に接続されており、操作者から受け取った入力操作を電気信号へ変換し制御回路へと出力する。例えば、入力インタフェース10は、撮像条件や関心領域(Region Of Interest:ROI)の設定等を行うためのトラックボール、スイッチボタン、マウス、キーボード、操作面へ触れることで入力操作を行うタッチパッド、表示画面とタッチパッドとが一体化されたタッチスクリーン、光学センサを用いた非接触入力インタフェース、及び音声入力インタフェース等によって実現される。なお、本明細書において、入力インタフェース10は、マウス、キーボード等の物理的な操作部品を備えるものだけに限られない。例えば、装置とは別体に設けられた外部の入力機器から入力操作に対応する電気信号を受け取り、この電気信号を制御回路へ出力する電気信号の処理回路も入力インタフェース10の例に含まれる。
ディスプレイ11は、各種情報及び各種画像を表示する。具体的には、ディスプレイ11は、処理回路16に接続されており、処理回路16から送られる各種情報及び各種画像のデータを表示用の電気信号に変換して出力する。例えば、ディスプレイ11は、液晶モニタやCRT(Cathode Ray Tube)モニタ、タッチパネル等によって実現される。
記憶回路12は、各種データを記憶する。具体的には、記憶回路12は、MR信号データや画像データを記憶する。例えば、記憶回路12は、RAM(Random Access Memory)、フラッシュメモリ等の半導体メモリ素子やハードディスク、光ディスク等によって実現される。
処理回路13は、寝台制御機能13aを有する。寝台制御機能13aは、寝台9に接続され、制御用の電気信号を寝台9へ出力することで、寝台9の動作を制御する。例えば、寝台制御機能13aは、入力インタフェース10を介して、天板9aを長手方向、上下方向又は左右方向へ移動させる指示を操作者から受け付け、受け付けた指示に従って天板9aを移動するように、寝台9が有する天板9aの駆動機構を動作させる。
処理回路14は、実行機能14aを有する。実行機能14aは、処理回路16から出力されるシーケンス実行データに基づいて傾斜磁場電源3、送信回路5及び受信回路7を駆動することで、各種パルスシーケンスを実行する。例えば、実行機能14aは、傾斜磁場電源3、送信回路5及び受信回路7それぞれに入力信号を送信することで、傾斜磁場電源3、送信回路5及び受信回路7を駆動する。
ここで、シーケンス実行データは、MR信号データを収集するための手順を示すパルスシーケンスを定義した情報である。具体的には、シーケンス実行データは、傾斜磁場電源3が傾斜磁場コイル2に電流を供給するタイミング及び供給される電流の強さ、送信回路5が送信コイル4に供給するRFパルス信号の強さや供給タイミング、受信回路7がMR信号を検出する検出タイミング等を定義した情報である。
そして、実行機能14aは、各種パルスシーケンスを実行した結果として、受信回路7からMR信号データを受信し、受信したMR信号データを記憶回路12に記憶させる。なお、実行機能14aによって受信されたMR信号データの集合は、前述したリードアウト傾斜磁場、位相エンコード傾斜磁場、及びスライス傾斜磁場によって付与された位置情報に応じて2次元又は3次元に配列されることで、k空間を構成するデータとして記憶回路12に記憶される。
処理回路15は、画像生成機能15aを有する。画像生成機能15aは、記憶回路12に記憶されたMR信号データに基づいて画像を生成する。具体的には、画像生成機能15aは、実行機能14aによって記憶回路12に記憶されたMR信号データを読み出し、読み出したMR信号データに後処理、すなわち、フーリエ変換等の再構成処理を施すことで画像を生成する。また、画像生成機能15aは、生成した画像の画像データを記憶回路12に記憶させる。
処理回路16は、主制御機能16aを有する。主制御機能16aは、MRI装置100が有する各構成要素を制御することで、MRI装置100の全体制御を行う。例えば、主制御機能16aは、入力インタフェース10を介して操作者から撮像条件の入力を受け付ける。そして、主制御機能16aは、受け付けた撮像条件に基づいてシーケンス実行データを生成し、当該シーケンス実行データを処理回路14に送信することで、各種のパルスシーケンスを実行する。また、例えば、主制御機能16aは、操作者からの要求に応じて、記憶回路12から画像データを読み出してディスプレイ11に出力する。
ここで、例えば、上述した処理回路13〜16は、それぞれプロセッサによって実現される。その場合に、例えば、処理回路13〜16が有する各処理機能は、コンピュータによって実行可能なプログラムの形態で記憶回路12に記憶されている。各処理回路は、記憶回路12から各プログラムを読み出して実行することで、各プログラムに対応する機能を実現する。換言すると、各プログラムを読み出した状態の各処理回路は、図1の各処理回路内に示された各機能を有することとなる。
このような構成のもと、本実施形態に係るMRI装置100では、傾斜磁場電源3が、処理回路14から送信される入力信号に基づいて、撮像空間に印加される傾斜磁場の波形に応じた電圧を傾斜磁場コイル2に出力する。ここで、入力信号は、傾斜磁場コイル2に発生させる傾斜磁場の波形を表す信号であり、パルスシーケンスが実行される際に印加される傾斜磁場の波形を電流で模擬した信号である。
図2は、第1の実施形態に係る傾斜磁場電源3の構成例を示す図である。例えば、図2に示すように、傾斜磁場電源3は、電源装置3aと、インバータ装置20とを備える。
電源装置3aは、図示していない電源設備から供給される電力に基づいて、インバータ装置20に直流電力を供給する。
インバータ装置20は、電源装置3aから供給される直流電力に基づいて、撮像空間に印加される傾斜磁場の波形に応じたパルス電圧を傾斜磁場コイル2に出力する。
例えば、図2に示すように、インバータ装置20は、第1のスイッチングモジュール21Aと、第2のスイッチングモジュール21Bと、第3のスイッチングモジュール22Aと、第4のスイッチングモジュール22Bと、電解コンデンサ23と、電流センサ24と、処理回路25とを有する。
ここで、第1のスイッチングモジュール21Aと第2のスイッチングモジュール21B、及び、第3のスイッチングモジュール22Aと第4のスイッチングモジュール22Bは、それぞれ、電源装置3aに対して互いに並列に接続されている。
第1のスイッチングモジュール21Aは、直列に接続された一組のスイッチング素子21AH及び21ALを有する。このうち、上側(正側)のスイッチング素子21AHは、トランジスタ21AHtと、当該トランジスタ21AHtのコレクタ−エミッタ間に逆並列に接続された還流ダイオード21AHdとを有する。また、下側(負側)のスイッチング素子21ALは、トランジスタ21ALtと、当該トランジスタ21ALtのコレクタ−エミッタ間に逆並列に接続された還流ダイオード21ALdとを有する。
同様に、第2のスイッチングモジュール21Bは、直列に接続された一組のスイッチング素子21BH及び21BLを有する。このうち、上側のスイッチング素子21BHは、トランジスタ21BHtと、当該トランジスタ21BHtのコレクタ−エミッタ間に逆並列に接続された還流ダイオード21BHdとを有する。また、下側のスイッチング素子21BLは、トランジスタ21BLtと、当該トランジスタ21BLtのコレクタ−エミッタ間に逆並列に接続された還流ダイオード21BLdとを有する。
同様に、第3のスイッチングモジュール22Aは、直列に接続された一組のスイッチング素子22AH及び22ALを有する。このうち、上側のスイッチング素子22AHは、トランジスタ22AHtと、当該トランジスタ22AHtのコレクタ−エミッタ間に逆並列に接続された還流ダイオード22AHdとを有する。また、下側のスイッチング素子22ALは、トランジスタ22ALtと、当該トランジスタ22ALtのコレクタ−エミッタ間に逆並列に接続された還流ダイオード22ALdとを有する。
同様に、第4のスイッチングモジュール22Bは、直列に接続された一組のスイッチング素子22BH及び22BLを有する。このうち、上側のスイッチング素子22BHは、トランジスタ22BHtと、当該トランジスタ22BHtのコレクタ−エミッタ間に逆並列に接続された還流ダイオード22BHdとを有する。また、下側のスイッチング素子22BLは、トランジスタ22BLtと、当該トランジスタ22BLtのコレクタ−エミッタ間に逆並列に接続された還流ダイオード22BLdとを有する。
例えば、第1のスイッチングモジュール21A、第2のスイッチングモジュール21B、第3のスイッチングモジュール22A、及び、第4のスイッチングモジュール22Bは、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)モジュールである。すなわち、各スイッチングモジュールに含まれるトランジスタは、IGBTであり、還流ダイオードは、FWD(Free Wheeling Diode)である。
ここで、上述した第1のスイッチングモジュール21A、第2のスイッチングモジュール21B、第3のスイッチングモジュール22A、及び、第4のスイッチングモジュール22Bは、フルブリッジ回路を構成しており、電源装置3aから供給される直流電力に基づいて、傾斜磁場コイル2にパルス電圧を出力する。
具体的には、第1のスイッチングモジュール21A及び第2のスイッチングモジュール21Bそれぞれに含まれる上側のスイッチング素子21AH及び21BHが、フルブリッジ回路における一方のレグの上アームを構成している。また、第1のスイッチングモジュール21A及び第2のスイッチングモジュール21Bそれぞれに含まれる下側のスイッチング素子21AL及び21BLが、フルブリッジ回路における一方のレグの下アームを構成している。また、第3のスイッチングモジュール22A及び第4のスイッチングモジュール22Bそれぞれに含まれる上側のスイッチング素子22AH及び22BHが、フルブリッジ回路における他方のレグの上アームを構成している。また、第3のスイッチングモジュール22A及び第4のスイッチングモジュール22Bそれぞれに含まれる下側のスイッチング素子22AL及び22BLが、フルブリッジ回路における他方のレグの下アームを構成している。
ここで、第1のスイッチングモジュール21A及び第2のスイッチングモジュール21Bにおいて、第1のスイッチングモジュール21Aにおける上側のスイッチング素子21AHと下側のスイッチング素子21ALとの間の経路と、第2のスイッチングモジュール21Bにおける上側のスイッチング素子21BHと下側のスイッチング素子21BLとの間の経路とが接続されている。これにより、第1のスイッチングモジュール21A及び第2のスイッチングモジュール21Bでは、上側のスイッチング素子21AH及び21BHのペアと、下側のスイッチング素子21AL及び21BLのペアとが、それぞれ独立して、並列に接続されている。
同様に、第3のスイッチングモジュール22A及び第4のスイッチングモジュール22Bにおいて、第3のスイッチングモジュール22Aにおける上側のスイッチング素子22AHと下側のスイッチング素子22ALとの間の経路と、第4のスイッチングモジュール22Bにおける上側のスイッチング素子22BHと下側のスイッチング素子22BLとの間の経路とが接続されている。これにより、第3のスイッチングモジュール22A及び第4のスイッチングモジュール22Bでは、上側のスイッチング素子22AH及び22BHのペアと、下側のスイッチング素子22AL及び22BLのペアとが、それぞれ独立して、並列に接続されている。
そして、第1のスイッチングモジュール21A及び第2のスイッチングモジュール21Bにおける上側のスイッチング素子21AH及び21BHと下側のスイッチング素子21AL及び21BLとの間の経路に、傾斜磁場コイル2が有する正側の端子又は負側の端子の一方が接続されている。また、第3のスイッチングモジュール22A及び第4のスイッチングモジュール22Bにおける上側のスイッチング素子22AH及び22BHと下側のスイッチング素子22AL及び22BLとの間の経路に、傾斜磁場コイル2が有する正側の端子又は負側の端子の他方が接続されている。
このような構成によれば、第1のスイッチングモジュール21A及び第2のスイッチングモジュール21Bにおける上側のスイッチング素子21AH及び21BHのペアと、第3のスイッチングモジュール22A及び第4のスイッチングモジュール22Bにおける下側のスイッチング素子22AL及び22BLのペアとを導通させた場合には、傾斜磁場コイル2に順方向に電流が流れるようになる。一方、第1のスイッチングモジュール21A及び第2のスイッチングモジュール21Bにおける下側のスイッチング素子21AL及び21BLのペアと、第3のスイッチングモジュール22A及び第4のスイッチングモジュール22Bにおける上側のスイッチング素子22AH及び22BHのペアとを導通させた場合には、傾斜磁場コイル2に逆方向に電流が流れるようになる。そして、これらの二つの状態を交互に切り替えることによって、任意のパルス幅のパルス電圧を連続して出力できるようになる。
電解コンデンサ23は、電源装置3aと、第1のスイッチングモジュール21A、第2のスイッチングモジュール21B、第3のスイッチングモジュール22A、及び、第4のスイッチングモジュール22Bとの間に配置され、電源装置3aから各スイッチングモジュールに供給される電流を平滑化する。
電流センサ24は、傾斜磁場電源3の出力端に設けられ、傾斜磁場コイル2に流れる電流を検出する。そして、電流センサ24は、検出した電流の大きさを示すフィードバック信号FBを処理回路25に送信する。
処理回路25は、処理回路14から送信される入力信号に基づいて、各スイッチングモジュールを駆動することで、撮像空間に印加される傾斜磁場の波形に応じたパルス電圧を傾斜磁場コイル2に出力する。
具体的には、処理回路25は、処理回路14から送信される入力信号と、電流センサ24から送信されるフィードバック信号FBとを受信し、受信した入力信号とフィードバック信号FBとの差分である誤差信号を生成する。そして、処理回路25は、生成された誤差信号をPWM(Pulse Width Modulation)変調し、PWM変調された信号に基づいて各スイッチングモジュールを駆動することで、誤差信号の大きさに合わせたパルス電圧を発生させる。
このとき、処理回路25は、第1のスイッチングモジュール21A及び第2のスイッチングモジュール21Bにおける上側のスイッチング素子21AH及び21BHのペアと、第3のスイッチングモジュール22A及び第4のスイッチングモジュール22Bにおける下側のスイッチング素子22AL及び22BLのペアとが導通した状態と、第1のスイッチングモジュール21A及び第2のスイッチングモジュール21Bにおける下側のスイッチング素子21AL及び21BLのペア、及び、第3のスイッチングモジュール22A及び第4のスイッチングモジュール22Bにおける上側のスイッチング素子22AH及び22BHのペアを導通させた状態を交互に切り替えるように各スイッチング素子に制御信号を供給することで、誤差信号の大きさに合わせたパルス電圧を発生させる。
すなわち、処理回路25は、電流センサ24から送信されるフィードバック信号FBに基づいて、処理回路14から送信される入力信号と一致した電流が傾斜磁場コイル2に流れるように、各スイッチング素子から傾斜磁場コイル2に出力されるパルス電圧を制御する。
ここで、本実施形態におけるインバータ装置20のように、複数のスイッチング素子を並列に接続して実装したインバータ装置では、装置が高負荷運転状態になると、スイッチング素子の発熱が大きくなり、それに伴って、スイッチング素子間で負荷の不均衡(アンバランス)が生じることがあり得る。このように、負荷が均衡していた時は定格範囲内であっても、スイッチング素子間で負荷の不均衡が生じた場合には、負荷が大きくなっているスイッチング素子が熱暴走によって破損し、その結果、インバータ装置の動作が異常になることもあり得る。
そこで、本実施形態に係るインバータ装置20は、以下で説明するように、高負荷運転状態でも安定的に動作することができるように構成されている。
一般的に、シリコン等の半導体から形成される半導体素子には、出力特性の温度依存性がPositiveの素子と、Negativeの素子とがあることが知られている。そして、上述したスイッチング素子間における負荷の不均衡は、特に、出力特性の温度依存性がNegativeの素子で、顕著に生じると考えられる。
図3及び4は、第1の実施形態に係るインバータ装置20に関連する半導体素子の出力特性の一例を示す図である。ここで、図3は、想定している実使用領域における出力特性の温度依存性がPositiveである素子の出力特性の一例を示しており、図4は、想定している実使用領域における出力特性の温度依存性がNegativeである素子の出力特性の一例を示している。また、図3及び4は、それぞれ、ジャンクション温度T=25℃のときの出力特性と、T=125℃のときの出力特性とを示している。
例えば、図3に示すように、素子の出力特性の温度依存性がPositive領域であれば、温度が高くなるほど、電流が流れにくくなるという特性を有する。したがって、出力特性の温度依存性がPositive領域である素子が並列に接続された場合には、各素子の発熱が大きくなると、それに伴って、各素子に流れる電流の差が減少することになるため、素子間における負荷の不均衡が自然に抑えられると考えられる。
一方、例えば、図4に示すように、素子の出力特性の温度依存性がNegative領域であれば、温度が高くなるほど、電流が流れやすくなるという特性を有する。したがって、出力特性の温度依存性がNegative領域である素子が並列に接続された場合には、各素子の発熱が大きくなると、それに伴って、各素子に流れる電流の差が増加することになり、素子間における負荷の不均衡が増加傾向になると考えられる。
ここで、一般的に、トランジスタは、出力特性の温度依存性がPositiveとなる領域が広い傾向であり、ダイオードは、出力特性の温度依存性がNegativeとなる領域が広い傾向であることが知られている。そのため、本実施形態に係るインバータ装置20のように、トランジスタと還流ダイオードとを含むスイッチング素子を並列に接続した場合には、トランジスタと比べて、還流ダイオードの方に負荷の不均衡が生じやすいと考えられる。
例えば、インバータ装置において、スイッチング素子が並列に接続される場合には、スイッチング素子の素子特性を揃えるため、コレクタ−エミッタ間飽和電圧Vce(sat)が同じスイッチング素子が用いられるのが一般的である。しかしながら、上述したように、トランジスタと還流ダイオードとを含むスイッチング素子では、トランジスタと比べて、還流ダイオードの方に負荷の不均衡が生じやすいと考えられる。そのため、例えば、還流ダイオードへの還流比が高い用途の場合には、トランジスタの特性であるVce(sat)を揃えただけでは、スイッチング素子間における還流ダイオードの負荷の不均衡は十分に抑制されないと考えられる。
図5及び6は、第1の実施形態に係るインバータ装置20に関連する還流ダイオードの特性と負荷の不均衡との関係の一例を示す図である。ここで、図5は、トランジスタと還流ダイオードとを含むスイッチング素子のペアを並列に接続した場合の並列回路の一例を示している。また、図6は、図5に示した各スイッチング素子に含まれる還流ダイオードのI−V特性の一例を示している。
例えば、図5に示すように、トランジスタと還流ダイオードとを含むスイッチング素子のペアを並列に接続した場合を考える。ここで、図5に示す二つのスイッチング素子のうち、一方(図5の左側)に示すスイッチング素子に含まれる還流ダイオードは、抵抗がrであり、他方(図5の右側)に示すスイッチング素子に含まれる還流ダイオードは、抵抗がrより大きいrであったとする。
この場合には、例えば、図6に示すように、仮に同じ電流If(平均)が流れたとしても各スイッチング素子に含まれる還流ダイオードの電圧はVF1とVF2の様に異なってくる。ここで、図6において、上側の曲線は、一方のスイッチング素子に含まれる還流ダイオードの特性を示しており、下側の曲線は、他方のスイッチング素子に含まれる還流ダイオードの特性を示している。
ここで、例えば、電圧がVF1とVF2で異なる還流ダイオードが並列接続された場合、一方のスイッチング素子に含まれる還流ダイオードには、大きさがIF1の電流が流れ、他方のスイッチング素子に含まれる還流ダイオードには、IF1より小さいIF2の電流が流れることになる。具体的には、IF1とIF2との関係は、以下の式(1)〜(3)のように表される。
Figure 0006965077
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Figure 0006965077
このように、異なる特性の還流ダイオードを含むスイッチング素子を並列に接続した場合には、各還流ダイオードに異なる大きさの電流が流れることになり、この結果、還流ダイオードの間で不均衡が生じることになる。
このことから、本実施形態に係るインバータ装置20は、スイッチング素子間における還流ダイオードの負荷の不均衡が抑制されるように構成されている。
具体的には、本実施形態では、並列に接続された複数のスイッチング素子が、同じ特性の還流ダイオードが組み合わされて構成されている。例えば、本実施形態では、並列に接続された複数のスイッチング素子が、トランジスタのVce(sat)に加えて、還流ダイオードのVも同じスイッチング素子が組み合わされて構成されている。
例えば、第1のスイッチングモジュール21A及び第2のスイッチングモジュール21Bにおいて、上側のスイッチング素子21AH及び21BHのペア、下側のスイッチング素子21AL及び21BLのペア、それぞれのペア内では、還流ダイオードの特性が同じスイッチング素子が組み合わされて構成されている。また、第3のスイッチングモジュール22A及び第4のスイッチングモジュール22Bにおいて、上側のスイッチング素子22AH及び22BHのペア、下側のスイッチング素子22AL及び22BLのペア、それぞれのペア内では、還流ダイオードの特性が同じスイッチング素子が組み合わされて構成されている。
これにより、想定している実使用領域における出力特性の温度依存性がNegativeであるために負荷の不均衡が顕著に生じやすい還流ダイオードについても、負荷の不均衡が生じるリスクを抑えることができるようになる。この結果、還流ダイオードについて、熱暴走のリスクを低減させることが可能になる。
なお、前述したように、還流ダイオードは、出力特性の温度依存性がNegativeとなる領域が広い傾向であるため、装置が高負荷運転状態になると、発熱によって特性のバラつきが助長されて、負荷の不均衡が生じることがあり得る。
図7及び8は、第1の実施形態に係るインバータ装置20に関連する並列接続された還流ダイオードの特性と負荷の不均衡率との関係の一例を示す図である。ここで、図7及び8は、還流ダイオードの電圧Vの差ΔVと、還流ダイオードに生じる電流Iの不均衡率との関係の一例を示している。
例えば、図7に示すように、仮に、並列接続された還流ダイオードの電圧V、及びその電圧の差ΔVの大きさに対して、還流ダイオードに生じる電流Iの不均衡率が1次関数的に変化する場合には、還流ダイオードの電圧Vの差ΔVが一定であれば、還流ダイオードに生じる電流Iの不均衡率も一定になる。
しかし、一般的には、例えば、図8に示すように、還流ダイオードの電圧V、及びその電圧の差ΔVの大きさに対して、還流ダイオードに生じる電流Iの不均衡率は対数関数的に変化すると考えられる。そのため、還流ダイオードの電圧Vの差ΔVが一定であっても、還流ダイオードに生じる電流Iの不均衡率は一定にはならない。例として、具体的には、還流ダイオードの電圧Vの差ΔVが同じであっても、還流ダイオードの電圧Vが低い場合には、還流ダイオードに生じる電流Iの不均衡率は大きくなる傾向で、還流ダイオードの電圧Vが高い場合には、還流ダイオードに生じる電流Iの不均衡率は小さくなる傾向である。
また、還流ダイオードの出力特性は温度により変化するため、装置の運転が開始された後も、還流ダイオードに生じる負荷の不均衡は、その使用状況に応じて大きく変化すると考えられる。
このことから、本実施形態に係るインバータ装置20は、さらに、装置の運転が開始された後も、スイッチング素子間における還流ダイオードの負荷の不均衡が自律的に抑制されるように構成されている。
図9は、第1の実施形態に係るインバータ装置20の構成例を示す図である。なお、図9では、説明の便宜上、図2に示した構成のうち、第3のスイッチングモジュール22A及び第4のスイッチングモジュール22Bに関する構成については図示を省略している。
例えば、図9に示すように、本実施形態では、インバータ装置20の処理回路25が、負荷制御機能25aを有している。なお、本実施形態における負荷制御機能25aは、負荷制御部の一例である。ここで、負荷制御部は、回路等のハードウェアとソフトウェアとの混合によって実現されても構わない。
負荷制御機能25aは、各スイッチング素子に含まれる還流ダイオードに流れる電流を監視し、当該電流に基づいて、スイッチング素子間における還流ダイオードの負荷の不均衡が抑制されるように、各還流ダイオードの負荷を制御する。本実施形態では、負荷制御機能25aは、各スイッチング素子に含まれる還流ダイオードの特性を管理することで、各還流ダイオードの損失の偏りを抑制する。
具体的には、負荷制御機能25aは、第1のスイッチングモジュール21Aの入力端に設けられた第1の電流センサ26AHを介して、第1のスイッチングモジュール21Aに含まれる還流ダイオード21AHdに流れる電流I1AHを検出する。また、負荷制御機能25aは、第2のスイッチングモジュール21Bの入力端に設けられた第2の電流センサ26BHを介して、第2のスイッチングモジュール21Bに含まれる還流ダイオード21BHdに流れる電流I1BHを検出する。ここで、例えば、第1の電流センサ26AH及び第2の電流センサ26BHは、ホール素子やシャント抵抗等によって実現される。
図10は、第1の実施形態に係るインバータ装置20に関連する還流ダイオードの電気的な特性を示すタイミングチャートである。
例えば、図10に示すように、スイッチング素子のトランジスタがオン状態になる際、還流ダイオードに流れる電流Iが遮断される時、逆回復電流Irrと呼ばれる負方向のピークが生じる。そして、一般的に、スイッチング素子間で負荷の不均衡が生じた場合には、IrrやIの電流値に偏りが生じると考えられる。
そこで、本実施形態では、負荷制御機能25aは、還流ダイオードに流れる電流として、当該還流ダイオードの逆回復電流Irrを監視する。なお、負荷制御機能25aは、Irrの代わりに、順電流Iを監視してもよい。ここで、負荷制御機能25aによって監視される電流は、還流ダイオードのIrrやIに限られず、インバータ装置20の運転条件や使用されるスイッチング素子の特性等に応じて、スイッチング素子間における負荷の不均衡が顕著に表れる任意のタイミングの電流をタイミングチャートから適宜に選択することが可能である。
そして、負荷制御機能25aは、第1の電流センサ26AH及び第2の電流センサ26BHを介して検出した電流に基づいて、スイッチング素子間における負荷の不均衡が抑制されるように、各還流ダイオードの負荷を制御する。
具体的には、負荷制御機能25aは、各スイッチング素子に含まれる還流ダイオードの損失を制御することで、各スイッチング素子の負荷を制御する。
ここで、一般的に、還流ダイオード自体は、外部から直接的に操作することができない。この一方で、トランジスタと還流ダイオードとを組み合わせたスイッチング素子では、トランジスタのスイッチング動作におけるdV/dt(単位時間当たりの電圧の変化量)に応じて、トランジスタと還流ダイオードとの損失配分も変化することが知られている。例えば、dV/dtが低くなるにつれて、トランジスタのターンオンスイッチング損失Eonは増加するが、還流ダイオードの逆回復損失Errは低下する傾向があることが知られている。また、スイッチング素子が並列に接続された場合に、スイッチング動作の早遅によって、還流ダイオード間の損失配分も変化することが知られている。例えば、ターンオンが速いトランジスタの還流ダイオードに損失が集中する傾向があることが知られている。
このようなことから、本実施形態では、負荷制御機能25aは、各スイッチング素子に含まれるトランジスタのスイッチング動作におけるdV/dt(単位時間当たりの電圧の変化量)を制御することで、間接的に還流ダイオードの損失を制御する。
具体的には、負荷制御機能25aは、各スイッチング素子に含まれるトランジスタのゲート抵抗を制御することで、dV/dtを制御する。このとき、負荷制御機能25aは、各スイッチング素子に含まれるトランジスタのゲート抵抗の抵抗値を変更することで、dV/dtを制御する。ゲート抵抗の抵抗値を大きくすることによって、dV/dtを低下させることができ、その結果、還流ダイオードのErrを減らすことができる。
ここで、通常、スイッチング素子を用いたスイッチング出力回路では、オン状態とオフ状態との遷移期間にデッドタイム(休止時間)が設けられるが、dV/dtを低下させた場合には、スイッチング時間が増加するため、十分なデッドタイムが確保できなくなることもあり得る。このため、ゲート抵抗の抵抗値の調整範囲には、所定のデッドタイムを満たすための制限を設けておくのが望ましい。
また、dV/dtを低下させることによって還流ダイオードのErrを減らした場合には、それと引き換えに、トランジスタのEonが増加することになるが、トランジスタの実使用領域における出力特性の温度依存性がPositiveであれば、出力特性の温度依存性のNegative領域が広い還流ダイオードよりも、負荷の不均衡による熱暴走のリスクは低いと考えられる。
図11は、第1の実施形態に係る負荷制御機能25aによって行われる処理の処理手順を示すフローチャートである。例えば、図11に示すように、負荷制御機能25aは、第1の電流センサ26AHを介して検出した電流I1AHと、第2の電流センサ26BHを介して検出した電流I1BHとの差ΔIを算出する(ステップS101)。
ここで、負荷制御機能25aは、ΔIの絶対値が所定の閾値ΔITH以下である場合には(ステップS102,下)、スイッチング素子間における還流ダイオードの負荷の不均衡が許容範囲内に収まっているとみなして、ステップS101に戻り、再度、ΔIを算出する。一方、ΔIの絶対値がΔITHより大きい場合には、負荷制御機能25aは、スイッチング素子間における還流ダイオードの負荷の不均衡が生じているとみなして、以下の処理を実行する。
まず、負荷制御機能25aは、ΔIがΔITHより大きい場合には(ステップS102,左)、第1のスイッチングモジュール21Aに含まれる還流ダイオード21AHdの負荷が大きくなっているとみなして、第1のスイッチングモジュール21Aに含まれるトランジスタ21AHtのゲート抵抗RG1AHの抵抗値が所定の調整範囲内であるか否かを判定する(ステップS103)。ここで、例えば、所定の調整範囲は、所定の最大値RGmax及び最小値RGminによって定義される。
そして、RG1AHが所定の調整範囲内である場合には(ステップS103,Yes)、負荷制御機能25aは、当該RG1AHが基準値より小さいか否かを判定する(ステップS104)。ここで、RG1AHが基準値より小さい場合には(ステップS104,Yes)、負荷制御機能25aは、RG1AHを基準値に近付けるように所定の値だけ増加させる(ステップS105)。
これにより、第1のスイッチングモジュール21Aに含まれる還流ダイオード21AHdの逆回復損失Errが低下する結果、当該還流ダイオード21AHdの負荷が低減される。この結果、第1のスイッチングモジュール21Aに含まれる還流ダイオード21AHdと、第2のスイッチングモジュール21Bに含まれる還流ダイオード21BHdとの間の負荷の不均衡が小さくなる。
一方、RG1AHが所定の調整範囲内でない場合には(ステップS103,No)、負荷制御機能25aは、RG1AHの調整が不可であるとみなして、第2のスイッチングモジュール21Bに含まれるトランジスタ21BHtのゲート抵抗RG1BHの抵抗値が所定の調整範囲内であるか否かを判定する(ステップS106)。ここで、例えば、所定の調整範囲は、所定の最大値RGmax及び最小値RGminによって定義される。
そして、RG1BHが所定の調整範囲内である場合には(ステップS106,Yes)、負荷制御機能25aは、当該RG1BHが基準値より大きいか否かを判定する(ステップS107)。ここで、RG1BHが基準値より大きい場合には(ステップS107,Yes)、負荷制御機能25aは、RG1BHを基準値に近付けるように所定の値だけ減少させる(ステップS108)。
これにより、第2のスイッチングモジュール21Bに含まれる還流ダイオード21BHdの負荷の大きさが、第1のスイッチングモジュール21Aに含まれる還流ダイオード21AHdの負荷の大きさに近付くことになる。この結果、第1のスイッチングモジュール21Aに含まれる還流ダイオード21AHdと、第2のスイッチングモジュール21Bに含まれる還流ダイオード21BHdとの間の負荷の不均衡が小さくなる。
一方、負荷制御機能25aは、ΔIが−ΔITHより小さい場合には(ステップS102,右)、第2のスイッチングモジュール21Bに含まれる還流ダイオード21BHdの負荷が大きくなっているとみなして、第2のスイッチングモジュール21Bに含まれるトランジスタ21BHtのゲート抵抗RG1BHの抵抗値が所定の調整範囲内であるか否かを判定する(ステップS109)。ここで、例えば、所定の調整範囲は、所定の最大値RGmax及び最小値RGminによって定義される。
そして、RG1BHが所定の調整範囲内である場合には(ステップS109,Yes)、負荷制御機能25aは、当該RG1BHが基準値より小さいか否かを判定する(ステップS110)。ここで、RG1BHが基準値より小さい場合には(ステップS110,Yes)、負荷制御機能25aは、RGH1Aを基準値に近付けるように所定の値だけ増加させる(ステップS111)。
これにより、第2のスイッチングモジュール21Bに含まれる還流ダイオード21BHdの逆回復損失Errが低下する結果、当該還流ダイオード21BHdの負荷が低減される。この結果、第2のスイッチングモジュール21Bに含まれる還流ダイオード21BHdと、第1のスイッチングモジュール21Aに含まれる還流ダイオード21AHdとの間の負荷の不均衡が小さくなる。
一方、RG1BHが所定の調整範囲内でない場合には(ステップS109,No)、負荷制御機能25aは、RG1BHの調整が不可であるとみなして、第1のスイッチングモジュール21Aに含まれるトランジスタ21AHtのゲート抵抗RG1AHの抵抗値が所定の調整範囲内であるか否かを判定する(ステップS112)。ここで、例えば、所定の調整範囲は、所定の最大値RGmax及び最小値RGminによって定義される。
そして、RG1AHが所定の調整範囲内である場合には(ステップS112,Yes)、負荷制御機能25aは、当該RG1AHが基準値より大きいか否かを判定する(ステップS113)。ここで、RG1AHが基準値より大きい場合には(ステップS113,Yes)、負荷制御機能25aは、RG1AHを基準値に近付けるように所定の値だけ減少させる(ステップS114)。
これにより、第1のスイッチングモジュール21Aに含まれる還流ダイオード21AHdの負荷の大きさが、第2のスイッチングモジュール21Bに含まれる還流ダイオード21BHdの負荷の大きさに近付くことになる。この結果、第2のスイッチングモジュール21Bに含まれる還流ダイオード21BHdと、第1のスイッチングモジュール21Aに含まれる還流ダイオード21AHdとの間の負荷の不均衡が小さくなる。
こうして、RG1AH又はRG1BHを調整した後に、負荷制御機能25aは、ステップS101に戻り、再度、ΔIを算出して、上述した処理を繰り返す。
一方、RG1AH及びRG1BHのいずれも調整範囲内でない場合には(ステップS106,No、ステップS112,No)、負荷制御機能25aは、ゲート抵抗の抵抗値の調整は行わずに、各スイッチングモジュールへの直流電力の供給を遮断する(ステップS115)。
なお、負荷制御機能25aは、第1のスイッチングモジュール21A及び第2のスイッチングモジュール21Bにおいて、上側のスイッチング素子21AH及び21BHだけでなく、下側のスイッチング素子21AL及び21BLについても、同様に制御する。具体的には、負荷制御機能25aは、第1のスイッチングモジュール21Aの出力端に設けられた第3の電流センサ26ALを介して、第1のスイッチングモジュール21Aに含まれる下側の還流ダイオード21ALdに流れる電流I1ALを検出する。そして、負荷制御機能25aは、検出した電流I1ALに基づいて、第1のスイッチングモジュール21Aに含まれる下側のトランジスタ21ALtのゲート抵抗RG1ALの抵抗値を調整する。また、負荷制御機能25aは、第2のスイッチングモジュール21Bの出力端に設けられた第4の電流センサ26BLを介して、第2のスイッチングモジュール21Bに含まれる下側の還流ダイオード21BLdに流れる電流I1BLを検出する。そして、負荷制御機能25aは、検出した電流I1BLに基づいて、第2のスイッチングモジュール22Aに含まれる下側のトランジスタ21BLtのゲート抵抗RG1BLの抵抗値を調整する。さらに、負荷制御機能25aは、第3のスイッチングモジュール22A及び第4のスイッチングモジュール22Bにおいて、上側のスイッチング素子22AH及び22BH、並びに、下側のスイッチング素子22AL及び22BLについても、同様に制御する。
ここで、例えば、上述した処理回路25は、プロセッサによって実現される。この場合に、例えば、処理回路25が有する負荷制御機能25aは、コンピュータによって実行可能なプログラムの形態で所定の記憶回路に記憶されている。処理回路25は、記憶回路からプログラムを読み出して実行することで、当該プログラムに対応する機能を実現する。換言すると、当該プログラムを読み出した状態の処理回路25は、図9の処理回路25内に示された負荷制御機能25aを有することとなる。この場合に、例えば、図11に示したステップS101〜S115の各処理は、例えば、処理回路25が負荷制御機能25aに対応するプログラムを所定の記憶回路から読み出して実行することにより実現される。
なお、図9では、負荷制御機能25aが単一の処理回路25によって実現される場合の例を示したが、実施形態はこれに限られない。例えば、複数の独立したプロセッサを組み合わせて処理回路25を構成し、各プロセッサがプログラムを実行することによって負荷制御機能25aを実現するものとしても構わない。また、処理回路25が有する負荷制御機能25aは、単一又は複数の処理回路に適宜に分散又は統合されて実現されてもよい。
上述したように、第1の実施形態では、インバータ装置20の処理回路25が有する負荷制御機能25aが、各スイッチング素子に含まれる還流ダイオードに流れる電流を監視し、当該電流に基づいて、スイッチング素子間における還流ダイオードの負荷の不均衡が抑制されるように、各還流ダイオードの負荷を制御する。
すなわち、第1の実施形態では、スイッチング素子間における還流ダイオードの負荷の不均衡が生じた場合に、処理回路25が有する負荷制御機能25aによって自律的に不均衡が抑制され、インバータ装置20を安定方向に維持させることが可能になる。この結果、還流ダイオードが熱暴走によって破損することを防ぐことができるようになる。
したがって、第1の実施形態に係るインバータ装置20、傾斜磁場電源3、及び磁気共鳴イメージング装置100は、高負荷運転状態でも安定的に動作することができる。
(第2の実施形態)
なお、上述した第1の実施形態では、負荷制御機能25aが、各スイッチング素子に含まれる還流ダイオードに流れる電流を監視して、各還流ダイオードの負荷を制御する場合の例を説明したが、実施形態はこれに限られない。
例えば、一般的に、負荷の不均衡による還流ダイオードの故障は、還流ダイオードの発熱が直接的な原因であると考えられる。そこで、負荷制御機能25aが、各スイッチング素子に含まれる還流ダイオードの温度を監視して、各還流ダイオードの負荷を制御するようにしてもよい。以下では、このような場合の例を第2の実施形態として説明する。なお、第2の実施形態では、第1の実施形態と異なる点を中心に説明することとし、第1の実施形態又は他の実施形態と共通する内容については詳細な説明を省略する。
図12は、第2の実施形態に係るインバータ装置120の構成例を示す図である。なお、図12では、説明の便宜上、図2に示した構成のうち、第3のスイッチングモジュール22A及び第4のスイッチングモジュール22Bに関する構成については図示を省略している。
例えば、図12に示すように、本実施形態では、インバータ装置120の処理回路125が、負荷制御機能125aを有している。なお、本実施形態における負荷制御機能125aは、負荷制御部の一例である。ここで、負荷制御部は、回路等のハードウェアとソフトウェアとの混合によって実現されても構わない。
負荷制御機能125aは、各スイッチング素子に含まれる還流ダイオードの温度を監視し、当該温度に基づいて、スイッチング素子間における還流ダイオードの負荷の不均衡が抑制されるように、各還流ダイオードの負荷を制御する。本実施形態では、負荷制御機能125aは、各スイッチング素子に含まれる還流ダイオードの特性を管理することで、各還流ダイオードの損失の偏りを抑制する。
具体的には、負荷制御機能125aは、第1のスイッチングモジュール21Aに設けられた第1の温度センサ126AHを介して、第1のスイッチングモジュール21Aに含まれる還流ダイオード21AHdの温度T1AHを検出する。また、負荷制御機能25aは、第2のスイッチングモジュール21Bに設けられた第2の温度センサ126BHを介して、第2のスイッチングモジュール21Bに含まれる還流ダイオード21BHdの温度T1BHを検出する。
ここで、例えば、負荷制御機能125aは、還流ダイオードの温度として、ジャンクション温度Tを監視する。なお、例えば、負荷制御機能125aは、スイッチング素子のTを直接的に検出できない場合には、スイッチング素子のケース温度Tを監視し、当該TからTを算出してもよい。
そして、負荷制御機能125aは、第1の温度センサ126AH及び第2の温度センサ126BHを介して検出した温度に基づいて、スイッチング素子間における負荷の不均衡が抑制されるように、各還流ダイオードの負荷を制御する。
具体的には、負荷制御機能125aは、第1の実施形態と同様に、各スイッチング素子に含まれる還流ダイオードの損失を制御することで、各スイッチング素子の負荷を制御する。すなわち、負荷制御機能125aは、第1の実施形態と同様に、各スイッチング素子に含まれるトランジスタのスイッチング動作におけるdV/dt(単位時間当たりの電圧の変化量)を制御することで、間接的に還流ダイオードの損失を制御する。より具体的には、負荷制御機能125aは、第1の実施形態と同様に、各スイッチング素子に含まれるトランジスタのゲート抵抗を制御することで、dV/dtを制御する。
図13は、第2の実施形態に係る負荷制御機能125aによって行われる処理の処理手順を示すフローチャートである。例えば、図13に示すように、負荷制御機能125aは、第1の温度センサ126AHを介して検出した温度T1AHと、第2の温度センサ126BHを介して検出した温度T1BHとの差ΔTを算出する(ステップS201)。
ここで、負荷制御機能125aは、ΔTの絶対値が所定の閾値ΔTTH以下である場合には(ステップS202,下)、スイッチング素子間における還流ダイオードの負荷の不均衡が許容範囲内に収まっているとみなして、ステップS201に戻り、再度、ΔTを算出する。一方、ΔTの絶対値がΔTTHより大きい場合には、負荷制御機能125aは、スイッチング素子間における還流ダイオードの負荷の不均衡が生じているとみなして、以下の処理を実行する。
まず、負荷制御機能125aは、ΔTがΔTTHより大きい場合には(ステップS202,左)、第1のスイッチングモジュール21Aに含まれる還流ダイオード21AHdの負荷が大きくなっているとみなして、第1のスイッチングモジュール21Aに含まれるトランジスタ21AHtのゲート抵抗RG1AHの抵抗値が所定の調整範囲内であるか否かを判定する(ステップS103)。ここで、例えば、所定の調整範囲は、所定の最大値RGmax及び最小値RGminによって定義される。
その後、負荷制御機能125aは、図11に示したステップS103〜S108と同様の処理を行うことで、RG1AHを基準値に近付けるように所定の値だけ増加させる、又は、RG1BHを基準値に近付けるように所定の値だけ減少させる。
一方、負荷制御機能125aは、ΔTが−ΔTTHより小さい場合には(ステップS202,右)、第2のスイッチングモジュール21Bに含まれる還流ダイオード21BHdの負荷が大きくなっているとみなして、第2のスイッチングモジュール21Bに含まれるトランジスタ21BHtのゲート抵抗RG1BHの抵抗値が所定の調整範囲内であるか否かを判定する(ステップS109)。ここで、例えば、所定の調整範囲は、所定の最大値RGmax及び最小値RGminによって定義される。
その後、負荷制御機能125aは、図11に示したステップS109〜S114と同様の処理を行うことで、RG1BHを基準値に近付けるように所定の値だけ増加させる、又は、RG1AHを基準値に近付けるように所定の値だけ減少させる。
これにより、第1のスイッチングモジュール21Aに含まれる還流ダイオード21AHdの負荷の大きさが、第2のスイッチングモジュール21Bに含まれる還流ダイオード21BHdの負荷の大きさに近付くことになる。この結果、第2のスイッチングモジュール21Bに含まれる還流ダイオード21BHdと、第1のスイッチングモジュール21Aに含まれる還流ダイオード21AHdとの間の負荷の不均衡が小さくなる。
こうして、RG1AH又はRG1BHを調整した後に、負荷制御機能125aは、ステップS201に戻り、再度、ΔIを算出して、上述した処理を繰り返す。
一方、RG1AH及びRG1BHのいずれも調整範囲内でない場合には(ステップS106,No、ステップS112,No)、負荷制御機能125aは、ゲート抵抗の抵抗値の調整は行わずに、各スイッチングモジュールへの直流電力の供給を遮断する(ステップS115)。
なお、負荷制御機能125aは、第1のスイッチングモジュール21A及び第2のスイッチングモジュール21Bにおいて、上側のスイッチング素子21AH及び21BHだけでなく、下側のスイッチング素子21AL及び21BLについても、同様に制御する。具体的には、負荷制御機能25aは、第1のスイッチングモジュール21Aに設けられた第3の温度センサ126ALを介して、第1のスイッチングモジュール21Aに含まれる下側の還流ダイオード21ALdの温度T1ALを検出する。そして、負荷制御機能25aは、検出した温度T1ALに基づいて、第1のスイッチングモジュール21Aに含まれる下側のトランジスタ21ALtのゲート抵抗RG1ALの抵抗値を調整する。また、負荷制御機能25aは、第2のスイッチングモジュール21Bに設けられた第4の電流センサ126BLを介して、第2のスイッチングモジュール21Bに含まれる下側の還流ダイオード21BLdの温度T1BLを検出する。そして、負荷制御機能25aは、検出した温度T1BLに基づいて、第2のスイッチングモジュール22Aに含まれる下側のトランジスタ21BLtのゲート抵抗RG1BLの抵抗値を調整する。さらに、負荷制御機能125aは、第3のスイッチングモジュール22A及び第4のスイッチングモジュール22Bにおいて、上側のスイッチング素子22AH及び22BH、並びに、下側のスイッチング素子22AL及び22BLについても、同様に制御する。
ここで、例えば、上述した処理回路125は、プロセッサによって実現される。この場合に、例えば、処理回路125が有する負荷制御機能125aは、コンピュータによって実行可能なプログラムの形態で所定の記憶回路に記憶されている。処理回路125は、記憶回路からプログラムを読み出して実行することで、当該プログラムに対応する機能を実現する。換言すると、当該プログラムを読み出した状態の処理回路125は、図12の処理回路125内に示された負荷制御機能125aを有することとなる。この場合に、例えば、図13に示したステップS201〜S202及びS103〜S115の各処理は、例えば、処理回路125が負荷制御機能125aに対応するプログラムを所定の記憶回路から読み出して実行することにより実現される。
なお、図12では、負荷制御機能125aが単一の処理回路125によって実現される場合の例を示したが、実施形態はこれに限られない。例えば、複数の独立したプロセッサを組み合わせて処理回路125を構成し、各プロセッサがプログラムを実行することによって負荷制御機能125aを実現するものとしても構わない。また、処理回路125が有する負荷制御機能125aは、単一又は複数の処理回路に適宜に分散又は統合されて実現されてもよい。
上述したように、第2の実施形態では、インバータ装置120の処理回路125が有する負荷制御機能125aが、各スイッチング素子に含まれる還流ダイオードの温度を監視し、当該温度に基づいて、スイッチング素子間における還流ダイオードの負荷の不均衡が抑制されるように、各還流ダイオードの負荷を制御する。
すなわち、第2の実施形態でも、スイッチング素子間における還流ダイオードの負荷の不均衡が生じた場合に、処理回路125が有する負荷制御機能125aによって自律的に不均衡が抑制され、インバータ装置120を安定方向に維持させることが可能になる。この結果、還流ダイオードが熱暴走によって破損することを防ぐことができるようになる。
したがって、第2の実施形態に係るインバータ装置120、傾斜磁場電源3、及び磁気共鳴イメージング装置100は、高負荷運転状態でも安定的に動作することができる。
なお、上述した実施形態では、負荷制御機能が、各スイッチング素子に含まれるトランジスタのゲート抵抗を制御することで、dV/dtを制御する場合の例を説明したが、実施形態はこれに限られない。例えば、負荷制御機能は、動的にプログラム可能な電子ボリウム等を用いて、dV/dtを制御するようにしてもよい。
また、上述した実施形態は、それぞれが個別に実施される場合に限られず、適宜に組み合わせて実施されてもよい。すなわち、負荷制御機能は、各スイッチング素子に含まれる還流ダイオードに流れる電流及び当該還流ダイオードの温度の両方を監視し、当該電流及び温度に基づいて、スイッチング素子間における還流ダイオードの負荷の不均衡が抑制されるように、各還流ダイオードの負荷を制御するようにしてもよい。
また、上述した実施形態では、本願が開示するインバータ装置をMRI装置の傾斜磁場電源に適用した場合の例を説明したが、実施形態はこれに限られない。例えば、本願が開示するインバータ装置は、大出力のインバータ装置が要求されるような他の種類の装置にも同様に適用することが可能である。
また、上述した各実施形態の説明で用いた「プロセッサ」という文言は、例えば、CPU(Central Processing Unit)、GPU(Graphics Processing Unit)、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。ここで、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に構成しても構わない。この場合には、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、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一つのプロセッサとして構成され、その機能を実現するようにしてもよい。
ここで、プロセッサによって実行されるプログラムは、ROM(Read Only Memory)や記憶回路等に予め組み込まれて提供される。なお、このプログラムは、これらの装置にインストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでCD(Compact Disk)−ROM、FD(Flexible Disk)、CD−R(Recordable)、DVD(Digital Versatile Disk)等のコンピュータで読み取り可能な記憶媒体に記録されて提供されてもよい。また、このプログラムは、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納され、ネットワーク経由でダウンロードされることにより提供又は配布されてもよい。例えば、このプログラムは、上述した各機能部を含むモジュールで構成される。実際のハードウェアとしては、CPUが、ROM等の記憶媒体からプログラムを読み出して実行することにより、各モジュールが主記憶装置上にロードされて、主記憶装置上に生成される。
以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、高負荷運転状態でも安定的に動作することができるインバータ装置、傾斜磁場電源、及び磁気共鳴イメージング装置を提供することができる。
本発明の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。
100 MRI装置
3 傾斜磁場電源
20 インバータ装置
21AH、21AL、21BH、21BL、22AH、22AL、22BH、22BL スイッチング素子
25 処理回路
25a 負荷制御機能

Claims (9)

  1. 互いに並列に接続され、それぞれトランジスタ及び当該トランジスタに逆並列に接続された還流ダイオードを含む複数のスイッチング素子と、
    各スイッチング素子に含まれる還流ダイオードに流れる電流又は当該還流ダイオードの温度を監視し、前記電流又は前記温度に基づいて、前記スイッチング素子間における還流ダイオードの負荷の不均衡が抑制されるように、各還流ダイオードの特性管理する負荷制御部と
    を備える、インバータ装置。
  2. 前記負荷制御部は、各還流ダイオードの特性を管理することで、各還流ダイオードの損失の偏りを抑制する、
    請求項1に記載のインバータ装置。
  3. 前記負荷制御部は、各スイッチング素子に含まれるトランジスタのスイッチング動作におけるdV/dtを制御することで、間接的に前記還流ダイオードの損失を制御する、
    請求項2に記載のインバータ装置。
  4. 前記負荷制御部は、各スイッチング素子に含まれるトランジスタのゲート抵抗を制御することで、前記dV/dtを制御する、
    請求項3に記載のインバータ装置。
  5. 前記複数のスイッチング素子は、同じ特性の還流ダイオードが組み合わされて構成されている、
    請求項1〜4のいずれか一つに記載のインバータ装置。
  6. 前記負荷制御部は、前記還流ダイオードに流れる電流として、当該還流ダイオードの逆回復電流又は順電流を監視する、
    請求項1〜5のいずれか一つに記載のインバータ装置。
  7. 前記負荷制御部は、前記還流ダイオードの温度として、前記スイッチング素子のジャンクション温度又はケース温度を監視する、
    請求項1〜6のいずれか一つに記載のインバータ装置。
  8. 磁気共鳴イメージング装置で用いられる傾斜磁場コイルに傾斜磁場の波形に応じた電圧を出力するインバータ装置を備え、
    前記インバータ装置は、
    互いに並列に接続され、それぞれトランジスタ及び当該トランジスタに逆並列に接続された還流ダイオードを含む複数のスイッチング素子と、
    各スイッチング素子に含まれる還流ダイオードに流れる電流又は当該還流ダイオードの温度を監視し、前記電流又は前記温度に基づいて、前記スイッチング素子間における還流ダイオードの負荷の不均衡が抑制されるように、各還流ダイオードの特性管理する負荷制御部と
    を有する、傾斜磁場電源。
  9. 被検体が配置される撮像空間に傾斜磁場を印加する傾斜磁場コイルと、
    前記傾斜磁場の波形に応じた電圧を前記傾斜磁場コイルに出力するインバータ装置を有する傾斜磁場電源を備え、
    前記インバータ装置は、
    互いに並列に接続され、それぞれトランジスタ及び当該トランジスタに逆並列に接続された還流ダイオードを含む複数のスイッチング素子と、
    各スイッチング素子に含まれる還流ダイオードに流れる電流又は当該還流ダイオードの温度を監視し、前記電流又は前記温度に基づいて、前記スイッチング素子間における還流ダイオードの負荷の不均衡が抑制されるように、各還流ダイオードの特性管理する負荷制御部と
    を有する、磁気共鳴イメージング装置。
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