JP7034628B2 - Ｘ線高電圧装置及びｘ線画像診断装置 - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、Ｘ線高電圧装置及びＸ線画像診断装置に関する。
Ｘ線高電圧装置は、Ｘ線管に供給する電圧を制御する。例えば、Ｘ線高電圧装置は、インバータ回路におけるスイッチング素子のオン／オフをスイッチングすることによって出力電圧を制御する。スイッチングをより高い周波数で行うことにより、出力電圧の低リップル化や、Ｘ線高電圧装置の構成（コイルやトランス、コンデンサ等）の小型化といったメリットがある一方、スイッチング回数が増加することでスイッチング時の損失（スイッチング損失）が増大する。ここで、スイッチング損失を低減するためには、ゼロ電圧スイッチング（Zero Voltage Switching：ＺＶＳ）制御やゼロ電流スイッチング（Zero Current Switching：ＺＣＳ）制御といったソフトスイッチング制御の利用が考えられる。
ゼロ電圧スイッチング制御は、スイッチング素子と並列に設けられたコンデンサ（共振コンデンサ）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制御方法である。ここで、共振コンデンサから電荷を引き抜くのはインバータ回路を流れるインバータ電流であり、インバータ電流が小さい場合には、電圧が略０となるまで共振コンデンサから電荷を引き抜くことができない場合がある。例えば、Ｘ線高電圧装置からの出力電力が小さい場合等、低負荷時にはゼロ電圧スイッチング制御が実行できない場合がある。即ち、低負荷時にゼロ電圧スイッチング制御を実行しようとしても、電圧が略０となるまで共振コンデンサから電荷を引き抜くことができず、電圧が略０でない状態でスイッチング素子をオンすることとなってスイッチング損失が発生する。更に、電圧が略０でない状態でスイッチング素子をオンすると、共振コンデンサに蓄積された電荷によってスイッチング素子に短絡電流が流れ、スイッチング素子を痛めてしまう場合がある。
また、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制御方法である。ここで、Ｘ線高電圧装置は、高圧トランスやモールド樹脂などを含んでおり、これらが実質的なコンデンサとして機能する。このようなコンデンサが有する静電容量（浮遊容量）はインバータ電流を電流共振させる場合があり、電流が略０でない状態でスイッチング素子をオンすることとなれば、スイッチング損失が発生する。更に、Ｘ線高電圧装置からの出力電力が大きい場合等、高負荷時には電流が略０となるタイミングが現れず、ゼロ電流スイッチング制御が実行できない場合がある。
特開２００９－１７７４９号公報 特開２００７－２８８２７号公報 特許第５６６７７６６号公報
本発明が解決しようとする課題は、低負荷時から高負荷時までの全領域においてスイッチング損失を低減することである。
実施形態のＸ線高電圧装置は、インバータ回路と、取得部と、制御部とを備える。インバータ回路は、複数のスイッチング素子を含む。取得部は、前記インバータ回路に流れるインバータ電流に関する情報を取得する。制御部は、前記インバータ電流に関する情報に基づいて、前記インバータ電流が略０になる第１のタイミングを特定し、当該第１のタイミングでは前記スイッチング素子に対してゼロ電流スイッチング制御を実行し、当該第１のタイミングを除く第２のタイミングでは前記スイッチング素子に対してゼロ電圧スイッチング制御を実行するように制御する。
図１は、第１の実施形態に係るＸ線ＣＴ装置の構成の一例を示すブロック図である。 図２は、第１の実施形態に係るＸ線高電圧装置の回路構成の一例を示す図である。 図３は、第１の実施形態に係る位相シフト制御について説明するための図である。 図４Ａは、第１の実施形態に係るインバータ回路の電流波形の一例を示す図である。 図４Ｂは、第１の実施形態に係るインバータ回路の電流波形の一例を示す図である。 図５は、第１の実施形態に係るゼロ電流スイッチング制御について説明するための図である。 図６Ａは、第１の実施形態に係るインバータ回路の電流波形の一例を示す図である。 図６Ｂは、第１の実施形態に係るインバータ回路の電流波形の一例を示す図である。 図７Ａは、第１の実施形態に係るインバータ回路の電流波形の一例を示す図である。 図７Ｂは、第１の実施形態に係るインバータ回路の電流波形の一例を示す図である。 図８は、第１の実施形態に係るゼロ電圧スイッチング制御について説明するための図である。 図９は、第１の実施形態に係るスイッチング素子の制御信号及び電圧の一例を示す図である。 図１０は、第１の実施形態に係るスイッチング素子の制御信号及び電圧の一例を示す図である。 図１１は、第１の実施形態に係るＸ線ＣＴ装置の処理の一連の流れを説明するためのフローチャートである。 図１２は、第２の実施形態に係るゼロ電流スイッチング制御とゼロ電圧スイッチング制御との切り替え方法の一例を示す図である。
以下、図面を参照して、Ｘ線高電圧装置及びＸ線画像診断装置の実施形態について詳細に説明する。なお、Ｘ線画像診断装置は、Ｘ線を用いて医用画像を生成する装置である。例えば、Ｘ線画像診断装置は、Ｘ線診断装置やＸ線ＣＴ装置等である。以下では、一例として、Ｘ線高電圧装置を含んだＸ線ＣＴ装置について説明する。
（第１の実施形態）
図１を参照しながら、第１の実施形態に係るＸ線ＣＴ装置１の構成について説明する。図１は、第１の実施形態に係るＸ線ＣＴ装置１の構成の一例を示すブロック図である。Ｘ線ＣＴ装置１は、図１に示すように、架台装置２と、寝台装置２０と、コンソール装置３０とを有する。なお、Ｘ線ＣＴ装置１の構成は、下記の構成に限定されるものではない。
架台装置２は、コリメータ調整回路３と、架台駆動回路４と、Ｘ線照射装置５と、ウェッジ８と、コリメータ９と、Ｘ線検出器１０と、データ収集回路１１と、回転フレーム１２とを有する。
コリメータ調整回路３は、コリメータ９の開口度及び位置を調整することにより、Ｘ線照射装置５が発生させたＸ線の照射範囲を調整する。コリメータ調整回路３は、コリメータ９に接続され、開口度及び位置を調整する機構と、この機構を制御する回路とを含む。この機構は、例えば、モータと、このモータが発生させた動力をコリメータ９に伝達する機械要素とを含む。また、上述した回路は、例えば、モータに電力や制御信号を供給する回路と、この回路を制御するプロセッサとを含む。
架台駆動回路４は、回転フレーム１２を回転させることによってＸ線照射装置５及びＸ線検出器１０を旋回させたり、架台装置２をチルトさせたりする。架台駆動回路４は、回転フレーム１２を回転させる機構及び架台装置２をチルトさせる機構と、この機構を制御する回路とを含む。この機構は、例えば、モータと、このモータが発生させた動力を回転フレーム１２に伝達する機械要素とを含む。また、上述した回路は、例えば、モータに電力や制御信号を供給する回路と、この回路を制御するプロセッサとを含む。
Ｘ線照射装置５は、図１に示すように、Ｘ線高電圧装置６とＸ線管７とを有する。Ｘ線高電圧装置６は高電圧を発生させる装置である。なお、Ｘ線高電圧装置６の回路構成については後述する。Ｘ線管７は、Ｘ線高電圧装置６から供給される高電圧により、陰極（フィラメント）から陽極（ターゲット）に向けて熱電子を照射する真空管である。
ウェッジ８は、Ｘ線管７から照射されたＸ線量を調節するためのフィルタである。具体的には、ウェッジ８は、Ｘ線管７から被検体Ｐへ照射されるＸ線が、予め定められた分布になるように、Ｘ線管７から照射されたＸ線を透過して減衰するフィルタである。例えば、ウェッジ８は、ウェッジフィルタ（wedge filter）やボウタイフィルタ（bow-tie filter）であり、所定のターゲット角度や所定の厚みとなるようにアルミニウム等を加工して構成される。
コリメータ９は、ウェッジ８を透過したＸ線の照射範囲を絞り込むための鉛板等であり、複数の鉛板等の組み合わせによってスリットを形成する。コリメータ９の開口度及び位置は、コリメータ調整回路３により調整される。
Ｘ線検出器１０は、Ｘ線照射装置５から照射されて被検体Ｐを通過したＸ線を検出し、検出したＸ線量に対応した信号をデータ収集回路１１へと出力する。Ｘ線検出器１０は、例えば、Ｘ線管７の焦点を中心とした１つの円弧に沿ってチャネル方向に複数のＸ線検出素子が配列された複数のＸ線検出素子列を有する。Ｘ線検出器１０は、例えば、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、roｗ方向）に複数配列された構造を有する。また、Ｘ線検出器１０は、例えば、グリッドと、シンチレータアレイと、光センサアレイとを有する間接変換型の検出器である。シンチレータアレイは、複数のシンチレータを有する。シンチレータは入射Ｘ線量に応じた光子量の光を出力するシンチレータ結晶を有する。グリッドは、シンチレータアレイのＸ線入射側の面に配置され、散乱Ｘ線を吸収するＸ線遮蔽板を有する。光センサアレイは、シンチレータからの光量に応じた電気信号に変換する機能を有し、例えば、光電子増倍管（フォトマルチプライヤー：ＰＭＴ）等の光センサを有する。なお、Ｘ線検出器１０は、入射したＸ線を電気信号に変換する半導体素子を有する直接変換型の検出器であっても構わない。
データ収集回路１１は、ＤＡＳ（Data Acquisition System）である。データ収集回路１１は、Ｘ線検出器１０の各Ｘ線検出素子から出力される電気信号に対して増幅処理を行う増幅器と、電気信号をデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器とを有し、検出データを生成する。データ収集回路１１は、例えば、プロセッサにより実現される。
回転フレーム１２は、Ｘ線管７とＸ線検出器１０とを対向支持し、架台駆動回路４によってＸ線管７とＸ線検出器１０とを回転させる円環状のフレームである。なお、回転フレーム１２は、Ｘ線管７とＸ線検出器１０とに加えて、Ｘ線高電圧装置６やデータ収集回路１１を更に備えて支持する。なお、データ収集回路１１が生成した検出データは、回転フレーム１２に設けられた発光ダイオード（Light Emitting Diode: ＬＥＤ）を有する送信機から光通信によって架台装置２の非回転部分（例えば固定フレーム）に設けられた、フォトダイオードを有する受信機に送信され、コンソール装置３０へと転送される。なお、回転フレーム１２から架台装置２の非回転部分への検出データの送信方法は、光通信に限らず、非接触型のデータ伝送であれば如何なる方式を採用しても構わない。
寝台装置２０は、スキャン対象の被検体Ｐを載置、移動させる装置であり、基台２１と、寝台駆動装置２２と、天板２３と、支持フレーム２４とを有する。基台２１は、支持フレーム２４を鉛直方向に移動可能に支持する筐体である。寝台駆動装置２２は、被検体Ｐが載置された天板２３を、天板２３の長軸方向に移動するモータあるいはアクチュエータである。支持フレーム２４の上面に設けられた天板２３は、被検体Ｐが載置される板である。なお、寝台駆動装置２２は、天板２３に加え、支持フレーム２４を天板２３の長軸方向に移動してもよい。
コンソール装置３０は、入力インターフェース３１と、ディスプレイ３２と、メモリ３３と、処理回路３４とを有する。
入力インターフェース３１は、操作者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３４に出力する。例えば、入力インターフェース３１は、管電圧、管電流等のスキャン条件や、ＣＴ画像を再構成する際の再構成条件、ＣＴ画像から後処理画像を生成する際の画像処理条件等を操作者から受け付ける。例えば、入力インターフェース３１は、マウスやキーボード、トラックボール、スイッチ、ボタン、ジョイスティック、タッチパネル等により実現される。
ディスプレイ３２は、各種の情報を表示する。例えば、ディスプレイ３２は、処理回路３４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。例えば、ディスプレイ３２は、液晶ディスプレイやＣＲＴ（Cathode Ray Tube）ディスプレイである。
メモリ３３は、例えば、ＲＡＭ（Random Access Memory）、フラッシュメモリ等の半導体メモリ素子、ハードディスク、光ディスク等により実現される。例えば、メモリ３３は、投影データや再構成画像データを記憶する。また、例えば、メモリ３３は、各回路がその機能を実現するためのプログラムを記憶する。
処理回路３４は、Ｘ線ＣＴ装置１全体の動作を制御する。例えば、処理回路３４は、スキャン制御機能３４１、画像生成機能３４２、表示制御機能３４３及び制御機能３４４を有する。処理回路３４は、例えば、プロセッサにより実現される。
例えば、処理回路３４は、メモリ３３からスキャン制御機能３４１に相当するプログラムを読み出して実行することにより、Ｘ線ＣＴ装置１を制御してスキャンを実行する。ここで、スキャン制御機能３４１は、例えば、コンベンショナルスキャンやヘリカルスキャン、ステップアンドシュート方式といった種々の方式でのスキャンを実行することができる。
具体的には、スキャン制御機能３４１は、寝台駆動装置２２を制御することにより、被検体Ｐを架台装置２の撮影口内へ移動させる。また、スキャン制御機能３４１は、Ｘ線高電圧装置６を制御することにより、Ｘ線管７へ高電圧を供給させる。例えば、スキャン制御機能３４１は、スキャン条件における管電圧をＸ線高電圧装置６に通知し、目的の電圧をＸ線管７へ供給させる。また、スキャン制御機能３４１は、コリメータ調整回路３を制御することにより、コリメータ９の開口度及び位置を調整する。また、スキャン制御機能３４１は、架台駆動回路４を制御することにより、回転フレーム１２を回転させる。また、スキャン制御機能３４１は、データ収集回路１１に投影データを収集させる。
また、例えば、処理回路３４は、メモリ３３から画像生成機能３４２に相当するプログラムを読み出して実行することにより、データ収集回路１１から出力された検出データに対して対数変換処理やオフセット補正処理、チャネル間の感度補正処理、ビームハードニング補正等の前処理を施したデータを生成する。なお、前処理を施す前のデータ（検出データ）および前処理後のデータを総称して投影データと称する場合もある。また、例えば、画像生成機能３４２は、ＣＴ画像データを生成する。具体的には、画像生成機能３４２は、前処理後の投影データに対して、フィルタ補正逆投影法や逐次近似再構成法等を用いた再構成処理を行ってＣＴ画像データを生成する。また、画像生成機能３４２は、入力インターフェース３１を介して操作者から受け付けた入力操作に基づいて、ＣＴ画像データを任意断面の断層像データや３次元画像データに変換する。
また、例えば、処理回路３４は、メモリ３３から表示制御機能３４３に相当するプログラムを読み出して実行することにより、ＣＴ画像をディスプレイ３２に表示する。また、例えば、処理回路３４は、メモリ３３から制御機能３４４に相当するプログラムを読み出して実行することにより、入力インターフェース３１を介して操作者から受け付けた入力操作に基づいて、処理回路３４の各種機能を制御する。
次に、図２を用いて、Ｘ線高電圧装置６の回路構成について説明する。図２は、第１の実施形態に係るＸ線高電圧装置６の回路構成の一例を示す図である。図２に示すように、Ｘ線高電圧装置６は、三相交流電源ＡＣ及びＸ線管７と接続される。
また、図２に示すように、Ｘ線高電圧装置６は、ダイオードブリッジ６０１と、コンデンサ６０２と、インバータ回路６０３と、取得回路６０４と、制御回路６０５と、チョークコイル６０６と、一次コイル６０７と、コア６０８と、二次コイル６０９と、整流回路６１０と、浮遊容量６１１とを有する。なお、取得回路６０４は、特許請求の範囲における取得部の一例である。また、制御回路６０５は、特許請求の範囲における制御部の一例である。
ダイオードブリッジ６０１の入力端子は、三相交流電源ＡＣと接続される。また、ダイオードブリッジ６０１の出力端子は、コンデンサ６０２の高電圧側の端子、低電圧側の端子及びインバータ回路６０３と接続される。ダイオードブリッジ６０１は、三相交流電源ＡＣから供給された三相交流を全波整流又は半波整流し、コンデンサ６０２に供給する。これにより、コンデンサ６０２は、電荷を蓄え、インバータ回路６０３に直流電流を供給する。
インバータ回路６０３は、複数のスイッチング素子を含む。例えば、インバータ回路６０３は、図２に示すように、スイッチング素子１Ｓ、スイッチング素子２Ｓ、スイッチング素子３Ｓ及びスイッチング素子４Ｓを含む。ここで、スイッチング素子１Ｓ、スイッチング素子２Ｓ、スイッチング素子３Ｓ及びスイッチング素子４Ｓは、例えば、シリコンカーバイド（Silicon carbide：ＳiＣ）等の低損失材料により構成され、制御回路６０５によってオン／オフが切り替えられる。
また、インバータ回路６０３は、図２に示すように、ダイオード１Ｄ、ダイオード２Ｄ、ダイオード３Ｄ及びダイオード４Ｄを有する。また、インバータ回路６０３は、コンデンサ１Ｃ、コンデンサ２Ｃ、コンデンサ３Ｃ及びコンデンサ４Ｃを有する。
なお、図２においては、スイッチング素子１Ｓ、スイッチング素子２Ｓ、スイッチング素子３Ｓ及びスイッチング素子４Ｓの一例としてＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を示すが、実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、スイッチング素子１Ｓ、スイッチング素子２Ｓ、スイッチング素子３Ｓ及びスイッチング素子４Ｓは、電界効果トランジスタ（Field-Effect Transistor：ＦＥＴ）であってもよい。この場合、電界効果トランジスタが備える寄生ダイオードをもって、ダイオード１Ｄ、ダイオード２Ｄ、ダイオード３Ｄ及びダイオード４Ｄに代えることとしてもよい。
チョークコイル６０６、一次コイル６０７、コア６０８及び二次コイル６０９からなる高圧トランス（変圧器）は、インバータ回路６０３から供給された電圧を昇圧して整流回路６１０に出力する。なお、図２はチョークコイル６０６を含む回路構成を示すが、チョークコイル６０６に代えて高圧トランスの漏れインダクタンスを利用する場合であってもよい。整流回路６１０は、高圧トランスにおいて昇圧された交流を整流してＸ線管７に供給する。
浮遊容量６１１は、Ｘ線高電圧装置６の構造に起因する容量であり、実質的にコンデンサとして機能するものである。例えば、浮遊容量６１１は、高圧トランスの巻線によって生じる。即ち、巻線は絶縁状態で隣接する金属の組み合わせを複数含んでいるため、コンデンサとして機能する場合がある。また、例えば、浮遊容量６１１は、高圧トランスにより昇圧された高電圧が供給される回路（高電圧回路）の周囲に存在する樹脂、絶縁油等によって生じる。また、例えば、浮遊容量６１１は、高圧トランスの巻線間に充填される樹脂、絶縁油等によって生じる。即ち、樹脂、絶縁油等は誘電率が大きいため、コンデンサとして機能する場合がある。
なお、高圧トランスにおける昇圧比が大きいほど、インバータ回路６０３に対する浮遊容量６１１の影響は大きくなる。即ち、高圧トランスの２次側（高電圧回路）の構造に起因する浮遊容量６１１は、１次側においては昇圧比の二乗倍で影響する。例えば、昇圧比が「１：９０」である場合、「１００ｐＦ」の浮遊容量６１１は、インバータ回路６０３に対しては「（１００×９０×９０）ｐＦ」の容量と換算される。このように、大きな昇圧を行うＸ線高電圧装置６において、浮遊容量６１１の影響は大きい。
以上、Ｘ線ＣＴ装置１の構成の一例について説明した。かかる構成のもと、実施形態に係るＸ線ＣＴ装置１は、以下詳細に説明する取得回路６０４及び制御回路６０５による処理によって、高負荷時及び低負荷時の双方でスイッチング損失を低減する。具体的には、Ｘ線ＣＴ装置１は、インバータ回路６０３に流れるインバータ電流に関する情報を取得して、インバータ電流が略０になる第１のタイミングではゼロ電流スイッチング制御を実行し、第１のタイミングを除く第２のタイミングではゼロ電圧スイッチング制御を実行することにより、高負荷時及び低負荷時の双方でスイッチング損失を低減する。以下、第１の実施形態に係るＸ線ＣＴ装置１が行う処理について詳細に説明する。
まず、制御回路６０５は、処理回路３４から、目的の電圧を取得する。例えば、制御回路６０５は、Ｘ線管７に供給する電圧の設定値を取得する。次に、制御回路６０５は、Ｘ線管７への出力電圧が設定値となるように、スイッチング素子１Ｓ、スイッチング素子２Ｓ、スイッチング素子３Ｓ及びスイッチング素子４Ｓを高周波でスイッチングして、インバータ回路６０３のオン／オフを切り替える。例えば、制御回路６０５は、位相シフト制御により、インバータ回路６０３のオン／オフを切り替える。
ここで、制御回路６０５による位相シフト制御について、図３を用いて説明する。図３は、第１の実施形態に係る位相シフト制御について説明するための図である。図３は、スイッチング素子１Ｓの制御信号、スイッチング素子２Ｓの制御信号、スイッチング素子３Ｓの制御信号及びスイッチング素子４Ｓの制御信号に関し、横軸を時間として、各時間において各スイッチング素子に供給される制御信号の波形を示すものである。図３の波形において、供給される制御信号が立ち上がってから立ち下がるまでの間、スイッチング素子はオンとなる。
まず、制御回路６０５は、図３に示すように、スイッチング素子１Ｓ、スイッチング素子２Ｓ、スイッチング素子３Ｓ及びスイッチング素子４Ｓに制御信号を供給する。図３に示すように、各スイッチング素子に供給される制御信号は、オン時間の長さ、オフ時間の長さ及び周期を固定し、位相をずらしたものである。
図３に示す制御信号により、インバータ回路６０３は、８つの動作モードを繰り返す。具体的には、インバータ回路６０３は、動作モードＭ１、動作モードＭ２、動作モードＭ３、動作モードＭ４、動作モードＭ５、動作モードＭ６、動作モードＭ７及び動作モードＭ８の順にモードを切り替えながら動作する。
動作モードＭ１においては、スイッチング素子１Ｓ及びスイッチング素子４Ｓがオンとなる。これにより、コンデンサ６０２に蓄えられた電荷が、スイッチング素子１Ｓ、チョークコイル６０６、一次コイル６０７及びスイッチング素子４Ｓを含む経路にインバータ電流として流れる。即ち、動作モードＭ１において、インバータ回路６０３はオンとなる。一方で、スイッチング素子４Ｓのみがオンとなる動作モードＭ２、スイッチング素子２Ｓ及びスイッチング素子４Ｓがオンとなる動作モードＭ３及びスイッチング素子２Ｓのみがオンとなる動作モードＭ４において、インバータ回路６０３はオフとなる。
動作モードＭ５においては、スイッチング素子２Ｓ及びスイッチング素子３Ｓがオンとなる。これにより、コンデンサ６０２に蓄えられた電荷が、スイッチング素子２Ｓ、チョークコイル６０６、一次コイル６０７及びスイッチング素子３Ｓを含む経路にインバータ電流として流れる。即ち、動作モードＭ５において、インバータ回路６０３はオンとなる。なお、動作モードＭ５におけるインバータ電流は、動作モードＭ１におけるインバータ電流と逆向きに流れる。一方で、スイッチング素子３Ｓのみがオンとなる動作モードＭ６、スイッチング素子１Ｓ及びスイッチング素子３Ｓがオンとなる動作モードＭ７及びスイッチング素子１Ｓのみがオンとなる動作モードＭ８において、インバータ回路６０３はオフとなる。
上述したように、制御回路６０５は、位相シフト制御によって、インバータ回路６０３のオン／オフを切り替える。更に、制御回路６０５は、位相のずらし量を変化させることにより、インバータ回路６０３のオン時間を変化させ、出力電圧を制御することができる。
また、取得回路６０４は、インバータ回路６０３を流れるインバータ電流に関する情報を取得する。例えば、取得回路６０４は、インバータ電流に関する情報として、図２に示す電流計が示すインバータ電流値Ａ１を取得する。
ここで、低負荷時のインバータ電流値Ａ１の電流波形について、図４Ａ及び図４Ｂを用いて説明する。図４Ａ及び図４Ｂは、第１の実施形態に係るインバータ回路６０３の電流波形の一例を示す図である。図４Ａ及び図４Ｂにおいては、横軸が時間を示し、縦軸がインバータ電流値Ａ１を示す。また、図４Ａは、図２に示す浮遊容量６１１が無いと仮定した場合の電流波形を示し、図４Ｂは、浮遊容量６１１を考慮した電流波形を示す。
図４Ａに示すように、浮遊容量６１１が無い場合、インバータ回路６０３がオンとなっている間は電流が流れ、オフとなっている間のインバータ電流値Ａ１は略０となる。一方で、浮遊容量６１１がＸ線高電圧装置６の回路構成に含まれる場合、図４Ｂに示すように、浮遊容量６１１とチョークコイル６０６との間での電流共振が発生する。特に、インバータ回路６０３がオフとなっている間は、正弦波状の波形となる。
図４Ｂに示したように、浮遊容量６１１を利用することによって、インバータ電流を電流共振させることができる。即ち、図２の回路構成を有するＸ線高電圧装置６は、電流共振を発生させるために、共振コンデンサを追加することを要しない。更に、制御回路６０５は、取得回路６０４が取得したインバータ電流に関する情報に基づいて、インバータ電流が略０になる第１のタイミングＴ１を特定し、ゼロ電流スイッチング制御を実行することができる。
ここで、図５を用いて、ゼロ電流スイッチング制御を実行する際の制御回路６０５によるスイッチング素子１Ｓ、スイッチング素子２Ｓ、スイッチング素子３Ｓ及びスイッチング素子４Ｓのオン／オフの制御について説明する。図５は、第１の実施形態に係るゼロ電流スイッチング制御について説明するための図である。
まず、制御回路６０５は、取得回路６０４が取得したインバータ電流値Ａ１に基づいてインバータ電流が略０になるタイミングＴ１１を特定し、スイッチング素子１Ｓをオンとする。また、制御回路６０５は、取得回路６０４が取得したインバータ電流値Ａ１に基づいてインバータ電流が略０になるタイミングＴ１２を特定し、スイッチング素子４Ｓをオンとする。これにより、スイッチング素子１Ｓ及びスイッチング素子４Ｓがオンとなり、インバータ回路６０３がオンとなる。その後、制御回路６０５は、スイッチング素子１Ｓをオフとし、インバータ回路６０３をオフとする。
次に、制御回路６０５は、取得回路６０４が取得したインバータ電流値Ａ１に基づいてインバータ電流が略０になるタイミングＴ１３を特定し、スイッチング素子２Ｓをオンとする。また、制御回路６０５は、取得回路６０４が取得したインバータ電流値Ａ１に基づいてインバータ電流が略０になるタイミングＴ１４を特定し、スイッチング素子３Ｓをオンとする。これにより、スイッチング素子２Ｓ及びスイッチング素子３Ｓがオンとなり、インバータ回路６０３がオンとなる。その後、制御回路６０５は、スイッチング素子２Ｓをオフとし、インバータ回路６０３をオフとする。
なお、図５に示した、タイミングＴ１１、タイミングＴ１２、タイミングＴ１３及びタイミングＴ１４は、第１のタイミングＴ１の一例である。制御回路６０５は、取得回路６０４が取得したインバータ電流値Ａ１が０となった瞬間を第１のタイミングＴ１としてスイッチングを行ってもよいし、取得回路６０４が取得したインバータ電流値Ａ１の単位時間当たりの変化量等に基づいてインバータ電流が略０になる時間を算出し、算出した時間を第１のタイミングＴ１としてスイッチングを行ってもよい。
上述したように、制御回路６０５は、インバータ電流が略０になる第１のタイミングＴ１にスイッチングを行うように制御を行い、スイッチング損失を低減する。言い換えると、制御回路６０５は、第１のタイミングＴ１においては、スイッチング素子１Ｓ、スイッチング素子２Ｓ、スイッチング素子３Ｓ及びスイッチング素子４Ｓに対してゼロ電流スイッチング制御を実行することで、低負荷時のスイッチング損失を低減する。
なお、浮遊容量６１１を利用した電流共振については、共振周波数が固定値とならない場合がある。例えば、樹脂の誘電率やＸ線高電圧装置６の構造等によって変化する浮遊容量６１１に応じて、共振周波数にばらつきが生じる場合がある。このような場合でも、制御回路６０５は、取得回路６０４が取得したインバータ電流に関する情報に基づいて第１のタイミングＴ１を特定することで、インバータ電流が略０となっている状態でインバータ回路６０３をオンとし、スイッチング損失を低減することができる。
ここで、ゼロ電流スイッチング制御を実行する他の方法として、例えば、共振周波数に応じた一定周期でスイッチングを行うことも考えられる。しかしながら、共振周波数にはばらつきがあるため、インバータ電流が略０となるタイミングも変化する。従って、単に一定周期でスイッチングを行う場合、図６Ａに示すように電流がゼロ点を超えてからインバータ回路６０３をオンとしたり、図６Ｂに示すように電流がゼロ点に到達する前にインバータ回路６０３をオンとしたりして、スイッチング損失が発生する事態が想定される。なお、図６Ａ及び図６Ｂは、第１の実施形態に係るインバータ回路６０３の電流波形の一例を示す図である。
次に、高負荷時のインバータ電流値Ａ１の電流波形について、図７Ａ及び図７Ｂを用いて説明する。図７Ａ及び図７Ｂは、第１の実施形態に係るインバータ回路６０３の電流波形の一例を示す図である。図７Ａ及び図７Ｂにおいては、横軸が時間を示し、縦軸がインバータ電流値Ａ１を示す。また、図７Ａは、図２に示す浮遊容量６１１が無いと仮定した場合の電流波形を示し、図７Ｂは、浮遊容量６１１を考慮した電流波形を示す。
図７Ａ及び図７Ｂに示すように、高負荷の場合はインバータ回路６０３がオフとなる期間が低負荷の場合と比較して短い。また、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、高負荷の場合は浮遊容量６１１の影響が電流波形にあまり現れず、浮遊容量６１１の有無に関わらず同様の電流波形となっている。このため、高負荷の場合、制御回路６０５は、インバータ回路６０３がオフとなっている間に、インバータ電流が略０になる第１のタイミングＴ１を特定できない場合がある。この場合、制御回路６０５は、ゼロ電流スイッチングを実行することができない。
ここで、制御回路６０５は、オフ期間を長くすることによって、インバータ電流が略０になる第１のタイミングＴ１を特定できる場合がある。しかしながら、オフ期間を長くすることはスイッチング周波数の低下に繋がり、出力電圧におけるリップルや、コイル等の大型化といったデメリットを生じる。
そこで、制御回路６０５は、第１のタイミングＴ１を特定することができなかった場合には、ゼロ電圧スイッチング制御を実行するように制御する。即ち、制御回路６０５は、第１のタイミングＴ１を除く第２のタイミングＴ２では、スイッチング素子１Ｓ、スイッチング素子２Ｓ、スイッチング素子３Ｓ及びスイッチング素子４Ｓに対してゼロ電圧スイッチング制御を実行するように制御する。
以下、制御回路６０５によるゼロ電圧スイッチング制御について説明する。まず、図２に戻って、ゼロ電圧スイッチング制御を実行可能なＸ線高電圧装置６の回路構成について説明する。
図２に示したように、インバータ回路６０３は、制御回路６０５によってオン／オフを切り替え可能な複数のスイッチング素子（スイッチング素子１Ｓ、スイッチング素子２Ｓ、スイッチング素子３Ｓ及びスイッチング素子４Ｓ）を含む。また、インバータ回路６０３は、複数のダイオード（ダイオード１Ｄ、ダイオード２Ｄ、ダイオード３Ｄ及びダイオード４Ｄ）を有する。また、インバータ回路６０３は、複数のコンデンサ（コンデンサ１Ｃ、コンデンサ２Ｃ、コンデンサ３Ｃ及びコンデンサ４Ｃ）を有する。
以下では、インバータ回路６０３において、スイッチング素子１Ｓ、ダイオード１Ｄ、コンデンサ１Ｃ、スイッチング素子２Ｓ、ダイオード２Ｄ及びコンデンサ２Ｃからなる部分を、第１のアームとも記載する。また、インバータ回路６０３において、スイッチング素子３Ｓ、ダイオード３Ｄ、コンデンサ３Ｃ、スイッチング素子４Ｓ、ダイオード４Ｄ及びコンデンサ４Ｃからなる部分を、第２のアームとも記載する。
なお、図３に示した位相シフト制御を行う場合において、インバータ回路６０３がオンとなる期間（動作モードＭ１や動作モードＭ５）に対して、スイッチング素子１Ｓ及びスイッチング素子２Ｓがオンとなる期間は位相が進んでいる。このようなスイッチング素子１Ｓ及びスイッチング素子２Ｓを含む第１のアームは、進みアームとも呼ばれる。また、インバータ回路６０３がオンとなる期間に対して、スイッチング素子３Ｓ及びスイッチング素子４Ｓがオンとなる期間は位相が遅れている。このようなスイッチング素子３Ｓ及びスイッチング素子４Ｓを含む第２のアームは、遅れアームとも呼ばれる。
コンデンサ１Ｃの静電容量は、第１のアームのデッドタイムが終了する時にコンデンサ１Ｃのコレクタ‐エミッタ間電圧がゼロとなるように設定される。コンデンサ２Ｃの静電容量は、第１のアームのデッドタイムが終了する時にコンデンサ２Ｃのコレクタ‐エミッタ間電圧がゼロとなるように設定される。コンデンサ３Ｃの静電容量は、第２のアームのデッドタイムが終了する時にコンデンサ３Ｃのコレクタ‐エミッタ間電圧がゼロとなるように設定される。 コンデンサ４Ｃの静電容量は、第２のアームのデッドタイムが終了する時にコンデンサ４Ｃのコレクタ‐エミッタ間電圧がゼロとなるように設定される。
ここで、デッドタイムとは、アームを構成する２つのスイッチング素子が同時にオンしないように、各スイッチング素子をオンする直前に設けられる期間である。第１のアームのデッドタイムは、第１のアームを構成しているスイッチング素子１Ｓをオフにするために必要な時間及びスイッチング素子２Ｓをオフにするために必要な時間によって決まる。また、第２のアームのデッドタイムは、第２のアームを構成しているスイッチング素子４Ｓをオフにするために必要な時間及びスイッチング素子３Ｓをオフにするために必要な時間によって決まる。
また、図２に示すように、スイッチング素子１Ｓのエミッタとスイッチング素子２Ｓのコレクタとは、チョークコイル６０６の一方の端子に接続されている。つまり、スイッチング素子２Ｓは、スイッチング素子１Ｓに直列接続されている。また、スイッチング素子１Ｓのコレクタは、コンデンサ６０２の高電圧側の端子に接続されている。また、スイッチング素子２Ｓのエミッタは、コンデンサ６０２の低電圧側の端子に接続されている。
ダイオード１Ｄのカソードは、スイッチング素子１Ｓのコレクタに接続されている。また、ダイオード１Ｄのアノードは、スイッチング素子１Ｓのエミッタに接続されている。つまり、ダイオード１Ｄは、スイッチング素子１Ｓに並列接続されている。
コンデンサ１Ｃは、スイッチング素子１Ｓに並列接続されている。例えば、コンデンサ１Ｃの一方の端子は、スイッチング素子１Ｓのコレクタに接続されている。また、コンデンサ１Ｃの他方の端子は、スイッチング素子１Ｓのエミッタに接続されている。
チョークコイル６０６の一方の端子は、コンデンサ１Ｃの他方の端子に接続されている。したがって、コンデンサ１Ｃとチョークコイル６０６とは、スイッチング素子１Ｓから見ると、並列となっている。このため、後述するコンデンサ１Ｃ及びチョークコイル６０６による並列共振が発生する。
ダイオード２Ｄのカソードは、スイッチング素子２Ｓのコレクタに接続されている。ダイオード２Ｄのアノードは、スイッチング素子２Ｓのエミッタに接続されている。つまり、ダイオード２Ｄは、スイッチング素子２Ｓに並列接続されている。
コンデンサ２Ｃは、スイッチング素子２Ｓに並列接続されている。例えば、コンデンサ２Ｃの一方の端子は、スイッチング素子２Ｓのコレクタに接続されている。また、コンデンサ２Ｃの他方の端子は、スイッチング素子２Ｓのエミッタに接続されている。
チョークコイル６０６の一方の端子は、コンデンサ２Ｃの一方の端子に接続されている。したがって、コンデンサ２Ｃとチョークコイル６０６とは、スイッチング素子２Ｓから見ると、並列となっている。このため、後述するコンデンサ２Ｃ及びチョークコイル６０６による並列共振が発生する。
スイッチング素子３Ｓのエミッタとスイッチング素子４Ｓのコレクタとは、一次コイル６０７の他方の端子に接続されている。つまり、スイッチング素子４Ｓは、スイッチング素子３Ｓに直列接続されている。スイッチング素子３Ｓのコレクタは、コンデンサ６０２の高電圧側の端子に接続されている。スイッチング素子４Ｓのエミッタは、コンデンサ６０２の低電圧側の端子に接続されている。つまり、第２のアームは、第１のアームに並列接続されている。
ダイオード３Ｄのカソードは、スイッチング素子３Ｓのコレクタに接続されている。ダイオード３Ｄのアノードは、スイッチング素子３Ｓのエミッタに接続されている。つまり、ダイオード３Ｄは、スイッチング素子３Ｓに並列接続されている。
コンデンサ３Ｃは、スイッチング素子３Ｓに並列接続されている。例えば、コンデンサ３Ｃの一方の端子は、スイッチング素子３Ｓのコレクタに接続されている。また、コンデンサ３Ｃの他方の端子は、スイッチング素子３Ｓのエミッタに接続されている。
チョークコイル６０６の他方の端子は、一次コイル６０７を介して、コンデンサ３Ｃの他方の端子に接続されている。したがって、コンデンサ３Ｃとチョークコイル６０６とは、スイッチング素子３Ｓから見ると、並列となっている。このため、後述するコンデンサ３Ｃ及びチョークコイル６０６による並列共振が発生する。
ダイオード４Ｄのカソードは、スイッチング素子４Ｓのコレクタに接続されている。ダイオード４Ｄのアノードは、スイッチング素子４Ｓのエミッタに接続されている。つまり、ダイオード４Ｄは、スイッチング素子４Ｓに並列接続されている。
コンデンサ４Ｃは、スイッチング素子４Ｓに並列接続されている。例えば、コンデンサ４Ｃの一方の端子は、スイッチング素子４Ｓのコレクタに接続されている。また、コンデンサ４Ｃの他方の端子は、スイッチング素子４Ｓのエミッタに接続されている。
チョークコイル６０６の他方の端子は、一次コイル６０７を介して、コンデンサ４Ｃの一方の端子に接続されている。したがって、コンデンサ４Ｃとチョークコイル６０６とは、スイッチング素子４Ｓから見ると、並列となっている。このため、後述するコンデンサ４Ｃ及びチョークコイル６０６による並列共振が発生する。
制御回路６０５は、スイッチング素子１Ｓ、スイッチング素子２Ｓ、スイッチング素子４Ｓ及びスイッチング素子３Ｓのゲート及びエミッタと接続されており、各スイッチング素子のオン／オフを切り替える。
以上、Ｘ線高電圧装置６の回路構成について説明した。かかる回路構成の下、制御回路６０５は、ゼロ電圧スイッチング制御を実行する。以下、制御回路６０５によるゼロ電圧スイッチング制御について、図８を用いて説明する。図８は、第１の実施形態に係るゼロ電圧スイッチング制御について説明するための図である。図８は、第１のアームにおけるスイッチング素子１Ｓ及びスイッチング素子２Ｓの制御信号と、第２のアームにおけるスイッチング素子３Ｓ及びスイッチング素子４Ｓの制御信号とに関し、横軸を時間として、各時間において各スイッチング素子に供給される制御信号の波形を示すものである。図８の波形において、供給される制御信号が立ち上がってから立ち下がるまでの間、スイッチング素子はオンとなる。
制御回路６０５は、図８に示すように、スイッチング素子１Ｓ、スイッチング素子２Ｓ、スイッチング素子３Ｓ及びスイッチング素子４Ｓに対してそれぞれ制御信号を送る。そして、制御回路６０５は、インバータ回路６０３が、動作モードＭ１、動作モードＭ２、動作モードＭ３、動作モードＭ４、動作モードＭ５、動作モードＭ６、動作モードＭ７及び動作モードＭ８の８つの動作モードを繰り返すように制御する。
まず、動作モードＭ１においては、スイッチング素子１Ｓ及びスイッチング素子４Ｓがオンとなる。これにより、コンデンサ６０２に蓄えられた電荷が、スイッチング素子１Ｓ、チョークコイル６０６、一次コイル６０７及びスイッチング素子４Ｓを含む経路にインバータ電流として流れる。即ち、動作モードＭ１において、インバータ回路６０３はオンとなる。これにより、インバータ回路６０３は、チョークコイル６０６及び一次コイル６０７に電流を供給する。この際、チョークコイル６０６は、インバータ回路６０３から供給された電流によってエネルギーを蓄える。
次に、制御回路６０５は、スイッチング素子１Ｓをスイッチングしてオフとし、動作モードＭ２に切り替える。この時、コンデンサ１Ｃは放電されており、スイッチング素子１Ｓのコレクタ‐エミッタ間電圧はゼロとなっているため、制御回路６０５は、スイッチング素子１Ｓをゼロ電圧スイッチングすることができる。
動作モードＭ２において、スイッチング素子１Ｓ及びスイッチング素子２Ｓを含む第１のアームはデッドタイムとなる。一方、スイッチング素子３Ｓ及びスイッチング素子４Ｓを含む第２のアームは、動作モードＭ２において還流モードとなる。これにより、コンデンサ１Ｃが充電され、コンデンサ２Ｃが放電される。ここで、コンデンサ１Ｃの電圧とコンデンサ２Ｃの電圧との和は、常に、コンデンサ６０２の電圧と等しくなる。
また、動作モードＭ２において、コンデンサ６０２は、コンデンサ１Ｃ、チョークコイル６０６、一次コイル６０７及びスイッチング素子４Ｓを含む経路に電流を流す。この電流により、コンデンサ１Ｃは充電され、スイッチング素子１Ｓのコレクタ‐エミッタ間電圧は増加する。
また、チョークコイル６０６は、動作モードＭ２において、一次コイル６０７、スイッチング素子４Ｓ及びコンデンサ２Ｃを含む経路に電流を流す。この電流は、動作モードＭ１においてチョークコイル６０６に蓄えられたエネルギー及びコンデンサ２Ｃとチョークコイル６０６との並列共振により発生する。この電流により、コンデンサ２Ｃは放電され、スイッチング素子２Ｓのコレクタ‐エミッタ間電圧は減少する。
また、チョークコイル６０６は、動作モードＭ２において、コンデンサ１Ｃの充電及びコンデンサ２Ｃの放電が完了した後においても、一次コイル６０７、スイッチング素子４Ｓ及びダイオード２Ｄを含む経路に電流を流し続ける。この電流は、動作モードＭ１においてチョークコイル６０６に蓄えられたエネルギーにより発生する。
次に、制御回路６０５は、スイッチング素子２Ｓをスイッチングしてオンとし、動作モードＭ３に切り替える。この時、コンデンサ２Ｃは放電されており、ダイオード２Ｄは導通している。従って、この時、スイッチング素子２Ｓのコレクタ‐エミッタ間電圧はゼロとなっており、制御回路６０５は、スイッチング素子２Ｓをゼロ電圧スイッチングすることができる。
第１のアームは、動作モードＭ３において還流モードとなる。第２のアームもまた、動作モードＭ２から引き続いて、還流モードとなる。この還流モードにおいて、チョークコイル６０６は、一次コイル６０７、スイッチング素子４Ｓ及びスイッチング素子２Ｓを含む経路に電流を流す。この電流は、動作モードＭ１においてチョークコイル６０６に蓄えられたエネルギーにより発生する。
次に、制御回路６０５は、スイッチング素子４Ｓをスイッチングしてオフとし、動作モードＭ４に切り替える。この時、コンデンサ４Ｃは放電されており、スイッチング素子４Ｓのコレクタ‐エミッタ間電圧はゼロとなっているため、制御回路６０５は、スイッチング素子４Ｓをゼロ電圧スイッチングすることができる。
動作モードＭ４において、第１のアームは、動作モードＭ３から引き続いて、還流モードとなる。これにより、コンデンサ４Ｃが充電され、コンデンサ３Ｃが放電される。ここで、コンデンサ３Ｃの電圧とコンデンサ４Ｃの電圧との和は、常に、コンデンサ６０２の電圧と等しくなる。一方、第２のアームは、動作モードＭ４においてデッドタイムとなる。
チョークコイル６０６は、動作モードＭ４において、一次コイル６０７、コンデンサ４Ｃ及びスイッチング素子２Ｓを含む経路に電流を流す。この電流は、動作モードＭ１においてチョークコイル６０６に蓄えられたエネルギーにより発生する。この電流により、コンデンサ４Ｃは充電され、スイッチング素子４Ｓのコレクタ‐エミッタ間電圧は増加する。
また、チョークコイル６０６は、動作モードＭ４において、コンデンサ３Ｃ、コンデンサ６０２及びスイッチング素子２Ｓを含む経路に電流を流す。この電流は、動作モードＭ１においてチョークコイル６０６に蓄えられたエネルギー及びコンデンサ３Ｃとチョークコイル６０６との並列共振により発生する。この電流により、コンデンサ３Ｃは放電され、スイッチング素子３Ｓのコレクタ‐エミッタ間電圧は減少する。
また、チョークコイル６０６は、動作モードＭ４において、コンデンサ４Ｃの充電及びコンデンサ３Ｃの放電が完了した後においても、一次コイル６０７、ダイオード３Ｄ、コンデンサ６０２及びスイッチング素子２Ｓを含む経路に電流を流し続ける。この電流は、動作モードＭ１においてチョークコイル６０６に蓄えられたエネルギーにより発生する。
次に、制御回路６０５は、スイッチング素子３Ｓをスイッチングしてオンとし、動作モードＭ５に切り替える。この時、コンデンサ３Ｃは放電されており、ダイオード３Ｄは導通している。従って、この時、スイッチング素子３Ｓのコレクタ‐エミッタ間電圧はゼロとなっており、制御回路６０５は、スイッチング素子３Ｓをゼロ電圧スイッチングすることができる。
動作モードＭ５においては、スイッチング素子２Ｓ及びスイッチング素子３Ｓがオンとなる。これにより、コンデンサ６０２に蓄えられた電荷が、スイッチング素子３Ｓ、一次コイル６０７、チョークコイル６０６及びスイッチング素子２Ｓを含む経路にインバータ電流として流れる。即ち、動作モードＭ５において、インバータ回路６０３はオンとなる。これにより、インバータ回路６０３は、チョークコイル６０６及び一次コイル６０７に電流を供給する。この際、チョークコイル６０６は、インバータ回路６０３から供給された電流によってエネルギーを蓄える。
次に、制御回路６０５は、スイッチング素子２Ｓをスイッチングしてオフとし、動作モードＭ６に切り替える。この時、コンデンサ２Ｃは放電されており、スイッチング素子２Ｓのコレクタ‐エミッタ間電圧はゼロとなっているため、制御回路６０５は、スイッチング素子２Ｓをゼロ電圧スイッチングすることができる。
動作モードＭ６において、第１のアームはデッドタイムとなり、第２のアームは還流モードとなる。この還流モードにより、コンデンサ２Ｃが充電され、コンデンサ１Ｃが放電される。ここで、コンデンサ１Ｃの電圧とコンデンサ２Ｃの電圧との和は、常に、コンデンサ６０２の電圧と等しくなる。
また、動作モードＭ６において、コンデンサ６０２は、スイッチング素子３Ｓ、一次コイル６０７、チョークコイル６０６及びコンデンサ２Ｃを含む経路に電流を流す。この電流により、コンデンサ２Ｃは充電され、スイッチング素子２Ｓのコレクタ‐エミッタ間電圧は増加する。
また、チョークコイル６０６は、動作モードＭ６において、コンデンサ１Ｃ、スイッチング素子３Ｓ及び一次コイル６０７を含む経路に電流を流す。この電流は、動作モードＭ５においてチョークコイル６０６に蓄えられたエネルギー及びコンデンサ１Ｃとチョークコイル６０６との並列共振により発生する。この電流により、コンデンサ１Ｃは放電され、スイッチング素子１Ｓのコレクタ‐エミッタ間電圧は減少する。
また、チョークコイル６０６は、動作モードＭ６において、コンデンサ２Ｃの充電及びコンデンサ１Ｃの放電が完了した後においても、ダイオード１Ｄ、スイッチング素子３Ｓ及び一次コイル６０７を含む経路に電流を流し続ける。この電流は、動作モードＭ５においてチョークコイル６０６に蓄えられたエネルギーにより発生する。
次に、制御回路６０５は、スイッチング素子１Ｓをスイッチングしてオンとし、動作モードＭ７に切り替える。この時、コンデンサ１Ｃは放電されており、ダイオード１Ｄは導通している。従って、この時、スイッチング素子１Ｓのコレクタ‐エミッタ間電圧はゼロとなっており、制御回路６０５は、スイッチング素子１Ｓをゼロ電圧スイッチングすることができる。
第１のアームは、動作モードＭ７において還流モードとなる。第２のアームもまた、動作モードＭ６から引き続いて、還流モードとなる。この還流モードにおいて、チョークコイル６０６は、スイッチング素子１Ｓ、スイッチング素子３Ｓ及び一次コイル６０７を含む経路に電流を流す。この電流は、動作モードＭ５においてチョークコイル６０６に蓄えられたエネルギーにより発生する。
次に、制御回路６０５は、スイッチング素子３Ｓをスイッチングしてオフとし、動作モードＭ８に切り替える。この時、コンデンサ３Ｃは放電されており、スイッチング素子３Ｓのコレクタ‐エミッタ間電圧はゼロとなっているため、制御回路６０５は、スイッチング素子３Ｓをゼロ電圧スイッチングすることができる。
動作モードＭ８において、第１のアームは還流モードとなる。これにより、コンデンサ３Ｃが充電され、コンデンサ４Ｃが放電される。ここで、コンデンサ３Ｃの電圧とコンデンサ４Ｃの電圧との和は、常に、コンデンサ６０２の電圧と等しくなる。一方、第２のアームは、動作モードＭ８においてデッドタイムとなる。
チョークコイル６０６は、動作モードＭ８において、スイッチング素子１Ｓ、コンデンサ３Ｃ及び一次コイル６０７を含む経路に電流を流す。この電流は、動作モードＭ５においてチョークコイル６０６に蓄えられたエネルギーにより発生する。この電流により、コンデンサ３Ｃは充電され、スイッチング素子３Ｓのコレクタ‐エミッタ間電圧は増加する。
また、チョークコイル６０６は、動作モードＭ８において、スイッチング素子１Ｓ、コンデンサ６０２、コンデンサ４Ｃ及び一次コイル６０７を含む経路に電流を流す。この電流は、動作モードＭ５においてチョークコイル６０６に蓄えられたエネルギー及びコンデンサ４Ｃとチョークコイル６０６との並列共振により発生する。この電流により、コンデンサ４Ｃは放電され、スイッチング素子４Ｓのコレクタ‐エミッタ間電圧は減少する。
また、チョークコイル６０６は、動作モードＭ８において、コンデンサ３Ｃの充電及びコンデンサ４Ｃの放電が完了した後においても、スイッチング素子１Ｓ、コンデンサ６０２、ダイオード４Ｄ及び一次コイル６０７を含む経路に電流を流し続ける。この電流は、動作モードＭ５においてチョークコイル６０６に蓄えられたエネルギーにより発生する。
次に、制御回路６０５は、スイッチング素子４Ｓをスイッチングしてオンとし、動作モードＭ１に切り替える。この時、コンデンサ４Ｃは放電されており、ダイオード４Ｄは導通している。従って、この時、スイッチング素子４Ｓのコレクタ‐エミッタ間電圧はゼロとなっており、制御回路６０５は、スイッチング素子４Ｓをゼロ電圧スイッチングすることができる。更に、制御回路６０５は、上述した動作モードＭ１、動作モードＭ２、動作モードＭ３、動作モードＭ４、動作モードＭ５、動作モードＭ６、動作モードＭ７及び動作モードＭ８の８つの動作モードを繰り返すように、各スイッチング素子を制御する。
上述したように、制御回路６０５は、スイッチング素子に並列接続した共振コンデンサ（コンデンサ１Ｃ、コンデンサ２Ｃ、コンデンサ３Ｃ及びコンデンサ４Ｃ）と、チョークコイル６０６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。即ち、制御回路６０５は、スイッチング素子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６０６に蓄積されたエネルギーを利用して、スイッチング素子と並列接続した共振コンデンサに充電された電荷を引き抜くことにより、ゼロ電圧スイッチング制御を実現させる。
ここで、制御回路６０５がゼロ電圧スイッチング制御を実行している際のスイッチング素子の電圧について、図９を用いて説明する。図９は、第１の実施形態に係るスイッチング素子の制御信号及び電圧の一例を示す図である。なお、図９においては、説明の便宜のため、第１のアームにおけるスイッチング素子（スイッチング素子Ｓ１及びスイッチング素子Ｓ２）の制御信号及び電圧のみを示す。図９における１段目及び３段目は、スイッチング素子１Ｓ及びスイッチング素子２Ｓの制御信号に関し、横軸を時間として、各時間において各スイッチング素子に供給される制御信号の波形を示すものである。図９の波形において、供給される制御信号が立ち上がってから立ち下がるまでの間、スイッチング素子はオンとなる。また、図９における２段目及び４段目は、スイッチング素子１Ｓ及びスイッチング素子２Ｓのコレクタ-エミッタ間電圧に関し、横軸を時間として、各時間において各スイッチング素子のコレクタ-エミッタ間に印加される電圧を示すものである。
まず、制御回路６０５は、インバータ回路６０３がオンとなる動作モードＭ１において、チョークコイル６０６にエネルギーを蓄積する。次に、制御回路６０５は、第１のアームがデッドタイムとなる動作モードＭ２において、チョークコイル６０６に蓄積されたエネルギーによりコンデンサ２Ｃから電荷を引き抜くことにより、スイッチング素子２Ｓのコレクタ-エミッタ間電圧を低下させる。そして、制御回路６０５は、コレクタ-エミッタ間電圧が略０となった状態でスイッチング素子２Ｓをオンとすることにより、スイッチング損失の発生を回避することができる。
また、制御回路６０５は、インバータ回路６０３がオンとなる動作モードＭ５において、チョークコイル６０６にエネルギーを蓄積する。次に、制御回路６０５は、第１のアームがデッドタイムとなる動作モードＭ６において、チョークコイル６０６に蓄積されたエネルギーによりコンデンサ１Ｃから電荷を引き抜くことにより、スイッチング素子１Ｓのコレクタ-エミッタ間電圧を低下させる。そして、制御回路６０５は、コレクタ-エミッタ間電圧が略０となった状態でスイッチング素子１Ｓをオンとすることにより、スイッチング損失の発生を回避することができる。
なお、上述したように、共振コンデンサから電荷を引き抜くのは、チョークコイル６０６に蓄積されたエネルギーである。また、チョークコイル６０６にエネルギーを蓄積するのは、インバータ回路６０３を流れるインバータ電流である。従って、インバータ電流が小さい場合には、図１０に示すように、スイッチング素子のコレクタ-エミッタ間電圧が０となるまで共振コンデンサから電荷を引き抜くことができない場合もある。なお、図１０は、第１の実施形態に係るスイッチング素子の制御信号及び電圧の一例を示す図である。図１０における１段目及び３段目は、スイッチング素子１Ｓ及びスイッチング素子２Ｓの制御信号に関し、横軸を時間として、各時間において各スイッチング素子に供給される制御信号の波形を示すものである。図１０の波形において、供給される制御信号が立ち上がってから立ち下がるまでの間、スイッチング素子はオンとなる。また、図１０における２段目及び４段目は、スイッチング素子１Ｓ及びスイッチング素子２Ｓのコレクタ-エミッタ間電圧に関し、横軸を時間として、各時間において各スイッチング素子のコレクタ-エミッタ間に印加される電圧を示すものである。
しかしながら、制御回路６０５がゼロ電圧スイッチング制御を実行するのは、高負荷のために第１のタイミングＴ１を特定することができなかった第２のタイミングＴ２においてである。即ち、制御回路６０５がゼロ電圧スイッチング制御を実行する際には十分なインバータ電流が流れており、制御回路６０５は、スイッチング素子のコレクタ-エミッタ間電圧が０となるまで共振コンデンサから電荷を引き抜いた上で、ゼロ電圧スイッチング制御を実行することができる。
次に、Ｘ線ＣＴ装置１による処理の手順の一例を、図１１を用いて説明する。図１１は、第１の実施形態に係るＸ線ＣＴ装置１の処理の一連の流れを説明するためのフローチャートである。ステップＳ１０３は、取得回路６０４に対応するステップである。また、ステップＳ１０１、ステップＳ１０２、ステップＳ１０４、ステップＳ１０５、ステップＳ１０６及びステップＳ１０７は、制御回路６０５に対応するステップである。
まず、制御回路６０５は、処理回路３４から目的の電圧を取得する（ステップＳ１０１）。例えば、処理回路３４は、Ｘ線管７がＸ線を発生させるために用いる管電圧値を決定し、Ｘ線高電圧装置６の出力電圧を制御回路６０５に通知する。次に、制御回路６０５は、目的の電圧に応じてスイッチング素子１Ｓ、スイッチング素子２Ｓ、スイッチング素子３Ｓ及びスイッチング素子４Ｓの各スイッチング素子をスイッチングし（ステップＳ１０２）、高電圧をＸ線管７に供給する。
ここで、取得回路６０４は、インバータ回路６０３に流れるインバータ電流に関する情報を取得する（ステップＳ１０３）。例えば、取得回路６０４は、図２に示した電流計が示すインバータ電流値Ａ１を取得する。ここで、制御回路６０５は、インバータ電流に関する情報に基づいて、インバータ電流が略０になる第１のタイミングＴ１を特定する（ステップＳ１０４）。
第１のタイミングＴ１を特定できた場合（ステップＳ１０４肯定）、制御回路６０５は、スイッチング素子１Ｓ、スイッチング素子２Ｓ、スイッチング素子３Ｓ及びスイッチング素子４Ｓの各スイッチング素子に対して、ゼロ電流スイッチング制御を実行するよう制御する（ステップＳ１０５）。一方で、第１のタイミングＴ１を特定できなかった場合（ステップＳ１０４否定）、制御回路６０５は、スイッチング素子１Ｓ、スイッチング素子２Ｓ、スイッチング素子３Ｓ及びスイッチング素子４Ｓの各スイッチング素子に対して、ゼロ電圧スイッチング制御を実行するよう制御する（ステップＳ１０６）。
更に、ステップＳ１０５のゼロ電流スイッチング制御、又は、ステップＳ１０６のゼロ電圧スイッチング制御を実行しつつ、制御回路６０５は、Ｘ線管７への高電圧の供給を継続するか否かを判定する（ステップＳ１０７）。高電圧の供給を継続する場合（ステップＳ１０７肯定）、制御回路６０５は、再度ステップＳ１０１に移行し、目的の電圧を取得する。なお、再度ステップＳ１０１に移行した際に制御回路６０５が取得する電圧は、前回取得した電圧と異なっている場合がある。例えば、被検体Ｐのスキャンにおいて、Ｘ線管７によるＸ線の出力中に出力電流を変調する制御（管電流モジュレーション）を実行している場合である。即ち、処理回路３４は、特定の管球位置ではＸ線管７から曝射されるＸ線の強度を強くし、特定の管球位置以外の範囲ではＸ線管７から曝射されるＸ線の強度を弱くするように、Ｘ線高電圧装置６の出力電圧を決定する。この場合、ステップＳ１０１において制御回路６０５が取得する電圧は、Ｘ線管７の管球位置に応じて変化することとなる。一方で、高電圧の供給を継続しない場合（ステップＳ１０７否定）、取得回路６０４及び制御回路６０５は、処理を終了する。
上述したように、第１の実施形態によれば、インバータ回路６０３は、複数のスイッチング素子を含む。また、取得回路６０４は、インバータ回路６０３に流れるインバータ電流に関する情報を取得する。また、制御回路６０５は、インバータ電流に関する情報に基づいて、インバータ電流が略０になる第１のタイミングＴ１を特定し、第１のタイミングＴ１では複数のスイッチング素子に対してゼロ電流スイッチング制御を実行し、第１のタイミングを除く第２のタイミングＴ２では複数のスイッチング素子に対してゼロ電圧スイッチング制御を実行するように制御する。従って、第１の実施形態に係るＸ線ＣＴ装置１は、低負荷時から高負荷時までの全領域においてソフトスイッチング制御を可能とし、スイッチング損失を低減することができる。
また、第１の実施形態によれば、制御回路６０５は、第１のタイミングＴ１として、浮遊容量６１１により共振するインバータ電流が略０になるタイミングを特定する。従って、第１の実施形態に係るＸ線ＣＴ装置１は、電流共振を発生させるための共振コンデンサを追加することなく、高電圧回路に存在する浮遊容量を利用することによって、ゼロ電流スイッチング制御を実行することができる。また、第１の実施形態に係るＸ線ＣＴ装置１は、共振コンデンサの追加といった回路構成の変更を要することなく、ゼロ電流スイッチング制御とゼロ電圧スイッチング制御とを切り替えて実行することができる。
また、第１の実施形態によれば、制御回路６０５は、インバータ電流に関する情報に基づいてインバータ電流が略０になる第１のタイミングＴ１を特定し、ゼロ電流スイッチング制御を実行する。従って、第１の実施形態に係るＸ線ＣＴ装置１は、浮遊容量が有するばらつきに起因して、インバータ電流が略０となる第１のタイミングＴ１が変化する場合でも、ゼロ電流スイッチング制御を実行することができる。
また、第１の実施形態によれば、制御回路６０５は、第１のタイミングＴ１が特定できたか否かに応じて、ゼロ電流スイッチング制御及びゼロ電圧スイッチング制御のいずれのソフトスイッチング制御を実行するかを選択する。従って、第１の実施形態に係るＸ線ＣＴ装置１は、入力される交流の電圧値や電流値等の監視を要することなく、実行するソフトスイッチング制御を選択することができる。
（第２の実施形態）
さて、これまで第１の実施形態について説明したが、上述した第１の実施形態以外にも、種々の異なる形態にて実施されてよいものである。
上述した実施形態では、インバータ電流が略０になる第１のタイミングＴ１を特定し、第１のタイミングを除く第２のタイミングＴ２においてゼロ電圧スイッチング制御を実行する場合について説明した。即ち、インバータ電流が略０になる第１のタイミングＴ１を検出することによってゼロ電流スイッチング制御を実行し、インバータ電流のゼロ点が検出できなくなった場合に、ゼロ電圧スイッチング制御を実行する場合について説明した。しかしながら、実施形態はこれに限定されるものではない。
例えば、制御回路６０５は、ゼロ電流スイッチング制御及びゼロ電圧スイッチング制御のいずれのソフトスイッチング制御を実行するかを、負荷に応じて決定する場合であってもよい。一例を挙げると、制御回路６０５は、まず、各出力電圧において、ゼロ電流スイッチング制御とゼロ電圧スイッチング制御との境界点となる出力電流を決定する。
ここで、図１２を用いて、ゼロ電流スイッチング制御とゼロ電圧スイッチング制御との境界点となる出力電流について説明する。図１２は、第２の実施形態に係るゼロ電流スイッチング制御とゼロ電圧スイッチング制御との切り替え方法の一例を示す図である。図１２において、横軸は出力電流を示し、縦軸は出力電圧を示す。
例えば、制御回路６０５は、出力電圧が「ｙ１」である場合について、「ｘ５」を境界点とする。制御回路６０５は、かかる境界点を、例えば、過去に行なったゼロ電圧スイッチング制御においてスイッチング損失が発生したか否かに応じて算出することができる。一例を挙げると、出力電圧を「ｙ１」として、「ｘ５」よりも大きい値から次第に出力電流を減少させていきながらゼロ電圧スイッチング制御を実行し、出力電流が「ｘ５」を下回った時点でスイッチング損失が発生した場合、制御回路６０５は、出力電圧が「ｙ１」である場合の境界点を「ｘ５」と算出することができる。
同様に、制御回路６０５は、出力電圧が「ｙ２」である場合について、「ｘ４」を境界点とする。また、制御回路６０５は、出力電圧が「ｙ３」である場合について、「ｘ３」を境界点とする。また、制御回路６０５は、出力電圧が「ｙ４」である場合について、「ｘ２」を境界点とする。また、制御回路６０５は、出力電圧が「ｙ５」である場合について、「ｘ１」を境界点とする。
図１２に示すように、制御回路６０５は、各出力電圧について境界点となる出力電流を決定することで、出力電圧及び出力電流の２軸からなる平面を「浮遊容量を利用したゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ）制御エリア」及び「ゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）制御エリア」に分けることができる。なお、図１２に示したようなゼロ電流スイッチング制御とゼロ電圧スイッチング制御との境界点は、制御回路６０５が算出する場合であってもよいし、予め算出された境界点を制御回路６０５が取得する場合であってもよい。
例えば、制御回路６０５は、Ｘ線管７への電圧の供給を開始する際、出力電圧と出力電流とを処理回路３４から取得し、取得した出力電圧及び出力電流が「浮遊容量を利用したＺＣＳ制御エリア」及び「ＺＶＳ制御エリア」のいずれに対応するかを判定する。そして、制御回路６０５は、判定結果に基づいて、ゼロ電流スイッチング制御及びゼロ電圧スイッチング制御の一方を実行する。
また、例えば、制御回路６０５は、Ｘ線照射中に、出力電圧と出力電流とを順次取得する。ここで、管電流モジュレーションが実行されている場合、順次取得される出力電圧及び出力電流は、固定値ではなく、経時的に変化する場合がある。例えば、制御回路６０５は、出力電圧として固定値「ｙ３」を取得し、出力電流として、Ｘ線管７の管球位置に応じて「ｘ３」よりも小さい値から「ｘ３」よりも大きい値までを振動する値を取得する。この場合、制御回路６０５は、取得する出力電流が「ｘ３」を超えるか否かに応じて、ゼロ電流スイッチング制御及びゼロ電圧スイッチング制御の一方を順次切り替えて実行する。
なお、図１２においては、負荷の例として、出力電圧及び出力電流のみを示したが、実施形態はこれに限定されるものではない。例えば、制御回路６０５は、出力電力について閾値を設け、閾値を超える場合にはゼロ電圧スイッチング制御を実行し、閾値を超えない場合にはゼロ電流スイッチング制御を実行することとしてもよい。また、例えば、制御回路６０５は、位相シフト制御におけるオン時間（Ｄｕｔｙ）について閾値を設け、閾値を超える場合にはゼロ電圧スイッチング制御を実行し、閾値を超えない場合にはゼロ電流スイッチング制御を実行することとしてもよい。
上述した実施形態に係る各装置の各構成要素は機能概念的なものであり、必ずしも物理的に図示の如く構成されていることを要しない。即ち、各装置の分散・統合の具体的形態は図示のものに限られず、その全部又は一部を、各種の負荷や使用状況などに応じて、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。更に、各装置にて行われる各処理機能は、その全部又は任意の一部が、ＣＰＵ及び当該ＣＰＵにて解析実行されるプログラムにて実現され、あるいは、ワイヤードロジックによるハードウェアとして実現されうる。
また、上述した実施形態で説明した制御方法は、予め用意された制御プログラムをパーソナルコンピュータやワークステーション等のコンピュータで実行することによって実現することができる。この制御プログラムは、インターネット等のネットワークを介して配布することができる。また、この制御プログラムは、ハードディスク、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ－ＲＯＭ、ＭＯ、ＤＶＤ等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録され、コンピュータによって記録媒体から読み出されることによって実行することもできる。
以上説明した少なくとも１つの実施形態によれば、低負荷時から高負荷時までの全領域においてスイッチング損失を低減することができる。
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。
１ Ｘ線ＣＴ装置
３４ 処理回路
３４１ スキャン制御機能
３４２ 画像生成機能
３４３ 表示制御機能
３４４ 制御機能
６ Ｘ線高電圧装置
６０３ インバータ回路
６０４ 取得回路
６０５ 制御回路

Claims (4)

  1. 複数のスイッチング素子を含むインバータ回路と、
    前記インバータ回路に流れるインバータ電流の値であって、電流計が示すインバータ電流値を取得する取得部と、
    前記インバータ電流値に基づいて、前記インバータ電流が略０になる第１のタイミングを特定することができた場合には、当該第１のタイミングで前記スイッチング素子に対してゼロ電流スイッチング制御を実行し、前記第１のタイミングを特定することができなかった場合には、当該第１のタイミングを除く第２のタイミングで前記スイッチング素子に対してゼロ電圧スイッチング制御を実行するように制御する制御部と、
    を備える、Ｘ線高電圧装置。
  2. 前記制御部は、前記第１のタイミングとして、浮遊容量により共振する前記インバータ電流が略０になるタイミングを特定する、請求項１に記載のＸ線高電圧装置。
  3. 前記制御部は、Ｘ線管によるＸ線の出力中に出力電流を変調する制御において、前記ゼロ電流スイッチング制御又は前記ゼロ電圧スイッチング制御を実行するように制御する、請求項１又は２に記載のＸ線高電圧装置。
  4. 高電圧を供給するＸ線高電圧装置と、
    供給された高電圧を用いてＸ線を発生するＸ線管と、
    前記Ｘ線管から照射されたＸ線を検出し、検出したＸ線量に応じた信号を出力するＸ線検出器と、
    前記信号に基づいて医用画像を生成する画像生成部と、を備え、
    前記Ｘ線高電圧装置は、
    複数のスイッチング素子を含むインバータ回路と、
    前記インバータ回路に流れるインバータ電流の値であって、電流計が示すインバータ電流値を取得する取得部と、
    前記インバータ電流値に基づいて、前記インバータ電流が略０になる第１のタイミングを特定することができた場合には、当該第１のタイミングで前記スイッチング素子に対してゼロ電流スイッチング制御を実行し、前記第１のタイミングを特定することができなかった場合には、当該第１のタイミングを除く第２のタイミングで前記スイッチング素子に対してゼロ電圧スイッチング制御を実行するように制御する制御部と、
    を備える、Ｘ線画像診断装置。
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