(57)【要約】      （修正有）【課題】力率を改善しつつチョークコイルの大型化を抑えることができる力率改善回路を含む、Ｘ線高圧電源装置を提供する。【解決手段】Ｘ線高電圧装置において、力率改善回路２は、交流電力を直流電力に変換する複数のコンバータ２１、２２〜２ｎと、制御回路２０と、を備える。各コンバータは、三相交流電源ラインのＵ、Ｖ、Ｗ各相に挿入された主巻線を有するチョークコイルと、スイッチング素子を含む回路で構成された三相整流回路と、を含む。制御回路は、複数のコンバータをインターリーブ動作させる。各コンバータのチョークコイルは、１つの主巻線と、第１の補正巻線と第２の補正巻線の２つの補正巻線と、を有する。２つの補正巻線に流れる電流のそれぞれは、インターリーブ動作する複数のコンバータに流れる電流が加算されたものであり、主巻線に発生する磁束を打ち消すよう流れる。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電力を直流電力に変換する複数のコンバータであって、各コンバータは、三相交流電源ラインの各相に挿入された主巻線を有するチョークコイルと、スイッチング素子を含む回路で構成された三相整流回路とを含む、複数のコンバータと、
前記複数のコンバータをインターリーブ動作させる制御部と、
を備え、
前記各コンバータの前記チョークコイルは、
１つの前記主巻線と、第１の補正巻線と第２の補正巻線の２つの補正巻線と、を有し、
前記２つの補正巻線に流れる電流のそれぞれは、
前記インターリーブ動作する前記複数のコンバータに流れる電流が加算されたものであり、前記主巻線に発生する磁束を打ち消すよう流れる、
Ｘ線高電圧装置。
【請求項２】
前記各コンバータの前記第１の補正巻線は、
前記三相交流電源ラインの第一の相に挿入された各主巻線に対応する前記第１の補正巻線どうしが直列接続され、
前記三相交流電源ラインの第二の相に挿入された各主巻線に対応する前記第１の補正巻線どうしが直列接続され、かつ、
前記三相交流電源ラインの第三の相に挿入された各主巻線に対応する前記第１の補正巻線どうしが直列接続され、
前記各コンバータの前記第２の補正巻線は、
前記第一の相に挿入された前記各主巻線に対応する前記第２の補正巻線どうしが直列接続され、
前記第二の相に挿入された前記各主巻線に対応する前記第２の補正巻線どうしが直列接続され、かつ、
前記第三の相に挿入された前記各主巻線に対応する前記第２の補正巻線どうしが直列接続された、
請求項１記載のＸ線高電圧装置。
【請求項３】
前記複数のコンバータの数をｎとしたとき、前記主巻線と前記第１の補正巻線と前記第２の補正巻線との巻数比がｎ：１：１である、
請求項１または２に記載のＸ線高電圧装置。
【請求項４】
前記複数のコンバータは、
前記第一の相に接続された各スイッチング素子の直流出力のプラス極側どうしが、並列に接続されるとともに前記第一の相に挿入された前記各主巻線に対応する前記２つの補正巻線の一方に接続され、
前記第一の相に接続された前記各スイッチング素子の前記直流出力のマイナス極側どうしが、並列に接続されるとともに前記第一の相に挿入された前記各主巻線に対応する前記２つの補正巻線の他方に接続され、
前記第二の相に接続された各スイッチング素子の直流出力のプラス極側どうしが、並列に接続されるとともに前記第二の相に挿入された前記各主巻線に対応する前記２つの補正巻線の一方に接続され、
前記第二の相に接続された前記各スイッチング素子の前記直流出力のマイナス極側どうしが、並列に接続されるとともに前記第二の相に挿入された前記各主巻線に対応する前記２つの補正巻線の他方に接続され、
前記第三の相に接続された各スイッチング素子の直流出力のプラス極側どうしが、並列に接続されるとともに前記第三の相に挿入された前記各主巻線に対応する前記２つの補正巻線の一方に接続され、
前記第三の相に接続された前記各スイッチング素子の前記直流出力のマイナス極側どうしが、並列に接続されるとともに前記第三の相に挿入された前記各主巻線に対応する前記２つの補正巻線の他方に接続された、
請求項２または３に記載のＸ線高電圧装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項に記載の前記複数のコンバータと、
前記複数のコンバータが出力する直流電圧にもとづいて直流高電圧を発生してＸ線管に印加する高電圧発生器と、
を備えたＸ線高電圧装置。
【請求項６】
前記複数のコンバータが出力する直流電圧を高周波交流電圧に変換し、前記高電圧発生器に入力するインバータと、
前記複数のコンバータから前記インバータに供給される直流電圧ラインに挿入されて前記複数のコンバータが出力する直流電圧を充電する蓄電デバイスと、
をさらに備えた請求項５記載のＸ線高電圧装置。
【請求項７】
前記高電圧発生器が発生する必要がある直流高電圧が所定の値以上となると、前記複数のコンバータが出力する直流電圧に加えて、前記蓄電デバイスから直流電力が前記インバータに供給される、
請求項６記載のＸ線高電圧装置。
【請求項８】
交流電力を直流電力に変換する複数のコンバータであって、各コンバータは、三相交流電源ラインの各相に挿入された主巻線を有するチョークコイルと、スイッチング素子を含む回路で構成された三相整流回路とを含む、複数のコンバータと、
前記複数のコンバータをインターリーブ動作させる制御部と、
を備え、
前記各コンバータの前記チョークコイルは、
１つの前記主巻線と、２つの補正巻線と、を有し、
前記２つの補正巻線に流れる電流のそれぞれは、
前記インターリーブ動作する前記複数のコンバータに流れる電流が加算されたものであり、前記主巻線に発生する磁束を打ち消すよう流れる、
力率改善回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、Ｘ線高電圧装置および力率改善回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｘ線診断装置、Ｘ線ＣＴ（Computed Tomography）装置、磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ：Magnetic Resonance Imaging）装置などに使用される三相交流の大出力電源のＡＣ／ＤＣコンバータとして、コンデンサ・インプット型が利用されることがある。しかし、コンデンサ・インプット型のＡＣ／ＤＣコンバータは、小型ではあるが、電源に大きな高調波電流が流れてしまい、系統に悪影響を与えるため問題視されるようになってきている。
【０００３】
高調波電流を低減する方法として、力率改善（ＰＦＣ：Power Factor Correction）回路を用いる方法が知られている。従来のＰＦＣ回路を大出力電源に適用した場合、高調波電流を低減することで力率を改善することができる。
【０００４】
しかし、従来のＰＦＣ回路を大出力電源に適用した場合、三相交流の各相に挿入されたチョークコイルに商用周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）の大電流が流れてしまうという問題が生じる。この場合、チョークコイルの鉄心を磁気飽和させないために鉄心の断面積を大きく設計する必要があり、チョークコイルが大型化してしまう。したがって、この種のＰＦＣ回路を適用した大出力電源は、たとえばＸ線ＣＴ装置の回転部などの限られた実装スペースに設けることが困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１０−１７８７８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明が解決しようとする課題は、力率改善回路において力率を改善しつつチョークコイルの大型化を抑えることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態に係るＸ線高電圧装置は、複数のコンバータと制御部とを備える。複数のコンバータは、交流電力を直流電力に変換するものであって、各コンバータは、三相交流電源ラインの各相に挿入された主巻線を有するチョークコイルと、スイッチング素子を含む回路で構成された三相整流回路と、を含む。制御部は、複数のコンバータをインターリーブ動作させる。各コンバータのチョークコイルは、１つの主巻線と、第１の補正巻線と第２の補正巻線の２つの補正巻線と、を有する。２つの補正巻線に流れる電流のそれぞれは、インターリーブ動作する複数のコンバータに流れる電流が加算されたものであり、主巻線に発生する磁束を打ち消すよう流れる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】一実施形態に係る力率改善回路を含むＸ線高電圧装置の一構成例を示すブロック図。
【図２】Ｘ線高電圧装置をＸ線ＣＴ装置の回転部に実装する場合の一配置例を示すブロック図。
【図３】従来のＡＣ／ＤＣコンバータ回路の一例を示す回路。
【図４】従来のＡＣ／ＤＣコンバータ回路の電源ラインに含まれる高調波を説明するための図。
【図５】本実施形態に係る力率改善回路の一例を示す回路図。
【図６】三相交流電源のＵ−Ｖ相の電圧が正の時の動作で、ＭＯＳＦＥＴがオン／オフしたときの動作波形、およびＭＯＳＦＥＴがオン／オフしたときの動作波形の一例を示す説明図。
【図７】コンバータ回路が８組ある場合における、ＭＯＳＦＥＴのオン／オフタイミングと、ＭＯＳＦＥＴの電流と、ダイオードの電流との関係の一例を示す説明図。
【図８】チョークコイルの主巻線に流れる電流波形の一例を示す説明図。
【図９】従来の力率改善コンバータの一例を示す回路図。
【図１０】従来の力率改善コンバータのチョークコイルに流れる電流とチョークコイルの鉄心内の磁束との関係の一例を示す説明図。
【図１１】本実施形態に係る力率改善回路のチョークコイルの主巻線によってチョークコイルの鉄心内の発生する磁束と、２つの補正巻線によって作られる磁束と、これらを合成した磁束との関係の一例を示す説明図。
【図１２】本実施形態に係る力率改善回路のチョークコイルに流れる電流とチョークコイルの鉄心内の磁束との関係の一例を示す説明図。
【図１３】８個のコンバータ回路をインターリーブ動作させる場合におけるチョークコイルの一構成例を示す図。
【図１４】本実施形態に係る力率改善回路の変形例を示す回路図。
【図１５】インバータ回路の一例を示す回路図。
【図１６】高電圧発生器の一例を示す回路図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しながら、Ｘ線高電圧装置および力率改善回路の実施形態について詳細に説明する。
【００１０】
図１は、一実施形態に係る力率改善回路２を含むＸ線高電圧装置１０の一構成例を示すブロック図である。三相交流電源１の交流電圧を直流電圧に変換するための本実施形態に係るコンバータは、三相交流電力を入力とし複数のコンバータがインターリーブ動作する力率改善コンバータ（以下、力率改善回路という）２である。
【００１１】
Ｘ線高電圧装置１０は、力率改善回路２と、蓄電デバイス３と、インバータ回路４と、高電圧発生器５とを有する。
【００１２】
三相交流電源１の交流電圧は、力率改善回路２で直流電圧に変換され、インバータ回路４で高周波交流電圧に変換される。高電圧発生器５は、インバータ回路４が出力した高周波交流電圧にもとづいて直流高電圧を発生させ、Ｘ線管６に印加する。Ｘ線管６に直流高電圧が印加されると、Ｘ線管６からＸ線が発生する。
【００１３】
蓄電デバイス３は、電気二重層キャパシタ、電解コンデンサ、リチウムイオン・キャパシタなどの直流電圧を蓄積できるデバイスで実現され、力率改善回路２からインバータ回路４に供給される直流電圧ラインに挿入される。Ｘ線高電圧装置１０がＸ線ＣＴ装置に利用される場合であって、ＣＴスキャン中にＸ線強度を変化させるモードなど、三相交流電源１の許容電力を超える出力が必要な場合には、力率改善回路２と蓄電デバイス３の両方からインバータ回路４に直流電力を供給することができる。この結果、短時間ではあるが大出力のＸ線出力が可能となる。
【００１４】
図２は、Ｘ線高電圧装置１０をＸ線ＣＴ装置の回転部８に実装する場合の一配置例を示すブロック図である。
【００１５】
Ｘ線管６とＸ線検出器７とは、対向配置される必要がある。このため、Ｘ線高電圧装置１０を構成するユニット、力率改善回路２、蓄電デバイス３、インバータ回路４、および高電圧発生器５は、Ｘ線管６とＸ線検出器７を避けて配置される。
【００１６】
ここで、従来のＰＦＣ回路の問題点について説明する。
【００１７】
図３は、従来のＡＣ／ＤＣコンバータ回路２ＰＡ１の一例を示す回路図である。また、図４は、従来のＡＣ／ＤＣコンバータ回路２ＰＡ１の電源ラインに含まれる高調波を説明するための図である。
【００１８】
三相交流電源１を入力とする従来のＸ線診断装置やＸ線ＣＴ装置では、Ｘ線を発生させるための大電力高圧電源回路を動かすためのＡＣ／ＤＣコンバータとして、たとえば図３に示すように、６個のダイオードを使用した三相全波整流回路が多く用いられている。しかしながら、従来のＡＣ／ＤＣコンバータ回路２ＰＡ１の電源ラインには、図４に示すように、奇数次の高調波を多く含んだ電流が流れ、電力系統に悪影響を及ぼすおそれがある。
【００１９】
図４に示すような電流波形の場合、力率が低い状態となる。このため、三相交流電源１には、Ｘ線診断装置やＸ線ＣＴ装置などの装置が必要とする電力よりも大きな皮相電力を要求することになってしまう。このため、負荷時における電源ラインの電圧低下も大きくなってしまう。
【００２０】
なお、高調波電流規制ＥＮ６１０００−３−２において、特殊な電流波形の６００Ｗを超える機器は規制の対象外となっているが、大電力を消費するＸ線診断装置やＸ線ＣＴ装置こそ、力率を改善し高調波電流を低減することが好ましい。
【００２１】
そこで、従来、三相整流器の力率改善回路として、三相電源の電流波形を正弦波状にすることで力率を改善する回路が開発されてきた。これらの従来の力率改善回路によれば、高調波電流を低減することで効果的に力率を改善することができる。
【００２２】
しかしながら、従来の力率改善回路では、三相交流の各相に挿入されたチョークコイルに、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの低周波の商用周波数の大電流が流れることになる。このため、チョークコイルの鉄心を磁気飽和させないよう鉄心の断面積が大型化し、この結果、従来の力率改善回路は大型化してしまう。
【００２３】
一方、Ｘ線診断装置やＸ線ＣＴ装置は、Ｘ線撮影のためにＸ線を照射するときに、短時間だけ大電力を必要とする。三相交流電源入力ラインに大電流が流れる時間が短時間であることを考慮すれば、三相交流電源入力ラインに挿入するチョークコイルの巻線は、細く軽量にすることができる。しかし、チョークコイルの鉄心は、たとえ一瞬であっても最大電流時において磁気飽和を起こさないように設計する必要がある。このため、結局、最大出力でのＸ線照射時における電流に耐えるよう設計される必要があり、Ｘ線を照射する短時間のために大型のチョークコイルを用意しなければならず、装置が大型化してしまう。
【００２４】
また、Ｘ線ＣＴ装置では、大電力のＸ線電源を回転部に搭載する。このため、電源装置の大きさや質量が強く制限を受ける。したがって、従来の力率改善回路を適用すると、電源装置を回転部に実装することが困難である。
【００２５】
また、Ｘ線診断装置においても、大電力のＸ線電源を小型化し、できるだけＸ線管の近くに配置することが求められている。これはＸ線管に高電圧を供給する高圧ケーブルの長さを短縮し、高圧ケーブルに蓄積する電荷による不要被曝を低減するためである。
【００２６】
本実施形態に係る力率改善回路２を含むＸ線高電圧装置１０は、この問題を解決するため、複数の高周波コンバータ回路をインターリーブ動作（位相をずらして運転）するとともに、チョークコイルが主巻線と２つの補正巻線とを備え、主巻線に重畳する商用周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ程度）の交流電流により発生する磁束を２つの補正巻線を用いて打消すことで、チョークコイルを小型化、軽量化する。また、本実施形態に係る力率改善回路２は、出力電圧調整機能を持ち、蓄電デバイス３と組み合わせることにより、装置の消費電力を平準化し、ピーク電力を容易に抑えることができるものである。
【００２７】
図５は、本実施形態に係る力率改善回路２の一例を示す回路図である。概略的には、力率改善回路２は、３個のコイル、６個のＭＯＳＦＥＴ、および６個のダイオードを有するコンバータ回路がｎ個あり、ＭＯＳＦＥＴのスイッチング位相をずらして運転（インターリーブ動作）する。たとえばｎ＝８のとき、８組のコンバータ回路が４５°の位相差で運転する。ＭＯＳＦＥＴは、スイッチング素子の一例である。また、ＭＯＳＦＥＴとＭＯＳＦＥＴに並列接続されたダイオードとにより構成される回路は、三相整流回路の一例である。
【００２８】
制御回路２０は、複数のコンバータ回路をインターリーブ動作させるよう各コンバータ回路のＭＯＳＦＥＴドライバを制御するプロセッサである。制御回路２０は、制御部の一例である。
【００２９】
図５に示す力率改善回路２の基本動作を、三相交流電源１のＵ−Ｖ相の電圧が正の時の動作について、ｎ個のコンバータ回路２１〜２ｎのうち、ＭＯＳＦＥＴ２１１１〜２１１６、ＭＯＳＦＥＴドライバ２１３１〜２１３６、およびダイオード２１２１〜２１２６を有するコンバータ回路２１を例にして説明する。
【００３０】
まず、ＭＯＳＦＥＴ２１１２がオンとなると、電流は三相交流電源１のＵ相から、Ｕ相に挿入されたチョークコイル２１０１の主巻線、ＭＯＳＦＥＴ２１１２、チョークコイル２１０１〜２ｎ０１の第２の補正巻線（図中右側）、チョークコイル２ｎ０２〜２１０２の第２の補正巻線、ダイオード２１２４、およびチョークコイル２１０２の主巻線を通り、三相交流電源１のＶ相に戻る。なお、チョークコイル２１０１〜２ｎ０１の第２の補正巻線、およびチョークコイル２ｎ０２〜２１０２の第２の補正巻線の作用については後述する。
【００３１】
次に、ＭＯＳＦＥＴ２１１２がオフとなると、電流は三相交流電源１のＵ相から、チョークコイル２１０１の主巻線、ダイオード２１２１、チョークコイル２１０１〜２ｎ０１の第１の補正巻線（図中左側）を通り、力率改善回路２のプラス出力端子Ｖｏ＋を介してインバータ回路４に出力される（図中最下部中央参照）。インバータ回路４に電力を供給し力率改善回路２のマイナス出力端子Ｖｏ−（図中最下部中央参照）に戻った電流は、チョークコイル２ｎ０２〜２１０２の第２の補正巻線、ダイオード２１２４、およびチョークコイル２１０２の主巻線を通り、三相交流電源１のＶ相に戻る。
【００３２】
三相交流電源１のＵ−Ｖ相の電圧が正の時の他の動作として、ＭＯＳＦＥＴ２１１３がオン／オフする動作がある。ＭＯＳＦＥＴ２１１３は、ＭＯＳＦＥＴ２１１２とは１８０°位相がずれて動作する。
【００３３】
ＭＯＳＦＥＴ２１１３がオンとなると、電流は三相交流電源１のＵ相から、チョークコイル２１０１の主巻線、ダイオード２１２１、チョークコイル２１０１〜２ｎ０１の第１の補正巻線、チョークコイル２ｎ０２〜２１０２の第１の補正巻線、ＭＯＳＦＥＴ２１１３、チョークコイル２１０２の主巻線を通り、三相交流電源１のＶ相に戻る。
【００３４】
ＭＯＳＦＥＴ２１１３がオフとなると、電流は三相交流電源１のＵ相から、チョークコイル２１０１の主巻線、ダイオード２１２１、チョークコイル２１０１〜２ｎ０１の第１の補正巻線を通り、力率改善回路２のプラス出力端子Ｖｏ＋を介してインバータ回路４に出力される。インバータ回路４に電力を供給し力率改善回路２のマイナス出力端子Ｖｏ−に戻った電流は、チョークコイル２ｎ０２〜２１０２の第２の補正巻線、ダイオード２１２４、およびチョークコイル２１０２の主巻線を通り、三相交流電源１のＶ相に戻る。
【００３５】
図６は、三相交流電源１のＵ−Ｖ相の電圧が正の時の動作で、ＭＯＳＦＥＴ２１１２がオン／オフしたときの動作波形、およびＭＯＳＦＥＴ２１１３がオン／オフしたときの動作波形の一例を示す説明図である。また、図７は、コンバータ回路が８組ある場合における、ＭＯＳＦＥＴ２１１２〜２８１２のオン／オフタイミングと、ＭＯＳＦＥＴ２１１２〜２８１２の電流と、ダイオード２１２１〜２８２１の電流との関係の一例を示す説明図である。
【００３６】
８個のＭＯＳＦＥＴ２１１２〜２８１２は、４５°の位相ずれでオン／オフ動作をする。図６には、ＭＯＳＦＥＴ２１１２〜２８１２の電流が互いに重なる場合の例を示した。ＭＯＳＦＥＴ２１１２〜２８１２の重なった電流は、図５のチョークコイル２１０１〜２ｎ０１（コンバータ回路が８組の場合はチョークコイル２１０１〜２８０１）の第２の補正巻線に流れ、ダイオード２１２１〜ダイオード２８２１の重なった電流は、図５のチョークコイル２１０１〜２ｎ０１（コンバータ回路が８組の場合はチョークコイル２１０１〜２８０１）の第１の補正巻線に流れる。
【００３７】
三相交流電源１のＶ−Ｗ相の電圧が正の時においても、また、Ｗ−Ｕ相の電圧が正の時においても、動作するＭＯＳＦＥＴ、ダイオード、およびチョークコイルは異なるものの、同様である。
【００３８】
次に、三相交流電源１のＵ−Ｖ相の電圧が負の時の動作について、上記の正の時の説明と同じくコンバータ回路２１を例にして説明する。
【００３９】
まず、ＭＯＳＦＥＴ２１１４がオンとなると、電流は三相交流電源１のＶ相から、チョークコイル２１０２の主巻線、ＭＯＳＦＥＴ２１１４、チョークコイル２１０２〜２ｎ０２の第２の補正巻線、チョークコイル２ｎ０１〜２１０１の第２の補正巻線、ダイオード２１２２、およびチョークコイル２１０１の主巻線を通り、三相交流電源１のＵ相に戻る。
【００４０】
次に、ＭＯＳＦＥＴ２１１４がオフとなると、電流は三相交流電源１のＶ相から、チョークコイル２１０２の主巻線、ダイオード２１２３、チョークコイル２１０２〜２ｎ０２の第１の補正巻線を通り、力率改善回路２のプラス出力端子Ｖｏ＋を介してインバータ回路４に出力される。インバータ回路４に電力を供給し力率改善回路２のマイナス出力端子Ｖｏ−に戻った電流は、チョークコイル２ｎ０１〜２１０１の第２の補正巻線、ダイオード２１２２、およびチョークコイル２１０１の主巻線を通り、三相交流電源１のＵ相に戻る。
【００４１】
三相交流電源１のＵ−Ｖ相の電圧が負の時においても、ＭＯＳＦＥＴおよびダイオードの電流波形は、動作するＭＯＳＦＥＴおよびダイオードは異なるものの、図６と同様な波形になる。さらに、コンバータが８組ある場合の動作についても、動作するＭＯＳＦＥＴおよびダイオードは異なるものの図７に示した正の時の動作と同様である。三相交流電源１のＶ−Ｗ相の電圧が負の時および、Ｗ−Ｕ相の電圧が負の時においても同様である。
【００４２】
図８は、チョークコイルの主巻線に流れる電流波形の一例を示す説明図である。なお、見やすさを優先し、図８以下には電流波形の微視的形状が二等辺三角形に近い形状である場合（すなわちＭＯＳＦＥＴのＯＮ時間とＯＦＦ時間がほぼ等しい場合）の例を示した。
【００４３】
図５のＭＯＳＦＥＴ２１１１〜２ｎ２６は、三相交流電源１の周波数（一般に、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）よりもはるかに高い周波数（たとえば１００ｋＨｚ）でオン／オフ動作をする。このため、ＭＯＳＦＥＴやダイオードの電流は、短い期間を局所的に観察すれば図６や図７に示したような波形となるが、三相交流電源１の周波数で見れば、スイッチング波形の包絡線が電源周波数に応じて時間とともに変化する。上述のように、チョークコイル２１０１〜２ｎ０３に流れる電流は、ＭＯＳＦＥＴに流れる電流とダイオードに流れる電流を合成したものである。このため、その電流はＭＯＳＦＥＴがオンのときに上昇し、ＭＯＳＦＥＴがオフのときに下降する。
【００４４】
図６に示すように、図５に示した力率改善回路２の三相交流電源１のＵ−Ｖ相の電圧が正の時の動作において、ＭＯＳＦＥＴ２１１１〜２１１６とダイオード２１２１〜２１２６を有するコンバータ回路２１のみが作動した場合を考えると、チョークコイル２１０１の主巻線に流れる電流は図８に示すような波形となる。このとき、ＭＯＳＦＥＴのスイッチング周期に対するオン時間の比率を交流電源の電圧変化に応じて変調させ、スイッチング電流の包絡線を正弦波状にすることで電流波形の高調波成分を低減する。この点においては、従来の力率改善回路と同様である。
【００４５】
図９は、従来の力率改善コンバータ２ＰＡ２の一例を示す回路図である。従来の力率改善コンバータ２ＰＡ２は、三相交流電源１の各相に挿入されたチョークコイル２００１、２００２、２００３（本実施形態に係るチョークコイルの主巻線に対応）と、ＩＧＢＴ２０１１〜２０１６と、ダイオード２０２１〜２０１６と、ＩＧＢＴドライバ２０３１〜２０３６からなるブリッジ回路でＡＣ／ＤＣコンバータを構成する。
【００４６】
Ｘ線診断装置やＸ線ＣＴ装置は数十キロワットから百数十キロワットの電力をあつかう必要がある。このため、従来の力率改善コンバータ２ＰＡ２を用いる場合、スイッチング素子としては大電流を制御できるＩＧＢＴを採用することが一般的である。従来の力率改善コンバータ２ＰＡ２は、チョークコイルに補正巻線等がなく回路はシンプルである。
【００４７】
一方、電源ラインに流れる電流に重畳する交流電源周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）の大電流が流れるため、チョークコイル鉄心の断面積を大きくし磁気飽和を防ぐ必要がある。これは、トランスやコイルなどの磁気部品は、動作周波数が低く電流が大きい場合には、鉄心を大きくしなければならないためである。このため、従来の三相力率改善回路は、小型化が非常に難しい。
【００４８】
図１０は、従来の力率改善コンバータ２ＰＡ２のチョークコイルに流れる電流とチョークコイルの鉄心内の磁束との関係の一例を示す説明図である。
【００４９】
図１０に示すように、チョークコイル鉄心内の磁束は、コイル電流にほぼ比例してしまう。
【００５０】
図１１は、本実施形態に係る力率改善回路２のチョークコイルの主巻線によってチョークコイルの鉄心内の発生する磁束と、２つの補正巻線によって作られる磁束と、これらを合成した磁束との関係の一例を示す説明図である。また、図１２は、本実施形態に係る力率改善回路２のチョークコイルに流れる電流とチョークコイルの鉄心内の磁束との関係の一例を示す説明図である。
【００５１】
本実施形態に係る力率改善回路２は、図５に示すように、チョークコイルが１つの主巻線と２つの補正巻線を有し、ＭＯＳＦＥＴの電流とダイオードの電流を加算合成した電流を補正巻線に流す配線としている。また、直列接続された補正巻線の電流は、位相をずらしてインターリーブ動作するｎ個のコンバータのＭＯＳＦＥＴに流れる電流やダイオードに流れる電流を加算したものとなる。このため、二つの補正巻線に流れる電流の合計は、１つのコンバータ回路のチョークコイルの主巻線に流れる電流のｎ倍となり、電流リプルは１／ｎに低減することができる。したがって、チョークコイル２１０１〜２ｎ０１、チョークコイル２１０２〜２ｎ０２、およびチョークコイル２１０３〜２ｎ０３の主巻線と、第１の補正巻線と、第２の補正巻線との巻数比をｎ：１：１とするとよい。
【００５２】
また、２つの補正巻線に流す電流による発生磁束の向きが主巻線によって発生する磁束の向きと逆になるように配線することで、２つの補正巻線に流れる電流のそれぞれが、主巻線に発生する磁束を打ち消すように流れるため、電源周波数（５０Ｈｚ、６０Ｈｚ）の大電流によって主巻線で生じる磁束を打ち消すことができる（図１１参照）。
【００５３】
よって、図１２に示すように、本実施形態に係る力率改善回路２のチョークコイルの鉄心内の磁束変化は、ゼロを中心としたＭＯＳＦＥＴのスイッチングに起因する変化のみに抑えることができる、磁束の最大値を大幅に低く抑えることができる。したがって、本実施形態に係る力率改善回路２によれば、チョークコイルの鉄心断面積を減らし、チョークコイルを大幅に小型化することができる。
【００５４】
また、図５に示すように、ｎ個のコンバータ回路をインターリーブで並列動作させることで、１台のコンバータ回路があつかう電流を１／ｎに減らすことができる。１台のコンバータ回路の電流を数十アンペアに抑えることで、高速スイッチング特性の優れたＭＯＳＦＥＴを採用することが可能になり、スイッチング周波数を上げることで、チョークコイルおよびコンバータの更なる小型化が実現できる。
【００５５】
図１３は、８個のコンバータ回路をインターリーブ動作させる場合におけるチョークコイル２１０１〜２８０１の一構成例を示す図である。
【００５６】
８個のチョークコイル２１０２〜２ｎ０２は、たとえばトロイダルコアに８ターンの主巻線が巻かれ、その中心部に二本の導線を通した構造になっている。トロイダルコアを貫通する２本の導線のそれぞれは、１ターンの第１および第２の補正巻線として作用する。また、２本の導線に流れる電流は、ＭＯＳＦＥＴのスイッチングによって大きく変化するが、この変化は大きさが同じで変化方向が逆向きであるため、２本の導線を密着して配置することでノイズの発生を低減することができる。
【００５７】
図１４は、本実施形態に係る力率改善回路２の変形例を示す回路図である。コンバータ回路を構成するＭＯＳＦＥＴが下側アームのみで、使用するＭＯＳＦＥＴの数が半分になっている点で図５に示した回路と異なる。ＭＯＳＦＥＴのスイッチング１周期あたりに電力を出力段に送り込む回数も半分になるため、当該変形例に係る回路は、出力電力が小さい装置に適している。
【００５８】
図１５は、インバータ回路４の一例を示す回路図である。また、図１６は、高電圧発生器５の一例を示す回路図である。インバータ回路４は、力率改善回路２で直流に変換された電圧を４個のＩＧＢＴからなるフルブリッジインバータで高周波交流電圧に変換する（図１５参照）。高電圧発生器５は、インバータ回路４で生成された高周波交流電圧を高電圧トランスで昇圧し、４つの倍電圧整流回路で直流高電圧を発生させ、Ｘ線管６に供給する（図１６参照）。
【００５９】
本実施形態に係る力率改善回路２は、複数の高周波コンバータ回路をインターリーブ動作（位相をずらして運転）させるとともに、チョークコイルが主巻線と２つの補正巻線とを備え、主巻線に重畳する商用周波数（５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ程度）の交流大電流により発生する磁束を２つの補正巻線を用いて打消すことができる。このため、チョークコイルを従来の約１／１０程度など大幅に小型化、軽量化することができる。
【００６０】
このため、本実施形態に係る力率改善回路２を含むＸ線高電圧装置１０は、Ｘ線診断装置やＸ線ＣＴ装置のように、短時間ではあるものの大電力を必要とする装置の力率を改善しつつ、その大きさと重量を装置に搭載可能に抑えることができる。したがって、本実施形態に係る力率改善回路２を含むＸ線高電圧装置１０によれば、力率を大幅に改善したＸ線診断装置やＸ線ＣＴ装置を実現することができる。また、最大電力はＸ線診断装置やＸ線ＣＴ装置ほど大きくないが、診断時間がこれらよりも長いＭＲＩ装置においても、従来のＡＣ／ＤＣコンバータを本実施形態に係る力率改善回路２に置き換えることで、入力電源の高調波電流を低減することが可能になる。
【００６１】
また、図１に示すように、力率改善回路２とインバータ回路４をつなぐ直流ラインに蓄電デバイス３を接続することで、蓄電デバイス３に蓄えたエネルギーで容易にピーク電力を補うことができる。このため、ピーク電力が大きい高性能なＸ線診断装置やＸ線ＣＴ装置を、容量の少ない電源設備でも使用することが可能となる。このとき、蓄電デバイス３の充電電流制御は、力率改善回路２を構成するスイッチング素子のオン／オフ時間を制御することで実現することができる。図３に示した従来のＡＣ／ＤＣコンバータ回路２ＰＡ１では、ＡＣ／ＤＣコンバータ回路２ＰＡ１とインバータ回路４をつなぐ直流ラインに蓄電デバイス３を接続することはできない。
【００６２】
したがって、本実施形態に係る力率改善回路２によれば、小型かつ軽量で高調波電流がきわめて少なく、またピーク電力補助機能を有するＸ線高電圧電源をＸ線診断装置やＸ線ＣＴ装置に用いることができる。また、小型かつ軽量で高調波電流がきわめて少なく、またピーク電力補助機能を有する傾斜磁場電源をＭＲＩ装置に用いることができる。
【００６３】
なお、上記実施形態では入力電源として三相交流電源１を用いる場合の例について説明したが、入力電源が単相交流電源であっても、三相４線式電源であっても、本実施形態に係る力率改善回路２を適宜改変して適用することができる。
【００６４】
以上説明した少なくとも１つの実施形態によれば、力率改善回路において力率を改善しつつチョークコイルの大型化を抑えることができる。
【００６５】
なお、上記実施形態において、制御回路２０の「プロセッサ」という文言は、たとえば、専用または汎用のＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）、または、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（たとえば、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）、およびＦＰＧＡ）等の回路を意味するものとする。プロセッサは、記憶媒体に保存されたプログラムを読み出して実行することにより、各種機能を実現する。
【００６６】
また、上記実施形態では処理回路の単一のプロセッサが各機能を実現する場合の例について示したが、複数の独立したプロセッサを組み合わせて処理回路を構成し、各プロセッサが各機能を実現してもよい。また、プロセッサが複数設けられる場合、プログラムを記憶する記憶媒体は、プロセッサごとに個別に設けられてもよいし、１つの記憶媒体が全てのプロセッサの機能に対応するプログラムを一括して記憶してもよい。
【００６７】
なお、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。
【符号の説明】
【００６８】
１  三相交流電源
２  力率改善回路
２ＰＡ１  従来のＡＣ／ＤＣコンバータ回路
２ＰＡ２  従来の力率改善コンバータ
２１〜２ｎ  コンバータ回路
２１０１〜２ｎ０１、２１０２〜２ｎ０２、２１０３〜２ｎ０３  チョークコイル
３  蓄電デバイス
４  インバータ回路
５  高電圧発生器
６  Ｘ線管
８  回転部
１０  Ｘ線高電圧装置
２０  制御回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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