(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ダイオードが並列かつ逆向きにそれぞれ接続された２つの半導体スイッチを直列接続したアーム回路を２つ並列接続したインバータ回路部と、
前記インバータ回路部の前記各半導体スイッチに駆動信号を与えるインバータ駆動回路部とを有し、
前記インバータ駆動回路部は、前記２つのアーム回路の中点に接続された負荷回路への出力電流と出力電圧の位相差を求め、その位相差がゼロまたは所定値となるように前記各半導体スイッチへの駆動信号の位相を制御することにより、前記インバータ回路部の動作周波数を前記負荷回路の共振周波数に追従させ、かつ、前記出力電流が前記出力電圧よりも所定値だけ遅れた位相となるように前記各半導体スイッチの駆動信号の位相を制御することを特徴とする位相シフト型インバータ回路。
【請求項２】
ダイオードが並列かつ逆向きにそれぞれ接続された２つの半導体スイッチを直列接続したアーム回路を２つ並列接続したインバータ回路部と、
前記インバータ回路部の前記各半導体スイッチに駆動信号を与えるインバータ駆動回路部とを有し、
前記インバータ駆動回路部は、前記２つのアーム回路の中点に接続された負荷回路への出力電圧の正極性のパルス幅の中心と等しい中心を持つパルス幅で所定のデューティーの基本波信号を生成する回路を備え、これを用いて前記各半導体スイッチへの駆動信号を生成し、
前記インバータ駆動回路部は、前記負荷回路への出力電流と出力電圧の位相差を求め、その位相差がゼロまたは所定値となるように前記各半導体スイッチへの駆動信号の位相を制御することにより、前記インバータ回路部の動作周波数を前記負荷回路の共振周波数に追従させることを特徴とする位相シフト型インバータ回路。
【請求項３】
ダイオードが並列かつ逆向きにそれぞれ接続された２つの半導体スイッチを直列接続したアーム回路を２つ並列接続したインバータ回路部と、
前記インバータ回路部の各半導体スイッチに駆動信号を与えるインバータ駆動回路部とを有し、
前記インバータ駆動回路部は、前記２つのアーム回路の中点に接続された負荷回路への出力電圧の正極性のパルス幅の中心と等しい中心を持つパルス幅で所定のデューティーの基本波信号を生成する回路を備え、これを用いて前記各半導体スイッチへの駆動信号を生成し、
前記インバータ駆動回路部は、前記負荷回路への出力電力の動作周波数を求め、該動作周波数が前記負荷回路の共振周波数よりも所定値だけ高い周波数となるように前記各半導体スイッチへの駆動信号の位相を制御することを特徴とする位相シフト型インバータ回路。
【請求項４】
ダイオードが並列かつ逆向きにそれぞれ接続された２つの半導体スイッチを直列接続したアーム回路を２つ並列接続したインバータ回路部と、
前記インバータ回路部の前記各半導体スイッチに駆動信号を与えるインバータ駆動回路部とを有し、
前記インバータ駆動回路部は、前記２つのアーム回路の中点に接続された負荷回路への出力電圧がゼロ電圧から正極性及び負極性パルスに転じるタイミングで反転する所定のデューティーの基本波信号を生成する回路を備え、これを用いて前記各半導体スイッチへの駆動信号を生成し、
前記インバータ駆動回路部は、前記負荷回路への出力電流と出力電圧の位相差を求め、その位相差がゼロまたは所定値となるように前記各半導体スイッチへの駆動信号の位相を制御することにより、前記インバータ回路部の動作周波数を前記負荷回路の共振周波数に追従させることを特徴とする位相シフト型インバータ回路。
【請求項５】
ダイオードが並列かつ逆向きにそれぞれ接続された２つの半導体スイッチを直列接続したアーム回路を２つ並列接続したインバータ回路部と、
前記インバータ回路部の各半導体スイッチに駆動信号を与えるインバータ駆動回路部とを有し、
前記インバータ駆動回路部は、前記２つのアーム回路の中点に接続された負荷回路への出力電圧がゼロ電圧から正極性及び負極性パルスに転じるタイミングで反転する所定のデューティーの基本波信号を生成する回路を備え、これを用いて前記各半導体スイッチへの駆動信号を生成し、
前記インバータ駆動回路部は、前記負荷回路への出力電力の動作周波数を求め、該動作周波数が前記負荷回路の共振周波数よりも所定値だけ高い周波数となるように前記各半導体スイッチへの駆動信号の位相を制御することを特徴とする位相シフト型インバータ回路。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の位相シフト型インバータ回路において、前記インバータ駆動回路部は、前記インバータ回路部の４つの半導体スイッチの予め定めた対となる半導体スイッチへの駆動信号の位相差を調整することにより、前記インバータ回路部の出力電力を制御することを特徴とする位相シフト型インバータ回路。
【請求項７】
請求項１、２および４のいずれか１項に記載の位相シフト型インバータ回路において、前記インバータ駆動回路部は、前記出力電流と出力電圧の位相差を求める際に、前記出力電流の位相として前記２つのアーム回路の中点と負荷回路との間で検出した電流の位相を用い、前記出力電圧の位相として前記駆動信号の位相を用いることを特徴とする位相シフト型インバータ回路。
【請求項８】
直流電源出力を高周波交流出力に変換する位相シフト型インバータ回路と、該インバータ回路の高周波交流出力を高電圧出力に変換する高電圧変圧器と、該高電圧変圧器の出力を整流しX線管に直流電力を供給する整流回路と、制御回路とを備えたX線高電圧装置において、
該制御回路は、前記X線管のフィラメントを加熱するフィラメント加熱回路と、X線管の陽極を回転駆動する陽極回転駆動回路とを含み、
前記インバータ回路は、請求項１ないし７のうちいずれか１項記載の位相シフト型インバータ回路であることを特徴とするX線高電圧装置。
【請求項９】
被検体を挿入する開口を備えた円盤と、円盤の前記開口を挟んで対向する位置にそれぞれ搭載されたX線管およびX線検出器と、前記X線管に直流電力を供給するX線高電圧装置と、被検体を搭載して前記円盤の開口に挿入する寝台と、前記円盤を回転させる回転駆動部とを有し、
前記X線高電圧装置は、請求項８に記載のX線高電圧装置であることを特徴とするX線CT装置。
【請求項１０】
X線管と、被検体を透過したX線を検出するX線受像部と、前記X線管に直流電力を供給するX線高電圧装置とを有し、
前記X線高電圧装置は、請求項８に記載のX線高電圧装置であることを特徴とするX線撮影装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、負荷の変動による共振周波数に追従した周波数で駆動される位相シフト型インバータ回路、および、それを用いたX線高電圧装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高周波で駆動されるインバータ回路の技術は、金属製の鍋を高周波磁界により誘導加熱する誘導加熱調理器、金属の溶解や焼き入れなどを目的とした産業用の誘導加熱装置、ならびに、被検体のX線透視画像や断層画像を取得する医療・産業用であるX線装置及びX線CT（Computer  Tomography）装置等に応用されている。【０００３】
このような分野でのインバータ回路の負荷は、通常インダクタやX線管であり、電圧及び電流設定条件や温度によってそのインピーダンスが大きく異なったり変化したりする。このため負荷回路の共振周波数が変動し、例えばX線管負荷では、X線出力の設定条件により等価抵抗が数10kΩ〜数10MΩの範囲で大きく変動する。インバータ回路は、負荷変動に追従して動作周波数を制御し、またそれと同時に、電圧や電流設定条件により出力を制御する必要がある。【０００４】
従来、このような制御には、負荷の変動に対しPLL制御を用い、また出力制御に対してはインバータ回路の前段に設けたコンバータの電圧を制御することで両機能を同時に実現していた。しかし、この従来装置では制御系が複雑で大型であることから、両機能を単一のインバータ回路で実現する技術が特許文献１に開示されている。特許文献１に開示された技術では、負荷の変動による共振周波数の変動にインバータ動作周波数を一致させるために、インバータ回路に含まれる２つの半導体スイッチまたは半導体スイッチに並列に逆接続されたダイオードに流れる電流を検出し、その電流が流れている期間が等しくなるようインバータ周波数を変更する。また出力電力を所望の値に制御するため、インバータ回路の各半導体スイッチが動作する位相シフト角を制御する。このような構成により、負荷変動による共振周波数変動への追従制御と電力制御を単一のインバータで実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−９４９１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１では、インバータ回路に含まれる２つの半導体スイッチまたは半導体スイッチに並列に逆接続されたダイオードに流れる電流を検出するため、CT（Current  Transformer）などの電流センサをその周囲に配置している。そのため、CTを挿入する配線箇所は、CTの挿入分だけ配線を長くする工夫を要する。しかしながらインバータ回路では、サージ電圧による半導体スイッチの破損や不安定動作を防ぐために、配線のインダクタンスが可能な限り小さくなるよう、銅バーやブスバー、また銅板の加工品を用いる等の実装設計が必須である。このため端子間距離は短い方が好ましく、電流センサの追加はできるだけ避けたいという要望がある。【０００７】
また特許文献１では、負荷回路の共振周波数にインバータ動作周波数を一致させることに主眼を置かれ、スイッチング損失までは考慮されていない。【０００８】
図１（ａ）に半導体スイッチの電圧と電流波形を示す。半導体スイッチは、Turn  off期間ToffにONからOFF状態に遷移し、Isw×Vswのターンオフ損失Esw(off)が発生する。また逆に、Turn  on期間TonにOFFからON状態に遷移し、Isw×Vswのターンオン損失Esw(on)が発生する。これらの損失はスイッチング損失と呼ばれ、動作周波数を高周波数化するのに比例して増大する。このスイッチング損失を低減するためには、ソフトスイッチング方式を採用することが望ましい。【０００９】
ソフトスイッチング方式としては、様々な回路や制御の方式が研究・実用化されており、その中のキーとなる技術の一つにZVS（Zero  Voltage  Switching）とZCS（Zero  Current  Switching）が挙げられる。【００１０】
図１（ｂ）にソフトスイッチングでZVS及びZCSを適用させた場合の半導体スイッチの電圧と電流波形を示す。ZVSは、スイッチのターンオンまたはオフ時の電圧の時間変化dv/dtを抑制することにより、電圧×電流の損失を低減する技術である。通常、半導体スイッチにロスレススナバコンデンサを並列接続し、dv/dtを低減することにより実現する。【００１１】
ZCSは、スイッチ電流がゼロのときに半導体スイッチをオンオフすることにより損失をゼロとする技術である。インバータ回路の場合、半導体スイッチに並列に逆接続されたダイオードに電流が流れている期間に、半導体スイッチをONすると、半導体スイッチに流れる電流はゼロなので、電圧×電流の損失はゼロとなる。また、このときスイッチの両端の電圧がゼロでもあるので、ZVSが実現されているともいえる。【００１２】
ZCSの一方式として、インダクタや更なる半導体スイッチなどを含んだ補助回路を用い、インバータ回路の半導体スイッチがOFFのときにスイッチ電流が負になるようコントロールする部分共振方式がある。また、共振周波数よりインバータ動作周波数を若干高く設定することにより電圧の位相に対して電流の位相を遅らせ、半導体スイッチがオンする時点で、電流が負極性を持つ（すなわち電流がダイオードへ流れ、スイッチには流れない）状態として、ZCSを実現する方式がある。【００１３】
前者の部分共振方式は、X線CT装置等において実用化されている。後者の共振周波数よりインバータ動作周波数を若干高く設定する方式は、共振周波数が一定である場合には周波数を制御すればよいだけなので、補助回路を必要とせず主回路構成を単純にできるというメリットがある。【００１４】
共振周波数よりもインバータ動作周波数を若干高く制御するZCS方式をさらに説明する。負荷回路の共振周波数が一定である場合、インバータの動作周波数を変化させると、これに応じて負荷側は容量性負荷から誘導性負荷まで変化する。すなわち、共振周波数より動作周波数が低ければ、電圧の位相に対して電流の位相が進む容量性負荷を示し、また逆に、共振周波数より動作周波数が高ければ、電圧の位相に対して電流の位相が遅れる誘導性負荷を示す。誘導性負荷の場合、一つの半導体スイッチに着目すると、図１（ｂ）に示したように、半導体スイッチがオンする時点で、電流が負極性を持つ（すなわちダイオードへ流れ、スイッチには流れない）ためZCSを実現できる。【００１５】
しかし、負荷が変動し共振周波数が変化する場合、これに追従しつつ、かつ、若干高い周波数にインバータ動作周波数を制御する必要があり、特許文献１に記載のインバータ回路ではこれを実現することができない。【００１６】
本発明の目的は、負荷変動による共振周波数変動への追従制御と電力制御を単一の駆動回路で行うインバータ回路であって、スイッチング損失を低減することの可能なインバータ回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様によれば、以下のような位相シフト型インバータ回路が提供される。すなわち、ダイオードが並列かつ逆向きにそれぞれ接続された２つの半導体スイッチを直列接続したアーム回路を２つ並列接続したインバータ回路部と、インバータ回路の各半導体スイッチに駆動信号を与えるインバータ駆動回路部とを有するインバータ回路であって、インバータ駆動回路部は、２つのアーム回路の中点に接続された負荷回路への出力電流と出力電圧の位相差を求め、その位相差がゼロまたは所定値となるように各半導体スイッチへの駆動信号の位相を制御することにより、インバータ回路部の動作周波数を負荷回路の共振周波数に追従させる。このように出力電流と出力電圧の位相差を用いて、インバータ回路部の動作周波数を負荷回路の共振周波数に追従させることができるため、半導体スイッチ近傍に検出器を挿入して電流値を測定する必要がなく、簡便な構成にすることができる。【００１８】
また、インバータ駆動回路部は、出力電流が前記出力電圧よりも所定値だけ遅れた位相となるように各半導体スイッチの駆動信号の位相を制御することが可能である。これにより、ZCSを実現でき、スイッチング損失を低減できる。【００１９】
本発明の第２の態様によれば、以下のような位相シフト型インバータ回路が提供される。ダイオードが並列かつ逆向きにそれぞれ接続された２つの半導体スイッチを直列接続したアーム回路を２つ並列接続したインバータ回路部と、インバータ回路の各半導体スイッチに駆動信号を与えるインバータ駆動回路部とを有するインバータ回路であって、インバータ駆動回路部は、２つのアーム回路の中点に接続された負荷回路への出力電力の動作周波数を求め、該動作周波数が負荷回路の共振周波数よりも所定値だけ高い周波数となるように各半導体スイッチへの駆動信号の位相を制御する位相シフト型インバータ回路である。このように、共振周波数よりも動作周波数が所定値だけ高い周波数となるように制御することにより、電圧の位相に対して電流の位相が遅れる誘導性負荷を示すためZCSを実現でき、スイッチング損失を低減できる。【００２０】
インバータ駆動回路部は、インバータ回路部の４つの半導体スイッチの予め定めた対となる半導体スイッチへの駆動信号の位相差を調整することにより、インバータ回路部の出力電力を制御することが可能である。【００２１】
インバータ駆動回路部は、出力電圧の正極性のパルス幅の中心と、等しい中心を持つパルス幅で所定のデューティーの基本波信号を生成する回路を備え、これを用いて前記駆動信号を生成することが可能である。【００２２】
また、インバータ駆動回路部は、出力電圧がゼロ電圧から正極性及び負極性パルスに転じるタイミングで反転する所定のデューティーの基本波信号を生成する回路を備え、これを用いて駆動信号を生成することも可能である。【００２３】
インバータ駆動回路部は、出力電流と出力電圧の位相差を求める際に、出力電流の位相として２つのアーム回路の中点と負荷回路との間で検出した電流の位相を用い、出力電圧の位相として駆動信号の位相を用いることが可能である。
【００２４】
また、本発明の第３の態様では、X線高電圧装置が提供される。すなわち、直流電源出力を高周波交流出力に変換する位相シフト型インバータ回路と、インバータ回路の高周波交流出力を高電圧出力に変換する高電圧変圧器と、高電圧変圧器の出力を整流しX線管に直流電力を供給する整流回路と、制御回路とを備えたX線高電圧装置において、制御回路は、前記X線管のフィラメントを加熱するフィラメント加熱回路と、X線管の陽極を回転駆動する陽極回転駆動回路とを含む。インバータ回路は上述の第１または第２の態様の位相シフト型インバータ回路を用いる。【００２５】
本発明の第４の態様では、以下のようなX線ＣＴ装置が提供される。すなわち、被検体を挿入する開口を備えた円盤と、円盤の開口を挟んで対向する位置にそれぞれ搭載されたX線管およびX線検出器と、X線管に直流電力を供給するX線高電圧装置と、被検体を搭載して前記円盤の開口に挿入する寝台と、前記円盤を回転させる回転駆動部とを有するＸ線ＣＴ装置である。このX線高電圧装置としては、上述の第３の態様のX線高電圧装置を用いる。
【００２６】
本発明の第５の態様では、X線撮影装置が提供される。すなわち、X線管と、被検体を透過したX線を検出するX線受像部と、X線管に直流電力を供給するX線高電圧装置とを有するX線撮影装置である。このX線高電圧装置としては、上述の第３の態様のX線高電圧装置を用いる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、半導体スイッチ近傍で電流計測の必要がなく単体で電力と周波数の同時制御が可能となり、小型・軽量化、低価格化、高信頼性を実現できる。しかも、ZCSを実現可能であり、スイッチング損失を低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】（ａ）ハードスイッチングの場合の半導体スイッチの電圧波形と電流波形を示すグラフ、（ｂ）ソフトスイッチングの場合の半導体スイッチの電圧波形と電流波形を示すグラフ。
【図２】第１の実施形態における位相シフト型インバータ回路の構成を示すブロック図。
【図３】第１の実施形態における位相シフト型インバータ回路において、（ａ）インバータ電流がインバータ電圧より遅れている（インバータ動作周波数が共振周波数よりも高い）場合の各部の動作波形を示す説明図、（ｂ）インバータ電流がインバータ電圧よりも進んでいる（インバータ動作周波数が共振周波数よりも低い）場合の各部の動作波形を示す説明図。
【図４】第１の実施形態におけるインバータ電圧・電流位相差算出回路21と振周波数追従周波数制御回路22の構成を示すブロック図。
【図５】第１の実施形態におけるインバータ電圧の基本波信号A生成回路210の構成を示すブロック図。
【図６】第１の実施形態におけるインバータ電圧の基本波信号A生成回路210の動作波形とインバータ出力電圧波形を示す説明図。
【図７】第１の実施形態の電力制御位相差生成回路23の具体的な構成を示すブロック図。
【図８】図７の電力制御位相差生成回路23内の信号波形を示す説明図。
【図９】第２の実施形態におけるインバータ電圧・電流位相差算出回路21と共振周波数追従周波数制御回路22の構成を示すブロック図。
【図１０】第３の実施形態におけるインバータ電圧・電流位相差算出回路21と振周波数追従周波数制御回路22の構成を示すブロック図。
【図１１】第４の実施形態における位相シフト型インバータ回路の構成を示すブロック図。
【図１２】第４の実施形態におけるインバータ電圧・電流位相差算出回路21の構成を示すブロック図。
【図１３】第４の実施形態における位相シフト型インバータ回路において、（ａ）インバータ電流がインバータ電圧より遅れている（インバータ動作周波数が共振周波数よりも高い）場合の各部の動作波形を示す説明図、（ｂ）インバータ電流がインバータ電圧よりも進んでいる（インバータ動作周波数が共振周波数よりも低い）場合の各部の動作波形を示す説明図。
【図１４】第４の実施形態におけるインバータ電圧の基本波信号A’生成回路218の構成を示すブロック図。
【図１５】第５の実施形態における位相シフト型インバータ回路の構成を示すブロック図。
【図１６】第５の実施形態におけるインバータ電圧の基本波信号A’生成回路218の構成を示すブロック図。
【図１７】第６の実施形態における位相シフト型インバータ回路の構成を示すブロック図。
【図１８】第６の実施形態におけるインバータ電圧の基本波信号A’生成回路218の構成を示すブロック図。
【図１９】第７の実施形態におけるX線高電圧装置の構成を示すブロック図。
【図２０】第８の実施形態のX線CT装置の構成を示すブロック図。
【図２１】第９の実施形態のX線撮影装置の構成を示すブロック図。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
＜実施形態１＞
第１の実施形態のインバータ回路の概略図を図２に、その駆動信号等の波形を図３（ａ），（ｂ）に示す。【００３０】
第１の実施形態のインバータ回路は、インバータ回路部1とインバータ駆動回路部2とを含む。インバータ回路部1には、直流電源3が接続されている。インバータ回路部1の出力端子ａｂには負荷を含む共振回路4が接続される。【００３１】
インバータ回路部1は、アーム回路11、12を並列接続した構成である。アーム回路11は、ダイオード(D1,D2)111b、112bをそれぞれ並列に逆接続した半導体スイッチ(S1,S2)111a、112aを直列接続した回路である。アーム回路12は、ダイオード(D3,D4)121b、122bをそれぞれ並列に逆接続した半導体スイッチ(S3,S4)121a、122aを直列接続した回路である。出力端子ａは、アーム回路１１の中点（半導体スイッチ(S1)111aと半導体スイッチ(s2)112aとの間）に配置され、出力端子ｂは、アーム回路１２の中点（半導体スイッチ(S3)121aと半導体スイッチ(s4)122aとの間）に配置されている。各々の半導体スイッチ(S1〜S4)111a,112a,121a,122aには、図３（ａ）に示したような駆動信号（ゲート電圧信号）を与えるインバータ駆動回路部2が接続されている。【００３２】
インバータ駆動回路部2は、インバータ電圧・電流位相差算出回路21と、共振周波数追従周波数制御回路22と、電力制御位相差生成回路23と、デッドタイム生成回路25a〜25dと、反転論理回路24a,24bとを備えている。インバータ電圧・電流位相差算出回路21は、インバータ回路部1の出力電流Iinvを検出する電流センサ5から、その検出結果を取り込み、出力電流Iinvと、インバータ回路部1の出力電圧（インバータ電圧）との位相差を算出する。共振周波数追従周波数制御回路22は、インバータ電圧・電流位相差算出回路21で算出された位相差からインバータ回路部1の動作周波数を決定する。電力制御位相差生成回路23は、電力を制御するために半導体スイッチ111a,112a,121a,122aに供給する駆動信号の位相差PDを制御することにより出力電力を制御する。デッドタイム生成回路25a〜25dは、アーム回路11,12内の２つの半導体スイッチが同時にONして直流電圧が短絡するのを防ぐために、駆動信号の立ち上がりを所定時間（デッドタイムtd）だけ遅らせる。反転論理回路24は、インバータ回路を実現するためにアーム回路11,12の上下の半導体スイッチ（スイッチ(S1)111aとスイッチ(S2)112a）、（スイッチ(S3)121aとスイッチ(S4)122a）を反転動作させる。【００３３】
インバータ回路部1の動作原理のうち電圧信号のインバータ動作の原理と出力電力の制御は、特許文献１に記載されている公知のインバータ回路と同様であるのでここでは簡単に説明する。インバータ回路部１は、図３（ａ）に示すように(1)半導体スイッチ(S1)111aと半導体スイッチ(S4)122aに同時に駆動信号が入力されている場合、または、(2)半導体スイッチ(S2)112aと半導体スイッチ(S3)121aに同時に駆動信号が入力されている場合、に共振回路4に対して信号が出力される。いずれか一つの半導体スイッチのみに駆動信号が入力されている場合や、上記(1)または(2)の組み合わせ以外の組み合わせで駆動信号が入力されている場合には電圧信号は出力されない。【００３４】
出力電力の制御は、電力制御位相差生成回路23が、半導体スイッチ(S1)111aへの駆動信号と半導体スイッチ(S4)122aへの駆動信号の位相差、半導体スイッチ(S2)112aへの駆動信号と半導体スイッチ(S3)121aへの駆動信号の位相差をそれぞれ位相差PDに設定することにより行う。これにより、位相差PDが大きいほど、スイッチ(S1)111aとスイッチ(S4)122aとに同時に駆動信号が入力される時間が短くなり、同様にスイッチ(S2)112aとスイッチ(S3)121aとに同時に駆動信号が入力される時間が短くなる。よって、インバータ電圧の実効値が小さくなり、出力電力が減少する。位相差PDは、例えばPI補償器などを用いて制御する。位相差PDがゼロであれば一般的なPWMの50%デューティーで動作するインバータと等しい動作をし、位相差が大きくなるほど出力が絞られる動作となる。これにより、インバータ回路の出力電力を制御することができる。【００３５】
次に、本実施形態のインバータ回路のインバータ動作周波数の制御について説明する。本実施形態では、インバータ回路の出力電圧と出力電流の位相差に基づいてインバータ動作周波数を制御することを特徴とする。すなわち、インバータ回路部1の出力端子ａｂには負荷回路として、負荷を含む共振回路4が接続されているため、全体として共振回路と見ることができる。このため、インバータ回路の動作周波数（出力信号の周波数）が負荷を含む共振回路4の共振周波数と一致している場合には、インバータ回路の力率が１、つまりインバータ回路の出力電圧と出力電流の位相差がゼロになる。したがって、インバータ回路の出力電圧（インバータ電圧）と出力電流Iinvの位相差を検出し、これが一致するようにインバータ回路部１を制御することにより、インバータ回路の動作周波数を負荷を含む共振回路４の共振周波数に一致させながら、共振周波数が変動した場合にはこれに追従させることができる。【００３６】
また、インバータ回路の出力電圧の位相に対して出力電流Iinvの位相が遅れるように制御した場合には、一つの半導体スイッチに着目すると、図１（ｂ）に示したように、半導体スイッチをオンする時点で、電流が負極性を持つ（すなわちダイオードへ流れ、スイッチには流れない）ためZCSを実現できる。この場合、インバータ回路の動作周波数は、共振回路4の共振周波数よりわずかに高い状態でこれに追従する。【００３７】
このように、本発明では、インバータ回路の出力電圧と出力電流Iinvの位相差を検出し、この位相差をゼロもしくは所定値となるように制御することにより、インバータ回路の動作周波数を負荷の共振回路4の共振周波数に一致もしくは所定値だけずれた周波数で追従させることができる。【００３８】
第一の実施形態では、共振周波数にインバータ動作周波数を一致させながら、共振周波数の変動に追従させるための制御動作について説明する。【００３９】
図４に、インバータ電圧・電流位相差算出回路21と共振周波数追従周波数制御回路22の内部の構成を示す。また図３（ａ）には、図４に示した入力信号とインバータ電圧、及びA,B,C点の各信号の波形の一例を示す。図３（ａ）において点線で示したのは、インバータ回路の出力電圧（インバータ電圧）と出力電流（インバータ電流）Iinvの位相差が拡大した場合を示している。【００４０】
図４のようにインバータ電圧・電流位相差算出回路21は、インバータ電圧の基本波信号Ａ生成回路210と、ハイパスフィルタ（High  Pass  Filter）211と、コンパレータ212と、基本波信号Ａ生成回路210の出力とコンパレータ212の出力の排他的論理和を求める排他的論理和演算器214と、モノステーブルマルチバイブレータ213a,213bと、論理積演算器215a，215bと、加算器216とを有する。【００４１】
インバータ電圧の基本波信号Ａ生成回路210では、半導体スイッチ(S1)111aと半導体スイッチ(S3)121aの各駆動信号と、電力制御位相差生成回路23から出力された電力制御位相差制御量とを基に、インバータ電圧の基本波信号Aを生成する。インバータ電圧の基本波信号A生成回路210の構成と動作は後で述べる。一方、電流センサ5で検出されたインバータ電流Iinvは、ハイパスフィルタ211によって低周波成分がカットされ、コンパレータ212でゼロと比較される。これにより電流Iinvの正負の極性に応じたインバータ電流の基本波信号Bを得る。【００４２】
インバータ電圧の基本波信号A及びインバータ電流の基本波信号Bはそれぞれモノステーブルマルチバイブレータ213a,213bに入力され、それぞれの信号の立上り及び立下り時に任意のパルス幅信号を出力する。そのパルス幅はインバータ駆動周期の1/2より小さいパルス幅とする。一方、インバータ電圧の基本波信号Aとインバータ電流の基本波信号Bは排他的論理和演算器214で演算され、この演算結果は、先ほどのモノステーブルマルチバイブレータ213a,213bの出力とそれぞれ論理積演算器215a,215bをとり、加算器216でこの差分をとることにより、インバータ電圧とインバータ電流Iinvの位相差を示す信号Ｃを抽出している。この信号Ｃはパルス幅が位相差の大きさを表し、パルスが正のときは電流遅れ（インバータ電流Iinvの位相がインバータ電圧の位相よりも遅れている状態）を示し、インバータ動作周波数の方が共振周波数よりも高くなる。また、図３（ｂ）のように、信号Ｃのパルスが負のときは電流進み（インバータ電流Iinvの位相がインバータ電圧の位相よりも進んでいる状態）を示し、インバータ動作周波数の方が共振周波数よりも低くなる。【００４３】
一方、共振周波数追従周波数制御回路22は、図４のように増幅器221、PI補償器222、VCO（Voltage  Controlled  Oscillator）223を有する。インバータ電圧・電流位相差算出回路21の出力は、増幅器221により増幅され、PI補償器222で任意の応答が得られるよう比例制御と積分処理が行われ、VCO223においてPI補償器222の出力信号を基に周波数が調整され出力される。VCO223の出力信号は、デッドタイム生成回路25ａにより立ち上がりが所定のデッドタイムtdだけ遅延処理され、スイッチ(S1)111aに駆動信号として供給される。また、VCO223の出力信号は、反転論理回路24aで反転処理され、デッドタイム生成回路25bにより立ち上がりがデッドタイムtdだけ遅延処理され、スイッチ(S2)112aに駆動信号として供給される。【００４４】
電力制御位相差生成回路23は、出力電力を所定値にするため、スイッチ(S1)への駆動信号に対するスイッチ(S4)の駆動信号の位相差、スイッチ(S2)への駆動信号に対するスイッチ(S3)の駆動信号の位相差がそれぞれ所定の位相差PDとなるように、VCO223の出力信号の位相を遅らせる。その出力は、デッドタイム生成回路25cでデッドタイムtdだけ遅延され、スイッチ(S3)121aに駆動信号として供給される。また、反転論理回路24bで反転処理され、デッドタイム生成回路25bにより立ち上がりがデッドタイムtdだけ遅延処理され、スイッチ(S4)122aに駆動信号として供給される。【００４５】
図５に、図４に示したインバータ電圧の基本波信号A生成回路210の内部構成を示す。また図６は、図５の幾つかの点の波形の一例である。点線で示した波形は、位相差が更に広がった場合を示している。インバータ電圧の基本波信号A生成回路210は、インバータ出力電圧の正極性のパルス幅の中心と、等しい中心を持つパルス幅でデューティー50%の波形を生成する。【００４６】
インバータ電圧の基本波信号A生成回路210は半導体スイッチ(S1)111aの駆動信号と電力制御位相差生成回路23の出力する制御量信号（以下、電力制御位相差制御量信号と呼ぶ）と、半導体スイッチ(S3)121aの駆動信号と、内部で生成したのこぎり波を用いて演算する構成である。具体的には、インバータ電圧の基本波信号A生成回路210は、のこぎり波生成回路2101と、モノステーブルマルチバイブレータ2102と、サンプルホールド回路2103と、加算器2104a、2104bと、増幅器2105と、コンパレータ2106と、Dフリップフロップ回路2107とを有している。【００４７】
のこぎり波生成回路2101は、半導体スイッチ(S1)111aの駆動信号の立上りと立下りのタイミングでリセットされ、ピークa[V]（例えば5V）ののこぎり波を生成する。電力制御位相差制御量信号は、半導体スイッチS1とS4の位相差PDを示すアナログ量で、位相差PDがゼロのときはa[V]、最大のπのときは0[V]といった値を持つ。加算器2104aでのこぎり波のピーク値a[V]と制御量信号の差分をとり、これを増幅器2105で1/2倍し、更にこの信号を加算器2104bで電力制御位相差制御量と加算したものを閾値とし、のこぎり波の上り勾配線とクロスするタイミングで、基本波信号Aの立上り／立下りのタイミングを生成するようコンパレータ2106が動作している。Dフリップフロップ回路2107では、コンパレータ2106のパルスのタイミングでS1駆動信号と逆の極性の信号を生成する。【００４８】
このように構成することで、インバータ電圧が0Vの期間の中点のタイミングで立上り、立下りを繰り返す、インバータ電圧の基本波信号Aが生成される。つまり、インバータ出力電圧の正極性のパルス幅の中心と、等しい中心を持つパルス幅でデューティー50%の波形が生成される。【００４９】
なお図５では、電力制御位相差制御量信号は、加算器2104aや2104bに直接入力せず、サンプルホールド回路2103を通してから入力している。これは、電力制御位相差制御量が揺らぎを持った信号のため、加算器2104aと2104bに僅かながら別の値が入力され、演算結果にオフセットが生じてしまうのを防ぐためである。サンプルホールド回路2103は、図６のように、電力制御位相差制御量とのこぎり波のクロス点でサンプリングすることで，のこぎり波ピーク値までの中点を割り出している。モノステーブルマルチバイブレータ2102は、半導体スイッチ(S3)121aの駆動信号の立ち上がりと立下りのタイミング信号を生成する。このタイミングを用いてサンプルホールド回路2103は、サンプルホールドを行っている。ただし、サンプルホールドのタイミングはスイッチS3の駆動信号に限らなくてもよい。また、のこぎり波生成回路2101で生成するのこぎり波の周期もS1駆動信号の立上りと立下りに同期したものとしているが、これに限らず、インバータ出力電圧の正極性のパルス幅の中心と等しく、デューティーが50%の波形を生成するという機能を達成するインバータ電圧の基本波信号A生成回路210の構成となっていればよい。【００５０】
ここで、図７および図８を用いて電力制御位相差生成回路23の構成と動作について具体的に説明する。図７は、電力制御位相差生成回路23の内部の回路構成を示す図であり、図８は、電力制御位相差生成回路23内の所定箇所の信号波形を示す図である。電力制御位相差生成回路23は、図７のように、目標電圧波形保持部2301と、インバータ出力電圧算出部2302と、加算器2303と、PI補償器2304と、リミッタ2305と、比較器2306と、Dフリップフロップ回路2307とを備えている。目標電圧波形保持部2301には、あらかじめ定めた目標とするインバータ出力波形が保持されている。インバータ出力電圧算出器2302は、半導体スイッチ(S1,S2,S3,S4)111a,112a,121a,122aに供給される駆動信号を取り込んで、これらの駆動信号からインバータ回路部1のインバータ出力電圧波形を算出する。半導体スイッチ(S1,S2,S3,S4)111a,112a,121a,122aの駆動信号から、インバータ出力電圧波形を算出する方法は、公知であるので簡単に説明するが、例えば、インバータ回路部1に直流電源3から供給される直流電圧を±Vdcとすると、半導体スイッチS1とS4が同時にオンのときは、インバータ出力電圧は＋2Vdcであり、どちらかがオフのときはゼロになる。また、スイッチS2とS3が同時にオンのときは、インバータ出力電圧は−2Vdcとなり、どちらかがオフのときはゼロになる。これにより、インバータ出力電圧算出器2302はインバータ出力電圧波形を算出する。【００５１】
加算器2303は、目標電圧波形保持部2301の出力波形と、インバータ出力電圧算出器2302が算出したインバータ出力電圧波形の差分を求め、この差分信号をPI補償器2304により比例制御と積分処理し、リミッタ2305において最大値をa[V]とする制限をかける。これらの処理により得られる信号が、電力制御位相差制御量信号である。電力制御位相差制御量信号は、半導体スイッチS1とS4の位相差PDを示すアナログ量であり、位相差PDがゼロのときはa[V]、最大のπのときは0[V]の値をとる。比較器2306は、リミッタ2305から出力される電力制御位相差制御量信号と、上述ののこぎり波生成回路2101から取り込んだのこぎり波信号とを比較し、両信号の大小関係が入れ替わるタイミングで出力値が切り替わる波形を出力する。電力制御位相差制御量信号と、のこぎり波の波形の一例を図８に示す。【００５２】
コンパレータ2306の出力は、Dフリップフロップ回路2307のC端子に入力される。D端子には、共振周波数追従周波数制御回路22の出力するスイッチS1（またはS2)の駆動信号が入力される。これにより、コンパレータ2306の出力信号（C端子）の立ち上がりタイミングで、スイッチS1（またはS2)の駆動信号の値が保持された波形がQ端子から出力される。Dフリップフロップ2307のQ端子の出力波形は、スイッチS3（またはS4)の駆動信号である。スイッチS3の駆動信号は、デッドタイム生成回路25cで所定量遅延され、スイッチ(S3)121aへ供給される。また、スイッチS3の駆動信号は、反転論理回路24bで反転されることによりスイッチS4の駆動信号となり、デッドタイム生成回路25dで所定量遅延され、スイッチ(S4)122aへ供給される。【００５３】
このような電力制御位相差生成回路23内の処理により、スイッチS1とS4の駆動信号の位相差PDを制御することができ、インバータ回路部1の出力電力を制御することができる。なお、リミッタ2305から出力される電力制御位相差制御量信号は、インバータ電圧・電流位相差算出回路21に受け渡され、サンプルホールド回路2103に入力される。【００５４】
このように構成することで、インバータ回路の出力電圧と出力電流Iinvの位相差を検出し、この位相差をゼロになるように制御することができるため、インバータ回路の動作周波数を負荷の共振回路4の共振周波数に一致もしくは所定値だけずれた周波数で追従させることができる。これにより、特許文献１のように電流センサをインバータのアーム回路に挿入する必要がなくなり、サージ電圧を防ぎ、信頼性が高く、小型化された位相シフト型インバータ回路を提供することができる。【００５５】
＜実施形態２＞
第１の実施形態では、インバータ動作周波数を共振周波数に一致させるための回路構成について説明した。第２の実施の形態では、インバータ回路の出力電圧の位相に対して出力電流Iinvの位相が遅れるように制御することにより、図１（ｂ）に示したように、半導体スイッチをオンする時点で、電流が負極性を持つ（すなわちダイオードへ流れ、スイッチには流れない）ようにし、ZCSを実現するための回路構成について説明する。この場合、インバータ回路の動作周波数は、共振回路4の共振周波数よりわずかに高い状態でこれに追従する。【００５６】
図９に、第２の実施形態におけるインバータ電圧・電流位相差算出回路21と共振周波数追従周波数制御回路22を示す。第２の実施形態は、第１の実施形態と基本的な構造は同様であるが、インバータ電圧・電流位相差算出回路21の内部構成が異なる。第１の実施形態では、図４のようにインバータ電圧の基本波信号A生成回路210の出力が、直接モノステーブルマルチバイブレータ213a及び排他的論理和演算器214に入力されていたが、第２の実施形態では、図９に示したようにインバータ電圧の基本波信号A生成回路210の後段にディレイ追加回路217を挿入している。これにより、インバータ電圧の基本波信号Ａは、常にディレイ追加回路217で設定された分の遅れが生じる。ディレイ追加回路217に設定する遅れは、例えばインバータの最大周波数で動作させたときのインバータ電圧の最小パルス幅よりも小さな時間とする。なお、第１の実施形態と同様な構成については説明を省略する。【００５７】
このような構成にすることにより、インバータ電流Iinvがインバータ電圧に対して遅れた位相で制御されるため、半導体スイッチをオンする時点で、電流が負極性を持つ（すなわちダイオードへ流れ、スイッチには流れない）ようにでき、ZCSを実現することができる。なお、インバータ回路の動作周波数は、負荷を含む共振回路4の共振周波数に対して所定の量だけ高い周波数で追従するため、共振周波数の変動に追従しながら、ZCSを実現できる。【００５８】
＜実施形態３＞
第３の実施形態のインバータ回路は、第２の実施形態と同様にインバータ回路の出力電圧の位相に対して出力電流Iinvの位相が遅れるように制御し、ZCSを実現するというインバータ回路であるが、第２の実施形態のようにディレイ追加回路217をインバータ電圧・電流位相差算出回路21に配置するのではなく、図１０に示したように共振周波数追従周波数制御回路22の内部に差分演算器224を配置する。他の構成は、第１の実施形態と同様であるので同様な構成については説明を省略する。【００５９】
図１０に、第３の実施形態におけるインバータ電圧・電流位相差算出回路21と共振周波数追従周波数制御回路22を示す。増幅器221の後段に差分演算器224が追加されている点が第１および第２の実施形態と異なる。差分演算器224により増幅器221の出力は目標値との差分をとる演算がされ、PI補償器222へ入力される。【００６０】
このように構成することで、インバータ電圧とインバータ電流の位相差がある目標値に達するよう常に制御されるので、インバータ電流Iinvがインバータ電圧に対して所定値だけ遅れた位相となり、ZCSを達成することができる。また、インバータ回路の動作周波数は、負荷を含む共振回路4の共振周波数に対して所定の量だけ高い周波数で追従するため、共振周波数の変動に追従することができる。【００６１】
この差分演算器224は、増幅器221の前段に備わっていても効果は同様である。【００６２】
＜実施形態４＞
第４の実施形態のインバータ回路は、図１１に示すように、第２の実施形態と同様にインバータ回路の出力電圧の位相に対して出力電流Iinvの位相が遅れるように制御し、ZCSを実現するというインバータ回路であるが、インバータ駆動回路部２の内部構成は第１及び第２の実施形態とは異なる。第１の実施形態では、インバータ電圧・電流位相差算出回路21へは、インバータ電流検出信号、S1及びS3駆動信号、そして電力制御位相差制御量を入力としていたが、第４の実施形態では、図１１のようにインバータ電流検出信号、S1〜S4全ての駆動信号を入力としており、電力制御位相差制御量はインバータ電圧・電流位相差算出回路21へ入力しない構成である。これに伴い、インバータ電圧・位相差算出回路21及びインバータ電圧の基本波信号A’生成回路218の内部構成が第１の実施形態と異なる。【００６３】
図１２に、インバータ電圧・電流位相差算出回路21の構成を示す。また図１３（ａ）、（ｂ）は、図１２に示した入力信号とインバータ電圧、及びA’,B,C’点の各信号の波形の一例である。点線で示したのは、更に位相差が拡大した場合を示している。図１４に、インバータ電圧の基本波信号A’生成回路218の構成を示す。【００６４】
図１２のように半導体スイッチ(S1〜S4）全ての駆動信号は、インバータ電圧の基本波信号A’生成回路218に入力され、インバータ電圧の基本波信号A’が生成される。【００６５】
図１４のように、インバータ電圧の基本波信号A’生成回路218においては、半導体スイッチ(S1〜S4)111a,112a,121a,122aの駆動信号を基に、S1駆動信号とS4駆動信号の論理積2181aの出力信号、および、S2駆動信号とS3駆動信号の論理積2181bの出力信号を求める。これらをSet-Resetフリップフロップ回路2182に入力し、デッドタイム生成回路2183でデッドタイム分の遅延を生じさせて、インバータ電圧の基本波信号A’を得る構成である。
【００６６】
本実施形態でのインバータ電圧の基本波信号A’は、図１３（ａ）のようにインバータ電圧がゼロ電圧から正極性及び負極性パルスが生じるタイミングで反転するデューティー50%の信号である。本インバータ電圧の基本波信号A’とインバータ電流の基本波信号Bを基に後段の位相差制御を実施すると、常にインバータ電流をインバータ電圧に対して遅れた位相で制御することができ、ZCSを実現できる。同時に、インバータ回路の動作周波数は、負荷を含む共振回路4の共振周波数に対して所定の量だけ高い周波数で、その変動に追従ことができる。【００６７】
このように構成することで、本実施形態のインバータ電圧の基本波信号A’生成回路218は、第２〜第３の実施形態のインバータ電圧の基本波信号Ａ生成回路21よりも素子数を少なくすることができる。よって、素子数が少なく簡便で小型化されたインバータ回路で、ZCSを達成することができる。【００６８】
なお、本実施形態の回路構成により、図１３（ｂ）のようにインバータ電圧基本波A'に対して電流を進めることも可能である。【００６９】
＜実施形態５＞
図１５に、第５の実施形態のインバータ回路のブロック図を示す。第５の実施形態は、第４の実施形態と基本的な構造は同様であるが、インバータ駆動回路部２の内部が異なる。第４の実施形態では、インバータ電圧・電流位相差算出回路21へは、すべてのスイッチ(S1〜S4)111a,112a,121a,122aの駆動信号を入力しているが、第５の実施形態ではスイッチ(S4)122aの駆動信号のみをインバータ電圧・電流位相差算出回路２１に入力としている。これに伴い、インバータ電圧・位相差算出回路21での内部構成すなわちインバータ電圧の基本波信号A’生成回路218が第４の実施形態と異なる。【００７０】
図１６に、第５の実施形態におけるインバータ電圧の基本波信号A’生成回路218の構成を示す。図１６のようにインバータ電圧の基本波信号A’生成回路218は、スイッチ(S4)122aの駆動信号に所定時間OFFタイムを生成するデッドタイム生成回路2183のみを備えている。すなわち第５の実施形態では、インバータ電圧の基本波信号A’は、S1〜S4の全スイッチの駆動信号から生成するのではなく、S4の駆動信号のみを基に生成する。デッドタイムがないと仮定し、ブール代数やカルノー図を用いてインバータ電圧の基本波信号A’が生成される論理式を単純化すると、S4の駆動信号に等しくなることから、本実施形態ではこれを利用した。実際にはデッドタイムが存在するため、これを考慮し、デッドタイム生成回路2183により、S4の駆動信号の立ち上がりを所定時間遅らせ、デッドタイムを形成することによりインバータ電圧の基本波信号A'を生成する。【００７１】
このように第５の実施形態では、第４の実施形態と比較して単純な回路構成でインバータ電圧の基本波信号A’を生成することができる。よって、第４の実施形態のインバータ回路と比較してさらに素子数が少なく簡便で小型化されたインバータ回路で、ZCSを達成することができる。同時に、インバータ回路の動作周波数は、負荷を含む共振回路4の共振周波数に対して所定の量だけ高い周波数で、共振周波数の変動に追従ことができる。【００７２】
＜実施形態６＞
図１７に、第６の実施形態のインバータ回路のブロック図を示す。第６の実施形態のインバータ回路は、第５の実施形態と基本的には同様の動作であり、インバータ電圧の基本波信号A’を半導体スイッチ(S4)122aの駆動信号のみを基に生成する。ただし、第５の実施形態では、S4駆動信号をインバータ電圧・電流位相差算出回路21に入力し、デッドタイム生成回路2183によってS4駆動信号にデッドタイムを形成することにより基本波信号A'を形成したが、第６の実施形態では、デッドタイム生成回路25dを通った後のS4駆動信号をインバータ電圧・電流位相差算出回路21に取り込む。【００７３】
これにより、すでにデッドタイムが追加されたS4駆動信号をインバータ電圧・電流位相差算出回路21に取り込むことができるため、図１８に示したようにインバータ電圧の基本波信号A’生成回路218にはデッドタイム生成回路を配置する必要がない。【００７４】
このように構成することで、第５の実施形態と比較してさらに素子数を低減したインバータ回路を提供することが可能になる。よって、第５の実施形態のインバータ回路と比較してさらに素子数が少なく簡便で小型化されたインバータ回路で、ZCSを達成することができる。同時に、インバータ回路の動作周波数は、負荷を含む共振回路4の共振周波数に対して所定の量だけ高い周波数で共振周波数の変動に追従する。
【００７５】
なお、本実施形態ではデッドタイム生成回路25dの出力がインバータ電圧・電流位相差算出回路21へも入力される。このため、デッドタイム生成回路25dと半導体スイッチ122a間のインピーダンスが、半導体スイッチ(S1〜S3)111a,112a,121aとデッドタイム生成回路25a〜25c間のインピーダンスと異なってしまう。そこで、デッドタイム生成回路25a,25b,25c,25dと半導体スイッチ111a,112a,121a,122aのそれぞれの間が同じインピーダンスになるように対策をとることが望ましい。例えば、インバータ電圧・電流位相差算出回路21をハイインピーダンス入力とする方法が考えられる。これにより、インバータにおける半導体スイッチの駆動信号がアンバランスになることに起因する誤動作発生を防止することができる。【００７６】
以上の第１〜第６の実施形態では、半導体スイッチ(S1〜S4)の駆動信号や電力制御位相差制御量を基に、インバータ電圧の基本波信号A及びA’を生成している。しかし、インバータ電圧の基本波信号A及びA’の生成には他の様々な方法が考えられる。インバータ電圧の基本波信号Aについては、インバータ出力電圧の正極性のパルス幅の中心と、等しい中心を持つパルス幅でデューティー50%の波形であればよく、インバータ電圧の基本波信号A’については、インバータ電圧がゼロ電圧から正極性及び負極性パルスが生じるタイミングで反転するデューティー50%の信号であれば、以上の実施形態で示した構成に限らない。【００７７】
また、第５及び第６の実施形態で示したインバータ電圧の基本波信号A’は、インバータ電圧がゼロ電圧から正極性及び負極性パルスが生じるタイミングで反転するデューティー50%の信号としている。しかし、周辺の回路素子が持つそれぞれの遅延特性を考慮し、本来の動作波形より若干遅れたタイミングで反転したほうが実設計上、より確実に動作できる。このため、インバータ電圧の基本波信号A’生成回路の内部の最後段、またはインバータ電圧の基本波信号A’生成回路直後に、ディレイ回路を追加することもできる。【００７８】
以上の第２〜第６の実施形態のように構成することで、インバータ動作周波数は負荷を含んだ共振回路4の共振周波数より高い周波数に保持するよう制御され、ZCSを達成しつつ、共振周波数への追従が実現される。また、半導体スイッチにロスレススナバコンデンサが並列接続されていればZVSも達成され、スイッチング損失を大幅に低減することができ、信頼性の高いインバータ回路を提供することができる。【００７９】
＜実施形態７＞
第７の実施形態として、これまで述べた第１〜第６の実施形態を用いたX線高電圧装置について、図１９を用いて説明する。【００８０】
本実施形態のX線高電圧装置7は、図１９に示すように、位相シフト型のインバータ回路部1と、直流電源3と、その制御回路73と、電流検出器5と、高電圧変圧器71と、整流回路72とを含む。整流回路72にはX線管8が接続されている。制御回路73は、インバータ駆動回路部2と、フィラメント加熱回路731と、陽極駆動回路732とを備えている。インバータ回路部1およびインバータ駆動回路部2としては、上述の第１〜第６の実施の形態のいずれかのインバータ回路を用いる。【００８１】
直流電源3は、位相シフト型のインバータ回路部1に接続され、その出力となる高周波電圧が高電圧変圧器71により絶縁され且つ高電圧に変換され、次に整流回路72により整流され直流電圧を生成する。整流回路72から出力される直流高電圧はX線管8に印加され、X線となって被検体に照射される。X線管8に印加された電圧と電流は各々検出値としてX線高電圧装置7内の制御回路73に入力される。制御回路73のインバータ駆動回路部2には、位相シフト型インバータ回路部1の出力電流を検出する電流センサ5が接続され、位相シフト型インバータ回路部1内部の半導体スイッチを駆動する。位相シフト型インバータ回路部1およびインバータ駆動回路部2の動作や構成については第１〜第６の実施形態で述べた内容と同様である。【００８２】
フィラメント加熱回路731は、X線管8のフィラメントを加熱する。これにより、X線管8では加熱されたフィラメントから熱電子が飛び出し、陽極に衝突することで熱とX線を生成する。熱電子が衝突する陽極は、その熱容量が非常に大きいことから、陽極自身を回転させ、エネルギーを分散することで熱容量を大きくする一般的な構造のものを用いることができる。X線管8の陽極は真空容器内に包容されており、真空容器外から回転磁界を与えることで隔離された陽極を回転駆動する。陽極駆動回路732は、回転磁界を発生させるための電力を供給する回路である。【００８３】
このように構成したX線高電圧装置7は、X線管8へ供給する管電圧と管電流の設定を操作者から受け付け、制御回路73が設定値になるようインバータ回路部1を制御する。管電圧と管電流の設定値は、80kV,800mAや140kV,5mAというように単純に等価抵抗に置き換えると、100kΩ〜28MΩという広い領域を持つ。また高電圧変圧器71は、変圧器の特性からインダクタンス成分を持ち、また高い絶縁性と高巻数比を持つために巻線の浮遊容量すなわちキャパシタンス成分を持つため、共振点を持っている。整流回路72は、ダイオードのみから構成する全波整流器だけでなく、倍電圧整流回路や全波多倍昇圧回路なども実用化されている。このような回路構成の場合コンデンサを含むため、更に共振回路が複雑化する。【００８４】
インバータ回路部1の負荷としては、高電圧変圧器71、整流回路72、X線管8の合成回路となり、そのインピーダンスは広い範囲を持ち、且つ設定したX線条件により共振周波数が異なることになる。インバータ駆動回路部2は、第１〜第６の実施形態で述べたように、インバータ電圧とインバータ電流の基本波信号を生成し、インバータ動作周波数は共振周波数に追従する。【００８５】
また、第２〜第６のいずれかの実施形態のインバータ駆動回路部2を用いた場合には、インバータ電流がインバータ電圧に対して遅れた位相となるようにインバータ動作周波数は共振周波数より高い周波数に保持・制御されるので、インバータ回路部1ではZCSが達成される。また、半導体スイッチにロスレススナバコンデンサが接続されていればZVSも達成され、スイッチング損失を大幅に低減することができ、信頼性の高いX線高電圧装置を提供することができる。【００８６】
また、本実施形態のX線高電圧装置を用いることによりX線CT装置やレントゲン装置を構成することが可能である。これにより、X線高電圧装置におけるスイッチング損失が少なく、かつ、負荷変動に追従することができるため、エネルギー効率がよく安定運転が可能なX線CT装置やレントゲン装置を提供できる。【００８７】
＜実施形態８＞
第８の実施形態として、上記第７の実施形態のX線高電圧装置を用いたX線CT（Computer  Tomography）装置について、図２０を用いて説明する。【００８８】
図２０は本発明を適用したX線CT装置301の全体構成図である。この装置はスキャンガントリ部300と操作卓320とを備える。【００８９】
スキャンガントリ部300は、X線管8と、回転円盤302と、コリメータ303と、X線検出器306と、データ収集装置307と、寝台305と、ガントリ制御装置308と、寝台制御装置309と、X線高電圧装置7と、を備えている。X線管8は寝台305上に搭載された被検体にX線を照射する装置である。コリメータ303はX線管8から照射されるX線の照射範囲を制御する装置である。X線検出器306は、X線管8と対向配置され被検体を透過したX線を検出する装置である。回転円盤302は、寝台305上に搭載された被検体が入る開口部304を備えるとともに、X線管8とX線検出器306を搭載し、被検体の周囲を回転する駆動部を備える。X線検出器306は、複数(例えば1000個)の検出素子を回転円盤302の回転方向(チャンネル方向ともいう)に配置した構成である。複数の検出素子は、回転方向の並びを1列としたときに、この列を回転円盤302の回転軸方向(スライス方向ともいう)に多列(例えば64列)並べたものであっても良い。【００９０】
X線高電圧装置7は、X線管8へ供給する管電圧と管電流を供給する装置であり、第７の実施形態のX線高電圧装置7を用いる。データ収集装置307は、X線検出器306で検出されたX線を所定の電気信号に変換する装置である。ガントリ制御装置308は回転円盤302の回転を制御する装置である。寝台制御装置309は、寝台305の上下動および前後動（回転円板302の回転軸方向の移動）を制御する装置である。【００９１】
操作卓320は、入力装置321と、画像演算装置322と、表示装置325と、記憶装置323と、システム制御装置324とを備えている。入力装置321は、被検体氏名、検査日時、撮影条件などを入力するための装置であり、具体的にはキーボードやポインティングデバイス等である。画像演算装置322は、データ収集装置307から送出される計測データを演算処理してCT画像再構成を行う装置であり、具体的には演算処理を実行するCPU(Central  Processing  Unit)、若しくは専用の演算回路である。表示装置325は、画像演算装置322で作成されたCT画像を表示する装置であり、具体的にはCRT(Cathode  Ray  Tube)や液晶ディスプレイ等である。記憶装置323は、データ収集装置307で収集されたデータ及び画像演算装置322で作成されたCT画像の画像データを記憶する装置であり、具体的にはHD(Hard  Disk)などである。システム制御装置324は、これらの装置及びガントリ制御装置308と寝台制御装置309とX線高電圧装置7を制御する装置である。【００９２】
X線管8は、入力装置321から入力された撮影条件(管電圧や管電流など)になるように、X線高電圧装置7によって制御された管電流および管電圧が供給され、X線を照射する。X線高電圧装置7の構成は、第７の実施形態で説明した通りであるので、ここでは説明を省略する。【００９３】
X線管8から照射され被検体を透過したX線は、X線検出器306に備わるX線検出素子によって検出される。この間、回転円板302は、X線管8とX線検出器306とを回転させることにより、被検体の各方向からX線が照射され、検出されるようにする。回転円盤302の回転速度は、入力装置321から入力された撮影条件(スキャン速度など)となるようにガントリ制御装置308により制御される。また、X線が照射されて検出されている間、寝台305は、寝台制御装置309の制御により、被検体を体軸方向に移動させ、入力装置321から入力された撮影条件(らせんピッチなど)となるように動作する。【００９４】
X線検出器306の出力信号は、データ収集装置307により収集される。データ収集装置307で収集された投影データは、画像演算装置322へ送出される。画像演算装置322は、投影データを再構成演算してCT画像とする。再構成されたCT画像は表示装置325に表示され、また撮影条件とともに画像データとして記憶装置323に記憶される。【００９５】
また、本実施形態のX線CT装置に、本発明のX線高電圧装置7を用いることにより、X線高電圧装置におけるスイッチング損失が少なく、かつ、負荷変動に追従することができるため、エネルギー効率がよく安定運転が可能なX線CT装置を提供することができる。【００９６】
＜実施形態９＞
第９の実施形態として、上記第７の実施形態のX線高電圧装置を用いたX線撮影装置について、図２１を用いて説明する。【００９７】
図２１に示すように、本実施形態のX線撮影装置405は、X線検査室の操作室401と撮影室402とに跨って設置されている。病院におけるX線検査室の操作室401と撮影室402は、X線に対する防護壁403によって隔離されている。防護壁403には、鉛ガラスによりなる窓404が設けられている。【００９８】
撮影室402には、X線撮影装置405の主要な構成が設置されている。具体的には、X線管8と、X線管支持装置410と、コリメータ411と、X線受像装置412a、412bと、X線高電圧装置7と、制御装置413とがそれぞれ所定の位置に設置されている。X線管8は、被検体に照射するX線を発生する装置である。X線高電圧装置7は、設定された管電圧および管電流をX線管8に供給する。X線高電圧装置7は、第７の実施形態の装置であるので、ここではその詳細な構造については説明を省略する。【００９９】
X線管支持装置410は、図２１の紙面上下方向に伸縮可能な構造を有するＬ字型の伸縮部415を有している。伸縮部415のＬ字型の端部にはX線管8が保持されている。X線管支持装置410は、天井416に配設されたレール417に取り付けられている。X線管支持装置410は、レール417に沿って図２１の紙面左右方向に移動可能な構造となっている。コリメータ411は、X線の照射野を決定する。【０１００】
X線受像装置412a、412bは、被検体を透過したX線を受像する装置であって、本実施形態では２台配置されている。一方のX線受像装置412aは、被検体を立位の状態で撮影するためのものであり、他方のX線受像装置412bは、被検体が横になった状態で撮影するためのものである。立位用のX線受像装置412aは、フイルムやイメージングプレートの入った撮影用カセッテ419と、この撮影用カセッテ419を支持する支持台420とを有する構成になっている。臥位用のX線受像装置412bは、撮影台422と、その内部に配置されたフイルムやイメージングプレートの入った撮影用カセッテ421とを含む。立位用のX線受像装置412aを用いる場合には、図２１のようにX線管8とコリメータ411を立位用のX線受像装置412aに向けて横向きに配置し、臥位用のX線受像装置412bを用いる場合は、X線管8とコリメータ411を下向きにし、X線受像装置412bに向けてX線が照射されるようにする。【０１０１】
尚、撮影用カセッテ419、421に替えて、イメージインテンシファイヤとＴＶカメラとを組み合わせてX線画像を動画で出力する構成や、フラットパネルディテクタ（ＦＰＤ）を備えてX線画像を出力する構成でも良いものとする。【０１０２】
操作室401には、操作器406が設置されている。この操作器406は、操作卓407と、操作卓407を支持する支持台408とを有して構成されている。操作卓407は、X線管8の管電圧、管電流、撮影時間等の撮影条件の設定を操作者から受け付ける操作部と、表示部とを備えている。表示部には、受け付けた設定条件や、X線受像装置412a、412bが受像した画像が表示される。また、操作卓407には、X線高電圧装置7を作動させるためのスイッチ、コリメータ411の開閉量を調節するための操作ボタン等が設けられている。【０１０３】
制御装置413は、上記の各装置をそれぞれ制御するとともに、X線受像装置412a、412bが受像した画像の表示制御を行う。また、制御装置413には、記憶装置が内蔵されており、撮影条件と撮影画像とが格納される。【０１０４】
また、本実施形態のX線撮影装置に、本発明のX線高電圧装置を用いることにより、X線高電圧装置におけるスイッチング損失が少なく、かつ、負荷変動に追従することができるため、エネルギー効率がよく安定運転が可能なX線撮影装置を提供することができる。
【符号の説明】
【０１０５】
1…インバータ回路部、2…インバータ駆動回路部、3…直流電源、4…負荷を含む共振回路、5…電流センサ、7…X線高電圧装置、8…X線管、11,12…アーム回路、21…インバータ電圧・電流位相差算出回路、22…共振周波数追従周波数制御回路、23…電力制御位相差生成回路、24a,25b…反転論理回路、25a,25b,25c,25d,2183…デッドタイム生成回路、71…高電圧変圧器、72…整流回路、73…制御回路、111a,112a,121a,122a…半導体スイッチ、111b,112b,121b,122b…ダイオード、210…インバータ電圧の基本波信号A生成回路、211…ハイパスフィルタ（High  Pass  Filter）、212,2106…コンパレータ、213a,213b,2102…モノステーブルマルチバイブレータ、214…排他的論理和演算器、215a,215b,2181a,2181b…論理積演算器、216,224,2104a,2104b…加算器、217…ディレイ追加回路、218…インバータ電圧の基本波信号A’生成回路、221,2105…増幅器、222…PI補償器、223…VCO（Voltage  Controlled  Oscillator）、300…スキャンガントリ、302…回転円盤、303…コリメータ、305…寝台、306…X線検出器、307…データ収集装置、308…ガントリ制御装置、309…寝台制御装置、320…操作卓、321…入力装置、322…画像演算装置、323…記憶装置、324…システム制御装置、325…表示装置、401…操作室、402…撮影室、403…防護壁、404…窓、405…X線撮影装置、406…操作器、407…操作卓、408…支持台、410…X線管支持装置、411…コリメータ、412a,412b…X線受像装置、413…制御装置、415…伸縮部、416…天井、417…レール、419…撮影用カセッテ、420…支持台、421…撮影用カセッテ、422…撮影台、731…フィラメント加熱回路、732…陽極駆動回路、2101…のこぎり波生成回路、2103…サンプルホールド回路、2107…Dフリップフロップ回路、2182…Set-Resetフリップフロップ回路
【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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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