(57)【要約】  少なくとも１つのインバータ（１１、１２、１３）、少なくとも１つの変成器（１１１、１２１、１３１）及び、X線管（１５）用電源電圧を生成する少なくとも１つの電圧カスケード（１１２、１２２、１３２）、を有するX線生成器用電源。比較的小重量及び低リプル又は出力静電容量で実現し得る出力電力増加を実現するよう、電圧カスケード接続が、その静電容量及び変成器（１１１、１２１、１３１）の標遊インダクタンスに関して、インバータの適切な制御によって共振モードにおいて動作させることが可能なように、企図されている。上記の特性については、特に、2相実施例又は３相実施例をX線システムと組み合わせてコンパクトなタンク・ジェネレータを形成することが効果的である。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源であって：
少なくとも１つのインバータ；
を有し、該インバータに対して、少なくとも１つの電圧カスケード接続が、該インバータに印加された入力電圧を出力DC電圧に変換するよう、接続されて、更に：
スイッチング電圧を生成する制御回路；
を有し、該制御回路によって前記少なくとも１つのインバータを、共振電流が前記少なくとも１つの電圧カスケード接続において印加されるよう、スイッチング周波数で動作させることが可能であることを特徴とする電源。
【請求項２】
請求項１記載の電源であって、前記制御回路は、前記スイッチング電圧の周波数及び/又はパルス・デューティ・ファクタを、前記出力DC電圧及び出力電流を変動させるよう、調節し得るような方法で、配置され、複数のインバータが位相シフトによって制御可能であることを特徴とする電源。
【請求項３】
請求項１記載の電源であって、前記少なくとも１つの電圧カスケード接続がダイオード配列及び中間スライド・コンデンサの直列接続によって形成され、出力静電容量が前記出力電圧を平滑化するよう備えられていることを特徴とする電源。
【請求項４】
請求項１記載の電源であって、漂遊インダクタンスが前記電圧カスケード接続の静電容量とともに共振回路を形成する変成器は、前記少なくとも１つのインバータと前記少なくとも１つの電圧カスケード接続との間で、接続されることを特徴とする電源。
【請求項５】
請求項１記載の電源であって、複数の電圧カスケード接続には複数の段が備えられ、電圧カスケード接続の相当段の電圧が接続リード線によってお互いに接続されていることを特徴とする電源。
【請求項６】
請求項２乃至５何れか記載の電源であって、変成器がプレーナ手法で、プリント回路基板上にプリントされたトラックの形態でのインダクタンスとして、構成されることを特徴とする電源。
【請求項７】
タンク・ジェネレータであって、X線源及びX線生成器を備え、該X線生成器が請求項１乃至６何れか記載の電源を有することを特徴とするタンク・ジェネレータ。
【請求項８】
X線生成器であって、請求項１乃至６何れか記載の電源を備えたことを特徴とするX線生成器。
【請求項９】
X線システムであって：
X線源；及び
請求項８記載のX線生成器；
を有し、特に可搬型又は手術のアプリケーションに関するものであることを特徴とするX線システム。
【請求項１０】
請求項９記載のX線システムであって、更に：
コンピュータ断層撮影装置；
を有することを特徴とするX線システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも１つの、電圧カスケード接続（電圧増倍器）、すなわち、特に、多相カスケード接続、が接続された少なくとも１つのインバータを有する、インバータの入力に印加された入力電圧を、特に、例えば、コンピュータ断層撮影装置における、X線生成器若しくは回転型X線システム、又はシングル・タンク・ジェネレータ用高電圧の、出力DC（直流）電圧（電源電圧）に変換する、電源に関するものである。本発明は更に、相当するX線システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
X線システムは一般に、X線源及びX線を生成するX線管、更には、電源回路を有してX線管の動作に必要な高電圧を供給する電源、のあるX線生成器（高電圧生成器）を有する。Ｘ線源及び高電圧を生成する構成部分が集約されて１つのユニットが形成される場合、そのようなユニットはシングル・タンク・ジェネレータとも呼ばれる。
【０００３】
X線管を動作するには、例えば、（単極電源の場合）約１５０ｋＶの陽極電圧、又は（双極電源の場合）約＋/−７５ｋＶの陽極電圧、が陽極と陰極との間で必要になる。数々の要件がこれらの電圧又はこれらの電圧が生成される回路に課される。生成Ｘ線の強度の変動を回避するよう、該電圧はできり限り一定で、かつ、低いリプルのみを表すようにすべきである。これを実現するには、一段と大きな出力静電容量が、インバータの所定スイッチング周波数で出力電力が増すにつれて該電圧を平滑にするよう、必要になる。
【０００４】
出力電圧及び出力電流を（例えば、Ｘ線管のパルス・モードにおいて）高速で制御して、特に、小電流の場合において出力電圧を高速で低下させるには、しかしながら、出力静電容量はできる限り小さくするようにする、すなわち、この出力静電容量は更に、障害の場合にX線管に対する負荷を制限するようできる限り小さくすべきである。
【０００５】
更に、（ここでは詳説しないが）特定用途又は構造上の理由で、単極電源電圧を使用することも効果的であり得る。そのような場合において、例えば、１５０ｋVの電圧を実現することは高圧タンクの設計に特別な要件を課すことになる。
【０００６】
例えば、コンピュータ断層撮影装置（CT装置）において用いられる、シングル・タンク・ジェネレータ及び回転型X線システムにおける応用については、低重量及び小容量が特に重要なものである。これらのシステムは、例えば、30g以上の遠心力が発生し得るサブセカンド・スキャナのような、特に、毎秒数回転の速度で動作する、ものである。
【０００７】
従来の技術で、X線管用の、特にＣＴ装置用の、電源を開示しているものがある（特許文献１参照。）。該電源においては入力交流電圧が最初に整流器によって整流される。Ｘ線管用双極電源電圧を生成するよう、極毎に交流電圧を生成するインバータが整流器に接続されて交流電圧に中間電圧まで昇圧する変成器が該インバータの出力に接続される。極毎に必要陽極又は陰極電圧が更に、これらの中間電圧から電圧カスケード接続によって形成される。CT装置の回転部の重量を節減するよう、入力電圧源、整流器、インバータ及び変成器は固定部上に実装され、変成器の2次接続は電圧カスケード接続の入力にスリップ・リング及びスリップ・コンタクトを介して接続される。しかしながら、このアプローチは有害であるとみなされるが、それはスリップ・リング及びスリップ・コンタクトが比較的高い度合いの磨耗を、特に高回転数及び/又は高電力の場合に、受けて、頻繁に保守作業を要するからである。
【特許文献１】米国特許第４９９５０６９号明細書
【特許文献２】欧州特許第００９９３１２７．０号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、本発明の目的は特に回転型X線システムにおけるX線管の動作に適していて出力電力と比較して特に低重量及び小容量を有する電源を設けることにある。
【０００９】
本発明の目的は更に、上記に示した類の、出力電圧及び出力電流の、出力電力を高くしてリプルを低くする、高速制御が可能である、電源を設けることにある。
【００１０】
最後に、本発明の目的は更に、単極電源電圧を生成するのに効果的に適する電源を設けることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この目的は、少なくとも１つの電圧カスケード接続が、インバータに印加された入力電圧を出力DC電圧に変換するよう、接続された、少なくとも１つのインバータ、を有する電源によって実現され、該電源は更に、スイッチング電圧を生成する、制御回路を有し、それによって少なくとも１つのインバータは、共振電流が少なくとも１つの電圧カスケード接続で印加されるよう、スイッチング電圧で動作させることが可能である。
【００１２】
この解決策の効果は共振モードにおいて、出力電力を非常に急峻な特性で、インバータが制御される、スイッチング周波数及び/又はパルス・デューティ・ファクタを比較的小さく変動させるによって、変えることができることにある。
【００１３】
この解決策は更に、有意の重量の節減を設けるが、それは大型変成器及び大型平滑化コンデンサを必要としないので、可搬型X線システムの実現を可能にする効果がある。
【００１４】
一方、重量を節減することなく済ませる場合、そのように釣り合いをとることを、特に低リプル又は高出力電力を実現するよう、選択し得る。
【００１５】
この解決策の別の効果は、特に高出力電力の場合、被った電力損失が当該構成部分によく行き渡るので、該構成部分は有意に小さな負荷を受けることになることにある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本特許請求の範囲の従属項は本発明の他の効果的実施例に関するものである。
【００１７】
本特許請求の範囲の請求項２はカスケード接続における共振電流、したがって、出力電力を簡単に制御することを、インバータの制御を変えることによって、可能にするものである。この実施例は特にX線管のパルス・モード動作に適したものである。
【００１８】
本特許請求の範囲の請求項３はその低重量の観点から特に効果的であるが、それは、電圧カスケード接続が、電気的強度がカスケード接続における段数と一致して小さいものであり得るダイオード及びコンデンサ、のみによって形成されて、出力電圧を平滑化するのに、ケーブル・コンデンサの形態でも実現し得る比較的小さな静電容量を有する平滑化コンデンサを用いることで十分であるからである。
【００１９】
本特許請求の範囲の請求項４は、カスケード接続型の電圧倍加器のある既知の電源と比較して、変成器を、出力電圧のリプルを更に低減することなしで済ませる場合、同様な出力静電容量に対して更に有意に小さくするよう組み立てることが可能であるという効果をもたらすものである。既知の電圧カスケード接続と比較すると、電源の重量を実質的に低減するか、回路出力電力対回路重量の比率を更に実質的に増すことが、実現可能になる。特に、回転型X線システムの場合、例えば、CT装置、X線源及び電源の全ての構成部分を、その場合、比較的低い入力電圧がスリップ・リング及びスリップ・コンタクトを介して誘導されるだけでよいよう、回転部に実装することが効果的であり得る。
【００２０】
本特許請求の範囲の請求項５は、必要静電容量を更に低減する効果をもたらすものである。特に、出力電力の非常に小さなリプルを、カスケード接続段において追加のサポート・コンデンサ又は平滑化コンデンサを設けることなく、実現し得る。
【００２１】
本特許請求の範囲の請求項６と一致した実施例は特に、コンパクトに、かつ、空間を節減するよう、実現するのに効果的である。
【００２２】
本発明の詳細、特徴及び効果は更に、以下の好適実施例の、例示及び添付図面による、説明からわかるものである。
【実施例】
【００２３】
図１は、テーブル3上に配置された診察患者が挿入される開口部２を有する、CT装置１の図である。同時に、X線システムと適切な検出器とが装置１内部で、患者の周りを、すなわち、実質的には、開口部２の周囲に沿って、回転して、患者は既知の方法で走査される。コンピュータ支援処理装置４は断層撮影画像を入手画像データから形成する；この画像はモニタ５上に表示される。そのような装置の原理は既知のものであるのでここでは更には説明しないこととする。
【００２４】
低重量を実現するのは特に重要であるが、それはX線システムが毎秒数回転もの速度で患者の周りを回転するからである。電源はX線システム、すなわち、特にX線管の動作に必要な高電圧を生成するのに必要な変成器、の総重量の実質的な部分を占める。
【００２５】
図２は第１実施例を表す。この回路は、図３及び４に表す他の（第２及び第３の）回路のように、X線管用の正の単極高電圧（DC電源電圧）を生成する；この電圧は陽極に印加されて陰極は接地される。しかしながら、陽極は更に、グランド電位に接続してもよく、更に、負の高電圧を陰極に印加してもよい。
【００２６】
ここでは単極制御のみを説明するが、本発明による回路の原理は、当然、陽極及び陰極が異なる極性の等しい電圧を有するX線管の双極電源にも用い得る。
【００２７】
図２に表す第１回路は４段を有する3相回路（３つのカスケード接続）である。本発明の効果は以後、3相実施例によって説明するが、当業者には本発明が２か４以上のカスケード接続の形態でも実現し得ることがわかるものである。これは更に、ここに説明した実施例から逸脱するカスケード接続の多数段についてもあてはまる。
【００２８】
特に、第１回路は、第１、第２及び第３インバータ１１，１２，１３を有し、該インバータの入力はDC電圧１０（入力電圧又は中間回路電圧）を有し、該インバータは出力側で、毎回、第１及び第２コンデンサC1及びC2各々、第１、第２及び第３（高電圧）変成器１１１、１２１，１３１、各々を介して第１、第２及び第３電圧カスケード接続１１２、１２２、１３２各々に、接続される。コンデンサC1及びC2は各々の直列共振回路を適切な変成器の漂遊インダクタンスとともに形成する。
【００２９】
電圧カスケード接続１１２、１２２、１３２各々は直列接続ダイオード配列D及び中間スライド・コンデンサCsを有する4段を有する。ダイオード配列は、例えば、各々がダイオード・ブリッジ回路の形態で実現される。
【００３０】
電圧カスケード接続は適切な変成器に、変成器１１１，１２１、１３１の2次巻線の各端子に、かつ、第１ダイオード配列の中心及びグランドに接続されたこの2次巻線のセンター・タップを介して、接続された２つのデカップリング・コンデンサCKを介して接続される。電圧カスケード接続の出力は並列に、接続リード線204を介して、接続されて、ケーブル・コンデンサの形態においても実現し得る出力平滑化コンデンサCd、更には、X線管１５の陽極、に対して接続される。X線管１５の陰極はグランドに接続される。
【００３１】
出力平滑化コンデンサの静電容量が出力電圧の必要最小リプルを実現するのに十分でない限りでは、各々の追加平滑化コンデンサ（図なし）をダイオード・ブリッジ回路の電圧電位間に接続し得る。これらの平滑化コンデンサの電気的強度は出力平滑化コンデンサの電気的強度よりもカスケード段数の関連で小さいことがあるので、これらの平滑化コンデンサに課される要件はこの点において、比較的軽いものである。
【００３２】
各相の個々のカスケード接続の段電圧の電位はお互いに接続リード線２０１、２０２及び２０３（更には２０４）を介して接続されるので、コンデンサの静電容量を更に低減し得る。
【００３３】
入力電圧がAC（交流）電圧の場合、入力電圧は最初に整流化されて次にインバータ１１、１２，１３に印加される。
【００３４】
インバータ１１、１２、１３は従来のハーフ・ブリッジ又はフル・ブリッジであり得、それによってDC電圧１０が、例えば、共振回路及び半導体スイッチを利用することによって、AC電圧に既知の方法で変換される。
【００３５】
インバータ１１、１２、１３を制御するよう、インバータに備えられた半導体スイッチを切り替える制御回路１４が備えられ、該スイッチは一般にIGBT（絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ）である。３つのインバータは連続して周期的に制御されるので、３つの生成AC電圧はお互いに対して同様な位相シフト（120度）を表すこと（３相動作）が好適である。
【００３６】
この要件は、一方で、インバータ１１，１２，１３、更には、制御回路１４を適切に設計すること、及び/又は、他方で、変成器の漂遊インダクタンスを適切に釣り合わせるか形成する、更には、コンデンサを適切に選択すること、によって満たし得る；これらのパラメータの調節は、当然、更に各電圧カスケード接続１１２、１２２、１３２における段数及び所望出力電力によって変わってくる。
【００３７】
コンデンサC1、C2、第１、第２及び第３変成器１１１、１２１、１３１（図なしの共振チョークを更に備えていることも考えられる）、及び適切な変成器に接続された第１、第２及び第３カスケード接続１１２、１２２、１３２と同等の静電容量が各共振回路の実質的な構成要素を構成する。共振の場合、すなわち、インバータ１１、１２，１３が各々、周波数が、これらの回路の共振周波数に同調されたスイッチング周波数である、スイッチング電圧、によって動作する場合、各共振回路は接続されたカスケード接続における共振電流を印加する。2次巻線のセンター・タップはその場合、基準電位（グランド電位）を規定し得る。
【００３８】
共振モードにおいては、各共振電流がカスケード接続１１２、１２２、１３２において流れて非常に高い出力電力を引起す。この共振電流の低下は、インバータ１１、１２，１３を制御するのに用いられるスイッチング電圧のスイッチング周波数（パルス周波数）の変動に応じて、比較的、すなわち、共振モードと比較して、急峻なものであるので、そのような変動によって電源回路の出力電力を制御回路１４によって簡単かつ非常に効果的に制御することが可能になる。出力静電容量は、同様な出力電力及び同様なリプルのある既知の回路と比較して、実質的に更に小さくなり得るので、この制御も非常に速いものになり得る。
【００３９】
更に、そのような制御はスイッチング電圧のパルス・デューティ・ファクタを変動させること、すなわち、一定のパルス周波数でパルス長を変動させること、又は、該２つの工程（スイッチング周波数及びパルス・デューティ・ファクタ）を組み合わせること、によっても可能である。この目的で、制御回路１４が、適宜、切り替え可能又は調節可能なように、設計される。
【００４０】
更に、インバータ１１、１２、１３を制御し得る方法を開示したものがある（欧州特許（DE１９９５５６７３．３）に係わる特許文献２参照。）。
【００４１】
図３は当該回路の第２実施例を表す；そこでは、図２の構成部分と同様であるか相当する構成部分は同様な参照番号にて表すので、この意味では当該説明は繰り返す必要はなく、当該差異のみを説明するものとする。
【００４２】
図２に表す第１実施例とは反対に、変成器１１１、１２１、１３１の2次巻線はこの第２実施例においてはセンター・タップを有しない。これは第１実施例においては変成器１１１，１２１，１３１の2次巻線の分割部分の結合係数が異なることが相の２つのスライド列における電流負荷が異なることをもたらし得るからである。したがって、図３において表すような第２実施例は非分割で、センター・タップを有しない、2次巻線を備える。したがって、相の２つのスライド列における電流負荷は常に同じである。第１カスケード接続段の入力での基準電位、更には各相の個別のカスケード接続１１２、１２２、１３２の段電圧の電位、は今度もまた、お互いに接続リード線２０１乃至２０５を介して接続される。
【００４３】
この第２回路は変成器の2次巻線と第１カスケード接続段の入力との間ではデカップリング・コンデンサCKを何ら必要としない。これらの巻線に対して必要なアイソレート電圧はしたがって、図２において表す回路におけるものと比較して、すなわち、当該カスケード接続と同様な静電容量値に対して、低減される。
【００４４】
この回路は、上記以外は、図２に表す第１実施例に相当する。
【００４５】
図４は、構成部分で図２のものと同じものか相当するものは今度もまた同様な参照記号で表しているので、この意味では当該説明は更に繰り返す必要はなくて当該差異のみを説明するものとする。
【００４６】
第３実施例は２相型で、インバータ１１、１２は相毎に備えられる；その出力には各々変成器１１１、１２１が接続される。毎回、各々4段を有する、２つの電圧カスケード接続１１２、113及び１２２、１２３は変成器の第２巻線に並列に接続される。全ての電圧カスケード接続１１２、１１３、１２２、１２３は出力側で並列にて、接続リード線３０４を介して、接続されて、平滑化コンデンサCd、更には陰極が接地されたX線管１５の陽極、に対して接続される。
【００４７】
上記以外は、該回路は図２に表す第１実施例に相当する。特に各相の個々のカスケード接続の段電圧の電位は今度も又、お互いに接続リード線３０１、３０２及び３０３（更には３０４）を介して接続される。
【００４８】
インバータ１１、１２、変成器１１１、１２１、更には、電圧カスケード接続１１２、１１３、１２２、１２３は図２において表した第１実施例について説明したものと実質的に同様である。これはスイッチング周波数を選択することにもあてはまり、それによって共振は、コンデンサC1,C2、変成器１１１及び１２１の漂遊インダクタンス、更にはカスケード接続１１２、１１３及び１２２、１２３の適切な同等静電容量、に応じて生成されて、共振電流が該カスケード接続において印加される。
【００４９】
インバータ１１、１２は、２つの生成AC電圧が好適的に等しい位相シフトをお互いに対して表す（2相モード）、制御回路１４によって連続して制御される。出力電力は今度も又、パルス電圧のスイッチング周波数及び/又はパルス・デューティ・ファクタを変動させることによって調節され、それによってインバータ１１、１２が制御される。
【００５０】
本発明による該回路の原理はしたがって、更にピーク電力を増加させるのに適したものであり、それはカスケード接続によって実現し得る。比較的重量が低いことによって、コンパクトなシングル・タンク・ジェネレータを、異なる電力範囲及び応用、すなわち、ホトグラフィックX線画像の生成、並びに動画像の取り込み、更にはX線システムの回転、に関して実現し得る。
【００５１】
最後に、ｎ段カスケード接続に必要な入力変成器は約Utubes/nの出力電圧だけを生成すればよいことが特に効果的である。これによって変成器の構成部分を高電圧の観点から有意に削減することを可能にする。同様なことが、電力が常に比較的一様に行き渡った、コンデンサ及びダイオードについてあてはまるので、それらは比較的小さな程度までしか負荷が加えられない。
【００５２】
実現し得る効果を、特に構成部分の負荷に関して、第１乃至第３実施例によって、図示するよう、図３に表す3相４段設計の第２実施例を次に単相（図５）及び2相（図６）設計と比較する。インバータのスイッチング周波数は約４０ｋHzに等しくて約１Aの電流で約１００ｋVの電圧が出力にあるものとする。
【００５３】
図５に表す本発明の単相第４実施例は4段カスケード接続１１２、変成器１１１、更にインバータ１１を有し、同様な及び/又は相当する構成部分は今度も又、図３に用いたのと同様な参照記号を備える。図２、３及び４において表した回路と比較すると、更に追加のサポート・コンデンサが必要になる。対象アプリケーションにおいては、約４ｋVの出力電圧リプルδUa、すなわち、約４％、が４つの直列接続平滑化コンデンサC11乃至C14によって得られ、該コンデンサは、各々が約１ｎFの静電容量を有して、各接続リード線２０１乃至２０５を介して、毎回、ダイオード・ブリッジ回路Dにおいて、更に、毎回約１１ｎFの静電容量を有する６つのスライド・コンデンサCsによって、接続される。ダイオードを流れる平均電流はその場合、約０．５Aに等しくなる。
【００５４】
図６に表す本発明の２相第５実施例は２つの4段カスケード接続１１２、１２２、２つの変成器１１１，１２１、更には、２つのインバータ１１、１２を有し、同様な及び/又は相当する構成部分は今度も又、図３において用いられた参照記号と同様なものによって表す。約２．４ｋVの出力電圧リプル、したがって２．４％、はこの、各々が約２．５ｎFの静電容量のある各カスケード接続において６つのスライド・コンデンサCｓを有する、回路によって実現される。各カスケード接続においてダイオードを流れる電流の平均値はその場合、約０．２５Aに等しくなる。
【００５５】
最後に、約０．７ｋV（すなわち、０．７％）だけの出力電圧リプルは、図３に表す３つのカスケード接続１１２、１２２、１３２のある、毎回、各々が約１．５ｎFの静電容量のある各カスケード接続において６つのスライド・コンデンサCsを利用する、3相実施例によって、実現される。各カスケード接続においてダイオードを流れる電流の平均値は約０．１６Aに等しくなる。
【００５６】
これによって、相の数が増加すると、構成部分の数がそれに応じて増加することを示す；しかしながら、これらの構成部分をそれでも、有意に小さくすると同時に、出力電圧のリプルを（電圧カスケード接続の同様な出力静電容量に対して）実質的に更に小さくすることをそれにもかかわらず実現するように釣り合わせることが可能であるが、それは当該電気的強度に課された要件がそのように、厳しくなくなるからである。
【００５７】
逆に、同様なリプルに対して、（上記のように）例えば、パルス・モードにおいて、特にX線管での出力電圧又は出力電流の高速制御が重要なものである、場合、出力静電容量を適宜、低減し得る。
【００５８】
更に、２相実施例及び特に、３相実施例によって、変成器の出力電圧の関連する低下が理由で、変成器をプレーナ手法で実現して、1次及び/又は2次巻線をプリント回路上にプリントされたインダクタンスの形態で構成することを可能にする。このように、重量を更に節減して容量を更に削減することが実現される；これらの削減はタンク・ジェネレータ及び可搬型X線システムの製造において特に魅力的なものである。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】患者を診察するCT装置の図である。
【図２】本発明の第１実施例の回路図である。
【図３】本発明の第２実施例の回路図である。
【図４】本発明の第３実施例の回路図である。
【図５】本発明の第４実施例の回路図である。
【図６】本発明の第５実施例の回路図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
2005512488.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【国際調査報告】
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2005512488.tif 000010
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