(57)【要約】【課題】多段化された電力変換装置においてスイッチングノイズの影響を少なくするようサンプリング位相を調整する電源回路および電源回路を用いた医用診断装置を提供する。【解決手段】実施形態に係る電源回路は、スイッチング素子と、スイッチング素子の出力にもとづいてスイッチング素子のスイッチングタイミングを制御する制御回路と、スイッチング素子の出力をサンプリングし制御回路に与えるサンプルホールド回路と、を有する電力変換装置を複数備えた電源回路であって複数の電力変換装置のスイッチング素子のスイッチングタイミングの全てと異なる位相となるように、それぞれのスイッチング素子の出力をサンプルホールド回路がサンプリングする位相を調整する調整部、を備えたものである。【選択図】  図２
2019193520.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング素子と、前記スイッチング素子の出力にもとづいて前記スイッチング素子のスイッチングタイミングを制御する制御回路と、前記スイッチング素子の出力をサンプリングし前記制御回路に与えるサンプルホールド回路と、を有する電力変換装置を複数備えた電源回路であって、
複数の電力変換装置のスイッチング素子のスイッチングタイミングの全てと異なる位相となるように、前記それぞれのスイッチング素子の出力を前記サンプルホールド回路がサンプリングする位相を調整する調整部、
を備えた電源回路。
【請求項２】
前記調整部は、
サンプリングする位相の初期位相をキャリアの極大点とし、前記極大点が複数の電力変換装置のスイッチング素子のスイッチングタイミングと重複する場合は、前記スイッチング素子の出力をサンプリングする位相を、当該重複するスイッチングタイミングの前または後に移動させる、
請求項１記載の電源回路。
【請求項３】
前記調整部は、
前記重複するスイッチングタイミングの前および後の両方で前記サンプルホールド回路にサンプリングさせ、
前記制御回路は、
前記両方のサンプリングの値を用いてスイッチングタイミングを制御する、
請求項２記載の電源回路。
【請求項４】
前記サンプルホールド回路がサンプリングした前記スイッチング素子の出力値にノイズが含まれているか否かを判定し、出力値にノイズが含まれていると、このノイズが含まれた出力値を破棄して前記制御回路には与えない判定部、
をさらに備えた請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電源回路。
【請求項５】
前記調整部は、
前記判定部の判定結果をさらに用いて前記サンプリングする位相を調整する、
請求項４記載の電源回路。
【請求項６】
前記判定部は、
前回の出力値と今回の出力値との差が所定の閾値よりも大きいと、今回の出力値にノイズが含まれていると判定する、
請求項４または５に記載の電源回路。
【請求項７】
前記調整部は、
前記スイッチング素子のデッドタイム期間内で前記サンプリングする位相を調整する、
請求項１ないし６のいずれか１項に記載の電源回路。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれか１項に記載の電源回路、
を備えた医用診断装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電源回路および電源回路を用いた医用診断装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
入力電力をスイッチング素子により変換して負荷装置に出力するものとして、電動機制御装置のインバータ回路などの電力変換装置を有する電源回路が知られている。電力変換装置は、たとえばＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御によって生成した駆動電圧（ＰＷＭパルス）を負荷装置に供給する。スイッチング素子としては、たとえばパワートランジスタやパワーＭＯＳ-ＦＥＴ、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などが用いられる。
【０００３】
この種の電力変換装置は、負荷装置の出力電流値のアナログ信号をサンプリングし、このサンプリング値に応じてスイッチングタイミングを制御する。
【０００４】
ところで、スイッチング素子のスイッチングによって電磁波が発生し、この電磁波がアナログ信号線にノイズとして混入する場合がある。この場合、サンプリングしたアナログ信号にノイズが重畳してしまうため、精度のよい制御ができない。したがって、出力値をサンプリングする位相は、スイッチングのタイミングとは異なる位相とすることが好ましい。
【０００５】
また、複数の電力変換装置が多段化（マルチフェーズ化）して用いられる場合がある。この場合、自身の電力変換装置のスイッチングノイズだけでなく、他の電力変換装置のスイッチングノイズを避けてサンプリングすることが好ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−２３６１１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明が解決しようとする課題は、多段化によりスイッチングがマルチフェーズ化された電力変換装置においてスイッチングノイズの影響を少なくするようサンプリング位相を調整することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態に係る電源回路は、スイッチング素子と、スイッチング素子の出力にもとづいてスイッチング素子のスイッチングタイミングを制御する制御回路と、スイッチング素子の出力をサンプリングし制御回路に与えるサンプルホールド回路と、を有する電力変換装置を複数備えた電源回路であって複数の電力変換装置のスイッチング素子のスイッチングタイミングの全てと異なる位相となるように、それぞれのスイッチング素子の出力をサンプルホールド回路がサンプリングする位相を調整する調整部、を備えたものである。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】一実施形態に係る電源回路を含む医用診断装置の一例を示す全体構成図。
【図２】電源回路の第１電力変換装置の一構成例を示すブロック図。
【図３】第１電力変換装置と第２電力変換装置のノイズ発生タイミングとサンプリング位相との関係の一例を示す説明図。
【図４】本実施形態に係る処理回路のプロセッサにより、複数の電力変換装置のスイッチングタイミングにもとづいてサンプリング位相を調整する様子の一例を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照しながら、電源回路および電源回路を用いた医用診断装置の実施形態について詳細に説明する。
【００１１】
図１は、一実施形態に係る電源回路１０を含む医用診断装置１の一例を示す全体構成図である。図１に示すように、電源回路１０は、医用診断装置１の負荷２に対する電力供給源として用いられる。
【００１２】
医用診断装置１の負荷２としては、たとえば磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ：Magnetic Resonance Imaging）装置の傾斜磁場コイル、あるいはＸ線診断装置やＸ線ＣＴ（Computed Tomography）装置のＸ線管などを用いることができる。
【００１３】
本実施形態に係る電源回路１０は、複数の電力変換装置が多段化（マルチフェーズ化）されたものである。また、本実施形態に係る電力変換装置は、スイッチング素子を有しフィードバック制御するものであればよく、インバータ、コンバータなど種々の電力変換装置に適用することができる。
【００１４】
以下の説明では、電源回路１０が第１電力変換装置１１、第２電力変換装置１２、第３電力変換装置１３の３つの電力変換装置を有したマルチフェーズインバータである場合の例について示す。
【００１５】
図２は、電源回路１０の第１電力変換装置１１の一構成例を示すブロック図である。なお、第２電力変換装置１２および第３電力変換装置１３は第１電力変換装置１１と構成および作用が異ならないため説明を省略する。
【００１６】
また、図３は、第１電力変換装置１１と第２電力変換装置１２のノイズ発生タイミングとサンプリング位相との関係の一例を示す説明図である。なお、図３では、簡単のため第３電力変換装置１３を省略した。
【００１７】
第１電力変換装置１１は、ＰＷＭ制御回路２１、ドライブ回路２２、スイッチング素子を有するインバータ回路２３、電流センサ２４、サンプルホールド回路２５、および処理回路２６を有する。
【００１８】
ＰＷＭ制御回路２１は、スイッチング素子の出力ｏｕｔ１にもとづいてスイッチング素子のスイッチングタイミングｔｎ１を制御する。具体的には、ＰＷＭ制御回路２１は、出力値の目標値と、実際の出力値ｏｕｔ１をサンプリングしたサンプリング値とにもとづいてスイッチングタイミングを制御する。たとえば、スイッチングのタイミングは、所定周期のキャリアｃ１に対して閾値Ｔｈ１を設定し、キャリアｃ１が閾値Ｔｈ１を横断するタイミングとすることができる。この場合、ＰＷＭ制御回路２１は、この閾値Ｔｈ１を制御することによりスイッチングタイミングｔｎ１を制御することができる。第２電力変換装置１２も同様に、出力値の目標値と、実際の出力値ｏｕｔ２をサンプリングしたサンプリング値とにもとづいて、所定周期のキャリアｃ２に対する閾値Ｔｈ２が設定される。第３電力変換装置１３についても同様である。図３には、キャリアｃ１および第２電力変換装置１２のキャリアｃ２が三角波である場合の例を示した。
【００１９】
ドライブ回路２２は、処理回路２６が生成したスイッチング信号にもとづいて、ドライブ信号を生成する。このスイッチング信号は、ＰＷＭ制御回路２１が出力した閾値データにもとづいて処理回路２６により生成される。インバータ回路２３のスイッチング素子は、ドライブ信号にもとづいて負荷２に電流を出力する。
【００２０】
電流センサ２４は、スイッチング素子の出力電流値ｏｕｔ１を検出してアナログ出力するセンサであり、たとえばホール素子を用いたクランプメータなどを用いることができる。
【００２１】
サンプルホールド回路２５は、処理回路２６により制御されたサンプリング位相ｔｓ１における電流センサ２４の出力信号を保持する。サンプルホールド回路２５は、たとえばＡＤ変換器とデジタルシグナルプロセッサとを有する。このサンプリング位相ｔｓ１は、複数の電力変換装置１１−１３のスイッチング素子のスイッチングタイミングの全てと異なる位相となるように処理回路２６により調整された位相である。サンプリング位相の調整方法については図４を用いて後述する。
【００２２】
処理回路２６は、プロセッサおよび記憶媒体を有する。処理回路２６のプロセッサは、記憶媒体に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、多段化された電力変換装置１１−１３においてスイッチングノイズの影響を少なくするようサンプリング位相を調整するための処理を実行する。
【００２３】
ここで、電力変換装置が多段化された電源回路１０におけるノイズ発生タイミングとサンプリング位相との関係について図３を用いて説明する。
【００２４】
インバータ回路２３のスイッチング素子は、スイッチングのタイミングｔｎ１でノイズを発生する。第２電力変換装置のスイッチング素子のスイッチングタイミングｔｎ２でも同様にノイズが発生する。第３電力変換装置のスイッチング素子のスイッチングタイミングでも同様にノイズが発生するが、図３では説明の簡単のため図示を省略した。
【００２５】
第１電力変換装置１１のサンプリング位相ｔｓ１、および第２電力変換装置１２のサンプリング位相ｔｓ２は、ノイズの観点から、いずれもスイッチングタイミングｔｎ１およびｔｎ２と異なる位相であることが好ましい。一方で、従来の電力変換装置では、サンプリング位相はキャリアの極大点に固定されていた。たとえばキャリアが三角波である場合は、サンプリング位相は三角波の折り返し点に固定されていた。
【００２６】
しかし、電力変換装置が多段化されると、このように固定されたサンプリング位相では、全ての電力変換装置のスイッチングタイミングを避けることが難しい。また、閾値Ｔｈ１、Ｔｈ２が変化すれば、電力変換装置のサンプリングタイミングも変化する。このため、固定されたサンプリング位相で全ての電力変換装置のスイッチングタイミングを避けることは極めて難しい。
【００２７】
そこで、本実施形態に係る電源回路１０は、スイッチングノイズの影響を少なくするよう、複数の電力変換装置１１−１３のスイッチングタイミングにもとづいてサンプリング位相を調整する。
【００２８】
このため、処理回路２６のプロセッサは、スイッチングタイミング設定機能３１、サンプリング位相調整機能３２、およびサンプリング値判定機能３３を実現する。これらの各機能はそれぞれプログラムの形態で記憶媒体に記憶されている。
【００２９】
図４は、本実施形態に係る処理回路２６のプロセッサにより、複数の電力変換装置１１および１２のスイッチングタイミングにもとづいてサンプリング位相を調整する様子の一例を示す説明図である。図４において、説明の簡単のため図３と同様に第３電力変換装置１３の図示を省略した。
【００３０】
スイッチングタイミング設定機能３１は、ＰＷＭ制御回路２１の出力する閾値データにもとづいて、スイッチング信号を生成し、ドライブ回路２２に与える。
【００３１】
また、スイッチングタイミング設定機能３１は、スイッチングタイミングの情報をサンプリング位相調整機能３２に与える。また、スイッチングタイミング設定機能３１は、自装置１１のスイッチングタイミングの情報を、他の電力変換装置１２、１３に与える。
【００３２】
サンプリング位相調整機能３２は、スイッチングタイミング設定機能３１から自装置のスイッチングタイミングの情報を取得するとともに、他の電力変換装置１２、１３から各装置のスイッチングタイミングの情報を取得する。
【００３３】
そして、サンプリング位相調整機能３２は、第１電力変換装置１１、第２電力変換装置１２、第３電力変換装置１３のスイッチング素子のスイッチングタイミングの全てと異なる位相となるように、サンプリング位相をリアルタイムに動的に調整する。調整したサンプリング位相の情報は、サンプルホールド回路２５に与えられる。
【００３４】
具体的には、サンプリング位相調整機能３２は、まず、サンプリングする位相の初期位相をキャリアの極大点ｔｓ１０に設定するとよい。しかし、図４に示す例のように、この初期位相ｔｓ１０が、ノイズが発生するスイッチングタイミングｔｎ１またはｔｎ２と重複してしまう場合には、当該スイッチングタイミングの前の位相ｔｓ１１または後の位相ｔｓ１２にサンプリング位相を移動させる。スイッチングタイミングの前の位相ｔｓ１１をサンプリング位相とする場合、スイッチングノイズによる影響を容易に回避することができる。また、スイッチングタイミングの後の位相ｔｓ１２をサンプリング位相とする場合は、ｔｎ１（またはｔｎ２）で発生したノイズが終息するまでのノイズ発生期間Ｔｎ１（またはＴｎ２）の後をサンプリング位相ｔｓ１２とすることで、スイッチングノイズによる影響を軽減乃至回避することができる。
【００３５】
また、スイッチングタイミング直後にサンプリングしたいというアプリケーション側からの要請等がある場合は、スイッチングタイミング直後かつノイズ発生期間内の位相ｔｓ１３にサンプリングしてもよい。この場合は、この位相ｔｓ１３とスイッチングタイミングの前の位相ｔｓ１１との両方でサンプリング（ダブルサンプリング）を行い、ＰＷＭ制御回路２１に与えるフィードバック値をこの両者の平均値とすることで、スイッチングノイズの影響を低減することができるとともに、ダブルサンプリングによって真の出力値により近い値をサンプリングすることができる。
【００３６】
また、インバータをＰＷＭ制御する場合、スイッチング素子を保護するためにいわゆるデッドタイムが設けられる場合がある。この場合、ＰＷＭ制御回路２１は、閾値Ｔｈ１で区切られる範囲をさらに制限するＬｉｍｉｔＬ１を設定する。この場合、ＬｉｍｉｔＬ１以上の期間Ｔｄｅａｄ１では自装置のスイッチングノイズは発生しない。また、この場合、第２電力変換装置１２についても、同様にＬｉｍｉｔＬ２が設定される。第３電力変換装置１３についても同様である。
【００３７】
そこで、サンプリング位相調整機能３２は、スイッチング素子のデッドタイム期間Ｔｄｅａｄ１内でサンプリング位相を調整することで、自装置のスイッチングノイズだけでなくマルチフェーズで連携動作している他装置のスイッチングノイズも避けることができる。
【００３８】
また、サンプリング位相調整機能３２は、直近の複数回のスイッチングタイミングの履歴を保持しておき、この履歴にもとづいて次回のスイッチングタイミングを推定してもよい。
【００３９】
サンプルホールド回路２５は、サンプリング位相調整機能３２に指示されたサンプリング位相で電流センサ２４の出力値ｏｕｔ１をサンプリングし、サンプリング値判定機能３３に与える。
【００４０】
サンプリング値判定機能３３は、サンプルホールド回路２５がサンプリングした出力値ｏｕｔ１にノイズが含まれているか否かを判定する。ノイズが含まれていないと判定した場合は、サンプリング値判定機能３３は、当該出力値をフィードバック値としてＰＷＭ制御回路２１に与える。一方、ノイズが含まれていると判定した場合は、サンプリング値判定機能３３は、当該出力値を破棄してＰＷＭ制御回路２１に与えなくてもよい。
【００４１】
また、サンプリングされるフィードバック値に連続性や線形性が有る場合は、サンプリング値判定機能３３は、前回の出力値と今回の出力値との差が所定の閾値よりも大きいと、今回の出力値にノイズが含まれていると判定してもよい。
【００４２】
また、サンプリング値判定機能３３は、ノイズ有無の判定結果の情報や、出力値ｏｕｔ１に含まれるノイズ成分の大きさに関する情報をサンプリング位相調整機能３２に与えてもよい。この場合、サンプリング位相調整機能３２は、サンプリング値判定機能３３から取得した情報にもとづいてサンプリング位相を補正してもよい。
【００４３】
また、サンプリング値判定機能３３自身がサンプリング位相の補正量を求めてサンプリング位相調整機能３２に与えてもよい。この場合は、サンプリング位相を少し前にずらすとよい。スイッチングタイミングの後にずらす場合はノイズ発生期間を回避しなければならず位相の調整量が多くなる一方、スイッチングタイミングの前にずらす場合は、わずかな位相調整量でスイッチングノイズの影響を容易かつ充分に回避できる（図４参照）。
【００４４】
なお、上記説明では、全ての電力変換装置１１、１２、１３のそれぞれに処理回路２６が設けられて、互いにスイッチングタイミングを共有する場合の例を示したが（図１）、これに限られない。
【００４５】
たとえば、サンプリング位相調整機能３２やサンプリング値判定機能３３は、全ての電力変換装置１１、１２、１３を統括的に制御する機能としていずれか１つの電力変換装置のみに設けられてもよい。また、電力変換装置１１、１２、１３のいずれにも設けられず、電力変換装置１１、１２、１３とは独立したプロセッサの機能として実現されて全ての電力変換装置１１、１２、１３を統括的に制御してもよい。たとえば、サンプリング位相調整機能３２がいずれか１つの電力変換装置のみに設けられる場合や上記独立したプロセッサの機能として実現される場合は、このサンプリング位相調整機能３２が全ての電力変換装置のスイッチングタイミングを集約し、全ての電力変換装置のサンプリングタイミングを調整する。
【００４６】
本実施形態に係る電源回路１０のサンプリング位相調整機能３２は、スイッチングタイミングやキャリアの周期には操作を加えることなく、与えられたスイッチングタイミングにもとづいてサンプリング位相を調整する。このため、応答性やゲインなどのインバータ回路の本来の挙動へはほとんど影響を及ぼすことなく、ノイズの少ないサンプリング信号を取得することができる。
【００４７】
また、本実施形態に係る電源回路１０は、スイッチングタイミングを避けるようにサンプリング位相を調整することができる。このため、スイッチングノイズ低減用のフィルタを削減、乃至省略する事も可能となり、装置のコストを低減することができる。
【００４８】
以上説明した少なくとも１つの実施形態によれば、多段化された電力変換装置においてスイッチングノイズの影響を少なくするようサンプリング位相を調整することができる。
【００４９】
なお、本実施形態における処理回路２６のサンプリング位相調整機能３２およびサンプリング値判定機能３３は、それぞれ特許請求の範囲における調整部および判定部の一例である。また、本実施形態におけるＰＷＭ制御回路２１は、特許請求の範囲における制御回路の一例である。
【００５０】
なお、上記実施形態において、「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。
【００５１】
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。
【００５２】
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】
【００５３】
１  医用診断装置
２  負荷
１０  電源回路
１１  第１電力変換装置
１２  第２電力変換装置
１３  第３電力変換装置
２１  ＰＷＭ制御回路
２３  インバータ回路
２４  電流センサ
２５  サンプルホールド回路
２６  処理回路
３１  スイッチングタイミング設定機能
３２  サンプリング位相調整機能
３３  サンプリング値判定機能
【図１】
2019193520.tif 000003
【図２】
2019193520.tif 000004
【図３】
2019193520.tif 000005
【図４】
2019193520.tif 000006