(57)【要約】【課題】電流リップルを一層軽減したスイッチング電源式電源装置およびそれを用いた核磁気共鳴イメージング装置を提供する。【解決手段】電流増幅器９として並列接続した複数のマルチレベルＰＷＭインバータ１２，１３を用い、その出力側に電流制限手段１４〜１７を接続し、電流司令値と出力電流の検出値との差が零になるようにスイッチング電源を駆動制御するスイッチング制御回路に、複数のマルチレベルＰＷＭインバータ間のスイッチング位相をずらして電流リップルを減少する制御手段を設けた。【選択図】        図１
2004266884.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング電源と、このスイッチング電源の負荷への出力電流を検出する電流検出手段と、電流司令値と上記検出手段による出力電流の検出値との差が零になるように上記スイッチング電源を駆動制御するスイッチング制御回路とを備えたスイッチング電源式電源装置において、上記スイッチング電源は、同一レベル数のマルチレベルＰＷＭインバータを複数並列に設けて構成し、これら各マルチレベルＰＷＭインバータの出力側にそれぞれ負荷に並列接続した複数の電流制限手段を設け、上記スイッチング制御回路に、上記複数のマルチレベルＰＷＭインバータ間のスイッチング位相をずらして電流リップルを減少する制御手段を設けたことを特徴とするスイッチング電源式電源装置。
【請求項２】
スイッチング電源と、このスイッチング電源の負荷への出力電流を検出する電流検出手段と、電流司令値と上記検出手段による出力電流の検出値との差が零になるように上記スイッチング電源を駆動制御するスイッチング制御回路とを備えたスイッチング電源式電源装置を用いた核磁気共鳴イメージング装置において、上記負荷は磁場発生用のコイルとし、上記スイッチング電源は、同一レベル数のマルチレベルＰＷＭインバータを複数並列に設けて構成し、これら各マルチレベルＰＷＭインバータの出力側にそれぞれ上記コイルに並列接続した複数の電流制限手段を設け、上記スイッチング制御回路に、上記複数のマルチレベルＰＷＭインバータ間のスイッチング位相をずらして電流リップルを減少する制御手段を設けたことを特徴とするスイッチング電源式電源装置を用いた核磁気共鳴イメージング装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大電力を要求される静磁場もしくは傾斜磁場あるいは高周波磁場の発生に必要な各種電源に好適なスイッチング電源式電源装置およびそれを用いた核磁気共鳴イメージング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、核磁気共鳴イメージング装置用電源装置においては、スイッチング電源が用いられており、最近では大電流化への要求からスイッチング電源を並列接続した電源装置（例えば、特許文献１参照）や、高スルーレート化の要求からフルブリッジインバータを直列接続した電源装置（例えば、非特許文献１および非特許文献２参照）や、リニアアンプとスイッチング電源を直列接続した電源装置（例えば、特許文献２参照）や、マルチレベルとリニアアンプを直列接続した電源装置（例えば、特許文献３参照）などが知られている。また、三相モータ用インバータの分野では、高出力電圧化や高調波成分対策として、マルチレベルインバータ技術が注目されている。
【０００３】
【特許文献１】
特願平６−３０１０００号
【特許文献２】
特開平１０−１７９５４０号公報
【特許文献３】
特開平７−３１３４８９号公報
【非特許文献１】
Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＡＰＥＣ１９９４  Ｖｏｌ．１ｐ２５３−９
【非特許文献２】
Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ｏｆ  ＡＰＥＣ１９９４  Ｖｏｌ．２ｐ１０７７
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、最近の核磁気共鳴イメージング装置用電源装置としては、三相モー夕用インバータと同様に、高調波対策や高スルーレート化のための高電圧および大電流化が求められているが、上述したようにスイッチング電源の直列接続による高電圧化を図った場合、絶縁された多数の直流電圧源が必要であり、特に傾斜磁場電源の場合には１システムあたり３チャンネルの独立した電流増幅器が必要であることなどから装置が大型化してしまう。そこで、スイッチング電源としてマルチレベルＰＷＭインバータを用いることが考えられるが、このマルチレベルＰＷＭインバータの使用によって大幅に電流リップルを軽減することができるものの、依然としてスイッチング動作時に電流リップルが発生することが明らかになった。
【０００５】
本発明の目的は、電流リップルを一層軽減したスイッチング電源式電源装置およびそれを用いた核磁気共鳴イメージング装置を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記目的を達成するために、スイッチング電源と、このスイッチング電源の負荷への出力電流を検出する電流検出手段と、電流司令値と上記検出手段による出力電流の検出値との差が零になるように上記スイッチング電源を駆動制御するスイッチング制御回路とを備えたスイッチング電源式電源装置において、上記スイッチング電源は、同一レベル数のマルチレベルＰＷＭインバータを複数並列に設けて構成し、これら各マルチレベルＰＷＭインバータの出力側にそれぞれ負荷に並列接続した複数の電流制限手段を設け、上記スイッチング制御回路に、上記複数のマルチレベルＰＷＭインバータ間のスイッチング位相をずらして電流リップルを減少する制御手段を設けたことを特徴とする。
【０００７】
本発明によるスイッチング電源式電源装置は、スイッチング電源として同一レベル数のマルチレベルＰＷＭインバータを複数並列に設けて構成し、これら各マルチレベルＰＷＭインバータの出力側にそれぞれ負荷に並列接続した複数の電流制限手段を設け、スイッチング制御回路に、複数のマルチレベルＰＷＭインバータ間のスイッチング位相をずらして電流リップルを減少する制御手段を設けたため、マルチレベルＰＷＭインバータの使用による電流リップルの減少と共に、制御手段によって複数のマルチレベルＰＷＭインバータ間の電流リップルを互いに打ち消しあってさらに減少することができる。
【０００８】
また本発明は上記目的を達成するために、スイッチング電源と、このスイッチング電源の負荷への出力電流を検出する電流検出手段と、電流司令値と上記検出手段による出力電流の検出値との差が零になるように上記スイッチング電源を駆動制御するスイッチング制御回路とを備えたスイッチング電源式電源装置を用いた核磁気共鳴イメージング装置において、上記負荷は磁場発生用のコイルとし、上記スイッチング電源は、同一レベル数のマルチレベルＰＷＭインバータを複数並列に設けて構成し、これら各マルチレベルＰＷＭインバータの出力側にそれぞれ上記コイルに並列接続した複数の電流制限手段を設け、上記スイッチング制御回路に、上記複数のマルチレベルＰＷＭインバータ間のスイッチング位相をずらして電流リップルを減少する制御手段を設けたことを特徴とする。
【０００９】
本発明によるスイッチング電源式電源装置を用いた核磁気共鳴イメージング装置は、スイッチング電源として同一レベル数のマルチレベルＰＷＭインバータを複数並列に設けて構成し、これら各マルチレベルＰＷＭインバータの出力側にそれぞれコイルに並列接続した複数の電流制限手段を設け、スイッチング制御回路に、複数のマルチレベルＰＷＭインバータ間のスイッチング位相をずらして電流リップルを減少する制御手段を設けたため、マルチレベルＰＷＭインバータの使用による電流リップルの減少と共に、制御手段によって複数のマルチレベルＰＷＭインバータ間の電流リップルを互いに打ち消しあってさらに減少することができ、比較的小型で、高電圧大電流出力を低ノイズおよび低電流リップルで実現することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施の形態によるスイッチング電源式電源装置としての傾斜磁場電源装置を示すブロック構成図である。
この傾斜磁場電源装置２は、三相交流電源３から電力を供給し、負荷である傾斜磁場コイル１に接続して電流を供給するように構成され、三相交流電源３に接続して三相交流電圧を直流電圧に変換する交流直流変換器４と、この交流直流変換器４の出力側に接続して直流電圧を平滑化する平滑コンデンサ５と、この平滑コンデンサ５に接続して平滑化された直流電圧を受電し、傾斜磁場コイル１のＸ軸コイル６、Ｙ軸コイル７およびＺ軸コイル８にそれぞれ電流を供給する電流増幅器９〜１１とを備えている。
【００１１】
電流増幅器９は、それぞれ入力の直流電圧源である平滑コンデンサ５に並列に接続された二つのマルチレベルＰＷＭインバータ１２，１３と、このマルチレベルＰＷＭインバータ１２，１３の出力側にそれぞれ接続されてその出力を負荷である傾斜磁場コイル１のＸ軸コイル６に並列に接続された電流制限手段１４〜１７と、電流増幅器９の出力電流を検出する電流検出手段１８と、電流司令値と電流検出手段１８の出力である電流検出値とを入力し、両者の差が零になるようにマルチレベルＰＷＭインバータ１２，１３を駆動制御するスイッチング制御回路１９と、このスイッチング制御回路１９に設けられて並列に接続された二つのマルチレベルＰＷＭインバータ１２，１３のスイッチの位相をずらして電流リップルを打ち消し合う制御手段とを備えて構成している。
【００１２】
電流増幅器１０も同一構成で、並列接続した二つのマルチレベルＰＷＭインバータ１２，１３の出力側に電流制限手段１４〜１７を介してＹ軸コイル１２が接続され、電流司令値と電流増幅器９の出力電流を検出する電流検出手段１８の電流検出値とを入力し、両者の差が零になるように二つのマルチレベルＰＷＭインバータ１２，１３を駆動制御するスイッチング制御回路１９と、このスイッチング制御回路１９に設けられて並列に接続された二つのマルチレベルＰＷＭインバータ１２，１３のスイッチの位相をずらして電流リップルを打ち消し合う制御手段とを備えて構成している。
【００１３】
また電流増幅器１１も同一構成で、並列接続した二つのマルチレベルＰＷＭインバータ１２，１３の出力側に電流制限手段１４〜１７を介してＺ軸コイル１３が接続され、電流司令値と電流増幅器９の出力電流を検出する電流検出手段１８の電流検出値とを入力し、両者の差が零になるように二つのマルチレベルＰＷＭインバータ１２，１３を駆動制御するスイッチング制御回路１９と、このスイッチング制御回路１９に設けられて並列に接続された二つのマルチレベルＰＷＭインバータ１２，１３のスイッチの位相をずらして電流リップルを打ち消し合う制御手段とを備えて構成している。
【００１４】
図２は、マルチレベルＰＷＭインバータ１２，１３の一例としての５レベルＰＷＭインバータの回路図である。
５レベルＰＷＭインバータは、その入力に直流電圧源Ｅ，Ｅ０を接続し、その出力端子Ａ、Ｂに任意の電圧波形を出力するように構成している。また、この５レベルＰＷＭインバータは、直流電圧源Ｅ，Ｅ０側に分圧コンデンサ２０〜２３を接続して直流電圧を４分割（Ｅ／４）しており、逆並列接続した４対の半導体スイッチ２４〜２７およびダイオード２８〜３１を直列に接続した４組のアーム３２〜３５を有し、これらをフルブリッジ接続している。平滑コンデンサ２０，２１の中点と、フルブリッジ構成の各アーム３２〜３５における半導体スイッチ２４と半導体スイッチ２５との中点との間にダイオード３６〜３９をそれぞれ接続し、また、平滑コンデンサ２１，２２の中点と、各アーム３２〜３５における半導体スイッチ２５と半導体スイッチ２６との中点との問にダイオード４０〜４３をそれぞれ接続し、同様に、平滑コンデンサ２２，２３の中点と、半導体スイッチ２６と半導体スイッチ２７との中点との間にダイオード４４〜４７をそれぞれ接続している。
【００１５】
ここで、アーム３２の半導体スイッチ２４〜２７を導通させることによって出力端Ａに＋Ｅの電圧を出力でき、アーム３２の半導体スイッチ２５〜２７およびアーム３３の半導体スイッチ２４を導通させることによって出力端Ａに＋Ｅ・３／４電圧を出力でき、アーム３２の半導体スイッチ２６，２７およびアーム３３の半導体スイッチ２４，２５を導通させることによって出力端Ａに＋Ｅ・１／２の電圧を出力でき、またアーム３２の半導体スイッチ２７およびアーム３３の半導体スイッチ２４〜２６を導通させることによって出力端Ａに＋Ｅ／４の電圧を出力でき、さらにアーム３３の半導体スイッチ２４〜２７を導通させることによって出力端Ａに０の電圧を出力することができ、こうして５レベルの電圧出力が得られる。また出力端Ｂについても同様であり、結局、出力Ａ，Ｂ間の電圧としては、−Ｅから＋Ｅまでの９通りの出力が得られることになる。さらに、これらをＰＷＭ変調することによって、任意の−Ｅから＋Ｅの任意の電圧を出力することができるようになる。
【００１６】
マルチレベルＰＷＭインバータ１２，１３は、直流電圧源を分圧コンデンサ２０〜２３で分割し、各アーム３２〜３５の半導体スイッチ２４〜２７も同様に分割して、それぞれをダイオード２８〜３１で接続することによって、各々の半導体スイッチ２４〜２７には分割された直流電圧分の直流電圧しか印加されないため、耐電圧の低い半導体スイッチを用いても大きな出力電圧が得られる。また電流増幅器９〜１１にそれぞれマルチレベルＰＷＭインバータ１２，１３を使用しているため、他のインバータを使用した場合に比べて電流リップルを減少させることができる。
【００１７】
図４は、従来の２レベルインバータと、５レベルインバータにおける電圧電流の概略波形図である。
従来の２レベルインバータにおける出力電流波形５０は、出力電圧波形５１として示すような正負２つの電位から得ていたため、出力電圧波形５１で示す電圧を印加した場合の電流変化が激しく、その結果、電流リップルが大きくなっている。一方、５レベルインバータにおける出力電流波形５２は、出力電圧波形５３に示すように５つの電位から得ているため、出力電圧波形５３で示す電位による電流変化が非常に緩やかであり、電流リップルが小さくなる。
【００１８】
次に、電流増幅器９〜１１として、それぞれ並列接続したマルチレベルＰＷＭインバータ１２，１３を使用している点について説明する。
図１に示すように傾斜磁場電源装置２においては、図２で示したように並列接続したマルチレベルＰＷＭインバータ１２，１３を使用し、出力側にリアクトルなどの電流制限手段１４〜１７を負荷に対して並列に接続している。詳細な図示は省略しているが、スイッチング制御回路１９は、電流司令値と電流検出手段１８による電流検出値との差が零になるように２つのマルチレベルＰＷＭインバータ１２，１３間のスイッチング位相をずらして駆動制御する制御手段を有している。このような構成は、出力電流を増大させるためだけではなく、スイッチング位相をずらすことによって、例えば１８０度ずらして動作させることによって、後述するようにさらに電流リップルを低減することができる。
【００１９】
図３は、マルチレベルＰＷＭインバータ１２，１３として５レベルＰＷＭインバータを使用すると共に、両者間のスイッチング位相を１８０度ずらしてＰＷＭ制御したときの電圧出力波形４８Ａ，４８Ｂと電流出力波形４９Ａ，４９Ｂを示している。
上述したように５レベルＰＷＭインバータは、それ単体の出力電流波形を通常のインバータに比べて低リップルに動作させることができるが、よく見ると電圧出力波形４８Ａ，４８Ｂの変化に伴って若干の電流リップルが見られる。しかし、電流司令値と電流検出手段１８による電流検出値との差が零になるように二つのマルチレベルＰＷＭインバータ１２，１３間のスイッチング位相をずらして駆動制御する制御手段を有しているため、１８０度位相をずらしたマルチレベルＰＷＭインバータ１２，１３間では電流リップルが互いに打ち消しあって低リップルの電流出力を得ることができる。この打ち消し効果は、位相を１８０度ずらのが望ましいが、これに限らず２つのマルチレベルＰＷＭインバータ１２，１３間のスイッチング位相をずらすことによって得ることができる。
【００２０】
核磁気共鳴イメージング装置用の電源装置としては、高電圧、大電流出力を低ノイズおよび低電流リップルで供給することが重要であり、並列接続した複数のマルチレベルＰＷＭインバータ１２，１３を使用することによって、これを実現することができる。これは他のインバータを並列接続した電源装置よりも高電圧出力、低電流リップルが可能である。また、その他のフルブリッジインバータを直列接続したものや、リニアアンプとスイッチング電源を直列接続したものや、マルチレベルインバータとリニアアンプを直列接続したものでは、絶縁された直流電圧源が複数必要となり、特に傾斜磁場電源では更にＸ，Ｙ，Ｚの３チャンネルに個別に複数の電圧源が必要であることなどから装置の大型化が避けられない。しかも、本実施の形態における核磁気共鳴イメージング装置用の電源装置は、リニアアンプを用いずに低ノイズおよび低電流リップルを実現することによって、リニアアンプでの損失および発熱に対する考慮を払う必要がなく、装置の大型化も避けることができる。
【００２１】
尚、上述した実施の形態では、マルチレベルＰＷＭインバータ１２，１３として５レベルＰＷＭインバータを用いて説明したが、これに限らず３レベル以上のマルチレベルであればよく、多いほど高電圧出力および低ノイズが可能となるが、半導体スイッチ数が増加し大型化する。また半導体スイッチにＭＯＳＦＥＴを用いたが、バイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ、ＧＴＯ、サイリスタなどを用いることができる。またマルチレベルＰＷＭインバータ１２，１３は２並列接続で位相ずれが１８０度として説明したが、複数の並列接続で位相がずれていれば電流リップルを低減することができる。さらに電流制限手段１４〜１７はリアクトルとして説明したが抵抗でもよく、また交流直流変換器４、平滑コンデンサ５、三相交流電源３についても電流増幅器９の入力に直流電圧源を置くならば、その方式について限定するものではない。さらに、負荷として傾斜磁場コイル１を接続した核磁気共鳴イメージング装置について説明したが、静磁場もしくは高周波磁場を発生させるコイルを負荷として接続して用いることができる。
【００２２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のスイッチング電源式電源装置およびそれを用いた核磁気共鳴イメージング装置は、高電圧大電流出力が可能で、単にスイッチング電源としてマルチインバータを用いた場合に比べても一層電流リップルを軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による核磁気共鳴イメージング装置用電源装置のブロック構成図である。
【図２】図１に示した核磁気共鳴イメージング装置用電源装置におけるマルチレベルＰＷＭインバータを示す回路図である。
【図３】図２に示したマルチレベルＰＷＭインバータの電圧および電流の出力波形図である。
【図４】従来の２レベルインバータと５レベルインバータとの出力電流波形の比較を示す特性図である。
【符号の説明】
１  傾斜磁場コイル
２  傾斜磁場電源装置
３  三相交流電源
４    交流直流変換器
６  Ｘ軸コイル
７  Ｙ軸コイル
８  Ｚ軸コイル
９〜１１  電流増幅器
１２，１３  マルチレベルＰＷＭインバータ
１４〜１７  電流制限手段
１８  電流検出手段
１９  スイッチング制御回路
２０〜２３  分圧コンデンサ
２４〜２７  半導体スイッチ
３６〜４７  ダイオード
【図１】
2004266884.tif 000003
【図２】
2004266884.tif 000004
【図３】
2004266884.tif 000005
【図４】
2004266884.tif 000006