(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
３相２００Ｖ系交流電圧又は３相４００Ｖ系交流電圧を受電する３相交流入力端子と、
前記３相交流入力端子の隣り合う二つの入力端子に入力接続体により接続されて、前記３相交流電圧の相間電圧をそれぞれ倍電圧整流し得る、直列接続された２個のダイオードと直列接続された２個のコンデンサとを並列接続して構成される第１〜第３の倍電圧構成の整流器と、
前記入力接続体のそれぞれに介挿された各第１の開閉手段と、
前記第１〜第３の倍電圧構成の整流器の正極性出力同士を共通に接続する正極性共通接続体と、
該正極性共通接続体のそれぞれに介挿された各第２の開閉手段と、
前記第１〜第３の倍電圧構成の整流器の負極性出力同士を共通に接続する負極性共通接続体と、
該負極性共通接続体のそれぞれに介挿された各第３の開閉手段と、
前記第１〜第３の倍電圧構成の整流器それぞれの直流出力電圧を交流電圧に変換するそれぞれのインバータ回路と、
該インバータ回路を制御する制御回路と、
前記インバータ回路それぞれの前記交流電圧を昇圧するそれぞれのトランスと、
該トランスそれぞれの２次巻線電圧を整流するそれぞれの２次側整流器と、を備えると共に前記２次側整流器の出力端子を並列接続し、
３相２００Ｖ系交流電圧を前記３相交流入力端子に受電するとき、前記第１の開閉手段を閉じると共に、前記第２と第３の開閉手段を開くことにより、前記第１〜第３の倍電圧構成の整流器を前記３相交流電圧の相間電圧をそれぞれ倍電圧整流する倍電圧整流器として動作させ、
３相４００Ｖ系交流電圧を前記３相交流入力端子に受電するとき、前記第１の開閉手段を開くと共に、前記第２と第３の開閉手段を閉じることにより、前記第１〜第３の倍電圧構成の整流器を前記３相交流電圧を全波整流する整流器として動作させることにより、３相２００Ｖ系と３相４００Ｖ系双方の交流入力電圧に対応させることを特徴とするＸ線電源装置の電力コンバータ。
【請求項２】
請求項１において、
前記インバータ回路の出力電圧が所定の位相差を持つように制御することにより、出力のリプル電圧を低減することを特徴とするＸ線電源装置の電力コンバータ。
【請求項３】
請求項１又は請求項２において、
前記インバータ回路を一対のスイッチング素子と一対のコンデンサとからなるハーフブリッジ回路とすることを特徴とするＸ線電源装置の電力コンバータ。
【請求項４】
請求項１ないし請求項３のいずれかにおいて、
前記インバータ回路は共振動作を行う共振型のインバータであることを特徴とするＸ線電源装置の電力コンバータ。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかにおいて、
前記２次側整流器は前記トランスの２次巻線電圧を倍電圧整流する倍電圧整流器、又はその２次巻線電圧を多倍電圧整流するコッククロフト・ウォルトン回路のような多倍電圧整流器であることを特徴とするＸ線電源装置の電力コンバータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、３相交流電源を入力とする電力コンバータにかかり、特に、Ｘ線電源など設備更新時に既存の３相２００Ｖ系交流電源を使用しなければならない場合などに好都合な電力コンバータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
商用交流電源を入力とするＸ線電源は、交流電源電圧を１次整流して得られた直流電圧をインバータ回路で高周波交流（ＨＦＡＣ）に変換し、トランスを通して２次整流するＡＣ−ＤＣ−ＨＦＡＣ−ＤＣコンバータである。特に、大容量Ｘ線電源では、回路電流の低減による損失低減のために、３相４００Ｖ系（４００〜４４０Ｖ）の交流が使用される。３相４００Ｖ系交流電圧は全波整流すると約６００Ｖの直流電圧に変換され、３相２００Ｖ系交流電圧の場合に比べて電圧は約２倍になるが、電流は約１／２で済む。したがって、３相４００Ｖ系の場合には、広く市販されている比較的安価で小型の１２００Ｖ耐圧のＩＧＢＴをスイッチング素子として用いることができる。しかし、３相４００Ｖ系は特殊であり、通常の病院設備は３相２００Ｖ系交流電源（２００〜２２０Ｖ）が一般的である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
３相２００Ｖ系交流電圧を整流した場合には約３００Ｖの直流電圧が得られ、ＩＧＢＴのようなスイッチング素子は耐圧が６００Ｖのものを使用することができるが、同一電力を出力する場合、回路電流が３相４００Ｖ系の２倍となるので、このような耐圧が６００Ｖで２倍の電流容量のスイッチング素子は１２００Ｖ耐圧のスイッチング素子に比べて、大型化すると共に高価格にならざるをえない。また、３相２００Ｖ系の３相倍電圧整流回路も考案されているが、多数の大容量コンデンサ、整流ダイオードを必要とし、回路が複雑となるという問題点を有している。
【０００４】
このような課題を解決するため、本発明は３相２００Ｖ系の交流入力電源に対応するコンバータでありながら、回路電流を３相４００Ｖ系の場合と同程度と小さく、かつ耐圧は３相２００Ｖ系電源電圧の場合の２倍の耐圧のスイッチング素子を用いた単相回路構成を組み合わせてなる電力コンバータを提供する。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、前記課題を解決するため、３相２００Ｖ系交流電圧又は３相４００Ｖ系交流電圧を受電する３相交流入力端子と、前記３相交流入力端子の隣り合う二つの入力端子に入力接続体により接続されて、前記３相交流電圧の相間電圧をそれぞれ倍電圧整流し得る、直列接続された２個のダイオードと直列接続された２個のコンデンサとを並列接続して構成される第１〜第３の倍電圧構成の整流器と、前記入力接続体のそれぞれに介挿された各第１の開閉手段と、前記第１〜第３の倍電圧構成の整流器の正極性出力同士を共通に接続する正極性共通接続体と、該正極性共通接続体のそれぞれに介挿された各第２の開閉手段と、前記第１〜第３の倍電圧構成の整流器の負極性出力同士を共通に接続する負極性共通接続体と、該負極性共通接続体のそれぞれに介挿された各第３の開閉手段と、前記第１〜第３の倍電圧構成の整流器それぞれの直流出力電圧を交流電圧に変換するそれぞれのインバータ回路と、該インバータ回路を制御する制御回路と、前記インバータ回路それぞれの前記交流電圧を昇圧するそれぞれのトランスと、該トランスそれぞれの２次巻線電圧を整流するそれぞれの２次側整流器と、を備えると共に前記２次側整流器の出力端子を並列接続し、３相２００Ｖ系交流電圧を前記３相交流入力端子に受電するとき、前記第１の開閉手段を閉じると共に、前記第２と第３の開閉手段を開くことにより、前記第１〜第３の倍電圧構成の整流器を前記３相交流電圧の相間電圧をそれぞれ倍電圧整流する倍電圧整流器として動作させ、３相４００Ｖ系交流電圧を前記３相交流入力端子に受電するとき、前記第１の開閉手段を開くと共に、前記第２と第３の開閉手段を閉じることにより、前記第１〜第３の倍電圧構成の整流器を前記３相交流電圧を全波整流する整流器として動作させることにより、３相２００Ｖ系と３相４００Ｖ系双方の交流入力電圧に対応させることを特徴とするＸ線電源装置の電力コンバータを提供する。
【０００６】
請求項２の発明は、前記課題を解決するため、請求項１において、前記インバータ回路の出力電圧が所定の位相差を持つように制御することにより、出力のリプル電圧を低減することを特徴とするＸ線電源装置の電力コンバータを提供する。
【０００７】
請求項３の発明は、前記課題を解決するため、請求項１又は請求項２において、前記インバータ回路を一対のスイッチング素子と一対のコンデンサとからなるハーフブリッジ回路とすることを特徴とするＸ線電源装置の電力コンバータを提供する。
【０００８】
請求項４の発明は、前記課題を解決するため、請求項１ないし請求項３のいずれかにおいて、前記インバータ回路は共振動作を行う共振型のインバータであることを特徴とするＸ線電源装置の電力コンバータを提供する。
【０００９】
請求項５の発明は、前記課題を解決するため、請求項１ないし請求項４のいずれかにおいて、前記２次側整流器は前記トランスの２次巻線電圧を倍電圧整流する倍電圧整流器、又はその２次巻線電圧を多倍電圧整流するコッククロフト・ウォルトン回路のような多倍電圧整流器であることを特徴とするＸ線電源装置の電力コンバータを提供する。
【００１５】
【発明の実施の形態】
先ず本発明の実施の形態について説明すると、本発明の第１の実施形態は、３相２００Ｖ系交流電圧の相間電圧を３台の単相構成の倍電圧整流器で整流してそれぞれ２倍の直流電圧を得る。次に、各直流電圧を３台の単相構成の高周波インバータ回路で高周波交流電圧に変換し、それぞれのトランスの２次巻線から昇圧された高周波交流電圧を得る。それら高周波交流電圧を単相構成の２次側整流器で整流し、合成して直流高電圧出力を得るものである。
【００１６】
このように３相２００Ｖ系電源と単相構成のコンバータとを組み合わせた電力コンバータとすることにより、簡単な構成で回路電流を３相４００Ｖ系電源と同じ小さな値にし、市販されている１２００Ｖ耐圧のＩＧＢＴのようなスイッチング素子を使用して小型、低価格とすることができる。
【００１７】
次に第２の実施形態は、３相２００Ｖ系交流電圧と３相４００Ｖ系交流電圧の双方に対応できるよう、相間電圧を倍電圧整流可能な構成の整流器を用い、３相２００Ｖ系交流電圧を入力端子に受電する場合には、開閉手段を動作させてその整流器が倍電圧整流器として動作するように接続を切替え、次に３相４００Ｖ系交流電圧入力端子に受電する場合には、開閉手段を動作させてその整流器が通常の整流器として動作するように接続を切替えるものである。
【００１８】
また、別の実施形態として３台のインバータ回路を使用し、その位相をシフトすることにより、出力のリプルを低減することができる。また、３台のインバータ回路のそれぞれをハーフブリッジ構成とすることにより、回路構成を更に簡略化している。さらにまた、交流入力回路の切替えにより、３相２００Ｖ系と３相４００Ｖ系の両入力に対応できるようにしている。また、３台のインバータ回路のそれぞれを共振型とすることにより、トランス１３の１次巻線間の電圧のピーク値を高くすることができ、１次巻線と２次巻線の巻数比の小さいトランス１３を用いることができる。
【００１９】
さらにまた別の実施形態としては、３相４００Ｖ系交流電圧の相間電圧を通常の回路構成の３相全波整流回路で整流してそれぞれ直流電圧を得る。次に、各直流電圧を複数台の並列接続した単相構成の高周波インバータ回路で高周波交流電圧に変換し、それら出力に接続されたそれぞれのトランスの２次巻線から昇圧された高周波交流電圧を得る。それら高周波交流電圧を単相構成の２次側整流器で整流し、合成して直流高電圧出力を得るものである。
【００２０】
【実施例】
実施例１；図１により、本発明を適用したＣＴ用Ｘ線管高電圧電源装置を第１の実施例として説明する。一般にＸ線ＣＴは病院に設備され、国内では電源設備の関係で３相２００Ｖが病院内に配電されている場合が多い。そして、ＣＴ用高電圧電源装置は、Ｘ線の量と質の向上のために、低リプルの出力電圧が要求される。
【００２１】
図１において、１Ｒ、１Ｓ、１Ｔは３相２００Ｖ交流電源の各相に接続される３相交流入力端子である。以下の説明で、各相の回路構成は同一なので、部材符号の後に付されるＲ，Ｓ，Ｔの付号は、各相の対応する部材を示し、場合により説明を省く。３相交流入力端子１Ｒ、１Ｓは第１の１次側倍電圧整流回路２Ｒに接続される。同様に、３相交流入力端子１Ｓ、１Ｔは第２の１次側倍電圧整流回路２Ｓに接続され、３相交流入力端子１Ｔ、１Ｒは第３の１次側倍電圧整流回路２Ｔに接続される。各１次側倍電圧整流回路は周知の回路構成であり、１次側倍電圧整流回路２Ｒは直列接続された２個のダイオード３、４からなるアームと、直列接続された２個の倍電圧コンデンサ５、６からなるアームを並列接続してなり、その中点に３相交流入力端子１Ｓが接続される。他の１次側倍電圧整流回路２Ｓ、２Ｔについても同様である。
【００２２】
次に、倍電圧整流回路２Ｒ以降の構成について説明する。倍電圧整流回路２Ｒの直流出力にはハーフブリッジインバータ回路７Ｒの直流入力端子が接続される。インバータ回路７Ｒはスイッチング素子として２個のＩＧＢＴ８と９、分圧コンデンサ１０と１１からなる。インバータ回路７の高周波出力は対応する共振インダクタンス１２Ｒを通して高電圧トランス１３Ｒの１次巻線１４に接続される。２次巻線１５には高電圧トランス１３Ｒの分布容量または電気部品である共振用高電圧コンデンサ１６が並列接続される。また、その２次巻線１５には正負２回路の２次側倍電圧整流回路１７Ｒ、１８Ｒが接続される。正極性倍電圧整流回路１７Ｒは２次巻線１５と直列な電圧増倍用コンデンサ１９と、互いに直列接続されたダイオード２０, ２１と、フィルタコンデンサ２２とからなる周知の回路であり、その倍電圧整流作用によりフィルタコンデンサ２２に正極性の２倍の直流電圧を発生する。負極倍電圧整流回路１８Ｒも２次巻線１５と直列な電圧増倍用コンデンサ２３と、互いに直列接続されたダイオード２４, ２５と、フィルタコンデンサ２６とからなる周知の回路であり、前述と同様にフィルタコンデンサ２６には負極性の２倍の直流電圧が発生する。Ｓ相、Ｔ相の構成も同様であり、説明を省略するが、フィルタコンデンサ２２、２６はＲ相と共用する。正極性の２倍電圧と負極性の２倍電圧はＸ線管２７のアノードとカソードにそれぞれ印加される。正極性倍電圧整流回路１７Ｒと負極性倍電圧整流回路１８Ｒのコモン側は共通接続され、接地される。
【００２３】
なお、２８はＸ線管電圧の検出抵抗である。この実施例で、正極性側の電圧だけを検出しているのは、１個のトランス１３Ｒの２次巻線１５が正負両極性の倍電圧回路を駆動しているので、正負両極性の電圧の対称性が良好だからである。もちろん、正負両極性の電圧を検出してもよい。２９は検出電圧によりＸ線管電圧を安定化するよう、インバータ回路７Ｒ〜７ＴのＩＧＢＴのオン時間比率を制御する、いわゆるパルス幅制御（ＰＷＭ）回路である。ＰＷＭ制御回路２９は、３台のインバータ回路７Ｒ〜７Ｔに３組の駆動信号を送出する。インバータ回路７ＲのＩＧＢＴ８，９には、駆動信号ＸＲとそれの逆相の駆動信号ＸＲ’をそれぞれ送る。同様に７Ｓ、７Ｔには駆動信号ＸＳとそれと逆相の駆動信号ＸＳ’，及び駆動信号ＸＴとそれと逆相の駆動信号ＸＴ’をそれぞれ送出する。さらに、この実施例では、駆動信号ＸＲと駆動信号ＸＳと駆動信号ＸＴ、及び駆動信号ＸＲ’と駆動信号ＸＳ’と駆動信号ＸＴ’はそれぞれ適当な位相差、例えば１２０度の位相差を持つ。
【００２４】
次に、上述のような回路構成の動作について説明する。３相２００Ｖ系交流電圧を３相入力端子１Ｒ、１Ｓ、１Ｔに受電した場合、各相の交流電圧は、それぞれの１次側倍電圧整流回路２により倍電圧整流されて約４８０Ｖの直流電圧となる。各相の直流４８０Ｖはインバータ回路７Ｒ〜７Ｔに供給される。この電圧は、交流入力電源電圧変動で最大６００Ｖになるので、インバータ回路７Ｒ〜７Ｔの各ＩＧＢＴ８、９は１２００Ｖクラスの耐圧が必要である。Ｒ相で説明すれば、インバータ回路７Ｒはこの直流電圧を１００ｋＨｚの高周波交流電圧に変換し、共振インダクタンス１２Ｒと共振コンデンサ１６の共振作用とトランス１３Ｒの昇圧作用とで必要な電圧、例えば、２次巻線１５で３５ｋＶに昇圧し、次の倍電圧整流回路１７Ｒと１８Ｒで正極出力７０ｋＶ、負極出力７０ｋＶの電圧をそれぞれ出力し、Ｘ線管２７に対して、例えば１４０ｋＶの直流電圧を供給する。Ｓ相、Ｔ相も同様であり、三つの倍電圧整流出力はフィルタコンデンサ２２、２６で合成される。なお、直列共振型インバータ回路は一例であって、他の構成のインバータ回路でも良く、その詳細は本発明に直接関係ないので省略する。
【００２５】
本実施例では、インバータ回路７Ｒ〜７Ｔは約４８０Ｖの直流入力電圧で動作するので、２００Ｖ系交流入力電源の場合に比べて耐圧はほぼ２倍高いものが必要とされるが、電流が１／２となり、したがって小型で低価格のＩＧＢＴを用いることができるばかりでなく、配線損失、トランス巻線損失を減少させ、高効率となる。
【００２６】
また、ＰＷＭ制御回路２９は、インバータ回路７Ｒ〜７Ｔの各ＩＧＢＴ８には、１２０度の位相差を持つ駆動信号ＸＲ、駆動信号ＸＳ、駆動信号ＸＴを供給すると共に、インバータ回路７Ｒ〜７Ｔの各ＩＧＢＴ９には１２０度の位相差を持つ前記逆相の駆動信号ＸＲ’、駆動信号ＸＳ’駆動信号ＸＴ’を供給しているので、リプル周波数は変換周波数１００ｋＨｚの３倍の３００ｋＨｚとなり、フィルタコンデンサ容量が同一であれば、位相差がない場合よりもリプル分を１／３以下に低減することができ、よりリプル分の小さな平坦な出力電圧を得ることができる。
【００２７】
実施例２；次に、図２により３相２００Ｖ系入力と３相４００Ｖ系入力の両電圧を切り替えて使用できる大電力Ｘ線管電源コンバータの一実施例を説明する。図１と同一の符号はその説明に準じる。構成要素はいずれも周知であり、詳しい説明は省略する。各相とも同一の構成であるので、Ｒ相について説明する。インバータ回路３１Ｒは４個のＩＧＢＴのようなスイッチング素子などからなるブリッジインバータ回路である。トランス３２Ｒは２個の２次巻線３３、３４を持ち、それぞれ正極性、負極性用の両波型の倍電圧整流回路３５Ｒ、３６Ｒに接続される。倍電圧整流回路３５Ｒ、３６Ｒは２個のダイオード３７、３８と２個のフィルタコンデンサ４１、４２とからなり、倍電圧整流回路３６Ｒは２個のダイオード３９、４０と２個のフィルタコンデンサ４３、４４とからなる。他の相も同様であるが、フィルタコンデンサ４１、４２、４３、４４は各相共通に使用される。制御回路は省略するが、各インバータ回路３１Ｒ〜３１Ｔの対をなすＩＧＢＴは１２０度の位相差をもって制御され、この点については図１の実施例と同様である。
【００２８】
次に、入力電圧の切替え方法を説明する。入力回路の電圧切替えは、鎖線で示される接続線５１，５２，５３と、一点鎖線で示される正極性共通接続線５４，５５と，一点鎖線で示される負極性共通接続線５６，５７と、図示していないが各接続線５１〜５７に介挿されたスイッチのような開閉手段により行われる。３相２００Ｖ系の入力電圧を受電する場合には、正極性共通接続線５４と５５，負極性共通接続線５６，５７を開閉手段（図示せず）を開いて切り離し、実線で示された接続の他に、接続線５１を入力端子１Ｓに、接続線５２を入力端子１Ｔに、接続線５３をそれぞれの開閉手段（図示せず）を閉じて入力端子１Ｒに接続する。この接続により図１と同じ各相に倍電圧整流回路が構成され、整流電圧４８０Ｖを出力し、図１で説明したのと同様にインバータ回路３１以後の回路が動作する。
【００２９】
入力端子１Ｒ，１Ｓ，１Ｔに３相４００Ｖ系入力電力を受電するときには、それぞれの図示しない開閉手段を開いて接続線５１，５２，５３を切り離し、それぞれの開閉手段（図示せず）を閉じて正極性共通接続線５４と５５，負極性共通接続線５６と５７を接続する。これにより、整流回路２は３相全波整流回路構成になり、整流電圧４８０Ｖを出力する。このように、３相２００Ｖ系又は４００Ｖ系の入力電圧のいずれを入力端子１Ｒ，１Ｓ，１Ｔに受電しても整流電圧がほぼ同一になるので、インバータ回路３１はいずれの場合でもその動作と出力電力に差異が生じない。
【００３０】
以上、インバータ回路、２次整流回路などを例示して実施例を説明したが、インバータ回路は直列共振型、並列共振型、ダブルフォワード型など様々な形式のインバータを使用できる。また、２次整流回路も各形式のインバータ回路に適したコッククロフト・ウオルトンなどの整流回路を使用できる。
【００３１】
なお、図２に示した実施例２は３相２００Ｖ系又は４００Ｖ系の入力電圧のいずれを受電しても同じ出力電力を負荷に供給できる場合について述べたが、３相４００Ｖ系の入力電圧だけを受電することが決まっている場合には、１次側の整流器２はいずれも倍電圧整流構成のものでなくてもよく、通常の３相全波整流回路とすると共に、その出力にフィルタ用コンデンサを接続し、そのフィルタ用コンデンサの両端に２台以上のインバータ回路を並列接続し、同じ位相差を持つように制御しても良い。また、以上の実施例ではインバータ回路のスイッチング素子としてＩＧＢＴを使用した場合について述べたが、他のスイッチング用電力半導体素子、例えばＭＯＳＦＥＴ、ＩＥＧＴ、あるいはサイリスタなどを用いることができる。また、この電力コンバータはＸ線管用電源以外にも勿論用いることができる。
【００３２】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、３相２００Ｖ系の交流入力電圧が供給される場合でも、整流直流電圧を３相４００Ｖ系整流電圧と同じに上昇させてインバータ回路の入力電圧とするので、３相２００Ｖ系の電圧をそのまま整流した場合に比べて、ほぼ１／２程度の電流容量の、市販されている１２００Ｖ系耐圧のＩＧＢＴなどのスイッチング素子を使用することができ、したがって、スイッチング素子として小型で安価なものを用いることができる。また、トランス１次巻線電流も２００Ｖ系の１／２となり、効率が向上する。特に、３相各相のインバータ回路の位相をシフトすることにより，リプル電圧を下げることができる利点もある。さらにまた、この発明では３相の各相に単相回路構成の１次側整流回路、インバータ回路及び２次側整流回路を組み合わせ、最後に合成しているので、３相２００Ｖ系又は３相４００Ｖ系のいずれの入力電圧に対しても、電流容量の比較的小さな電子部品で比較的出力電力の大きな電力コンバータの標準化ができ、低コスト化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の３相２００Ｖ系交流電圧を入力とする電力コンバータの実施例を示す。
【図２】  ３相２００Ｖ系と３相４００Ｖ系交流電圧の双方に対応可能な構成の電力コンバータの他の実施例を示す。
【符号の説明】
１・・３相交流入力端子            ２・・倍電圧構成の１次側整流器
７・・インバータ回路            １２・・共振用インダクタ
１３・・トランス                  １６・・共振用コンデンサ
１７・・２次側倍電圧整流器        １８・・２次側倍電圧整流器
２９・・制御回路                  ３１・・インバータ回路
３２・・トランス                  ３５・・２次側倍電圧整流器
３６・・２次側倍電圧整流器
【図１】
0004417537.tif 000002
【図２】
0004417537.tif 000003