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JP5731328B2 - Inverter device and MR device - Google Patents

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JP5731328B2
JP5731328B2 JP2011186906A JP2011186906A JP5731328B2 JP 5731328 B2 JP5731328 B2 JP 5731328B2 JP 2011186906 A JP2011186906 A JP 2011186906A JP 2011186906 A JP2011186906 A JP 2011186906A JP 5731328 B2 JP5731328 B2 JP 5731328B2
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森田 健作
健作 森田
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Description

本発明は、直列に接続された複数のインバータブリッジ(inverter bridge)を備えたインバータ装置、およびそのインバータ装置を備えたMR(Magnetic Resonance)装置に関する。   The present invention relates to an inverter device including a plurality of inverter bridges connected in series, and an MR (Magnetic Resonance) device including the inverter device.

従来、MR装置は、勾配磁場発生装置を備えている。図1に、勾配磁場発生装置の構成例を概略的に示す。この勾配磁場発生装置は、例えば、複数のスイッチング(switching)素子を含むインバータブリッジ20を備えたインバータ装置である。インバータ装置の入力側には電圧Vbus(例えば800V)のバス電源10が接続され、その出力側にはインダクタンス(inductance)性負荷である勾配コイル(coil)30が接続されている。インバータブリッジ20には、さらに制御部50が接続され、勾配コイル30には、電流センサ(sensor)40が接続されている。制御部50は、目標となる電流波形の電流Itと電流センサ40の出力による実際の電流波形の電流Irとの差分が小さくなるよう、インバータブリッジ20のスイッチング動作をフィードバック(feedback)制御する。   Conventionally, the MR apparatus includes a gradient magnetic field generator. FIG. 1 schematically shows a configuration example of a gradient magnetic field generator. This gradient magnetic field generator is, for example, an inverter device including an inverter bridge 20 including a plurality of switching elements. A bus power supply 10 having a voltage Vbus (for example, 800 V) is connected to the input side of the inverter device, and a gradient coil 30 that is an inductance load is connected to the output side. A control unit 50 is further connected to the inverter bridge 20, and a current sensor 40 is connected to the gradient coil 30. The control unit 50 performs feedback control of the switching operation of the inverter bridge 20 so that the difference between the current It of the target current waveform and the current Ir of the actual current waveform due to the output of the current sensor 40 becomes small.

このフィードバック制御は、具体的には、電力を伝えるための実質的なスイッチングを行うスイッチング素子の選択と、選択されたスイッチング素子をスイッチングするときのオンデューティεの調整とを行って、出力電圧の正負および大きさを制御することである。図1の例では、スイッチング素子Qa,Qbを選択し、これらをオンデューティ(on-duty)εで同期したスイッチングを行うと、出力電圧Voutは+ε・Vbusとなる。また、スイッチング素子Qc,Qdを選択し、これらをオンデューティεで同期したスイッチングを行うと、出力電圧Voutは−ε・Vbusとなる。   Specifically, this feedback control is performed by selecting a switching element that performs substantial switching for transmitting power, and adjusting the on-duty ε when switching the selected switching element, thereby adjusting the output voltage. It is to control the sign and magnitude. In the example of FIG. 1, when switching elements Qa and Qb are selected and switching is performed in synchronization with an on-duty ε, the output voltage Vout becomes + ε · Vbus. Further, when the switching elements Qc and Qd are selected and switching is performed in synchronization with the on-duty ε, the output voltage Vout becomes −ε · Vbus.

ここで、勾配コイル30の電流Iとインバータブリッジ20の出力電圧Voutとの関係について考えてみる。仮に、勾配コイル30に台形状のパルス波形で電流Iを流す場合、勾配コイル30の電流Iとインバータブリッジ20の出力電圧Voutとは、例えば図2に示すような関係になる。そして、電流Iと電圧Voutとの極性が等しいときは、インバータブリッジ20から勾配コイル30に電力が与えられ、互いの極性が逆のときは、勾配コイル30からインバータブリッジ20に電力が回生されることになる。   Here, consider the relationship between the current I of the gradient coil 30 and the output voltage Vout of the inverter bridge 20. If the current I is passed through the gradient coil 30 with a trapezoidal pulse waveform, the current I of the gradient coil 30 and the output voltage Vout of the inverter bridge 20 have a relationship as shown in FIG. When the current I and the voltage Vout have the same polarity, power is supplied from the inverter bridge 20 to the gradient coil 30, and when the polarities are opposite, power is regenerated from the gradient coil 30 to the inverter bridge 20. It will be.

ところで、勾配コイル30に流したい電流波形の中には、一般的に、急峻な立上りや立下りが含まれている。電流Iを高速に上昇させたり下降させたりするには、インバータブリッジ20の出力電圧Voutの絶対値を大きくする必要がある。そして、出力電圧Voutの絶対値を大きくするには、インバータブリッジ20の入力側に接続されるバス電源10の電圧Vbusを高くする必要がある。   By the way, the current waveform desired to flow through the gradient coil 30 generally includes a steep rise and fall. In order to increase or decrease the current I at high speed, it is necessary to increase the absolute value of the output voltage Vout of the inverter bridge 20. In order to increase the absolute value of the output voltage Vout, it is necessary to increase the voltage Vbus of the bus power supply 10 connected to the input side of the inverter bridge 20.

しかし、インバータブリッジ20を高い電圧のバス電源で常時駆動すると、内部抵抗や安定化のためのダミー(dummy)負荷等により消費電力が増大するため、好ましくない。また、勾配コイル30に流す実際の電流波形は、概してフラット(flat)な部分が多く、急峻な立上りや立下り部分は、割合としてはそれほど多くはない。   However, if the inverter bridge 20 is always driven by a high voltage bus power supply, power consumption increases due to internal resistance, a dummy load for stabilization, or the like, which is not preferable. In addition, the actual current waveform that flows through the gradient coil 30 generally has a flat portion, and the ratio of the steep rising and falling portions is not so large.

そこで、改善策の一つとして、入力電源電圧が異なる複数のインバータブリッジを直列に接続したインバータブリッジ直列回路を用い、必要な出力電圧に応じてインバータブリッジ間の利用率を変化させることを考える。   Therefore, as one of the improvement measures, consider using an inverter bridge series circuit in which a plurality of inverter bridges having different input power supply voltages are connected in series, and changing the utilization ratio between the inverter bridges according to the required output voltage.

例えば、図3に示すように、電源電圧が相対的に高い電圧Vbus1(例えば700V)である第1のバス電源11に接続された第1のインバータブリッジ21と、電源電圧が相対的に低い電圧Vbus2(例えば100V)である第2のバス電源12に接続された第2のインバータブリッジ22とを直列に接続したインバータブリッジ直列回路25を用意する。このインバータブリッジ直列回路25の出力側には、勾配コイル30が接続されている。そして、制御部51は、目標とする勾配コイル30の電流波形に応じて、必要な出力電圧Voutが得られるよう、第1および第2のインバータブリッジ21,22のそれぞれにおけるスイッチング素子の選択と、その選択されたスイッチング素子をスイッチングするときのオンデューティα,βの調整とを行って、それぞれのインバータブリッジの出力電圧V1(=±α×Vbus1),V2(=±β×Vbus2)を制御する(特許文献1,図3等参照)。   For example, as shown in FIG. 3, the first inverter bridge 21 connected to the first bus power supply 11 having a relatively high power supply voltage Vbus1 (for example, 700V), and a voltage having a relatively low power supply voltage. An inverter bridge series circuit 25 is prepared in which a second inverter bridge 22 connected to a second bus power supply 12 that is Vbus2 (for example, 100 V) is connected in series. A gradient coil 30 is connected to the output side of the inverter bridge series circuit 25. And the control part 51 selects the switching element in each of the 1st and 2nd inverter bridges 21 and 22 so that the required output voltage Vout can be obtained according to the current waveform of the target gradient coil 30, The on-duty α and β are adjusted when the selected switching element is switched to control the output voltages V1 (= ± α × Vbus1) and V2 (= ± β × Vbus2) of the respective inverter bridges. (See Patent Document 1, FIG. 3, etc.).

このようにすれば、高い電圧Vbus1の第1のバス電源11による第1のインバータブリッジ21を、必要なときだけ、必要な分だけ利用することができ、消費電力を抑えつつ、勾配コイル30に目標の電流波形で電流を流すことが可能になる。なお、オンデューティαを0にして、第1のインバータブリッジ21の出力を完全にカットオフ(cut off)するようにしてもよい。   In this way, the first inverter bridge 21 by the first bus power supply 11 with the high voltage Vbus1 can be used only when necessary, and the gradient coil 30 can be used while suppressing power consumption. It becomes possible to flow a current with a target current waveform. Note that the on-duty α may be set to 0 so that the output of the first inverter bridge 21 is completely cut off.

特許第4362176号公報Japanese Patent No. 4362176

しかしながら、このような勾配磁場発生装置では、勾配コイル30の電流波形によっては、インバータブリッジ直列回路25が勾配コイル30に電力を与えるときの、その電力のインバータブリッジ間のバランスと、勾配コイル30からインバータブリッジ直列回路25に電力が回生されるときの、その電力のインバータブリッジ間のバランス(balance)とが異なるという現象が起きる。   However, in such a gradient magnetic field generator, depending on the current waveform of the gradient coil 30, the balance between the inverter bridges when the inverter bridge series circuit 25 supplies power to the gradient coil 30, and the gradient coil 30. When power is regenerated in the inverter bridge series circuit 25, a phenomenon occurs in which the balance between the inverter bridges of the power is different.

例えば、図4に示すように、勾配コイル30に、電流値が比較的緩やかに上昇した後、急峻に下降するような三角波の電流波形で電流を流す場合を考える。   For example, as shown in FIG. 4, a case is considered in which a current is passed through the gradient coil 30 with a triangular wave current waveform in which the current value rises relatively slowly and then falls sharply.

電流Iを緩やかに上昇させるときは、出力電圧Voutを+(正)側で比較的小さく保てばよいので、入力電源電圧が低い第2のインバータブリッジ22のみで、あるいは、これをメイン(main)として駆動し、入力電源電圧が高い第1のインバータブリッジ21を休ませることができる。この場合は、勾配コイル30へ与える電力は、比較的小さく、第2のインバータブリッジ22が主に担うことになる。   When the current I is gradually increased, the output voltage Vout only needs to be kept relatively small on the + (positive) side, so that only the second inverter bridge 22 with a low input power supply voltage or the main (main) ) And the first inverter bridge 21 having a high input power supply voltage can be rested. In this case, the power applied to the gradient coil 30 is relatively small, and the second inverter bridge 22 is mainly responsible.

一方、電流Iを、上昇し切った後に急峻に下降させるときは、出力電圧Voutを、瞬間的に−(負)側で大きくする必要があるので、第1および第2のインバータブリッジ21,22の両方を駆動しなければならない。この場合は、勾配コイル30から回生される電力は、比較的大きく、より大きな電圧を出力する第1のインバータブリッジ21に、大きな割合で電力が回生されることになる。   On the other hand, when the current I is fully increased and then decreased sharply, the output voltage Vout needs to be instantaneously increased on the − (negative) side. Therefore, the first and second inverter bridges 21 and 22 Must drive both. In this case, the electric power regenerated from the gradient coil 30 is relatively large, and the electric power is regenerated at a large rate to the first inverter bridge 21 that outputs a larger voltage.

つまり、第1のインバータブリッジ21では、勾配コイル30に与える電力がほとんどない状態から、突如、大きな電力が回生されることになる。一方、第2のインバータブリッジ22では、勾配コイル30に比較的小さい電力を与えていた状態から、比較的小さい電力が回生されることになる。これは、すなわち、インバータブリッジ直列回路25が勾配コイル30に電力を与えるときの、その電力のインバータブリッジ間のバランスと、勾配コイル30からインバータブリッジ直列回路25に電力が回生されるときの、その電力のインバータブリッジ間のバランスとが異なることを意味する。   That is, in the first inverter bridge 21, a large amount of power is suddenly regenerated from a state where there is almost no power applied to the gradient coil 30. On the other hand, in the second inverter bridge 22, relatively small power is regenerated from a state in which relatively small power is applied to the gradient coil 30. That is, when the inverter bridge series circuit 25 supplies power to the gradient coil 30, the balance between the inverter bridges of the power, and when the power is regenerated from the gradient coil 30 to the inverter bridge series circuit 25, This means that the balance between power inverter bridges is different.

こうなると、第1のインバータブリッジ21では、与える電力よりも回生される電力の方が大きく上回るので、第1のバス電源11は余った電力を吸収しきれず、電源電圧が上昇するなど不安定な動作をすることになる。   In this case, in the first inverter bridge 21, the regenerated electric power is much higher than the electric power to be applied. Therefore, the first bus power supply 11 cannot absorb the surplus power, and the power supply voltage rises and is unstable. Will work.

このように、勾配コイル30に流す電流波形によっては、インバータブリッジにおける与える電力と回生される電力との不均衡が極端に増大することがある。そして、この不均衡が大きくなると、第1のバス電源11もしくは第2のバス電源12またはその両方がその不均衡を吸収できなり、出力電圧V1,V2が意図した電圧に制御できなくなる。その結果、バス電源そのものが不安定になり、勾配コイル30の電流波形にも歪が発生することになる。   As described above, depending on the current waveform flowing through the gradient coil 30, the imbalance between the power supplied to the inverter bridge and the regenerated power may increase extremely. When this imbalance increases, the first bus power supply 11 and / or the second bus power supply 12 cannot absorb the imbalance, and the output voltages V1 and V2 cannot be controlled to the intended voltages. As a result, the bus power supply itself becomes unstable, and the current waveform of the gradient coil 30 is also distorted.

なお、このような現象は、MR装置の勾配磁場発生装置に限らず、直列に接続された複数のインバータブリッジを備えたインバータ装置で、インダクタンス性負荷を所望の電流波形で駆動しようとする際に発生するものである。   Such a phenomenon is not limited to the gradient magnetic field generator of the MR device, and is an inverter device having a plurality of inverter bridges connected in series when an inductive load is driven with a desired current waveform. It is what happens.

このような事情により、直列に接続された複数のインバータブリッジを備えたインバータ装置において、インバータブリッジ間の利用率を変えて、インダクタンス性負荷を効率よく駆動する際に、インバータブリッジの入力電源電圧を安定させる技術が望まれている。   Due to such circumstances, in an inverter device including a plurality of inverter bridges connected in series, when the inductance load is efficiently driven by changing the utilization factor between the inverter bridges, the input power supply voltage of the inverter bridge is changed. A technique to stabilize it is desired.

第1の観点の発明は、複数のインバータブリッジが出力側で直列に接続されたインバータブリッジ直列回路であって、各々のインバータブリッジの入力電源電圧のうち少なくとも一つが他の入力電源電圧と異なるインバータブリッジ直列回路と、前記インバータブリッジ直列回路の出力側に接続されたインダクタンス性負荷と、前記インバータブリッジ直列回路の出力電圧が、前記インダクタンス性負荷に所望の電流波形で電流が流れるような電圧となるよう、前記複数のインバータブリッジのそれぞれのオンデューティを制御する制御部と、を備えたインバータ装置であって、前記制御部が、前記所望の電流波形における電流値の正負および電流微分値の正負に基づいて、前記インバータブリッジ直列回路が前記インダクタンス性負荷に与える電力のインバータブリッジ間のバランスと、前記インダクタンス性負荷から前記インバータブリッジ直列回路に回生される電力のインバータブリッジ間のバランスとの不均衡を是正するよう、前記それぞれのオンデューティを制御するインバータ装置を提供する。   The invention of the first aspect is an inverter bridge series circuit in which a plurality of inverter bridges are connected in series on the output side, and at least one of the input power supply voltages of each inverter bridge is different from other input power supply voltages The bridge series circuit, the inductive load connected to the output side of the inverter bridge series circuit, and the output voltage of the inverter bridge series circuit are voltages that allow a current to flow through the inductive load with a desired current waveform. And a control unit that controls the on-duty of each of the plurality of inverter bridges, wherein the control unit converts the current value in the desired current waveform to positive / negative and current differential value positive / negative. The inverter bridge series circuit applies to the inductive load. Inverter devices for controlling the respective on-duties so as to correct the imbalance between the balance between inverter bridges of power and the balance between inverter bridges of power regenerated from the inductance load to the inverter bridge series circuit I will provide a.

第2の観点の発明は、前記インバータブリッジ直列回路が、入力電源電圧が相対的に高い第1のインバータブリッジと、入力電源電圧が相対的に低い第2のインバータブリッジとが出力側で直列に接続された回路である上記第1の観点のインバータ装置を提供する。   According to a second aspect of the invention, the inverter bridge series circuit includes a first inverter bridge having a relatively high input power supply voltage and a second inverter bridge having a relatively low input power supply voltage in series on the output side. An inverter device according to the first aspect, which is a connected circuit, is provided.

第3の観点の発明は、前記制御部が、前記所望の電流波形における電流値が正であり、電流微分値が正であるとき、前記第1のインバータブリッジのオンデューティを下げ、前記第2のインバータブリッジのオンデューティを上げる制御を行う上記第2の観点のインバータ装置を提供する。   According to a third aspect of the present invention, when the current value in the desired current waveform is positive and the current differential value is positive, the control unit decreases the on-duty of the first inverter bridge, and the second An inverter device according to the second aspect of the present invention that performs control to increase the on-duty of the inverter bridge is provided.

第4の観点の発明は、前記制御部が、前記所望の電流波形における電流値が正であり、電流微分値が負であるとき、前記第1のインバータブリッジのオンデューティを上げ、前記第2のインバータブリッジのオンデューティを下げる制御を行う上記第2の観点または第3の観点のインバータ装置を提供する。   According to a fourth aspect of the invention, the control unit increases the on-duty of the first inverter bridge when the current value in the desired current waveform is positive and the current differential value is negative, and the second An inverter device according to the second aspect or the third aspect is provided that performs control to reduce the on-duty of the inverter bridge.

第5の観点の発明は、前記制御部が、前記所望の電流波形における電流値が負であり、電流微分値が負であるとき、前記第1のインバータブリッジのオンデューティを下げ、前記第2のインバータブリッジのオンデューティを上げる制御を行う上記第2の観点から第3の観点のいずれか一つの観点のインバータ装置を提供する。   According to a fifth aspect of the invention, the control unit reduces the on-duty of the first inverter bridge when the current value in the desired current waveform is negative and the current differential value is negative, An inverter device according to any one of the second to third aspects that performs control to increase the on-duty of the inverter bridge is provided.

第6の観点の発明は、前記制御部が、前記所望の電流波形における電流値が負であり、電流微分値が正であるとき、前記第1のインバータブリッジのオンデューティを上げ、前記第2のインバータブリッジのオンデューティを下げる制御を行う上記第2の観点から第4の観点のいずれか一つの観点のインバータ装置を提供する。   According to a sixth aspect of the invention, the control unit increases the on-duty of the first inverter bridge when the current value in the desired current waveform is negative and the current differential value is positive. An inverter device according to any one of the second to fourth aspects is provided that performs control to reduce the on-duty of the inverter bridge.

第7の観点の発明は、前記制御部が、前記所望の電流波形と前記インダクタンス性負荷の電流波形との差分が小さくなるよう、前記オンデューティをフィードバック制御する上記第1の観点から第6の観点のいずれか一つの観点のインバータ装置を提供する。   According to a seventh aspect of the invention from the first aspect, the control unit performs feedback control of the on-duty so that a difference between the desired current waveform and the current waveform of the inductive load is reduced. An inverter device according to any one of the aspects is provided.

第8の観点の発明は、前記インバータブリッジを構成するスイッチング素子が、それぞれ、IGBT(絶縁ゲート・バイポーラトランジスタ)またはGTO(ゲート・ターンオフ・サイリスタ)である上記第1の観点から第7の観点のいずれか一つの観点のインバータ装置を提供する。   According to an eighth aspect of the invention, the switching elements constituting the inverter bridge are IGBTs (insulated gate / bipolar transistors) or GTOs (gate / turn-off thyristors), respectively. An inverter device according to any one aspect is provided.

第9の観点の発明は、前記インダクタンス性負荷が、MR撮影用の勾配コイルであり、前記所望の電流波形が、MR撮影用の勾配パルスを発生させるための電流波形である上記第1の観点から第8の観点のいずれか一つの観点のインバータ装置を提供する。   According to a ninth aspect of the invention, the inductive load is a gradient coil for MR imaging, and the desired current waveform is a current waveform for generating a gradient pulse for MR imaging. To an inverter device according to any one of the eighth aspects.

第10の観点の発明は、上記第9の観点のインバータ装置を備えたMR装置を提供する。   The tenth aspect of the invention provides an MR apparatus including the inverter device of the ninth aspect.

上記観点の発明によれば、制御部が、複数のインバータブリッジが直列に接続されたインバータブリッジ直列回路からインダクタンス性負荷に与えられる電力のインバータブリッジ間のバランスと、インダクタンス性負荷からインバータブリッジ直列回路に回生される電力のインバータブリッジ間のバランスとの不均衡が是正されるように、それぞれのインバータブリッジのオンデューティを制御するので、各インバータブリッジの上記不均衡による不安定動作を抑制することができ、それぞれのインバータブリッジの入力電源電圧をより安定させることができる。   According to the invention of the above aspect, the control unit balances between the inverter bridges of the power supplied to the inductive load from the inverter bridge series circuit in which a plurality of inverter bridges are connected in series, and the inverter bridge series circuit from the inductive load. Since the on-duty of each inverter bridge is controlled so that the imbalance with the balance between the inverter bridges of the regenerated power is corrected, the unstable operation due to the imbalance of each inverter bridge can be suppressed. The input power supply voltage of each inverter bridge can be further stabilized.

従来の勾配磁場発生装置の構成例を概略的に示す図である。It is a figure which shows schematically the structural example of the conventional gradient magnetic field generator. 勾配コイルにおける電流波形と電圧波形との関係の第一例を示す図である。It is a figure which shows the 1st example of the relationship between the current waveform and voltage waveform in a gradient coil. 従来の改良型勾配磁場発生装置の構成例を概略的に示す図である。It is a figure which shows roughly the structural example of the conventional improved gradient magnetic field generator. 勾配コイルにおける電流波形と電圧波形との関係の第二例を示す図である。It is a figure which shows the 2nd example of the relationship between the current waveform and voltage waveform in a gradient coil. 発明の実施形態に係る勾配磁場発生装置の構成を概略的に示す図である。It is a figure showing roughly composition of a gradient magnetic field generator concerning an embodiment of an invention.

以下、発明の実施形態について説明する。なお、これにより発明が限定されるものではない。   Embodiments of the invention will be described below. However, this does not limit the invention.

図5は、本実施形態に係る勾配磁場発生装置(インバータ装置)の構成を概略的に示す図である。   FIG. 5 is a diagram schematically showing the configuration of the gradient magnetic field generator (inverter device) according to the present embodiment.

図5に示すように、勾配磁場発生装置100は、インバータブリッジ直列回路25と、勾配コイル30と、電流センサ40と、制御部52とを備えている。   As shown in FIG. 5, the gradient magnetic field generator 100 includes an inverter bridge series circuit 25, a gradient coil 30, a current sensor 40, and a control unit 52.

インバータブリッジ直列回路25は、第1のインバータブリッジ21と第2のインバータブリッジ22とが出力側で直列に接続された回路である。本例では、第1および第2のインバータブリッジ21,22は、いずれもフルブリッジ型である。第1のインバータブリッジ21の入力側には、相対的に高い電圧Vbus1を電源電圧とする第1のバス電源11が接続されている。第2のインバータブリッジ22の入力側には、相対的に低い電圧Vbus2を電源電圧とする第2のバス電源12が接続されている。第1および第2のインバータブリッジ21は、それぞれ、複数のスイッチング素子により構成されている。高い電圧Vbus1は、例えば700Vであり、低い電圧Vbus2は、例えば100Vである。スイッチング素子としては、例えば、IGBT(絶縁ゲート・バイポーラトランジスタ)やGTO(ゲート・ターンオフ・サイリスタ)、パワーMOSFET(電界効果トランジスタ)、パワー・バイポーラトランジスタなどが考えられる。インバータブリッジのスイッチング周波数は、例えば、50〜100kHz程度である。   The inverter bridge series circuit 25 is a circuit in which a first inverter bridge 21 and a second inverter bridge 22 are connected in series on the output side. In this example, each of the first and second inverter bridges 21 and 22 is a full bridge type. A first bus power supply 11 having a relatively high voltage Vbus1 as a power supply voltage is connected to the input side of the first inverter bridge 21. A second bus power supply 12 having a relatively low voltage Vbus2 as a power supply voltage is connected to the input side of the second inverter bridge 22. Each of the first and second inverter bridges 21 includes a plurality of switching elements. The high voltage Vbus1 is, for example, 700V, and the low voltage Vbus2 is, for example, 100V. Examples of the switching element include an IGBT (insulated gate bipolar transistor), a GTO (gate turn-off thyristor), a power MOSFET (field effect transistor), and a power bipolar transistor. The switching frequency of the inverter bridge is, for example, about 50 to 100 kHz.

インバータブリッジ直列回路25の出力側には、インダクタンス性負荷である勾配コイル30が接続されている。勾配コイル30は、勾配コイル30の電流波形に応じた勾配パルス(pulse)磁場を発生させる。   A gradient coil 30 that is an inductive load is connected to the output side of the inverter bridge series circuit 25. The gradient coil 30 generates a gradient pulse magnetic field corresponding to the current waveform of the gradient coil 30.

電流センサ40は、勾配コイル30に流れる電流を検出する。電流センサ40としては、例えば、非接触型のホール素子などが考えられる。   The current sensor 40 detects a current flowing through the gradient coil 30. As the current sensor 40, for example, a non-contact Hall element can be considered.

制御部52は、基本的に、インバータブリッジ直列回路25の出力電圧Voutが、勾配コイル30に所望の電流波形で電流が流れるような電圧となるよう、第1および第2のインバータブリッジ21,22において、スイッチング素子の選択と、選択されたスイッチング素子に対するスイッチングのオンデューティの調整とを行う。所望の電流波形とは、すなわち、勾配コイル30に目的の勾配パルス磁場を発生させるための電流波形である。   The control unit 52 basically includes the first and second inverter bridges 21 and 22 so that the output voltage Vout of the inverter bridge series circuit 25 becomes a voltage at which a current flows through the gradient coil 30 with a desired current waveform. , The selection of the switching element and the adjustment of the on-duty of switching for the selected switching element are performed. The desired current waveform is a current waveform for causing the gradient coil 30 to generate a target gradient pulse magnetic field.

また、制御部52は、インバータブリッジ直列回路25の出力電圧Voutを変化させないことを前提に、所望の電流波形における電流値の正負および電流微分値の正負に基づいて、インバータブリッジ直列回路25が勾配コイル30に電力を与えるときのその電力のインバータブリッジ間のバランスと、勾配コイル30からインバータブリッジ直列回路25に電力が回生されるときのその電力のインバータブリッジ間のバランスとの不均衡を是正するよう、それぞれのインバータブリッジのオンデューティを調整する。   Further, the control unit 52 assumes that the output voltage Vout of the inverter bridge series circuit 25 is not changed, and the inverter bridge series circuit 25 has a gradient based on the positive / negative of the current value and the positive / negative of the current differential value in a desired current waveform. Corrects the imbalance between the balance between the inverter bridges when power is supplied to the coil 30 and the balance between the inverter bridges when the power is regenerated from the gradient coil 30 to the inverter bridge series circuit 25. Adjust the on-duty of each inverter bridge.

本例では、インバータブリッジのオンデューティをメイン因子とサブ(sub)因子との積とし、制御部52は、第1のインバータブリッジ21に対するメイン因子αおよびサブ因子Aと、第2のインバータブリッジ22に対するメイン因子βおよびサブ因子Bとを略リアルタイムで決定して、オンデューティを調整するものとする。なお、サブ因子A,Bは、いずれも1を基準値として大小に振られるパラメータ(parameter)である。   In this example, the on-duty of the inverter bridge is the product of the main factor and the sub factor, and the control unit 52 controls the main factor α and the sub factor A for the first inverter bridge 21 and the second inverter bridge 22. The on-duty is adjusted by determining the main factor β and the sub-factor B with respect to substantially real time. Note that the sub-factors A and B are both parameters that are scaled with 1 as a reference value.

制御部52には、目的の勾配パルス磁場を発生させるのに必要な勾配コイル30の所望の電流波形と、電流センサ40によって実測された勾配コイル30の電流波形とが入力される。制御部52は、所望の電流波形と実測された電流波形との差分が小さくなるよう、所定のルール(rule)に従って、メイン因子α,βを調整する。   The controller 52 receives a desired current waveform of the gradient coil 30 necessary for generating a target gradient pulse magnetic field and a current waveform of the gradient coil 30 actually measured by the current sensor 40. The control unit 52 adjusts the main factors α and β according to a predetermined rule so that the difference between the desired current waveform and the actually measured current waveform becomes small.

例えば、目標電流波形の電流Itなどから想定されるインバータブリッジ直列回路25の出力電圧Voutを電圧Vout1として、
条件a:100V≧Vout1>0Vであるときは、スイッチング素子Q1,Q2、Q5,Q6を、スイッチング対象に選択し、そのオンデューティのメイン因子α,βを、その比をα:β=1:9に保持しながら調整する。
For example, assuming that the output voltage Vout of the inverter bridge series circuit 25 assumed from the current It of the target current waveform is the voltage Vout1,
Condition a: When 100V ≧ Vout1> 0V, the switching elements Q1, Q2, Q5, Q6 are selected as switching targets, and the on-duty main factors α, β are set to α: β = 1: Adjust while holding at 9.

条件b:800V≧Vout1>100Vであるときは、スイッチング素子Q1,Q2、Q5,Q6を、スイッチング対象に選択し、そのオンデューティのメイン因子α,βを、β=0.8に固定しながら調整する。   Condition b: When 800V ≧ Vout1> 100V, switching elements Q1, Q2, Q5, Q6 are selected as switching targets, and main factors α, β of the on-duty are fixed at β = 0.8. adjust.

条件c:0>Vout1≧−100Vであるときは、スイッチング素子Q3,Q4、Q7,Q8を、スイッチング対象に選択し、そのオンデューティのメイン因子α,βを、その比をα:β=1:9に保持しながら調整する。   When the condition c is 0> Vout1 ≧ −100V, the switching elements Q3, Q4, Q7, Q8 are selected as switching targets, the main factors α, β of the on-duty are set, and the ratio is α: β = 1. : Adjust while holding at 9.

条件d:−100V>Vout1>−800Vであるときは、スイッチング素子Q3,Q4、Q7,Q8を、スイッチング対象に選択し、そのオンデューティのメイン因子α,βを、β=0.8に固定しながら調整する。   Condition d: When −100V> Vout1> −800V, switching elements Q3, Q4, Q7, and Q8 are selected as switching targets, and main factors α and β of the on-duty are fixed to β = 0.8. While adjusting.

また、制御部52は、所望の電流波形における電流値Itの正負の別と、その電流微分値dIt/dt(すなわち電流波形を数式で表したときの傾き係数)の正負の別との組合せに応じて、第1のインバータブリッジ21のオンデューティを構成するサブ因子Aと、第2のインバータブリッジ22のオンデューティを構成するサブ因子Bとを決定する。   Further, the control unit 52 makes a combination of whether the current value It is positive or negative in the desired current waveform and whether the current differential value dIt / dt (that is, the slope coefficient when the current waveform is expressed by a mathematical expression) is positive or negative. In response, the sub-factor A constituting the on-duty of the first inverter bridge 21 and the sub-factor B constituting the on-duty of the second inverter bridge 22 are determined.

例えば、条件1:電流値It>0であり、かつ、電流微分値dIt/dt>0のときは、電流Iと電圧Voutとの極性が同じになり、インバータブリッジ直列回路25から勾配コイル30に電力が与えられるので、サブ因子Aを下げて、サブ因子Bを上げる。   For example, when the condition 1: current value It> 0 and the current differential value dIt / dt> 0, the polarities of the current I and the voltage Vout are the same, and the inverter bridge series circuit 25 changes to the gradient coil 30. Since power is applied, sub-factor A is lowered and sub-factor B is raised.

条件2:電流値It>0であり、かつ、電流微分値dIt/dt<0のときは、電流Iと電圧Voutとの極性が逆になり、勾配コイル30からインバータブリッジ直列回路25に電力が回生されるので、サブ因子Aを上げて、サブ因子Bを下げる。   Condition 2: When the current value It> 0 and the current differential value dIt / dt <0, the polarities of the current I and the voltage Vout are reversed, and power is supplied from the gradient coil 30 to the inverter bridge series circuit 25. Since it is regenerated, sub-factor A is raised and sub-factor B is lowered.

条件3:電流値It<0であり、かつ、電流微分値dIt/dt<0のときは、電流Iと電圧Voutとの極性が同じになり、インバータブリッジ直列回路25から勾配コイル30に電力が与えられるので、サブ因子Aを下げて、サブ因子Bを上げる。   Condition 3: When the current value It <0 and the current differential value dIt / dt <0, the polarities of the current I and the voltage Vout are the same, and power is supplied from the inverter bridge series circuit 25 to the gradient coil 30. Given that, subfactor A is lowered and subfactor B is raised.

条件4:電流値It<0であり、かつ、電流微分値dIt/dt>0のときは、電流Iと電圧Voutとの極性が逆になり、勾配コイル30からインバータブリッジ直列回路25に電力が回生されるので、サブ因子Aを上げて、サブ因子Bを下げる。   Condition 4: When the current value It <0 and the current differential value dIt / dt> 0, the polarities of the current I and the voltage Vout are reversed, and power is supplied from the gradient coil 30 to the inverter bridge series circuit 25. Since it is regenerated, sub-factor A is raised and sub-factor B is lowered.

これにより、インバータブリッジ直列回路25が勾配コイル30に電力を与えるとき、すなわち上記の条件1、3を満たすときは、入力電源電圧が高い第1のインバータブリッジ21の寄与率が上がる傾向が強いので、この寄与率を下げる制御が行われる。また、インバータブリッジ直列回路25が勾配コイル30から電力の回生を受けるとき、すなわち上記の条件2、4を満たすときは、入力電源電圧が低い第2のインバータブリッジ22に回生される率が上がる傾向が強いので、この回生される率を下げる制御が行われる。   Thereby, when the inverter bridge series circuit 25 supplies power to the gradient coil 30, that is, when the above conditions 1 and 3 are satisfied, the contribution ratio of the first inverter bridge 21 having a high input power supply voltage tends to increase. Then, control for lowering the contribution rate is performed. Further, when the inverter bridge series circuit 25 receives power regeneration from the gradient coil 30, that is, when the above conditions 2 and 4 are satisfied, the rate of regeneration by the second inverter bridge 22 having a low input power supply voltage tends to increase. Therefore, the control to reduce the rate of regeneration is performed.

なお、制御部52としては、例えば、PLDやASICなどのICが考えられる。   As the control unit 52, for example, an IC such as a PLD or an ASIC can be considered.

このような構成の勾配磁場発生装置100によれば、インバータブリッジ直列回路25が勾配コイル30に与える電力のインバータブリッジ間のバランスと、勾配コイル30からインバータブリッジ直列回路25に回生される電力のインバータブリッジ間のバランスとの不均衡を是正し、各インバータブリッジの上記不均衡による不安定動作を抑制することができ、それぞれのインバータブリッジの入力電源電圧をより安定させることができる。   According to the gradient magnetic field generating apparatus 100 having such a configuration, the balance between the inverter bridges of the electric power that the inverter bridge series circuit 25 supplies to the gradient coil 30 and the inverter of the electric power that is regenerated from the gradient coil 30 to the inverter bridge series circuit 25. The imbalance with the balance between the bridges can be corrected, the unstable operation due to the imbalance of each inverter bridge can be suppressed, and the input power supply voltage of each inverter bridge can be further stabilized.

また、このような勾配磁場発生装置100によれば、上記不均衡の是正を制御部52によりアクティブ(active)に行うので、安定化のためのダミー負荷を不要あるいはより小さいものにすることができ、省スペース(space)化、コスト(cost)削減が可能になる。   Further, according to such a gradient magnetic field generator 100, the imbalance correction is performed actively by the control unit 52, so that a dummy load for stabilization can be made unnecessary or smaller. , Space saving and cost reduction are possible.

なお、上記実施形態は、発明であるインバータ装置をMR撮影用の勾配磁場発生装置に適用した例であるが、このような勾配磁場発生装置を備えたMR装置もまた、発明の実施形態の一例である。また、発明の実施形態は、その発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、種々の変形が可能である。   The above embodiment is an example in which the inverter device according to the invention is applied to a gradient magnetic field generator for MR imaging. An MR device provided with such a gradient magnetic field generator is also an example of an embodiment of the invention. It is. The embodiments of the invention can be variously modified without departing from the spirit of the invention.

10 バス電源
11 第1のバス電源
12 第2のバス電源
20 インバータブリッジ
21 第1のインバータブリッジ
22 第2のインバータブリッジ
30 勾配コイル
40 電流センサ
50〜52 制御部
100 勾配磁場発生装置(インバータ装置)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Bus power supply 11 1st bus power supply 12 2nd bus power supply 20 Inverter bridge 21 1st inverter bridge 22 2nd inverter bridge 30 Gradient coil 40 Current sensor 50-52 Control part 100 Gradient magnetic field generator (inverter apparatus)

Claims (10)

複数のインバータブリッジが出力側で直列に接続されたインバータブリッジ直列回路であって、各々のインバータブリッジの入力電源電圧のうち少なくとも一つが他の入力電源電圧と異なるインバータブリッジ直列回路と、
前記インバータブリッジ直列回路の出力側に接続されたインダクタンス性負荷と、
前記インバータブリッジ直列回路の出力電圧が、前記インダクタンス性負荷に所望の電流波形で電流が流れるような電圧となるよう、前記複数のインバータブリッジのそれぞれのオンデューティを制御する制御部と、を備えたインバータ装置であって、
前記制御部は、前記所望の電流波形における電流値の正負の別と、その電流微分値の正負の別との組合せに応じて、入力電源電圧が相対的に高いインバータブリッジのオンデューティと、入力電源電圧が相対的に低いインバータブリッジのオンデューティとのうち一方を上げ、他方を下げる制御を行う、インバータ装置。
An inverter bridge series circuit in which a plurality of inverter bridges are connected in series on the output side, and at least one of the input power supply voltages of each inverter bridge is different from other input power supply voltages,
An inductive load connected to the output side of the inverter bridge series circuit;
A control unit that controls the on-duty of each of the plurality of inverter bridges so that an output voltage of the inverter bridge series circuit is a voltage that allows a current to flow through the inductance load with a desired current waveform. An inverter device,
Wherein the control unit includes a separate positive and negative current values of the desired current waveform, depending on the combination of the different sign of the current differential value, and the on-duty of the input supply voltage is relatively high inverter bridge, the input An inverter device that performs control to increase one of the on-duty of the inverter bridge whose power supply voltage is relatively low and to decrease the other .
前記インバータブリッジ直列回路は、入力電源電圧が相対的に高い第1のインバータブリッジと、入力電源電圧が相対的に低い第2のインバータブリッジとが出力側で直列に接続された回路である請求項1に記載のインバータ装置。   The inverter bridge series circuit is a circuit in which a first inverter bridge having a relatively high input power supply voltage and a second inverter bridge having a relatively low input power supply voltage are connected in series on the output side. The inverter device according to 1. 前記制御部は、前記所望の電流波形における電流値が正であり、電流微分値が正であるとき、前記第1のインバータブリッジのオンデューティを下げ、前記第2のインバータブリッジのオンデューティを上げる制御を行う請求項2に記載のインバータ装置。   The control unit decreases the on-duty of the first inverter bridge and increases the on-duty of the second inverter bridge when the current value in the desired current waveform is positive and the current differential value is positive. The inverter device according to claim 2 which performs control. 前記制御部は、前記所望の電流波形における電流値が正であり、電流微分値が負であるとき、前記第1のインバータブリッジのオンデューティを上げ、前記第2のインバータブリッジのオンデューティを下げる制御を行う請求項2または請求項3に記載のインバータ装置。   The controller increases the on-duty of the first inverter bridge and decreases the on-duty of the second inverter bridge when the current value in the desired current waveform is positive and the current differential value is negative. The inverter device according to claim 2 or 3, wherein control is performed. 前記制御部は、前記所望の電流波形における電流値が負であり、電流微分値が負であるとき、前記第1のインバータブリッジのオンデューティを下げ、前記第2のインバータブリッジのオンデューティを上げる制御を行う請求項2から請求項3のいずれか一項に記載のインバータ装置。   The control unit lowers the on-duty of the first inverter bridge and increases the on-duty of the second inverter bridge when the current value in the desired current waveform is negative and the current differential value is negative. The inverter apparatus as described in any one of Claim 2 to 3 which performs control. 前記制御部は、前記所望の電流波形における電流値が負であり、電流微分値が正であるとき、前記第1のインバータブリッジのオンデューティを上げ、前記第2のインバータブリッジのオンデューティを下げる制御を行う請求項2から請求項4のいずれか一項に記載のインバータ装置。   When the current value in the desired current waveform is negative and the current differential value is positive, the control unit increases the on-duty of the first inverter bridge and decreases the on-duty of the second inverter bridge. The inverter apparatus as described in any one of Claim 2 to 4 which performs control. 前記制御部は、前記所望の電流波形と前記インダクタンス性負荷の電流波形との差分が小さくなるよう、前記オンデューティをフィードバック制御する請求項1から請求項6のいずれか一項に記載のインバータ装置。   The inverter device according to any one of claims 1 to 6, wherein the control unit feedback-controls the on-duty so that a difference between the desired current waveform and the current waveform of the inductive load is reduced. . 前記インバータブリッジを構成するスイッチング素子は、それぞれ、IGBT(絶縁ゲート・バイポーラトランジスタ)またはGTO(ゲート・ターンオフ・サイリスタ)である請求項1から請求項7のいずれか一項に記載のインバータ装置。   The inverter device according to any one of claims 1 to 7, wherein the switching elements constituting the inverter bridge are each an IGBT (insulated gate bipolar transistor) or a GTO (gate turn-off thyristor). 前記インダクタンス性負荷は、MR撮影用の勾配コイルであり、
前記所望の電流波形は、MR撮影用の勾配パルスを発生させるための電流波形である請求項1から請求項8のいずれか一項に記載のインバータ装置。
The inductance load is a gradient coil for MR imaging,
The inverter device according to any one of claims 1 to 8, wherein the desired current waveform is a current waveform for generating a gradient pulse for MR imaging.
請求項9に記載のインバータ装置を備えたMR装置。   An MR device comprising the inverter device according to claim 9.
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