JPH105189A - 磁気共鳴イメージング装置用電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高速応答による安定出力のできるＭＲＩ装置用
電源装置を提供する。 【解決手段】ＭＲＩ装置用電源装置１は、商用交流電源
２から供給される交流電圧を直流電圧に変換する電圧型
交流直流変換器１０と、電圧型交流直流変換器１０へ入
力される電流の電流値、電圧型交流直流変換器１０の出
力電圧の電圧値及び外部から入力される電圧指令値を入
力として電圧型交流直流変換器１０を制御する制御手段
２０と、電圧型交流直流変換器１０の出力電流を増幅す
る電流増幅器３０とを備え、更に電流増幅器３０に入力
される電流を検出する電流検出手段２３とを備えてい
る。制御手段２０は、電流検出手段２３の検出値を入力
し、電流増幅器３０への入力電流と電圧型交流直流変換
器１０からの出力電流とが等しくなるように電圧型交流
直流変換器１０をフィードフォワード制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、磁気共鳴イメージ
ング装置用電源装置（以下「ＭＲＩ装置用電源装置」と
いう）に係わり、特に安定した出力を維持するための応
答性の良い制御に特徴のあるＭＲＩ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＭＲＩ装置では、エコープラーナーイメ
ージング法等の高速結像手法が開発され、それに伴い磁
場発生用電源の出力電流の増大とその立ち上がり時間の
短縮が要求され、大電流、高電圧化する傾向にある。磁
場発生用電源の出力電流の変化速度を向上させるために
は、その入力電圧の高電圧化と高安定化が必要である。
そこで、静磁場発生用や傾斜磁場発生用などの磁場発生
用スイッチング電源として、電圧型交流直流変換器を備
えた安定化したＭＲＩ装置用電源装置が用いられるよう
になってきた。

【０００３】このような傾斜磁場発生用の電源装置とし
て図４に示すものが知られている。この電源装置１’
は、商用電源２から供給された交流を電圧型交流直流変
換器１０により直流に変換し、コンデンサ２１により平
滑化し、電流増幅器３０により増幅した後、傾斜磁場コ
イル３を駆動する。ここで用いる交流直流変換器１０
は、商用電源２と接続されたリアクトル１１から１３
と、リアクトル１１〜１３にフルブリッジ接続されたフ
ライホイールダイオードと、フライホイールダイオード
に並列接続されたスイッチング素子である絶縁ゲート型
バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）１４〜１９とを備
えている。

【０００４】このような電圧型交流直流変換器１０の出
力電圧は制御回路２０’によって制御される。即ち、制
御回路は、電流検出器２４、２５により検出された電圧
型交流直流変換器１０への入力電流と、電圧検出手段２
２により検出されたコンデンサ２１の電圧と、外部から
入力される電圧指令値とに基づいて出力電圧をフィード
バック制御する。この制御は具体的には、商用電源に接
続されたリアクトル１１〜１３とスイッチング素子１４
〜１９を通して平滑用コンデンサ２１に充電される電圧
を、スイッチング素子１４〜１９のデューティを変化さ
せることによって高電圧に制御する。

【０００５】また、電流増幅器３０の出力電流は、制御
回路４０によってフィードバック制御され、電流検出器
４３により検出された電流値と外部から入力される電流
指定値とに基づいて電流増幅器３０の増幅率を求めて電
流増幅器３０を制御する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このような従来の電源
装置では電圧型交流直流変換器１０の出力電圧の制御に
おいて、その出力電圧を用いてフィードバック制御して
いるが、この場合、コイルの駆動電流に対しては以下説
明するように制御に複数次の遅れが生ずる。

【０００７】まず、交流直流変換器１０の出力電圧は電
流増幅器３０の出力である負荷電流の積分値に比例して
変動するため、この出力電圧を用いてフィードバック制
御する場合、負荷電流が出力に影響するまでに一次の遅
れが生ずる。また、制御量であるデューティが交流直流
変換器１０への入力電流に変換されるのに一次、更にこ
の入力電流がコンデンサ２１に充電される電圧に変換さ
れるのに一次の遅れが生ずる。結果として、制御される
出力電圧はコイルの駆動により流れる電流（外乱）に対
して３次の遅れを生じることとなる。

【０００８】このような制御の遅れのため、従来の電源
装置では負荷の変動に対して高速にフィードバック制御
することができず、出力電圧が不安定化する場合があっ
た。本発明はこのような課題を解決するため高速に応答
するＭＲＩ装置用電源装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るため、本発明のＭＲＩ装置用電源装置は、磁気共鳴イ
メージング装置用磁場発生手段に電流増幅器を介して直
流電流を供給する電源装置であって、商用交流電源から
供給される交流電圧を直流電圧に変換する電圧型交流直
流変換器と、電圧型交流直流変換器への入力電流の検出
値、電圧型交流直流変換器の出力電圧の検出値及び外部
から入力される電圧指令値を入力として電圧型交流直流
変換器の出力電圧を制御する制御手段と、更に電圧型交
流直流変換器から電流増幅器に入力される電流を検出す
る電流検出器とを備え、制御手段は電流検出器により検
出された入力電流の値を出力電圧の制御に用いて、電流
増幅器に入力される電流と、電圧型交流直流変換器から
の出力電流とが等しくなるように電圧型交流直流変換器
をフィードフォワード制御するものである。

【００１０】このような構成の電源装置では、電流検出
手段によって検出された電流増幅器への入力電流を、出
力電圧を制御する制御手段にフィードフォワードするの
で、外乱である負荷の変動に対して高速に追従制御する
ことが可能となり、安定性のよいＭＲＩ装置用電源装置
を提供することができる。特に傾斜磁場発生用の電源装
置として用いた場合、傾斜磁場電流を高速に変化でき、
ＥＰＩ等の高速シーケンスに対応可能な信頼性の高いＭ
ＲＩ装置を提供できる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下に本発明の一実施例について
図１を用いて説明する。尚、図中、従来技術を示す図４
と同じ構成要素については同一の符号で示している。

【００１２】このＭＲＩ装置用電源装置１は、３相交流
の商用電源２に接続して用い、出力電流を負荷である傾
斜磁場コイル３に電流を流すものである。この電源装置
１は、商用電源２から供給される交流電圧を直流電圧に
変換する電圧型交流直流変換器１０と、交流直流変換器
１０へ入力される電流を検出する電流検出手段２４、２
５と、交流直流変換器１０からの出力電圧を平滑するコ
ンデンサ２１と、コンデンサ２１の電圧を検出する電圧
検出器２２と、交流直流変換器１０の出力電流を増幅
し、負荷である傾斜磁場コイル３に電流を流す電流増幅
器３０と、電流増幅器３０に入力される電流を検出する
電流検出器２３と、電流増幅器３０からの出力電流を検
出する電流検出器４３とを備え、更に電流検出器２４、
２５により検出された電流値、電圧検出器２２により検
出された電圧値、電流検出器２３により検出された電流
値及び外部から入力される電圧指令値を入力として交流
直流変換器１０を制御する制御回路２０と、電流検出器
４３により検出される電流値及び外部から入力される電
流指令値を入力として電流増幅器３０を制御する制御回
路４０とを備えている。制御回路４０は、電流検出器４
３により検出された電流値と、外部から入力される電流
指定値とを入力し、これらの入力に基づいて増幅率を求
めて電流増幅器３０を制御する。

【００１３】交流直流変換器１０は、商用電源２と接続
されたリアクトル１１〜１３と、リアクトル１１〜１３
にフルブリッジ接続されたフライホイールダイオード
と、フライホイールダイオードに並列接続されたスイッ
チング素子であるＩＧＢＴ１４〜１９とを備えている。

【００１４】このような構成の電源装置１は、以下のよ
うに動作する。まず、商用電源２から供給された交流
は、リアクトル１１〜１３を介してＩＧＢＴ１４〜１９
とダイオードからなるブリッジ回路に入力され、ＩＧＢ
Ｔ１４〜１９のオン・オフ時間、即ちデューティを制御
することにより上下のアームの間の平均電位Ｅua、Ｅva
及びＥwaが決定され、これにより、コンデンサ２１の両
端にかかる所定の出力電圧Ｅclが出力される。即ち、平
均電位Ｅua、Ｅva及びＥwaと商用電源２の各相の電位Ｅ
u、Ｅv及びＥwとの差の積分が、リアクトル１１〜１３
に流れる電流Ｉu、Ｉv及びＩwに比例し、これら片方向
の電流の和が出力電流Ｉaとしてコンデンサ２１に流れ
込む。そして、この電流の積分値に比例した電圧Ｅclが
コンデンサ２１の両端にかかる。

【００１５】この出力電圧Ｅclは電流増幅器３０の両端
に加えられ、制御回路４０により電流増幅器３０の増幅
率を制御することにより傾斜磁場コイル３に電流指令値
で与えられる所定の電流が流れることになる。

【００１６】ここで電圧検出器２２からの検出値Ｅcl即
ち交流直流変換器１０の出力に接続し出力電圧を平滑す
るコンデンサ２１の両端にかかる電圧の変動は、コンデ
ンサ２１に流れる電流の積分値、即ち交流直流変換器１
０の出力電流Ｉaと電流増幅器３０の入力電流Ｉfとの和
の積分値に比例する。この電流増幅器３０の入力電流Ｉ
fは、出力電圧Ｅclを介して出力電流Ｉaを制御する制御
系における外乱である。電流増幅器３０の入力電圧Ｅcl
を変動のない安定した電圧した電圧に維持するためには
平滑用のコンデンサ２１に電流を流さなければよいわけ
であるから、本発明においては電流増幅器３０の入力電
流Ｉfと交流直流変換器１０の出力電流Ｉaの値が等しく
なるように制御する。

【００１７】このため本実施例では、電流増幅器３０へ
の入力電流Ｉfを電流検出器２３により検出して制御回
路２０での制御に用いる。電流検出器２４、２５により
検出された電圧型交流直流変換器１０に入力される電流
Ｉu、Ｉvと、電圧検出手段２２により検出されたコンデ
ンサ２１の両端の電圧Ｅclとを用いることは従来と同様
である。

【００１８】このような制御回路２０による制御につい
て図２を用いて説明する。この説明の中で用いるｕ相、
ｖ相、ｗ相は３相交流の商用電源の各相を表わしてい
る。

【００１９】まず、電圧検出器２２により検出された出
力電圧Ｅclと電圧指令値Ｅclrとから比例積分（ＰＩ）
制御によって両者の差がゼロになるように入力目標とす
る電流値Ｉrを計算する。本実施例においては更に、こ
の電流値Ｉrに、外乱である電流増幅器３０への入力電
流Ｉfをフィードフォワードして加算し、比例ゲインＫ
ｍを掛けて入力目標とする電流値Ｉr'を計算する。そし
て、電流値Ｉr'にsin(ωｔ)及びsin(ωｔ−２π／３)を
それぞれ掛けて、商用電源２のｕ相及びｖ相の目標電流
Ｉur及びＩvrを算出する。更に、リアクトル１１に流れ
る電流Ｉu及びリアクトル１２に流れる電流Ｉvをフィー
ドバックし、目標電流Ｉurと電流Ｉuとの差及び目標電
流Ｉvr電流Ｉvとの差にそれぞれ比例ゲインＫｃを掛け
て比例（Ｐ）制御によって商用電源２の各相に対するデ
ューティを計算する。

【００２０】このデューティと出力電圧Ｅclとの関係か
ら、ＩＧＢＴ１４〜１９の上下のアームの間の平均電位
Ｅua、Ｅva及びＥwaが決定される。平均電位Ｅua、Ｅva
及びＥwaと商用電源２の各相の電位Ｅu、Ｅv及びＥwと
の差の積分は、リアクトル１１〜１３に流れる電流Ｉ
u、Ｉv及びＩwに比例するものであり、これらの片方向
の電流の和が出力電流Ｉaとしてコンデンサ２１に流れ
込む。

【００２１】一方、コンデンサ２１からは電流増幅器３
０への入力電流Ｉfが生じるが、このような制御におい
ては、電流増幅器３０への入力電流Ｉfと電圧型交流直
流変換器１０からの出力電流Ｉaとが等しくなるように
制御しているので、コンデンサ２１には電流が流れない
ことになり、出力電圧Ｅclは変動することなく一定に保
たれる。

【００２２】このように本発明による制御では、外乱で
ある電流増幅器３０への入力電流Ｉfをフィードフォワ
ード制御することにより、外乱に対する出力電圧Ｅclの
制御遅れを減らすことができる。一方、デューティを変
化させることにより制御される交流直流変換器１０に流
れ込む各相の入力電流Ｉu、Ｉv及びＩwは、一次遅れと
なる。従って、本発明によるＭＲＩ装置用電源装置にお
いてフィードフォワード制御する場合には、各相の入力
電流Ｉu、Ｉv及びＩwの一次遅れのみで、出力電圧Ｅcl
を一定に保つ制御をすることができる。このため、応答
性よく電圧制御をすることをできる。

【００２３】尚、本発明のＭＲＩ装置用電源装置は、図
１に示す構成に限られるものではなく、例えば図１では
商用電源２に接続するリアクトルは各相すべてに設けた
ものを示したが、最低２個のリアクトルがあればよい。
また商用電源２として３相のものではなく単相のものも
使用することができる。この場合、商用電源２に接続さ
れるリアクトルは少なくとも１個は設ける必要がある。

【００２４】また、電圧型交流直流変換器１０において
は、ＩＧＢＴ１４〜１９以外の素子をスイッチング素子
として用いてもよく、例えばＩＧＢＴより高速スイッチ
ングの可能な電界効果型トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）
を用いてもよい。また、上下のアームのどちらかにＩＧ
ＢＴのようなスイッチング素子を用いることなくダイオ
ードを使用することもでき、この場合、安価な部品に置
き換えられるという利点がある。

【００２５】更に、本実施例では、電流増幅器３０への
入力電流Ｉfを検出するために電流増幅器３０への入力
端子付近に電流検出器２３を設置し、入力電流Ｉfを直
接検出するようにしているが、電流検出器２３を電圧型
交流直流変換器１０の出力に接続したコンデンサ２１の
出力電流を検出する位置に設けて、電圧型交流直流変換
器１０からの出力電流Ｉaとの和として検出することも
可能である。この場合も図１の実施例と同様な効果が得
られるが、更に、コンデンサ２１に流れる電流は交流で
あることから、カレントトランス等の検出器の構成が容
易となり、そのため検出が容易となる。

【００２６】このような上記の変更可能な要素を取り入
れた電源装置の一実施例を図３に示す。この実施例で
は、単相交流の商用電源２”を使用し、リアクトルを１
個だけ接続している。また、電圧型交流直流変換器１
０”は４つのアームからなり、上側のアームには直流電
圧を発生させるフルブリッジのダイオード１１４、１１
６を、下側のアームにはフライホイールダイオードと並
列に接続されたＩＧＢＴ１５、１７を備えている。更
に、電流増幅器３０への入力電流Ｉfを検出する手段と
しての電流検出器２３”は、電圧型交流直流変換器１０
の出力に接続したコンデンサ２１の出力電流を検出する
位置に設けられている。この場合、電流検出器２３”が
検出する電流は、電流増幅器３０への入力電流Ｉfと交
流直流変換器１０からの出力電流Ｉaとの和であり、こ
の検出値が制御回路２０”にフィードフォーワードされ
る。

【００２７】即ち、図３の電源装置においても、制御回
路２０”は図１の実施例の制御回路２０と同様に外乱で
ある入力電流Ｉfをフィードフォワード制御するもので
あるが、ここでは電流検出器２３”が検出する電流、即
ちコンデンサ２１に流れる電流がゼロとなるように、制
御される。このことは図１に示す電源装置おいて電流増
幅器３０への入力電流Ｉfと電圧型交流直流変換器１０
からの出力電流Ｉaとが等しくなるように制御すること
と等価であり、同様に電圧型交流直流変換器１０”の出
力電圧Ｅclを一定に維持することができる。尚、制御回
路２０”においても電圧検出器２２により検出された出
力電圧Ｅclと電圧指令値Ｅclrとから両者の差がゼロに
なるように入力目標とする電流値Ｉrを計算して、交流
直流変換器１０のゲインを制御する点は図２の制御回路
２０と同様である。

【００２８】更に、図１及び図３いずれの実施例におい
ても制御回路２０、２０”が、出力電圧Ｅclと電圧指令
値Ｅclrとから電流値Ｉrを制御するに際して、図２に示
すような比例積分（ＰＩ）制御のみならず、比例・積分
・微分（ＰＩＤ）制御等の公知の制御手法を採用するこ
ともできる。

【００２９】

【発明の効果】本発明のＭＲＩ装置用電源装置は、ＭＲ
Ｉ装置用磁場発生手段に接続された電流増幅器に電力を
供給する電圧型交流直流変換器の出力電圧を、その検出
値及び外部から入力される電圧指令値を入力として制御
するに際し、外乱である電流増幅器への入力電流を検出
して制御系にフィードフォワードすることにより、電圧
型交流直流変換器からの出力電流と電流増幅器への入力
電流とが等しくなるように制御でき、これにより制御の
遅れを少なくすることができる。このため、応答性の極
めてよく、磁場発生装置用電源を提供することができ
る。従って本発明の電源装置によれば、磁場を発生させ
るための電流を高速に変化させることができ、エコープ
ラーナイメージング法のような高速シーケンスに適して
いる。また、電流増幅器からの出力も安定したものとな
り、電流変化率の低い装置が提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のＭＲＩ装置用電源装置の一実施例を示
す図。

【図２】本発明における電圧型交流直流変換器の制御ブ
ロック図。

【図３】本発明のＭＲＩ装置用電源装置の他の実施例を
示す図。

【図４】従来のＭＲＩ装置用電源装置を示す図。

【符号の説明】

１ ＭＲＩ装置用電源装置 ２ 商用電源 １０ 電圧型直流交流変換器 ２０、２０” 制御回路（制御手段） ２３ 電流検出器（電流検出手段） ３０ 電流増幅器 ４０ 制御回路。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】磁気共鳴イメージング装置用磁場発生手段
   に電流増幅器を介して直流電流を供給する電源装置であ
   って、商用交流電源から供給される交流電圧を直流電圧
   に変換する電圧型交流直流変換器と、前記電圧型交流直
   流変換器への入力電流の検出値、前記電圧型交流直流変
   換器の出力電圧の検出値及び外部から入力される電圧指
   令値を入力として前記電圧型交流直流変換器の出力電圧
   を制御する制御手段とを備えた電源装置において、 前記電圧型交流直流変換器から前記電流増幅器に入力さ
   れる電流を検出する電流検出器を備え、前記制御手段
   は、前記出力電圧の制御において前記電流検出器により
   検出された入力電流の検出値を用い、前記電流増幅器に
   入力される電流と、前記電圧型交流直流変換器からの出
   力電流とが等しくなるように前記電圧型交流直流変換器
   をフィードフォワード制御することを特徴とした磁気共
   鳴イメージング装置用電源装置。