JP2002136150A - インバータ回路 - Google Patents

インバータ回路

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JP2002136150A
JP2002136150A JP2000329993A JP2000329993A JP2002136150A JP 2002136150 A JP2002136150 A JP 2002136150A JP 2000329993 A JP2000329993 A JP 2000329993A JP 2000329993 A JP2000329993 A JP 2000329993A JP 2002136150 A JP2002136150 A JP 2002136150A
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transistor
bus
power supply
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Hiroshi Miyazaki
拓 宮崎
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Murata Machinery Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電源電力の入電時に低電位側のトランジスタ
をONさせることなく、しかも、高電位側のトランジス
タ駆動回路への電力供給のための電解コンデンサを不要
としうるインバータ回路を提供すること。 【解決手段】 インバータ回路1の出力端子に、該端子
の相に対応させてモータMを接続した状態で端電源出力
が母線P、Nを通じてモータMに供給される際、入電時
において、直流電源E−抵抗R7−ダイオードDu−モ
ータM−抵抗R8で構成される閉回路A1により、直流
電源Eによって上記コンデンサCu及び駆動回路3に電
力が供給される。これにより、低電位側のトランジスタ
Tr2をONにすることなく高電位側の駆動回路3に電
力が供給されて該駆動回路3の誤動作を防止でき、これ
らトランジスタTr1、Tr2で母線P−母線N間が短
絡するのを防止できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高電位側母線と低
電位側母線との間に、各々の駆動回路によって駆動され
る高電位側スイッチ素子、低電位側スイッチ素子が直列
に接続され、該スイッチ素子が交互にスイッチングする
ことによって、駆動対象物に接続端子を介して高電位出
力、低電位出力のいずれかを出力するインバータ回路に
関する。
【0002】
【従来の技術】モータ等の駆動対象物の電力供給に用い
られるモータ駆動回路として、該対象物の運転状況に応
じてモータの回転速度を制御するインバータが広く用い
られる。ここで、従来例に係るインバータ回路について
図3を参照しながら説明する。
【0003】図3の駆動対象物は3相モータMであっ
て、Lu、Lv、LwはモータM内における励磁コイル
である。電源出力は高電位側母線Pと低電位側母線N
(以降は単に母線P、母線Nと称する)との間のインバ
ータ回路11を介して供給される。尚、該3相モータM
の端子に対応して、インバータ回路11は3本の端子を
有しており、各端子相を各々U相、V相、W相を称す
る。
【0004】インバータ回路11は、高電位側と低電位
側とでそれぞれ3個ずつ合計6個のスイッチングトラン
ジスタTr11〜Tr16を設け、コレクタ、エミッタ
間にはエミッタ側がアノードとなるようにダイオードD
11〜D16が接続されている。各上下トランジスタT
r11とTr12との間からU相端子が、Tr13とT
r14との間からV相端子が、Tr15とTr16との
間からW相端子が各々分岐している。
【0005】低電位側の3個のトランジスタTr12、
Tr14、Tr16をスイッチON/OFF制御するた
めの共通の駆動回路12が上記トランジスタTr12、
Tr14、Tr16のベースに抵抗R12、R14、R
16を介して接続されており、駆動回路12にはスイッ
チ信号線SW12が設けられている。
【0006】一方、高電位側のトランジスタTr11、
Tr13、Tr15のベースには抵抗R11、R13、
R15を介して各々別個に上記トランジスタTr11、
Tr13、Tr15のスイッチON/OFF制御を行う
ための駆動回路13、14、15が接続されており、各
駆動回路13、14、15にはそれぞれスイッチング信
号線SW13、SW14、SW15が設けられている。
母線Nと駆動回路12との間には母線N側がマイナス端
子となるよう直流電源E1が接続されており、該直流電
源E1と駆動回路13、14、15との間には抵抗R1
7、ダイオードDu1、Dv1、Dw1がそれぞれ接続
されており、該ダイオードDu1、Dv1、Dw1は直
流電源E1から駆動回路13、14、15への電流のみ
を許容している。
【0007】更に、ダイオードDu1、Dv1、Dw1
のカソードとトランジスタTr11、Tr13、Tr1
5のエミッタとの間には電解コンデンサCu1、Cv
1、Cw1が接続されている。他に、高周波ノイズ等を
除去したり、トランジスタTr11、Tr13、Tr1
5のスイッチング抵抗による駆動回路13、14、15
の電圧降下を抑制するための電圧安定用コンデンサCu
2、Cv2、Cw2と並列に接続されている。上述した
インバータ回路11にて構成されたトランジスタTr1
1〜Tr16の駆動電源方式はブートストラップ方式と
呼ばれている。
【0008】インバータ回路11のうちU相のみを示し
た図4において、(但し、以降の説明は他相においても
同様である)モータMのU相の出力端子に母線Nの電圧
を供給するためには、先ずスイッチ信号線SW13への
信号の入力で駆動回路13を作動させ、高電位側のトラ
ンジスタTr11をスイッチOFF制御する。一方、単
一の駆動電源E1により駆動回路12には電力が供給さ
れているため、スイッチ信号線SW12への信号入力で
トランジスタTr12をスイッチON制御する。この状
態において、トランジスタTr12のベースにトランジ
スタTr12をONするのに十分なベース電流を流すと
トランジスタTr12がONし、コレクタ−エミッタ間
が導通する。従って、この時U相の電位が母線Nの電位
となる。
【0009】更に、ブートストラップ方式においては、
直流電源E1−抵抗R17−ダイオードDu1−電解コ
ンデンサCu1(電圧安定用コンデンサCu2)−トラ
ンジスタTr12で形成された閉回路A2により、直流
電源E1から電解コンデンサCu1、電圧安定用コンデ
ンサCu2へ電荷が供給され、充電がなされる。
【0010】そして、上側トランジスタTr11がON
し、下側トランジスタTr12がOFFすると、駆動回
路13がトランジスタTr11のON制御することによ
り、トランジスタTr11のエミッタ−電解コンデンサ
Cu1−抵抗R11−トランジスタTr11のベースを
通る閉回路Bが形成され、この時電解コンデンサCu1
が上記充電された電荷を放電することにより高電位側の
駆動回路13への電力供給がなされる。そして、この上
記電解コンデンサCu1の放電により駆動回路13に電
力を供給することで、トランジスタTr11がON状態
を持続するのに十分なベース電流を流すことができるた
め、トランジスタTr11のコレクタ−エミッタ間が導
通してU相の出力端子に母線Pの電圧が供給する。
【0011】この時、ダイオードDu1は電解コンデン
サCu1から放電される電荷(電流)が逆流するのを防
止し、前記電解コンデンサCu1からの放電電流が閉回
路Bに確実に流れるようにしている。従って、ブートス
トラップ電源方式では、図3の駆動回路13、14、1
5専用の直流電源をそれぞれに設けたフローティング電
源方式と称される電源方式に比べて、各駆動回路13、
14、15の電源をそれぞれ電解コンデンサCu1、C
v1、Cw1で代替することによりコストダウンを実現
させている。
【0012】以上のように、トランジスタTr11とT
r12とが交互にスイッチON/OFFをすることによ
ってモータMのU相に母線P、母線Nの電圧が、図3に
おいて、Tr13とTr14とが交互にスイッチON/
OFFをすることによってモータMのV相に母線P、母
線Nの電圧が、Tr15とTr16とが交互にスイッチ
ON/OFFをすることによってモータMのW相に母線
P、母線Nの電圧が交互に出力されるようになってお
り、上記スイッチのON/OFFのタイミングによって
モータMへの出力が可変となる。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】上記ブートストラップ
方式では、例えば図4において先ずモータMに対する入
電時には低電位側のトランジスタTr12を、直流電源
E1を電源とした駆動回路12によりON制御して直流
電源E1−抵抗R17−ダイオードDu1−電解コンデ
ンサCu1−トランジスタTr12で形成された閉回路
A2により直流電源E1から電解コンデンサCu1に充
電させ、高電位側の駆動回路3に電力が供給できる状態
にする必要がある。
【0014】なぜならば、両トランジスタTr11、T
r12がONして両母線P−N間が短絡するのを防止す
るため、トランジスタTr11とトランジスタTr12
とを必ず交互にONする必要があるが、駆動回路13に
電力が供給されない状態では、該駆動回路13の誤動作
によりトランジスタTr11の誤動作を引き起すことが
あり、トランジスタTr12のON時に前記誤動作でト
ランジスタTr11がONしてしまう可能性があるから
である。ここで、上記電解コンデンサCu1への充電時
においてはトランジスタTr12はONしているため、
この時点で駆動回路13が誤動作を起こすと、上記短絡
状態となる可能性がある。
【0015】又、例えばモータ駆動によりスピンドルを
回転させる繊維機械に上記ブートストラップ方式のイン
バータ11を用いた場合、該繊維機械は昼夜を問わず長
時間稼動されており、その間に電解コンデンサCu1の
上記充放電動作の繰り返しが行われるため、該電解コン
デンサCu1の劣化が早まり、交換を頻繁に行わなけれ
ばならないという問題点があった。
【0016】本発明は上記課題に鑑みてなされたもの
で、電源電力の入電時に低電位側のトランジスタをON
させることなく、しかも、高電位側のトランジスタ駆動
回路への電力供給のための電解コンデンサを不要としう
るインバータ回路を提供することを目的とする。
【0017】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、請求項1記載の発明は、高電位側母線と低電位側母
線との間に、各々の駆動回路によって駆動される高電位
側スイッチ素子、低電位側スイッチ素子が直列に接続さ
れ、該スイッチ素子が交互にスイッチングすることによ
って、駆動対象物に接続端子を介して高電位出力、低電
位出力のいずれかを出力するものであり、且つ前記低電
位側のスイッチ素子の駆動回路の一端子と低電位側母線
との間に単一のスイッチ素子駆動電源を設けると共に、
上記両スイッチ素子間から分岐して高電位側スイッチ素
子の駆動回路に接続された充電素子と、上記電源から充
電素子へ流れる電流のみを許容する一方向の整流素子と
を設けているインバータ回路であって、上記電源−整流
素子−充電素子−駆動対象物を経由する閉回路を形成し
たことを特徴としている。この発明では、駆動対象物接
続時において、上記閉回路を構成することにより上記対
象物への入電時、低電位側スイッチ素子のONさせて、
充電素子を充電し、充電された電荷により電力を供給す
ることなく、直流電源から、高電位側スイッチ素子の駆
動回路へ電力を供給できる。
【0018】請求項2記載の発明は、上記閉回路は接続
端子と低電位側母線との間に電流抑制素子を介して接続
することにより構成されることを特徴としている。この
発明では、電流抑制作用を及ぼす電流抑制素子を設ける
ことにより、上記電源−整流素子−充電素子−駆動対象
物を経由する閉回路において流れる電流値を抑制するこ
とができる。
【0019】請求項3記載の発明は、上記充電素子は電
圧安定用のコンデンサであることを特徴としている。こ
の発明では、上記閉回路によって充電素子は高電圧側の
スイッチ素子の駆動回路に電力を供給する必要がないた
め、スイッチ素子のON/OFFの切換えを伴った充放
電を繰り返さなくてもよい。従って、上記充電素子は駆
動回路に供給される電圧を安定させるための役割を果た
すことになる。
【0020】
【発明の実施の形態】以下に本発明の実施の形態を図面
を用いて説明するが、本発明の趣旨を越えない限り、何
ら本実施の形態に限定されるものではない。
【0021】図1は本発明実施形態に係る3相モータM
駆動用のインバータ回路1を示す回路図である。図2は
図1のインバータ回路1のうち、モータMのU相への出
力に係る部分のみを示す回路図である。
【0022】図1の駆動対象物は3相モータMであっ
て、Lu、Lv、LwはモータM内における励磁コイル
である。電源出力は高電位側母線Pと低電位側母線N
(以降は単に母線P、母線Nと称する)との間のインバ
ータ回路1を介して供給される。尚、該3相モータの端
子に対応して、インバータ回路1は3本の端子を有して
いる。
【0023】又、インバータ1は、高電位側と低電位側
とでそれぞれ3個ずつ合計6個のスイッチングトランジ
スタTr1〜Tr6が設けられ、コレクタ、エミッタ間
にはエミッタ側がアノードとなるようにダイオードD1
〜D6が接続されている。各上下トランジスタTr1と
Tr2との間からU相端子が、Tr3とTr4との間か
らV相端子が、Tr5とTr6との間からW相端子が各
々分岐している。
【0024】低電位側の3個のトランジスタTr2、T
r4、Tr6をスイッチON/OFF制御するための共
通の駆動回路2が上記トランジスタTr2、Tr4、T
r6のベースに抵抗R2、R4、R6を介して接続され
ており、該回路2にはスイッチ信号線SW2が設けられ
ている。
【0025】一方、高電位側のトランジスタTr1、T
r3、Tr5のベースには抵抗R1、R3、R5を介し
て各々別個に上記トランジスタTr1、Tr3、Tr5
のスイッチON/OFF制御を行うための駆動回路3、
4、5が接続されており、各駆動回路3、4、5にはそ
れぞれスイッチング信号線SW3、SW4、SW5が設
けられている。母線Nと駆動回路2との間には母線N側
がマイナス端子となるよう直流電源Eが接続されてお
り、該直流電源Eと駆動回路3、4、5との間には抵抗
R7、ダイオードDu、Dv、Dwがそれぞれ接続され
ており、該ダイオードDu、Dv、Dwは直流電源Eか
ら駆動回路3、4、5への電流のみを許容している。
【0026】図1に示すように、駆動対象物である3相
モータMのW相の端子と電源出力を供給するための母線
Nとの間に、高電位側に電力を供給するための回路を構
成する抵抗R8が設けられており、ダイオードDu、D
v、DwのカソードとトランジスタTr1、Tr3、T
r5のエミッタとの間には、高周波ノイズ等を除去した
り、トランジスタTr1、Tr3、Tr5のスイッチン
グ抵抗による駆動回路3、4、5の電圧降下を抑制する
ための電圧安定用コンデンサCu、Cv、Cwが設けら
れている。但し、抵抗R8については母線N−W相間の
みならず、母線N−U相、母線N−V相間のいずれかに
接続すればよい。
【0027】先ず、インバータ回路1のうちU相のみを
示した図2において(但し、以降の説明はV相において
も同様であり、W相についてもモータMを介しないとい
う点以外は同様である。)、インバータ回路1の出力端
子にモータMを接続して該モータMへの入電を開始した
時、低電位側のトランジスタTr2側では直流電源Eに
より駆動回路2に電力が供給されている。更に、低電位
側トランジスタTr2のON/OFFの状態に係わら
ず、直流電源E−抵抗R7−ダイオードDu−モータM
(詳しくは励磁コイルLu、Lwを経由)−抵抗R8で
構成される閉回路A1により、直流電源Eの電力供給で
上記コンデンサCu及び駆動回路3のダイオードDu側
の電圧が上昇し、電圧安定用コンデンサCu及び駆動回
路3に電力が供給される。
【0028】又、電力が供給された電圧安定用コンデン
サCuは充電されて所定の電位差に保たれるようになっ
ている。ここで、閉回路A1に相当する閉回路は、図1
においてV相ではモータMの励磁コイルLv、Lwを経
由して、又、W相にではモータMを介することなく形成
されている。
【0029】ここで、図2に戻り、例えばモータMのU
相の出力端子に母線Pの電圧を供給する場合、高電位側
トランジスタTr1がONし、低電位側トランジスタT
r2がOFFすると、トランジスタTr1の駆動回路3
がON制御することにより、トランジスタTr1がON
状態を持続するのに十分なベース電流を流すことがで
き、トランジスタTr1のコレクタ−エミッタ間が導通
してU相の出力端子に母線Pの電圧が供給される。
【0030】従って、入電時において、低電位側のトラ
ンジスタTr2をONにすることなく高電位側の駆動回
路3に電力が供給されて該駆動回路3の誤動作を防止す
ることができる。即ち、従来の電力供給のように、誤動
作によって高電位側トランジスタTr1がONしてしま
い、これらトランジスタTr1、Tr2により母線P−
母線N間が短絡するのを防止できる。
【0031】モータMへの電力供給時、図1では図3に
示す従来のインバータ回路11のように、トランジスタ
Tr12、Tr14、Tr16がOFFした時に駆動回
路13に電力供給を行うための電解コンデンサCu1、
Cu2、Cu3が設けられていない。これは、駆動回路
3には上記閉回路A1によって直流電源Eから常に電力
が供給される状態となっているためである。
【0032】駆動回路2、3を作動させるスイッチ信号
線SW2、SW3への入力信号によって駆動回路2がト
ランジスタTr2をOFF制御し、駆動回路3がトラン
ジスタTr1をON制御して、トランジスタTr1がス
イッチON、トランジスタTr2がOFFの状態にそれ
ぞれ切換わった時、トランジスタTr1のスイッチON
動作によるスイッチング抵抗に伴い駆動回路3の電圧が
低下する。しかしながら、この場合電圧安定用コンデン
サCuの電荷によって、上記駆動回路3の電圧を、該駆
動回路3が駆動可能となるような値に維持するようにな
っている。
【0033】一方、モータMのU相の出力端子に母線N
の電圧を供給する場合、先ずスイッチ信号線SW3に信
号が入力されることにより駆動回路3の作動で高電位側
のトランジスタTr1をスイッチOFF制御する。次
に、単一の駆動電源Eにより駆動回路2には電力が供給
されており、スイッチ信号線SW2への信号入力でトラ
ンジスタTr2をスイッチON制御する。この状態にお
いて、トランジスタTr2のベースにトランジスタTr
2をONするのに十分なベース電流を流すとトランジス
タTr2がONし、コレクタ−エミッタ間が導通する。
従って、この時U相の電位が母線Nの電位となる。
【0034】尚、本実施形態では駆動対象物を3相モー
タMとしたが、単相の駆動モータにも応用できる。更
に、スイッチング素子としてトランジスタTr1〜Tr
6を用いているが、その代わりにMOS型FETを使用
することもできる。これによってトランジスタTr1〜
Tr6よりも高速スイッチングを実現させることができ
る。更に、IGBTを用いることもでき、MOS型FE
Tに比べてスイッチング抵抗が小さく、高耐圧、大電流
化が容易になる。
【0035】
【発明の効果】本発明は以上のように構成されるので、
以下のような効果を奏する。
【0036】請求項1記載の発明によれば、高電位側母
線と低電位側母線との間に、各々の駆動回路によって駆
動される高電位側スイッチ素子、低電位側スイッチ素子
が直列に接続され、該スイッチ素子が交互にスイッチン
グすることによって、駆動対象物に接続端子を介して高
電位出力、低電位出力のいずれかを出力するものであ
り、且つ前記低電位側のスイッチ素子の駆動回路の一端
子と低電位側母線との間に単一のスイッチ素子駆動電源
を設けると共に、上記両スイッチ素子間から分岐して高
電位側スイッチ素子の駆動回路に接続された充電素子
と、上記電源から充電素子へ流れる電流のみを許容する
一方向の整流素子とを設けているインバータ回路であっ
て、上記電源−整流素子−充電素子−駆動対象物を経由
する閉回路を形成したことにより、上記閉回路によって
充電素子を用いることなく駆動回路に電力を供給でき
る。従って、入電時高低電位側スイッチ素子をONする
必要がないため、電位側スイッチ素子の駆動回路の誤動
作によって上記2つのスイッチ素子が短絡して、該素子
が破壊するのを防止できる。
【0037】請求項2記載の発明によれば、上記閉回路
は接続端子と低電位側母線との間に電流抑制素子を介し
て接続することにより構成されていることにより、上記
電源−整流素子−充電素子−駆動対象物を経由する閉回
路において流れる電流値を抑制し、上記回路内の素子を
保護できる。
【0038】請求項3記載の発明によれば、上記充電素
子は電圧安定用のコンデンサとすることにより、これは
上側スイッチ素子の駆動回路に電力の供給すべく充放電
を繰り返すものではないため、素子の交換の必要がなく
なる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明実施形態に係る3相モータ駆動用のイン
バータ回路を示す回路図である。
【図2】図1のインバータ回路のうち、モータのU相へ
の出力に係る部分のみを示す回路図である。
【図3】従来の3相モータ駆動用のインバータ回路を示
す回路図である。
【図4】図3のインバータ回路のうち、モータのU相へ
の出力に係る部分のみを示す回路図である。
【符号の説明】
1、11 インバータ回路 2、3、4、5、12、13、14、15 駆動回路 A1、A2、B 閉回路 Cu、Cu、Cv、Cv2、Cw2、Cw2 電圧安定
用コンデンサ Cu1、Cu1、Cv1 電解コンデンサ E、E1 直流電源 M 3相モータ N、P 母線 Tr1〜Tr6、Tr11〜Tr16 トランジスタ

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】高電位側母線と低電位側母線との間に、各
    々の駆動回路によって駆動される高電位側スイッチ素
    子、低電位側スイッチ素子が直列に接続され、該スイッ
    チ素子が交互にスイッチングすることによって、駆動対
    象物に接続端子を介して高電位出力、低電位出力のいず
    れかを出力するものであり、 且つ前記低電位側のスイッチ素子の駆動回路の一端子と
    低電位側母線との間に単一のスイッチ素子駆動電源を設
    けると共に、 上記両スイッチ素子間から分岐して高電位側スイッチ素
    子の駆動回路に接続された充電素子と、 上記電源から充電素子へ流れる電流のみを許容する一方
    向の整流素子とを設けているインバータ回路であって、 上記電源−整流素子−充電素子−駆動対象物を経由する
    閉回路を形成したことを特徴とするインバータ回路。
  2. 【請求項2】上記閉回路は接続端子と低電位側母線との
    間に電流抑制素子を介して接続することにより構成され
    るものである請求項1記載のインバータ回路。
  3. 【請求項3】上記充電素子は電圧安定用のコンデンサで
    ある請求項1又は2記載のインバータ回路。
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JP2014121913A (ja) * 2012-12-20 2014-07-03 Advics Co Ltd 故障診断機能を備えた負荷駆動装置

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