JP2009060750A - 電流検出用電源回路とその駆動方法およびその電源回路を用いた電力変換装置 - Google Patents

電流検出用電源回路とその駆動方法およびその電源回路を用いた電力変換装置 Download PDF

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Abstract

【課題】電流検出回路を有する相の電源のコンデンサ容量を低減し、インバータ装置やサーボアンプ装置の小形化を可能とする電流検出用電源回路を提供する。
【解決手段】2個のスイッチングデバイス27、28を直列接続し、接続箇所を相出力端子とした回路をアームとし、アームが2つ以上直流電源の正極Pと負極Nの間に備え、各相出力端子に相電位を基準電位とした電源を備えた電流検出用電源回路において、直流電源の正極Pに接続されたコンデンサ26へ一定のタイミングで各相の電源よりそれぞれ充電し、同タイミングでコンデンサ26から相出力端子を基準電位とした別電源(コンデンサ)25へエネルギーを供給するようにした。
【選択図】図1

Description

本発明は、相出力に電流検出器等の回路を備えた電力変換装置において、特にその相電流検出用の電源回路とその駆動方法およびその電源回路を用いた電力変換装置に関するものである。
(第1従来例)
従来、インバータ装置、サーボアンプ装置などの電力変換装置の出力相電位を基準とした相電流検出回路は、主回路のN母線を基準電位とした制御回路との絶縁が必要なため、インバータ回路の上アームスイッチングデバイス駆動用に設けられた電源もしくはブートストラップ充電回路を持つコンデンサ等より電流検出回路へエネルギー供給する構成としている。
このような電源、ブートストラップコンデンサは、スイッチングデバイス駆動回路および電流検出回路など複数の回路へエネルギーを供給する必要があるため、電源の大容量化、コンデンサの大容量化が必要となった。
図8は第1従来技術におけるインバータ回路と各出力相に設けた相電流検出回路、その電流検出回路と上アームのスイッチングデバイス駆動用の電源を示したブロック図である。
図において、1’はW相の上アームスイッチングデバイス駆動用電源、2’,3’はV相,U相の電流検出回路と各相の上アームスイッチングデバイス駆動用電源である。W相の上アームスイッチングデバイス駆動用電源1’のW相はV相,U相の電流検出回路48,49のような相電流検出回路が無いため、W相電源回路1’はW相の上アームスイッチングデバイス駆動用のみに使われる。
41、42,43は出力相U,V,Wの各アームであり、27、28、44〜47は、各アームを構成するスイッチングデバイス、48はU相電位を基準とした相電流検出回路、49はV相電位を基準とした相電流検出回路である。
図9は図8の各相電源回路1’〜3’の具体例である。
図8の電源回路1’,2’,3’の例をそれぞれ図9の電源回路1’,2’,3’で示している。本電源回路構成はブートストラップ回路であり、ブートストラップコンデンサへの充電について3’のU相電源回路を例に説明する。
U相の下アームスイッチングデバイス28がオン状態の時、制御電源正極から抵抗14とダイオード15を介してブートストラップコンデンサ54〜56に充電電流が流れ、同時にレギュレータ23を介してコンデンサ25も充電される。 充電電流は、U相出力ラインから下アームスイッチングデバイス28を介し、制御電源のGNDに流れ、この閉回路にて充電される。(例えば特許文献1参照)。 下アームスイッチングデバイス28がオフすると、ブートストラップコンデンサ54〜56の充電閉回路は断たれるが、コンデンサ25への充電はブートストラップコンデンサ54〜56から供給され続ける。ブートストラップコンデンサ54〜56はU相上アームスイッチングデバイス駆動用電源として使用し、コンデンサ25はU相電流検出回路用電源として使用する。
2’はV相電源回路でありU相電源回路3’と同じ回路であるが、V相電流検出回路用電源部分の記載は省略している。
1’はW相電源回路であり制御電源からブートストラップコンデンサまでの回路は、V相電源回路2’およびU相電源回路3’と同様である。W相は相電流検出回路が無いため、電流検出回路用電源コンデンサ、レギュレータは必要ない。
特開2003−348880号公報(第6頁 第1図)
第1従来技術に示した各相のブートストラップ回路は、下アームのスイッチングデバイスがオフ状態の時、ブートストラップコンデンサへの充電が絶たれ、また上アームスイッチングデバイス駆動、および電流検出回路への消費だけとなるため、ブートストラップコンデンサの電位が低下する。
図2は、各相の電圧指令と搬送波より各相のスイッチングデバイスのドライブ信号の生成を示した図である。図2のようにU相の上アームスイッチングデバイスのオン時間が長い、つまり下アームスイッチングデバイスのオフ時間が長い時、ブートストラップコンデンサの充電時間より放電時間の方が比率的に長くなるため、コンデンサ端子間電圧が低下する。
また逆に、下アームスイッチングデバイスのオン時間が長い時、ブートストラップコンデンサの放電時間より充電時間の方が比率的に長くなるため、コンデンサ端子間電圧は高まる。
つまり、コンデンサ端子間電圧の変化は電圧指令の変化に同期することとなり、インバータ出力電圧指令が低周波数出力、かつ高電圧出力指令の時、最もコンデンサ端子間電圧が低下することとなる。したがってブートストラップコンデンサの容量は、インバータ出力制御から導いた最短充電時間と、ブートストラップコンデンサに接続された電流検出回路などの電気負荷容量を考慮し選定する必要がある。W相は電流検出回路が無く、上アームスイッチングデバイス駆動のみの電気負荷であるため、ブートストラップコンデンサの容量は小さくて済むが、U相、V相は電流検出回路があるためブートストラップコンデンサ容量は過大となる。
一般的にコンデンサのような受動部品は小形化に適していないため、小形化を要求されるインバータおよびサーボアンプ装置へのブートストラップコンデンサの搭載は問題となる。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、相電位を基準とする電源の小形化が可能となる電流検出用電源回路とその駆動方法およびその電源回路を用いた電力変換装置を提供することを目的とする。
上記問題を解決するため、本発明は、次のようにしたのである。
請求項1記載の電流検出用電源回路の発明は、2個のスイッチングデバイスを直列接続し、接続箇所を相出力端子とした回路をアームとし、アームが2つ以上直流電源の正極と負極の間に備え、 各相出力端子に相電位を基準電位とした電源を備えた電流検出用電源回路において、前記直流電源の正極に接続されたコンデンサへ一定のタイミングで前記各相の電源よりそれぞれ充電し、同タイミングで前記コンデンサから相出力端子を基準電位とした別電源へエネルギーを供給することを特徴としている。
請求項2記載の発明は、請求項1記載の電流検出用電源回路において、前記直流電源の正極に接続されたコンデンサへ前記直流電源の正極に接続された各相の上アームのスイッチングデバイスと同じスイッチングタイミングで前記各相の電源よりそれぞれ充電し、前記スイッチングデバイスが接続された相出力端子を基準電位とした別電源へスイッチングデバイスと同じスイッチングタイミングで前記コンデンサからエネルギーを供給することを特徴としている。
請求項3記載の発明は、請求項1記載の電流検出用電源回路において、前記直流電源の正極に接続されたコンデンサへ前記直流電源の正極に接続された各相の上アームのスイッチングデバイスと同じスイッチングタイミングで前記各相の電源よりそれぞれ充電し、前記スイッチングデバイスのオンタイミングより遅れて相出力端子を基準電位とした別電源へ前記コンデンサからエネルギーを供給し、前記スイッチングデバイスのオフタイミングより早くエネルギーの供給を止めることを特徴としている。
請求項4記載の発明は、請求項1〜3のいずれか1項記載の電流検出用電源回路において、前記コンデンサから相出力端子を基準電位とした別電源へのエネルギー供給回路にスイッチングデバイスを使用することを特徴としている。
請求項5記載の発明は、請求項1〜3のいずれか1項記載の電流検出用電源回路において、前記相出力端子を基準電位とした電源をコンデンサを利用したブートストラップ回路とすることを特徴としている。
請求項6記載の電流検出用電源回路の駆動方法の発明は、2個のスイッチングデバイスを直列接続し、接続箇所を相出力端子とした回路をアームとし、アームが2つ以上直流電源の正極と負極の間に備え、各相出力端子に相電位を基準電位とした電源を備えた電流検出用電源回路の駆動方法において、前記直流電源の正極に接続されたコンデンサへ一定のタイミングで前記各相の電源よりそれぞれ充電し、同タイミングで前記コンデンサから相出力端子を基準電位とした別電源へエネルギーを供給することを特徴としている。
請求項7記載の発明は、請求項6記載の電流検出用電源回路の駆動方法において、前記直流電源の正極に接続されたコンデンサへ前記直流電源の正極に接続された各相の上アームのスイッチングデバイスと同じスイッチングタイミングで前記各相の電源よりそれぞれ充電し、前記スイッチングデバイスが接続された相出力端子を基準電位とした別電源へスイッチングデバイスと同じスイッチングタイミングで前記コンデンサからエネルギーを供給することを特徴としている。
請求項8記載の発明は、請求項6記載の電流検出用電源回路の駆動方法において、前記直流電源の正極に接続されたコンデンサへ前記直流電源の正極に接続された各相の上アームのスイッチングデバイスと同じスイッチングタイミングで前記各相の電源よりそれぞれ充電し、前記スイッチングデバイスのオンタイミングより遅れて相出力端子を基準電位とした別電源へ前記コンデンサからエネルギーを供給し、前記スイッチングデバイスのオフタイミングより早くエネルギーの供給を止めることを特徴としている。
請求項9記載の発明は、請求項6〜8のいずれか1項記載の電流検出用電源回路の駆動方法において、前記コンデンサから相出力端子を基準電位とした別電源へのエネルギー供給回路にスイッチングデバイスを使用することを特徴としている。
請求項10記載の発明は、請求項6〜8のいずれか1項記載の電流検出用電源回路の駆動方法において、前記相出力端子を基準電位とした電源をコンデンサを利用したブートストラップ回路とすることを特徴としている。
請求項11記載の電力変換装置の発明は、請求項1〜6のいずれか1項記載の電流検出用電源回路をインバータ装置又はサーボアンプに用いたことを特徴としている。
上記構成によると、直流電源の正極に接続されたコンデンサへ一定のタイミングで各相の電源よりそれぞれ充電し、同タイミングでコンデンサから相出力端子を基準電位とした別電源へエネルギーを供給すれば、電流検出回路を有する相の電源回路のコンデンサ容量を低減することができ、電源回路装置およびその電源回路を用いた電力変換装置の小形化が可能となる。
以下、本発明について図を用いて説明する。
図1は本発明の実施例を示すブートストラップ回路を利用した各相の電源回路のブロック図であり、第1従来例である図9のインバータ回路の電源回路1’〜3’に代わる新規な電源回路1〜3を示すものである。
図1において、1は本発明に係る新規なW相の電源回路、2は本発明に係る新規なV相の電源回路、3は本発明に係る新規なU相の電源回路である。第1従来例である図9の回路に本発明により追加された回路構成を、(イ)U相出力側、(ロ)V相出力側、(ハ)W相出力側のそれぞれについて説明する。
(イ)U相出力側の新規な構成:
(1)ブートストラップダイオード15のカソードにダイオード16のアノードを接続し、直流電源正極(つまり、P極)に接続したコンデンサ26の反対側電極に16のカソードを接続した点。
(2)ダイオード16のカソードから抵抗18を介してスイッチングデバイス19のドレインを接続し、スイッチングデバイス19のソースをレギュレータ23の出力に接続した点。
(3)コンデンサ25の電圧上昇を制限するツェナーダイオード24をレギュレータ出力と相出力ライン間に接続した点。
(4)スイッチングデバイス19のゲートは、抵抗21を介してゲートドライブIC31が出力する上アームスイッチングデバイスゲート信号ラインに接続した点。
(5)スイッチングデバイス19のオフスピードを上げるためにダイオード20を抵抗21と並列接続させた点。
(6)ゲート電圧安定用に抵抗22をスイッチングデバイス19のゲート・ソース間に接続した点。
(ロ)V相出力側の新規な構成:
V相電源回路2はU相電源回路と同じ回路であるので、上記(1)〜(6)がここにもすべて当てはまる。
(ハ)W相出力側の新規な構成:
W相電源回路1はブートストラップダイオード5のカソードにダイオード6のアノードを接続し、そのカソードをコンデンサ26に接続した点が図9(第1従来例)のW相電源回路1’と比べて新規である。
そこで、図1の電源ブロック図の各回路の動作について詳しく説明をする。
各相の電圧指令と搬送波から生成した各相のスイッチングデバイスのドライブ信号パターンを示す図2を参考にして、図2の(1)t0からt1まで、(2)t1からt2まで、(3)t2からt3まで、(4)t3からt4までのそれぞれの区間において、図1の回路のブートストラップコンデンサおよび電流検出回路用電源コンデンサの充電電流がどのような経路をたどって充電するのかについて、それぞれ図3〜図6を用いて説明する。ただし図3〜図6は、V相およびW相のアーム回路、ゲートドライブICのブロック図を省略し、V相に限っては、上アームスイッチングデバイス駆動用電源、レギュレータ、ツェナーダイオード、電流検出回路用電源のブロック図を省略している。
(1)t0→t1の区間(図3参照):
図3は、図2のt0からt1区間における回路電流経路を示している。
W相、V相、U相とも、上アームスイッチングデバイス27がオフ状態であり、逆に下アームスイッチングデバイス28がオンしている状態である。各相とも制御電源の正極から充電電流抑制用抵抗4,8,14とブートストラップダイオード5,9,15を介してブートストラップコンデンサ7,11,17に電流が流れ充電される。同時にU相とV相はレギュレータ23を介して電流検出回路用電源のコンデンサ25も充電される。この充電電流はそれぞれの相の下アームスイッチングデバイスを介して制御電源GNDへ流れ込み、本閉回路にて充電する。
(2)t1→t2の区間(図4参照):
図4は、図2のt1からt2区間における回路電流経路を示している。
ここでは、U相のみ下アームスイッチングデバイス28がオフし、上アームスイッチングデバイス27がオンした状態である。U相出力端子がP極電位に近づくため、U相ブートストラップコンデンサ17からダイオード16を介してP極に接続されたコンデンサ26へ電流が流れ、P極に接続されたコンデンサ26が充電される。この充電電流はU相上アームスイッチングデバイス27を介してブートストラップコンデンサ17に戻り、充電経路閉回路が成り立つ。
また、U相電流検出回路用電源のコンデンサ25には、ブートストラップコンデンサ17よりレギュレータ23を介して充電されるが、また、図4の破線の経路のようにP極に接続されたコンデンサ26からも供給されるため、U相電流検出回路用電源のコンデンサ25の電圧は確立し、レギュレータ23はU相ブートストラップコンデンサ17からの供給を抑制するため、U相のブートストラップコンデンサ17の消費は低減できる。破線の経路にあるスイッチングデバイス19のスイッチングタイミングは、上アームのスイッチングデバイス27のスイッチングと同期させるが、本スイッチングデバイス19を介したP極とN極の短絡防止を考慮し、上アームスイッチングデバイス27のオンタイミングより遅れてオンさせ、上アームスイッチングデバイス27のオフタイミングより早くオフさせる必要がある。つまり、相出力端子の電位がP極電位に近づいている間に、スイッチングデバイスをオン、オフさせれば、P極、N極間の短絡は防止できることになる。
(3)t2→t3の区間(図5参照):
図5は、図2のt2からt3区間における回路電流経路を示している。
U相、V相のみ下アームスイッチングデバイス28がオフし、上アームスイッチングデバイス27がオンした状態である。
V相のブートストラップコンデンサ11からも一点鎖線の経路でP極に接続されたコンデンサ26へ充電され、また、V相電流検出回路用電源コンデンサにもU相回路と同様に充電される。
(4)t3→t4の区間(図6参照):
図6は、図2のt3からt4区間における回路電流経路を示している。
全相の下アームスイッチングデバイス28がオフし、上アームスイッチングデバイス27がオンした状態である。
どの相からもP極に接続されたコンデンサ26へ充電されるため、コンデンサ26の端子間電圧は最大となる。しかし、上アームのスイッチングデバイス27が全相オフする時間は図2の通り非常に短いため、P極に接続されたコンデンサ26はいつでもほぼ充電された状態であり、コンデンサ端子間電圧は比較的安定する。そのため、P極に接続されたコンデンサ26の容量も小さくて済み、さらにU相もしくはV相の電流検出回路用電源コンデンサ25への充電供給ができるため、U相、V相のブートストラップコンデンサ17、11の容量を低減することが可能となる。
図7は、図1の電源回路を用いてある条件下で各相のブートストラップコンデンサの端子間電圧の変化をシミュレーションした結果である。どの相のブートストラップコンデンサも電圧リップルが小さく、U相、V相の電流検出用電源電圧も安定していることが判る。
図10は、図9の従来の電源回路を用いて図7のシミュレーションと同じ容量のブートストラップコンデンサを使用し、その他の条件も同様とした場合のシミュレーション結果である。U相、V相のブートストラップコンデンサの端子間電圧のリップルが大きく、電流検出回路用の電源電圧も変動していることが判る。
電流検出回路用電源に使用しているレギュレータの性能を向上させれば、電流検出回路用電源電圧の変動はある程度抑制できるが、ブートストラップコンデンサ電圧の大幅な降下は、上アームスイッチングデバイスのオンロスが増え、最悪時はスイッチングデバイスがロス破壊する問題へと発展する場合もある。
図9の従来の電源回路で、ブートストラップコンデンサの端子間電圧を図7のシミュレーション結果と同等レベルにするには、U相とV相のコンデンサ容量を、約5倍程度にする必要がある。つまり、このシミュレーションでの条件下であれば、本発明に係る電源回路では、従来回路よりブートストラップコンデンサ容量を1/5にすることができることとなる。
このように本発明は、電流検出回路を有する相の電源コンデンサ容量を低減することができ、インバータ装置、サーボアンプ装置の小形化が可能となる。
本発明は、工作機械、ロボット、一般産業機械などに使用されるサーボドライブ装置、インバータ装置などの電力変換装置に適用できる。
本発明の実施例を示す電源回路ブロック図である。 各相のスイッチングデバイスのドライブ信号パターン図である。 t0−t1区間における回路電流経路図である。 t1−t2区間における回路電流経路図である。 t2−t3区間における回路電流経路図である。 t3−t4区間における回路電流経路図である。 本発明でのブートストラップコンデンサ端子間電圧をシミュレーションした結果図である。 第1従来技術に係るインバータ回路と電流検出回路と各電源回路ブロック図である。 図8の電源回路ブロック図の具体的回路例である。 従来技術でのブートストラップコンデンサ端子間電圧をシミュレーションした結果図である。
符号の説明
1 W相電源回路
2 V相電源回路
3 U相電源回路
4 充電電流抑制用抵抗
5、6、9、10、15、16、20 ダイオード
7 W相ブートストラップコンデンサ
8 充電電流抑制用抵抗
11 V相ブートストラップコンデンサ
12、14 充電電流抑制用抵抗
13 スイッチングデバイス
17 U相ブートストラップコンデンサ
18 充電電流抑制用抵抗
19 スイッチングデバイス
21、22、29、30 抵抗
23 レギュレータ
24 ツェナーダイオード
25 電流検出回路用電源コンデンサ
26 P極に接続されたコンデンサ
27 U相上アームスイッチングデバイス
28 U相下アームスイッチングデバイス
41 U相アーム
42 V相アーム
43 W相Z−ム
44 V相上アームスイッチングデバイス
45 V相下アームスイッチングデバイス
46 W相上アームスイッチングデバイス
47 W相下アームスイッチングデバイス
48 U相電流検出回路
49 V相電流検出回路
50 電気負荷
51、52、53 V相ブートストラップコンデンサ
54、55、56 U相ブートストラップコンデンサ

Claims (11)

  1. 2個のスイッチングデバイスを直列接続し、接続箇所を相出力端子とした回路をアームとし、アームが2つ以上直流電源の正極と負極の間に備え、 各相出力端子に相電位を基準電位とした電源を備えた電流検出用電源回路において、
    前記直流電源の正極に接続されたコンデンサへ一定のタイミングで前記各相の電源よりそれぞれ充電し、同タイミングで前記コンデンサから相出力端子を基準電位とした別電源へエネルギーを供給することを特徴とする電流検出用電源回路。
  2. 前記直流電源の正極に接続されたコンデンサへ前記直流電源の正極に接続された各相の上アームのスイッチングデバイスと同じスイッチングタイミングで前記各相の電源よりそれぞれ充電し、前記スイッチングデバイスが接続された相出力端子を基準電位とした別電源へスイッチングデバイスと同じスイッチングタイミングで前記コンデンサからエネルギーを供給することを特徴とする請求項1記載の電流検出用電源回路。
  3. 前記直流電源の正極に接続されたコンデンサへ前記直流電源の正極に接続された各相の上アームのスイッチングデバイスと同じスイッチングタイミングで前記各相の電源よりそれぞれ充電し、前記スイッチングデバイスのオンタイミングより遅れて相出力端子を基準電位とした別電源へ前記コンデンサからエネルギーを供給し、前記スイッチングデバイスのオフタイミングより早くエネルギーの供給を止めることを特徴とする請求項1記載の電流検出用電源回路。
  4. 前記コンデンサから相出力端子を基準電位とした別電源へのエネルギー供給回路にスイッチングデバイスを使用することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項記載の電流検出用電源回路。
  5. 前記相出力端子を基準電位とした電源をコンデンサを利用したブートストラップ回路とすることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項記載の電流検出用電源回路。
  6. 2個のスイッチングデバイスを直列接続し、接続箇所を相出力端子とした回路をアームとし、アームが2つ以上直流電源の正極と負極の間に備え、 各相出力端子に相電位を基準電位とした電源を備えた電流検出用電源回路の駆動方法において、
    前記直流電源の正極に接続されたコンデンサへ一定のタイミングで前記各相の電源よりそれぞれ充電し、同タイミングで前記コンデンサから相出力端子を基準電位とした別電源へエネルギーを供給することを特徴とする電流検出用電源回路の駆動方法。
  7. 前記直流電源の正極に接続されたコンデンサへ前記直流電源の正極に接続された各相の上アームのスイッチングデバイスと同じスイッチングタイミングで前記各相の電源よりそれぞれ充電し、前記スイッチングデバイスが接続された相出力端子を基準電位とした別電源へスイッチングデバイスと同じスイッチングタイミングで前記コンデンサからエネルギーを供給することを特徴とする請求項6記載の電流検出用電源回路の駆動方法。
  8. 前記直流電源の正極に接続されたコンデンサへ前記直流電源の正極に接続された各相の上アームのスイッチングデバイスと同じスイッチングタイミングで前記各相の電源よりそれぞれ充電し、前記スイッチングデバイスのオンタイミングより遅れて相出力端子を基準電位とした別電源へ前記コンデンサからエネルギーを供給し、前記スイッチングデバイスのオフタイミングより早くエネルギーの供給を止めることを特徴とする請求項6記載の電流検出用電源回路の駆動方法。
  9. 前記コンデンサから相出力端子を基準電位とした別電源へのエネルギー供給回路にスイッチングデバイスを使用することを特徴とする請求項6〜8のいずれか1項記載の電流検出用電源回路の駆動方法。
  10. 前記相出力端子を基準電位とした電源をコンデンサを利用したブートストラップ回路とすることを特徴とする請求項6〜8のいずれか1項記載の電流検出用電源回路の駆動方法。
  11. 請求項1〜6のいずれか1項記載の電流検出用電源回路をインバータ装置又はサーボアンプに用いたことを特徴とする電力変換装置。
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