JP2015006077A - 蓄電装置を搭載した電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】インバータ回路およびDC−DC変換回路を接続する直流部の共振動作、DC−DC変換回路のスイッチング時に発生するサージ電圧、相間における負荷電流のアンバランスを抑制し、また、インバータ回路およびDC−DC変換回路の安定制御を実現する。
【解決手段】電力変換装置を構成するインバータ回路およびDC−DC変換回路を、共通化した直流入力側のキャパシタとともに同一ユニットで構成することにより、インバータ回路およびDC−DC変換回路間の配線インダクタンスならびに各相間の回路インダクタンスのばらつきを小さくする。
【選択図】図1

Description

本発明は、蓄電装置を搭載した電力変換装置のシステム構成に関するもので、特に、直流を交流に変換するインバータ装置と、このインバータ装置に並列接続し第1の直流電圧を第2の直流電圧に変換するDC−DC変換装置と、蓄電装置と、を備える電力変換装置の構成方法に関するものである。
産業界で広く用いられているインバータ装置では、パルス幅変調(PWM)方式を用いた可変電圧可変周波数(VVVF)制御により直流電力を交流電力に変換する方式が広く利用されている。
例えば、鉄道車両の分野では、VVVFインバータ装置を用いて電動機を駆動することで車両を加速させると共に、ブレーキ時に電動機を発電機として動作させることにより運動エネルギーを電気エネルギーに変換し、架空電車線(以下、「架線」という)へ戻す回生ブレーキ制御が広く用いられている。
また近年、蓄電装置を応用して回生ブレーキにより得られる回生電力を有効活用し、更なる省エネルギー化を実現させる技術が検討・実用化されている。
例えば、先行技術文献として掲げる特許文献1、2には、インバータ装置の入力側に蓄電装置を並列に接続し、回生エネルギーを蓄電して有効利用することにより、車両を高効率に運転する技術が開示されている。
従来技術として、先の特許文献1に記載された電力変換装置を、図6に示す。
図6において、1は直流電車線、2は集電装置、3は接触器、4はリアクトル、5および8はキャパシタ、6はインバータ回路、7は電動機、9はDC−DC変換回路、11は蓄電装置、21はインバータ回路ユニット、22はDC−DC変換回路ユニット、31は抵抗、32はスイッチング素子である。
ここで、インバータ回路6およびDC−DC変換回路9は、一般に電力用半導体素子を用いたスイッチング素子で構成される。PWM方式による電力変換では、スイッチング素子のスイッチング動作により直流電力を交流電力に変換するが、この電力変換の際に、高調波ひずみが発生することから、インバータ回路6による高調波ひずみは、リアクトル4とキャパシタ5からなるフィルタ回路で吸収するとともに、DC−DC変換回路9による高調波ひずみは、リアクトル4とキャパシタ8からなるフィルタ回路で吸収する構成とすることで、直流電車線1への高調波ひずみの流入を防いでいる。また、抵抗31とスイッチング素子32は、キャパシタの電荷を放電させるための放電回路を構成する。
前記電力変換装置は、車両を加速する力行時に、直流電車線1から集電装置2を通して直流電力を入力し、遮断器3とリアクトル4、キャパシタ5を介してインバータ回路6に電力を供給した後、インバータ回路6にて直流電力を三相交流電力に変換することで電動機7を駆動し、車両を加速させる。
また、車両を減速する回生ブレーキ時に、電動機より発生する回生電力を前記力行時と同経路により直流電車線に電力を戻すことで、前記回生電力は、同一線路上の他の車両の力行電力として用いられる。一方で、前述の回生ブレーキ時において、同一線路上で力行する電車が不足した状態であっても、電動機7より発生した回生電力を蓄電装置11により吸収することで回生ブレーキを連続動作させ、回生電力を全て戻すことのできない回生失効の回数を低減し電力を有効利用できる装置構成としている。この場合、回生電力は、電動機7よりインバータ回路6とキャパシタ5、キャパシタ8、DC−DC変換回路9を介して蓄電装置11に蓄電される。ここで、蓄電装置11に充電される電力は、DC−DC変換回路9により制御される。
また、蓄電装置11に蓄電された電力は、前記蓄電装置11の充電時と同経路により放電され、力行時に車両を加速するための電力として用いるとともに、直流電車線1が停電するなどして電力供給を受けられない場合に、車両を駅舎まで緊急走行させるための電力としても活用することができる。
先行技術文献として掲げた特許文献2では、図7に示すように、DC−DC変換回路9がインバータ回路6と接続される側の直流入力部に並列にキャパシタ(図6に示すキャパシタ8に相当)が接続されず、インバータ回路6の入力部に並列に接続されたキャパシタ5を共用する構成となっている。本構成では、後述するようにインバータ回路6とDC−DC変換回路9の間の配線インダクタンス23の影響によって、DC−DC変換回路9のスイッチング素子10のサージ電圧が過大となる課題がある。
また、先行技術文献として掲げた特許文献3には、特許文献2と同様に、インバータ回路とDC−DC変換回路のキャパシタを共用しているが、スイッチング素子のサージ電圧が電源電圧に重畳することを防ぐため、バスバーの分割が必要である。また、相間で電源電極の取り出し位置までの距離に違いがあるため、相間で回路のインダクタンスが異なり、スイッチング時のサージ電圧への影響や、相間の電流アンバランスにつながる課題がある。
特開2012−186947号公報 特開2009−89503号公報 特開2008−199788号公報
これら先行技術文献として掲げた特許文献に示された回路には、以下に示すとおり、大きく三つの課題がある。
一つ目に、インバータ回路とDC−DC変換回路との間の接続は、ユニット間の接続となるため、一般的には電線を使用して行われる。このため、特許文献1に示される構成では、インバータ回路とDC−DC変換回路とを接続する電線の配線インダクタンスと、DC−DC変換回路に並列接続されるキャパシタとの間で共振現象を起こす可能性がある。特に、鉄道車両用で用いられるキャパシタの容量は数千μFのオーダーであり、インバータ回路とDC−DC変換回路との間を電線で接続すると、このキャパシタの静電容量および配線(電線)のインダクタンスによって決まる共振周波数が、インバータやDC−DC変換回路のスイッチング動作周波数に接近し、インバータ回路とDC−DC変換回路とを接続する直流部の電流、電圧が共振する場合がある。この共振動作が発生すると、直流ステージで過電流・過電圧となる可能性、および、インバータ回路またはDC−DC変換回路の出力側で過電流となる可能性、がある。
一方、特許文献2に示されるように、DC−DC変換回路がインバータ回路と接続される側の直流部において、直近に並列接続されるキャパシタを持たない構成とすると、DC−DC変換回路のスイッチング時に発生するサージ電圧が、配線インダクタンスの影響によって過大となり、DC−DC変換回路のスイッチング素子が破壊される可能性がある。このため、インバータ回路とDC−DC変換回路とを別々のユニットにより電線で接続した場合は、DC−DC変換回路と並列に接続されるキャパシタを無くすことが難しい。
また、特許文献3に示されるような、バスバーを分割した構成とすると、バスバーからキャパシタまでの配線長の影響で配線インダクタンスが増加したり、この文献に示されるようなスイッチング素子の配置構成では、相間で電源電極の取り出し位置までの距離に違いがあるため、相間で回路のインダクタンスが異なり、相間におけるスイッチング時のサージ電圧や負荷電流のアンバランスにつながる。
二つ目に、電力変換装置内のキャパシタは、その容積と重量が大きく、車両床下の艤装の制約などから、むやみに台数を増やすなどして大型化することは望ましくない。また、スイッチング素子は、そのスイッチング動作による発熱を冷却するため冷却器上に実装されるが、インバータ用のスイッチング素子を実装する冷却器、および、DC−DC変換回路を実装する冷却器、を分割して2ユニット分の冷却器として採用することは、機器の大型化を招くことになり好ましくない。このため、台数が少なく共通化できる部分は共通化するのが望ましい。
三つ目に、制御動作の面から見ると、インバータ回路およびDC−DC変換回路でキャパシタを別々に設けてその電圧を検出し制御動作を行う場合は、それぞれのキャパシタの電圧値に差が生じる。また、センサを別々に設けている場合には、センサの検出誤差の影響で検出する電圧値に差分が生じる。そしてまた、インバータ回路およびDC−DC変換回路で共通のキャパシタを持ちその電圧を検出し制御動作を行う場合であっても、インバータ回路とDC−DC変換回路との配線が長くなると、それぞれにおいて検出するキャパシタの電圧に差分が生じることがある。このようなキャパシタ電圧の差分によって、制御動作に問題が出る場合がある。
例えば、特許文献1や特許文献2の構成において、スイッチング信号の相および主回路各相の出力配線を、インバータ回路の各相やDC−DC変換回路の相との間で切替え可能としておけば、インバータ回路の一相が故障したときなどにDC−DC変換回路の相をインバータの一相として代用し、車両を継続走行できるように冗長性を持たせることができる。ただし、この場合でも先に示したキャパシタ電圧の差分によって、インバータの出力制御電圧が相間でアンバランスとなり誘導障害の要因となったり、インバータ負荷が電動機の場合にはトルク変動の要因となりうる。
また、外部に給電設備を設けて蓄電装置を充電するような方式を用いる場合には、充電効率が低下したり安定した制御が困難になる場合がある。
上記の課題を解決するために本発明は、第1の直流電力を交流電力に変換する第1の電力変換手段と、第1の電力変換手段の交流側に接続される交流負荷と、第1の直流電力をその電圧レベルと異なる電圧レベルの第2の直流電力に変換する第2の電力変換手段と、第1の電力変換手段および第2の電力変換手段が第1の直流電力を受ける側に共通に接続される第1のキャパシタと、第2の電力変換手段により変換される第2の直流電力を蓄電する蓄電手段と、第2の電力変換手段と蓄電手段との間に設けられる第1のリアクトルと、蓄電手段に並列接続される第2のキャパシタと、を備え、第1の電力変換手段、第2の電力変換手段および第1のキャパシタンスを同一ユニット内で一体構成に集約して、第1の電力変換手段と第2の電力変換手段との間の配線インダクタンスを小さくすることを特徴とする電力変換装置である。
また、配線インダクタンスを小さくするために、バスバー構成により第1の電力変換手段、第2の電力変換手段および第1のキャパシタンスを同一ユニット内で組み、第1のキャパシタと第1および第2の電力変換手段とをバスバーにより最短経路で接続し、正極電源用バスバーおよび負極電源用バスバーは、絶縁を確保した上で均一距離で重ね合わされていることが望ましい。
さらには、第1のリアクトルと蓄電手段との間に遮断器を設け、蓄電手段および遮断器の直列回路を第2のキャパシタと並列に接続し、第2のキャパシタと並列に第1の抵抗を接続し、第1のキャパシタの放電を、第2の電力変換手段および第1の抵抗を介して行うようにしてもよい。
また、第1のキャパシタと並列に接続したスイッチ手段および抵抗の直列回路から成る放電回路を上記同一ユニット内に設けるように構成してもよい。
さらには、第1の電力変換手段の交流側に、交流負荷および外部給電設備を切り替え接続する切替器を設け、この切替器の切替えにより第1の電力変換手段の交流側に外部給電設備が接続される場合には、この外部給電設備から給電される電力が第1の電力変換手段および第2の電力変換手段を介して蓄電手段を充電するように構成してもよい。
本発明によれば、インバータ回路とDC−DC変換回路とが並列接続される直流部の共振現象を防ぐことができる。
また、インバータ回路およびDC−DC変換回路の配線インダクタンスを小さく構成することで、スイッチング素子の動作時のサージ電圧を抑制することや相間アンバランスを低減することができる。
そしてまた、キャパシタの台数削減、冷却器の小型化によって、システム全体の装置小型化ができ経済的である。さらに、キャパシタの共通化によって、故障時の緊急運転においてもインバータの制御電圧の相間アンバランスを防ぐことができ、信頼性のあるシステムとすることができる。
図1は、本発明の実施例1に係る電力変換装置の主回路の構成例を示す図である。 図2は、本発明の図1に示した一体ユニットの機器構成例を示す図である。 図3は、本発明の実施例2に係る電力変換装置の主回路の構成例を示す図である。 図4は、本発明の実施例3に係る電力変換装置の主回路の構成例を示す図である。 図5は、本発明の実施例4に係る電力変換装置の主回路の構成例を示す図である。 図6は、従来の電力変換装置の主回路構成例を示す図である。 図7は、従来の電力変換装置の別の主回路構成例を示す図である。
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。
図1は、本発明の実施例1に係る電力変換装置の主回路の構成例を示す図である。
図1の電力変換装置において、1は直流電車線、2は集電装置、3は接触器、4はリアクトル、20はインバータ回路6とDC−DC変換回路9との一体ユニット、7は電動機、11は蓄電装置、12は蓄電装置11と並列に接続されるキャパシタ、13はリアクトルである。インバータ回路6とDC−DC変換回路9との一体ユニット20内(図中で、点線枠で囲った部分)にあって、5はキャパシタ、10a、10bはDC−DC変換を行うためのスイッチング素子である。また、インバータ回路6およびDC−DC変換回路9の配線に含まれるインダクタンスを配線インダクタンス23として示している。31は抵抗、32はスイッチング素子であり、キャパシタ5およびキャパシタ12の電荷を放電させるための放電回路を構成する。
図1の動作例として、まず車両が回生ブレーキにより減速する場合について説明する。
回生ブレーキにより電動機7から発生する回生電力は、インバータ回路6とキャパシタ5、リアクトル4、接触器3を介して集電装置2から直流電車線1に出力される。しかし、例えば、変電所がこの回生電力を吸収できない場合や同一軌道上に力行車両が存在せずこの回生電力を消費できない場合などには、この回生電力は、インバータ回路6およびキャパシタ5からDC−DC変換回路9、リアクトル13、キャパシタ12を介して蓄電装置11に充電される。
一方、車両が加速動作をする力行時には、直流電車線1から集電装置2、接触器3、リアクトル4を介して、キャパシタ5およびインバータ回路6に力行電力が供給され、電動機7を駆動する。また、これと同時に、蓄電装置11からも力行電力が放電され、キャパシタ12、リアクトル13、DC−DC変換回路9を介してこの力行電力が、キャパシタ5およびインバータ回路6に供給される。
この図1の回路において、キャパシタ5を含むインバータ回路6とDC−DC変換回路9とを一体ユニット20(図中で、点線枠で囲った部分)で構成することにより、インバータ回路6とDC−DC変換回路9との配線を短くすることができ、インバータ回路6とDC−DC変換回路9との配線に含まれる配線インダクタンス23も小さくすることができる。一体ユニット20について、この配線インダクタンス23を小さくするための機器構成例を図2に示す。
図2は、DC−DC変換回路9やインバータ回路6に代表される電力変換装置を一体構成に集約して同一ユニット化した機器構成例である。101は電力変換装置のキャパシタ、102はスイッチング素子を取り付けた基板、103および104はバスバーを示している。ここで、図2のキャパシタ101は、図1のキャパシタ5に相当し、図2の基板102に取り付けたスイッチング素子は、図1のDC−DC変換回路9を構成するスイッチング素子10a、10bとインバータ回路6を構成するスイッチング素子に相当する。それらをバスバーにより配線接続して一体ユニット20として構成したものが、図2に示す構成例である。
図2で示すように、キャパシタ101とスイッチング素子を取り付けた基板102とを直近に配置する構成とし、最短経路でバスバーにより接続し、さらに、電源の正極用のバスバー103および負極用のバスバー104を、絶縁を確保した上で重ね合わせて構成する。これにより、図1における配線インダクタンス23を含めたスイッチング回路のインダクタンスを、インバータ回路と同じ値程度に小さくすることができる。
これによって、インバータ回路6およびDC−DC変換回路9を別々のユニットで組み電線で接続した場合に比べると、インバータ回路6およびDC−DC変換回路9間の配線インダクタンス23およびスイッチング素子を含めた回路のインダクタンスを、数十〜数百分の一に低減することができる。したがって、キャパシタ5および配線インダクタンス23による共振周波数を、インバータ回路6およびDC−DC変換回路9の動作周波数よりもはるかに高い周波数に設定できる。
このため、先に説明したような回生ブレーキ時や力行動作時にスイッチング動作するインバータ回路6およびDC−DC変換回路9において、これらのスイッチング動作周波数に対して回路の共振周波数が十分に高く、インバータ回路6およびDC−DC変換回路9が接続される直流部の電流や電圧の共振を防ぐことができる。
さらに、回路のインダクタンスを小さくしたことで、DC−DC変換回路9のスイッチング素子10a、10bがスイッチングする時に発生するサージ電圧も抑制することができ、サージ電圧の電源回路への重畳も少なくなる効果がある。
また、インバータ回路6とDC−DC変換回路9との間の配線インダクタンス23を小さくしたことによって、キャパシタの共用化ができる。このキャパシタの共用化による台数削減、冷却器の小型化によって、システム全体の装置小型化が図られ経済的である。
そしてまた、キャパシタの共通化、および、キャパシタの電圧センサを共通にして制御に使用することによって、例えば、インバータ一相が故障した場合に、DC−DC変換回路の相をインバータの一相分として動作させることができる。そしてこの場合にも、出力制御電圧値は共通化され、インバータの制御電圧の相間アンバランスを防ぐことができる。
図3は、本発明の実施例2に係る電力変換装置の主回路の構成例を示す図である。
図3の電力変換装置において、図1の実施例1にて示した構成と異なる部分を以下に説明する。
図3において、キャパシタ12が蓄電装置11と接続される側に、この蓄電装置11と直列に遮断器14を設けるとともに、キャパシタ12と並列に抵抗15を設けている点が異なる。さらに、図1に示す、抵抗31およびスイッチング素子32から成る放電回路を省略している。
この回路構成は、一体ユニット20内のキャパシタ5を放電させたい場合に、遮断器14を開放した後、DC−DC変換回路9中の上アーム側のスイッチング素子10aをオンさせる。これにより、キャパシタ5からDC−DC変換回路9中の上アームスイッチング素子10a、リアクトル13、抵抗15を通る経路により、キャパシタ5を通る閉回路が構成され、キャパシタ5の放電回路として使用することができる。
この回路構成によって、キャパシタ5を含むインバータ回路6とDC−DC変換回路9との一体ユニット20の外部の正極と負極間に、図1に示す、抵抗31およびスイッチング素子32を設けて放電回路を構成する場合に比べて、この放電用のスイッチング素子1つ分を省略でき、装置を小型化することができる。
図4は、本発明の実施例3に係る電力変換装置の主回路の構成例を示す図である。
図4の電力変換装置において、図1の実施例1にて示した構成と異なる部分を以下に説明する。
図1に示した回路構成に対して、本構成は、キャパシタ5を含むインバータ回路6とDC−DC変換回路9との一体ユニット20の内に、キャパシタ5と並列に、抵抗31およびスイッチング素子32の直列回路を設けている。
抵抗31およびスイッチング素子32の直列回路は、キャパシタ5およびキャパシタ12の放電を行うための放電回路である。この放電回路を、キャパシタ5を含むインバータ6とDC−DC変換回路9との一体ユニット20に実装することで、この放電回路までの配線インダクタンスが低減される。このため、キャパシタ5およびキャパシタ12の放電を瞬時に行うことができ、キャパシタの過電圧保護などで瞬時に放電したい場合により早く放電動作を行うことが可能となる。
図5は、本発明の実施例4に係る電力変換装置の主回路の構成例を示す図である。
図5の電力変換装置において、図1の実施例1にて示した構成と異なる部分を以下に説明する。
図1に示した回路構成に対し、本構成は、インバータ回路6の三相交流出力側に切替器41を設け、この切替器41の出力側を、電動機7または外部給電結線部42と接続する。この外部給電結線部42は、駅構内、車両基地等に備えられた外部給電設備43からの電力を受け取る部分である。
この構成では、蓄電装置11を外部から充電する場合、切替器41を外部給電設備43と接続される側に切替え、外部給電設備43から給電された電力は、外部給電結線部42を通してインバータ回路6に受電される。インバータ回路6は、受電した三相交流電力を直流電力に変換し、キャパシタ5を充電する。インバータ回路6を動作させてキャパシタ5を充電した状態で、DC−DC変換回路9を動作させれば蓄電装置11を充電することができる。
このとき、図5で示す構成のように、キャパシタ5を含むインバータ回路6とDC−DC変換回路9とを一体ユニット20とし、インバータ回路6およびDC−DC変換回路9の接続部分の配線を短くしてインダクタンスを小さくする。このように、インバータ回路6およびDC−DC変換回路9が接続されるキャパシタ5を共通に扱うことで、インバータ回路6がキャパシタ5の充電制御を行うために検知するキャパシタ5の電圧値と、DC−DC変換回路9が蓄電装置11を充電制御するために検知するキャパシタ5の電圧値を同じにすることができる。
これによって、外部給電設備43からの蓄電装置11への充電制御による損失を減らすことができ、また、制御誤差を小さくすることで安定的に充電制御することが可能となる。
1…直流電車線
2…集電装置
3…接触器
4、13…リアクトル
5、8、12、101…キャパシタ
6…インバータ回路
7…電動機
9…DC−DC変換回路
10a、10b、32…スイッチング素子
11…蓄電装置
14…遮断器
15、31…抵抗
20…キャパシタを含むインバータ回路とDC−DC変換回路との一体ユニット
21…インバータ回路ユニット
22…DC−DC変換回路ユニット
23…配線インダクタンス
41…切替器
42…外部給電結線部
43…外部給電設備
102…スイッチング素子を取り付けた基板
103、104…バスバー

Claims (7)

  1. 第1の直流電力を交流電力に変換する第1の電力変換手段と、
    前記第1の電力変換手段の交流側に接続される交流負荷と、
    前記第1の直流電力をその電圧レベルと異なる電圧レベルの第2の直流電力に変換する第2の電力変換手段と、
    前記第1の電力変換手段および前記第2の電力変換手段が前記第1の直流電力を受ける側に共通に接続される第1のキャパシタと、
    前記第2の電力変換手段により変換される前記第2の直流電力を蓄電する蓄電手段と、
    前記第2の電力変換手段と前記蓄電手段との間に設けられる第1のリアクトルと、
    前記蓄電手段に並列接続される第2のキャパシタと、を備え、
    前記第1の電力変換手段、前記第2の電力変換手段および前記第1のキャパシタを同一ユニット内で一体構成に集約して、前記第1の電力変換手段と前記第2の電力変換手段との間の配線インダクタンスを小さくする
    ことを特徴とする電力変換装置。
  2. 請求項1に記載の電力変換装置において、
    前記第1の電力変換手段、前記第2の電力変換手段および前記第1のキャパシタを、バスバー接続により前記同一ユニット内で一体構成に集約する
    ことを特徴とする電力変換装置。
  3. 請求項2に記載の電力変換装置において、
    前記バスバー接続により前記第1の電力変換手段、前記第2の電力変換手段および前記第1のキャパシタを最短経路で接続し、
    正極電源用バスバーおよび負極電源用バスバーを、絶縁を確保した上で均一距離で重ね合わせて構成する
    ことを特徴とする電力変換装置。
  4. 請求項1から請求項3のいずれかに記載の電力変換装置において、
    前記第1の電力変換装置の電圧検出および前記第2の電力変換装置の電圧検出を前記第1のキャパシタの電圧を検出することにより共通化する
    ことを特徴とする電力変換装置。
  5. 請求項1から請求項3のいずれかに記載の電力変換装置において、
    前記第1のリアクトルと前記蓄電手段との間に遮断器を設け、該蓄電手段および該遮断器の直列回路を前記第2のキャパシタと並列に接続し、
    さらに、前記第2のキャパシタと並列に第1の抵抗を接続し、
    前記第1のキャパシタの放電を、前記第2の電力変換手段および前記第1の抵抗を介して行う
    ことを特徴とする電力変換装置。
  6. 請求項1から請求項3のいずれかに記載の電力変換装置において、
    前記一体構成した同一ユニット内に、前記第1のキャパシタと並列に接続したスイッチ手段および抵抗の直列回路から成る放電回路を設け、
    前記放電回路を介して前記第1のキャパシタおよび前記第2のキャパシタの放電を行う
    ことを特徴とする電力変換装置。
  7. 請求項1から請求項3のいずれかに記載の電力変換装置において、
    前記第1の電力変換手段の交流側に、前記交流負荷および外部給電設備を切り替え接続する切替器を設け、
    前記切替器の切替えにより前記第1の電力変換手段の交流側に前記外部給電設備が接続される場合には、前記外部給電設備から給電される電力が前記第1の電力変換手段および前記第2の電力変換手段を介して前記蓄電手段を充電する
    ことを特徴とする電力変換装置。
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5919422B1 (ja) * 2015-05-18 2016-05-18 カルソニックカンセイ株式会社 電力変換装置
JP5919424B1 (ja) * 2015-05-18 2016-05-18 カルソニックカンセイ株式会社 コンデンサモジュール
WO2016186089A1 (ja) * 2015-05-18 2016-11-24 カルソニックカンセイ株式会社 電力変換装置
WO2017188268A1 (ja) * 2016-04-27 2017-11-02 カルソニックカンセイ株式会社 電力変換装置
DE112015007027T5 (de) 2015-10-15 2018-07-12 Mitsubishi Electric Corporation Mehrstufen-Leistungswandlungsvorrichtung
CN110271424A (zh) * 2019-06-28 2019-09-24 中车青岛四方车辆研究所有限公司 牵引逆变系统及其控制方法
JP2022517387A (ja) * 2019-01-16 2022-03-08 広東美的制冷設備有限公司 駆動制御回路、エアコン及びコントローラ

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105186846B (zh) * 2015-09-30 2017-11-28 合肥华耀电子工业有限公司 一种带输入防反接功能的浪涌抑制电路

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009159663A (ja) * 2007-12-25 2009-07-16 Toyota Motor Corp 電動機駆動装置、電動車両および電動機駆動装置の制御方法
JP2010200455A (ja) * 2009-02-24 2010-09-09 Toyota Motor Corp 自動車および平滑コンデンサの放電方法
JP2011018729A (ja) * 2009-07-08 2011-01-27 Honda Motor Co Ltd 半導体素子モジュールの冷却装置
JP2013074722A (ja) * 2011-09-28 2013-04-22 Denso Corp 電力変換装置
JP2013085395A (ja) * 2011-10-11 2013-05-09 Toyota Motor Corp 充電システム、車両および充電システムの制御方法

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4771972B2 (ja) 2007-02-13 2011-09-14 トヨタ自動車株式会社 電力変換装置
JP4934562B2 (ja) * 2007-09-28 2012-05-16 株式会社日立製作所 蓄電装置を有する車両用制御装置
JP4859939B2 (ja) * 2009-02-19 2012-01-25 日立オートモティブシステムズ株式会社 電力変換装置
US8415825B2 (en) * 2009-05-15 2013-04-09 Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha Power conversion device, method of controlling power conversion device, and vehicle with the same mounted thereon
JP5298152B2 (ja) 2011-03-07 2013-09-25 株式会社日立製作所 電力変換装置及び鉄道車両用の電力変換装置
JP5403089B2 (ja) * 2011-05-26 2014-01-29 株式会社デンソー 電力変換装置
ITTO20110769A1 (it) * 2011-08-12 2013-02-13 Magneti Marelli Spa Dispositivo e metodo di scarica per un condensatore in un impianto elettrico di potenza di un veicolo con trazione elettrica

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009159663A (ja) * 2007-12-25 2009-07-16 Toyota Motor Corp 電動機駆動装置、電動車両および電動機駆動装置の制御方法
JP2010200455A (ja) * 2009-02-24 2010-09-09 Toyota Motor Corp 自動車および平滑コンデンサの放電方法
JP2011018729A (ja) * 2009-07-08 2011-01-27 Honda Motor Co Ltd 半導体素子モジュールの冷却装置
JP2013074722A (ja) * 2011-09-28 2013-04-22 Denso Corp 電力変換装置
JP2013085395A (ja) * 2011-10-11 2013-05-09 Toyota Motor Corp 充電システム、車両および充電システムの制御方法

Cited By (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5919422B1 (ja) * 2015-05-18 2016-05-18 カルソニックカンセイ株式会社 電力変換装置
JP5919424B1 (ja) * 2015-05-18 2016-05-18 カルソニックカンセイ株式会社 コンデンサモジュール
WO2016186089A1 (ja) * 2015-05-18 2016-11-24 カルソニックカンセイ株式会社 電力変換装置
JP2016219541A (ja) * 2015-05-18 2016-12-22 カルソニックカンセイ株式会社 コンデンサモジュール
JP2016220343A (ja) * 2015-05-18 2016-12-22 カルソニックカンセイ株式会社 電力変換装置
CN107710586B (zh) * 2015-05-18 2020-06-09 康奈可关精株式会社 电力转换装置
CN107710586A (zh) * 2015-05-18 2018-02-16 康奈可关精株式会社 电力转换装置
US10381922B2 (en) 2015-05-18 2019-08-13 Calsonic Kansei Corporation Power converter
US10110117B2 (en) 2015-10-15 2018-10-23 Mitsubishi Electric Corporation Multilevel power conversion device
DE112015007027T5 (de) 2015-10-15 2018-07-12 Mitsubishi Electric Corporation Mehrstufen-Leistungswandlungsvorrichtung
CN109247016A (zh) * 2016-04-27 2019-01-18 康奈可关精株式会社 电力转换装置
JPWO2017188268A1 (ja) * 2016-04-27 2019-03-07 カルソニックカンセイ株式会社 電力変換装置
WO2017188268A1 (ja) * 2016-04-27 2017-11-02 カルソニックカンセイ株式会社 電力変換装置
JP2022517387A (ja) * 2019-01-16 2022-03-08 広東美的制冷設備有限公司 駆動制御回路、エアコン及びコントローラ
JP7182719B2 (ja) 2019-01-16 2022-12-02 広東美的制冷設備有限公司 駆動制御回路、エアコン及びコントローラ
CN110271424A (zh) * 2019-06-28 2019-09-24 中车青岛四方车辆研究所有限公司 牵引逆变系统及其控制方法

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