JP2015144518A - インバータ回路 - Google Patents

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Tetsuya Yokoyama
哲也 横山
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Abstract

【課題】制御回路を駆動するための電源が断たれた場合に、平滑コンデンサに蓄積された電荷を放電させることができるインバータ回路を提供する。
【解決手段】コンデンサ放電モード判定部11は、第2電源E1から直流電圧が制御回路13に供給されなくなったとき平滑コンデンサCoを放電させるコンデンサ放電モードと判定する。電源部1は、コンデンサ放電モードの信号により起動して、各スイッチング素子Q1の第1主電極C及び第2主電極E間に印加される電圧から制御回路13を動作させる電流を制御回路13に供給する。制御回路13は、コンデンサ放電モードの信号によりスイッチSW2をオフし、スイッチング回路の交流電圧がモータに駆動力を発生させない出力となるように各スイッチング素子Q1,Q2をオンオフさせて、平滑コンデンサCoの電荷を放電させる。
【選択図】図2

Description

本発明は、制御回路を駆動するための電源が断たれた場合に、平滑コンデンサに蓄積された電荷を放電させることができるインバータ回路に関する。
従来のこの種のインバータ回路は、例えば特許文献1に記載されたインバータの制御装置が知られている。このインバータの制御装置において、放電制御部は、コンタクタによって電源と平滑コンデンサとの接続が開離されると、インバータ主回路に設けられたIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)を駆動して電動機の固定子巻線に高周波電圧を印加することで平滑コンデンサに蓄積された電荷を放電させている。
また、この種のインバータ回路は、イグニッション(IGN)キーをオンし、自動車バッテリ電圧となる12Vの電源の直流電圧をスイッチングさせてIGBTが駆動できる電圧(例えば15V)に変換し、変換されたパルス状の電圧を整流平滑し整流平滑電圧により制御回路を駆動させ、制御回路によりPWM信号をIGBTのゲートに出力してIGBTをオンオフさせることで直流を交流に変換している。
特開2004−15892号公報
しかしながら、従来のインバータ回路において、車両故障等により12Vの電源が断たれると、制御回路に電源が供給されなくなり、IGBTを駆動できず、平滑コンデンサの電荷を放電できなくなる。
本発明の課題は、制御回路を駆動するための電源が機能しなくなった場合でも確実に平滑コンデンサの電荷を放電できるインバータ回路を提供することにある。
本発明では、コンデンサ放電モード判定部は、第2電源から直流電圧が制御回路に供給されなくなったとき平滑コンデンサを放電させるコンデンサ放電モードと判定する。電源部は、コンデンサ放電モードの信号により起動して、各スイッチング素子の第1主電極及び第2主電極間に印加される電圧から制御回路を動作させる電流を制御回路に供給する。制御回路は、コンデンサ放電モードの信号により各スイッチング素子が出力する電圧がモータに駆動力を発生させない出力となるように各スイッチング素子をオンオフさせて、平滑コンデンサの電荷を放電させる。
本発明によれば、第2電源から直流電圧が制御回路に供給されなくなったとき、電源部は、コンデンサ放電モード信号により起動し、平滑コンデンサの電荷を用いて各スイッチング素子の第1主電極及び第2主電極間に印加される電圧から制御回路を動作させる電流を制御回路に供給するので、制御回路は各スイッチング素子をオンオフさせて、平滑コンデンサの電荷を放電させる。従って、制御回路を駆動するための電源が機能しなくなった場合でも確実に平滑コンデンサの電荷を放電させることができる。
本発明の第1の実施形態のインバータ回路の原理構成ブロック図である。 本発明の第1の実施形態のインバータ回路の具体的な構成ブロック図である。 本発明の第1の実施形態のインバータ回路の放電用PWM信号の波形を示す図である。 本発明の第2の実施形態のインバータ回路を示す構成ブロック図である。 本発明の第3の実施形態のインバータ回路を示す構成ブロック図である。
以下、本発明の実施の形態のインバータ回路について図面を参照して詳細に説明する。実施の形態のインバータ回路は、IGBTを駆動する電源回路とは別に、平滑コンデンサの電荷により印加されたIGBTのコレクタ及びエミッタ間の電圧を利用して、その電圧からIGBTを駆動する電源部を設けたことを特徴とする。以下、その具体的な実施形態を説明する。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態のインバータ回路の原理構成ブロック図である。図2は、本発明の第1の実施形態のインバータ回路の具体的な構成ブロック図である。図1に示すインバータ回路は、通常/C放電モード判定部11、PWM指令部12、プシュプル回路(ゲート駆動回路、本発明の制御回路に対応)13、プシュプル用電源回路14、IGBT駆動PWM指令発生部15、蓄電素子16、定電圧電源17、IGBTQ1、平滑コンデンサCoを有して構成される。
図2では、平滑コンデンサCoは、例えば400Vの電源E2(第1電源)からスイッチSW2を介して出力される直流電圧を平滑する。また、図2では、IGBTQ1,Q2の1相分のみのスイッチング回路を示した。
スイッチング回路は、平滑コンデンサCoの両端に接続され且つ直列に接続されたIGBTQ1とIGBTQ2を有し、IGBTQ1とIGBTQ2を交互にオンオフさせることで平滑コンデンサCoで平滑された直流電圧をパルス電圧に変換して図示しないモータを駆動する。
なお、実際には、6つのIGBTが設けられ、スイッチング回路を構成する。スイッチング回路は、走行用の3相交流モータに応じて、IGBTを2つ直列に接続した直列回路を3列並列に接続し、6つのIGBTをオン/オフさせることにより直流電流を3相の交流電流に変換して、走行用モータを駆動する。
プシュプル用電源回路14は、プシュプル回路13に電源を供給してプシュプル回路13を駆動するもので、図2に示すように、自動車用バッテリに相当する12Vの電源E1(第2電源)、IGNキーSW1、トランスT、ダイオードD2、コンデンサC1、スイッチングレギュレータ10、MOSFETQ3を有して構成される。
IGNキーSW1をオンすることで、12Vの電源E1の直流電圧がトランスTの一次巻線Pに供給され、スイッチングレギュレータ10によりMOSFETQ3をオンオフすることで、二次巻線Sにパルス状の電圧が発生し、このパルス状の電圧をダイオードD2とコンデンサC1とで整流平滑してプシュプル回路13に供給して駆動させる。
プシュプル回路13は、12Vの電源E1から出力される直流電圧が昇圧された昇圧電圧により駆動してIGBTQ1をオンオフさせる。
通常/C放電モード判定部11は、IGNキーSW1のオンにより12Vの電源E1から直流電圧がプシュプル回路13に供給されたとき、通常モードとしてPWM指令部12に通常モード信号を出力し、IGNキーSW1のオフにより12Vの電源E1から直流電圧がプシュプル回路13に供給されなくなったとき平滑コンデンサCoを放電させるコンデンサ放電モードと判定し、コンデンサ放電モード信号を出力する。
図2に示すフォトカプラPC2は、図1に示す通常/コンデンサ放電モード判定部11に対応する。フォトカプラPC2において、フォトダイオードのアノードはIGNキーSW1の一端に接続される。車両故障などにより12Vの電源E1(第2電源)の接続が切れたり、IGNキーSW1がオフすると、フォトダイオードがオフし、フォトトランジスタがオフし、コンデンサ放電モード信号をIGBT駆動PWM指令発生部15と電源部17と制御部2とに出力する。フォトカプラPC2は、IGNキーSW1がオンし、フォトダイオードがオンし、フォトトランジスタがオンしたときには、コンデンサ放電モード信号をIGBT駆動PWM指令発生部15と電源部17aと制御部2とに出力しない。
PWM指令部12は、通常モードつまりモータを回転駆動させるモードで動作し、PWM信号をフォトカプラPC1のフォトダイオードに出力し、フォトカプラPC1のフォトトランジスタからPWM信号をプシュプル回路13に出力する。プシュプル回路13は、PWM信号をIGBTQ1のゲートに出力することでIGBTQ1をオンオフさせる。
IGBT駆動PWM指令発生部15は、通常/C放電モード判定部11からコンデンサ放電モード信号を入力したときIGBTQ1を駆動するためのPWM信号を生成し、PWM信号をプシュプル回路13に出力する。プシュプル回路13は、IGBT駆動PWM指令発生部15からのPWM信号をIGBTQ1のゲートに出力することでIGBTQ1をオンオフさせる。
図2に示す制御部2は、通常/C放電モード判定部11からコンデンサ放電モード信号を入力したとき強電リレーからなるスイッチSW2をオフさせる。
定電圧電源17とダイオードD1と蓄電素子(コンデンサなど)とは、本発明の電源部に対応し、通常/C放電モード判定部11からコンデンサ放電モード信号を入力したとき起動して、IGBTQ1のコレクタC(第1主電極)及びエミッタE(第2主電極)間に印加される電圧からプシュプル回路13を動作させる電流をプシュプル回路13に供給する。
プシュプル回路13は、電源部からの電流により駆動して、スイッチング回路の交流電圧がモータに駆動力を発生させない出力となるようにIGBTQ1をオンオフさせて、平滑コンデンサCoの電荷を放電させる。
図2に示す電源部17aは、抵抗R2、R3、電流制限付きのスイッチングレギュレータA、リアクトルL2、ダイオードD5、コンデンサC2、ダイオードD3で構成される。IGBTQ1のドレインには抵抗R3の一端が接続され、抵抗R3の他端はスイッチングレギュレータAの一端に接続される。スイッチングレギュレータAの他端にはリアクトルL2の一端が接続され、リアクトルL2の他端には抵抗R2の一端とコンデンサC2の一端とダイオードD3のアノードとが接続される。
ダイオードD3のカソードはプシュプル回路13の一端に接続される。リアクトルL2と抵抗R2との直列回路の両端にはダイオードD5が接続される。コンデンサC2の他端と抵抗R2の他端とダイオードD5のアノードとはプシュプル回路13の他端に接続される。電源部17aの出力は、IGBTQ1がオン駆動可能な出力に設定され、プシュプル回路13に接続される。
次に、このように構成された第1の実施形態のインバータ回路の動作を図2を参照しながら詳細に説明する。
まず、通常では、IGNキーSW1をオンし、12Vの電源E1の直流電圧をスイッチング素子Q3によりスイッチングさせてトランスTで昇圧し、昇圧された二次巻線Sのパルス状の電圧をダイオードD2及びコンデンサC1とで整流平滑し、整流平滑電圧によりプルプシュプル回路13を駆動させる。また、PWM指令部12からのPWM信号をプシュプル回路13に出力し、プシュプル回路13は、PWM信号をゲート抵抗Rgを介してU相の正極PのIGBTQ1のゲートに出力してIGBTQ1をオンオフさせる。
図3に放電用PWM信号の一例を示す。UPは、U相の正極PのIGBTQ1のPWM信号を示す。同様に、UNは、U相の負極NのIGBTQ2のPWM信号を示す。同様に、VPは、V相の正極PのIGBTのPWM信号を示す。同様に、VNは、V相の負極NのIGBTのPWM信号を示す。WPは、W相の正極PのIGBTのPWM信号を示す。WNは、W相の負極NのIGBTのPWM信号を示す。このPWM信号の他例としてはモータの駆動力が極めて小さくなるようトルクが出にくいPWM信号にすること、またはモータ電流の周波数を極めて高くするなどとしてもよいことは言うまでもない。
次に、車両故障などにより、IGNキーSW1がオフすると、12Vの電源E1から直流電圧がプシュプル回路13に供給されなくなる。このため、通常/平滑コンデンサ放電モード判定部11であるフォトカプラPC2は、IGNキーSW1がオンからオフになったことを検知して、平滑コンデンサCoを放電させるコンデンサ放電モードと判定し、コンデンサ放電モード信号をIGBT駆動PWM指令発生部15と電源部17aと制御部2とに出力する。
制御部2は、フォトカプラ11からコンデンサ放電モード信号を入力したとき強電リレーからなるスイッチSW2をオフさせる。
次に、電源部17aにおいて、スイッチングレギュレータAがフォトカプラ11からコンデンサ放電モード信号を入力したとき起動し、平滑コンデンサCoの電荷を用いてIGBTQ1のコレクタC及びエミッタE間に印加される電圧が逆流防止用のダイオードD9と抵抗R3を介してスイッチングレギュレータAと電圧平滑用コンデンサC3に印加される。また、リアクトルL2から抵抗R2に電流が流れて、抵抗R2の両端に発生する電圧がコンデンサC2及びダイオードD3で整流平滑されて、整流平滑電圧がプシュプル回路13に印加される。このとき、電源部に印加できる電圧を安定供給する為にIGBTQ1のCとE間に抵抗R9を、IGBTQ2のCとE間に抵抗R10を設けるとよい。抵抗値の設定は少なくともIGBTQ1がオンオフしないときの電源部17aの通電電流負荷の抵抗値と同等以下とするのが好ましい。従って、12Vの電源E1が供給されなくなっても、電源部17aからの電圧によりプシュプル回路13を駆動できる。即ち、平滑コンデンサCoを用いて電源部17a及びプシュプル回路13を動作させることで、平滑コンデンサCoを放電できる。
また、IGBT駆動PWM指令発生部15は、コンデンサ放電モード信号を入力したときIGBTQ1を駆動するためのPWM信号を生成し、PWM信号をプシュプル回路13に出力する。プシュプル回路13は、スイッチング回路の交流電圧がモータに駆動力を発生させない出力となるように、IGBT駆動PWM指令発生部15からのPWM信号によりIGBTQ1をオンオフさせて、平滑コンデンサCoの電荷を放電させる。即ち、PWM信号によりIGBTQ1をオンオフさせるとで、高速に平滑コンデンサCoの電荷を放電させることができる。
なお、平滑コンデンサCoの電荷がなくなると、電源部17aは、プシュプル回路13に電力を送ることができなくなり、平滑コンデンサCoの放電を終了する。
このように第1の実施形態のインバータ回路によれば、12Vの電源E1から直流電圧がプシュプル回路13に供給されなくなったとき、電源部17aは、コンデンサ放電モード信号により起動し、平滑コンデンサCoの電荷を用いてIGBTQ1のコレクタ及びエミッタ間に印加される電圧からプシュプル回路13を動作させる電流をプシュプル回路13に供給するので、プシュプル回路13はIGBTQ1をオンオフさせて、平滑コンデンサCoの電荷を放電させる。従って、プシュプル回路13を駆動するための電源E1が機能しなくなった場合でも確実に平滑コンデンサCoの電荷を放電させることができる。
なお、図1に示す第1の実施形態のインバータ回路では、IGBTQ1に対して通常/C放電モード判定部11、PWM指令部12、プシュプル回路13、プシュプル用電源回路14、IGBT駆動PWM指令発生部15、蓄電素子16、定電圧電源17、IGBTQ1、平滑コンデンサCoを備えたが、U相、V相、W相の3相分のインバータ回路では、6つのIGBTの各々について、通常/C放電モード判定部11、PWM指令部12、プシュプル回路13、プシュプル用電源回路14、IGBT駆動PWM指令発生部15、蓄電素子16、定電圧電源17、IGBTQ1、平滑コンデンサCoを備える。この場合、1つの電源部17aが故障しても残りの5つの電源部17aにより平滑コンデンサCoの放電が可能である。
(第2の実施形態)
図4は、本発明の第2の実施形態のインバータ回路を示す構成ブロック図である。図4に示す第2の実施形態のインバータ回路は、図1に示す第1の実施形態のインバータ回路の電源部17aに代えて、電源部17bを用い、さらに、電圧センサ21、電圧比較器22を設けたことを特徴とする。
電源部17bは、定電流源であり、抵抗R1〜R6、電流制限付きのスイッチングレギュレータA、リアクトルL1、ダイオードD5、MOSFETQ4、コンデンサC2、ダイオードD3、ツェナーダイオードZD1で構成される。IGBTQ1のドレインには抵抗R3の一端と抵抗R5の一端が接続され、抵抗R3の他端は抵抗R4を介してスイッチングレギュレータAの一端に接続される。抵抗R5の他端はリアクトルL1の一端とダイオードD5のカソードに接続され、リアクトルL1の他端とダイオードD5のアノードはMOSFETQ4のドレインに接続される。
MOSFETQ4のゲートは、スイッチングレギュレータAの他端に接続され、MOSFETQ4のソースは、抵抗R6の一端に接続される。抵抗R6の他端は、抵抗R2の一端とコンデンサC2の一端と抵抗R1の一端とダイオードD4のアノードとに接続される。ダイオードD4のカソードは、抵抗R3の他端と抵抗R4の一端とに接続される。抵抗R1の他端はダイオードD3のアノードとツェナーダイオードZD1のカソードに接続され、ダイオードD3のカソードはプシュプル回路13の一端に接続される。電源部17bの出力は、IGBTQ1がオン駆動可能な出力に設定される。
このように構成される電源部17bであっても、電源部17aと同様に、コンデンサ放電モード信号により起動し、平滑コンデンサCoの電荷を用いてIGBTQ1のコレクタ及びエミッタ間に印加される電圧からプシュプル回路13を動作させる電流をプシュプル回路13に供給するので、プシュプル回路13はIGBTQ1をオンオフさせて、平滑コンデンサCoの電荷を放電させる。従って、プシュプル回路13を駆動するための電源E1が機能しなくなった場合でも確実に平滑コンデンサCoの電荷を放電させることができる。
また、電圧センサ21は、平滑コンデンサCoの電荷を放電しているときに、両端電圧を検出し、検出電圧を電圧比較器22に出力する。電圧比較器22は、電圧センサ21で検出された検出電圧と基準電圧(例えば、60V)とを比較し、検出電圧が基準電圧以下になったときに平滑コンデンサCoの電荷の放電を停止させるための放電停止信号をIGBT駆動PWM指令発生部15に出力する。
IGBT駆動PWM指令発生部15は、電圧比較器22からの放電停止信号に基づき、PWM信号をプシュプル回路13に出力しない。このため、プシュプル回路13によるIGBTQ1のオンオフ動作が停止されるので、平滑コンデンサCoの放電動作が停止される。
従って、プシュプル回路13が十分に安定して動作する電圧で平滑コンデンサCoの放電を停止することができる。
(第3の実施形態)
図5は、本発明の第3の実施形態のインバータ回路を示す構成ブロック図である。
図5に示す第3の実施形態のインバータ回路は、図1に示す第1の実施形態のインバータ回路に対して、さらに、低電圧検出回路23、出力電圧調整器24を設けたことを特徴とする。
低電圧検出回路23は、プシュプル用電源回路14の電源電圧が所定電圧以下になったことを検出し、低電圧検出信号を出力電圧調整器24に出力する。出力電圧調整器24は、電源起動部に対応し、低電圧検出回路23からの低電圧検出信号により定電圧電源17を起動させる。これにより、定電圧電源17が起動されて、定電圧電源17からの定電圧がプシュプル回路13に供給される。このため、プシュプル用電源回路14の電源電圧が低電圧に低下しても、定電圧電源17からの定電圧によりプシュプル回路13が駆動することができる。
なお、本発明は、第1の実施形態乃至第3の実施形態のインバータ回路に限定されるものではない。例えば、第1の実施形態のインバータ回路に、第2の実施形態のインバータ回路の平滑コンデンサCoの電圧を検出する電圧センサ21と電圧比較器22とを設け、電圧比較器22からの放電停止信号をIGBT駆動PWM指令発生部15に出力するように構成すれば、第1の実施形態のインバータ回路及び第2の実施形態のインバータ回路の効果が得られる。
11 通常/C放電モード判断部
12 PWM指令部
13 プシュプル回路
14 プシュプル用電源回路
15 IGBT駆動PWM指令発生部
16 蓄電素子
17 定電圧電源
21 電圧センサ
22 電圧比較器
23 低電圧検出回路
24 出力電圧調整器
Co 平滑コンデンサ
C1,C2 コンデンサ
Q1,Q2 IGBT
Q3 スイッチング素子
Q4 MOSFET
D1〜D9 ダイオード
SW1,SW2 スイッチ
E1,E2 電源
PC1.PC2 フォトカプラ
R1〜R10 抵抗
Rg ゲート抵抗
T トランス
P 一次巻線
S 二次巻線
ZD1 ツェナーダイオード
L1 リアクトル
A スイッチングレギュレータ

Claims (3)

  1. 第1電源からスイッチを介して出力される直流電圧を平滑する平滑コンデンサと、
    前記平滑コンデンサの両端に接続され且つ直列に接続された第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子を有し、前記第1スイッチング素子及び前記第2スイッチング素子を交互にオンオフさせることで前記平滑コンデンサで平滑された直流電圧を交流電圧に変換してモータを駆動するスイッチング回路と、
    第2電源から出力される直流電圧により駆動して前記各スイッチング素子をオンオフさせる制御回路と、
    前記第2電源から直流電圧が前記制御回路に供給されなくなったとき前記平滑コンデンサを放電させるコンデンサ放電モードと判定するコンデンサ放電モード判定部と、
    前記コンデンサ放電モードの信号により起動して、前記各スイッチング素子の第1主電極及び第2主電極間に印加される電圧から前記制御回路を動作させる電流を前記制御回路に供給する電源部とを備え、
    前記制御回路は、前記コンデンサ放電モードの信号により前記スイッチをオフし、前記スイッチング回路の交流電圧が前記モータに駆動力を発生させない出力となるように前記各スイッチング素子をオンオフさせて、前記平滑コンデンサの電荷を放電させることを特徴とするインバータ回路。
  2. 前記平滑コンデンサの電圧を検出する電圧検出部と、
    前記電圧検出部で検出された前記平滑コンデンサの電圧と基準電圧とを比較する電圧比較部とを備え、
    前記制御回路は、前記平滑コンデンサの電圧が前記基準電圧以下になった時に前記平滑コンデンサの電荷の放電を停止させることを特徴とする請求項1記載のインバータ回路。
  3. 前記第2電源の直流電圧を前記制御回路に供給する制御回路用電源回路と、
    前記制御回路用電源回路の電源電圧が所定電圧以下になったときに低電圧検出信号を出力する低電圧検出回路と、
    前記低電圧検出回路からの低電圧検出信号により前記電源部を起動させる電源起動部と、
    を備えることを特徴とする請求項1又は請求項2記載のインバータ回路。
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