JP2017017840A - 電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】線路に配設されたスイッチング素子と、グランド電位等の所定の電位に接続される放熱器とを備えた電力変換装置に適用され、スイッチング素子と放熱器との間に発生する寄生容量に起因し、電力変換装置の入力側へ出力させるノイズを低減する電力変換装置を提供する。
【解決手段】スイッチング素子(半導体スイッチSW)及び放熱器(ヒートシンクHS)の間に、導電体11aを絶縁体11bで覆ったノイズ除去器11を介装し、ノイズ除去器11の導電体11aを線路の安定電位に接続する。
【選択図】図2

Description

本発明は、入力側及び出力側を結ぶ線路に配設されたスイッチング素子と、所定の電位に接続される放熱器とを備えた電力変換装置に関する。
半導体スイッチをスイッチングすることによって、出力電圧及び/又は出力電流を制御する電力変換装置が様々な用途に用いられている。電力変換装置は、半導体スイッチにより発生する熱を放出するため、ヒートシンクが取り付けられる。
図7は、電力変換装置が備える半導体スイッチ及び取り付けられたヒートシンクの外観を模式的に示す概略側面図である。図7は、電力変換装置が備える半導体スイッチSWを示している。半導体スイッチSWには、ヒートシンクHSが取り付けられた状態で基板B上に固定されている。ヒートシンクHSは、半導体スイッチSWにて発生した熱を外部へ放出することで冷却する機能を有している。
ところが、ヒートシンクHSをFG(フレームグランド)に接続した場合、半導体スイッチSWとヒートシンクHSとの間に寄生容量が発生する。
図8は、電力変換装置が備える半導体スイッチに関する回路図に、ヒートシンクを模式的に示した説明図である。図8は、入力側及び出力側を結ぶ一対の線路を短絡する半導体スイッチSWが配設された電力変換装置に関する回路を示しており、半導体スイッチSWの右側にヒートシンクHSが示されている。ヒートシンクHSは、FGに接続されている。また、半導体スイッチSWとヒートシンクHSの間には寄生容量Chpが発生する。発生した寄生容量Chpにより、半導体スイッチSWの正極に接続されたポイントP1の電圧変動がFGに伝わり、ノイズとしてコモンモード電流Icmが流れる。
図9は、電力変換装置におけるポイントP1の電圧変化を示すグラフである。図9は、横軸に時間をとり、縦軸にポイントP1の電圧をとって、ポイントP1の電圧V1の経時変化を示している。図9に示すポイントP1の電圧V1の経時変化は、寄生容量Chpを介してFGに伝わるため電力変換装置の入力側へノイズとして出力される。
以上のように、ヒートシンクHSをFGに接続した場合、電力変換装置の入力側へポイントP1の電圧変動に応じた大きなノイズが出力されるという問題が生じる。FGに伝わってノイズとなるコモンモード電流Icmの大きさは、以下の式(A)で表すことができる。
Icm=Chp × dV/dt …式(A)
但し、Icm:コモンモード電流
Chp:半導体スイッチSWとヒートシンクHSとの間の寄生容量
V :ポイントP1の電圧(V1)
t :時間
また、寄生容量Chpは、下記の式(B)で表すことができる。
Chp=ε・S/dhp …式(B)
但し、ε :半導体スイッチSWとヒートシンクHSとの間の誘電率
dhp:半導体スイッチSWとヒートシンクHSとの間の距離
S :電極面積
そこで、上述のようなノイズを低減するため半導体スイッチとヒートシンクとの間に、セラミックスを用いた低誘電率の絶縁材料を挟み半導体スイッチとヒートシンクとの間に発生する寄生容量を低減する方法が特許文献1に提案されている。寄生容量を低減することにより、上記式(A)の寄生容量Chpが小さくなるため、コモンモード電流Icmを小さくすることができる。
また、ノイズを低減する他の方法として、ヒートシンク自体を安定電位と繋げ、ノイズの原因となる電流を回路内に閉じ込める方法が特許文献2に提案されている。
特開平9−298889号公報 特開平11−356047号公報
しかしながら、特許文献1にて提案されている方法では、半導体スイッチとヒートシンクとの間に挟み込む絶縁材料の熱抵抗によって、半導体スイッチを十分に冷却することができないという問題が生じる。また、絶縁材料として用いられるセラミックスは、高価なため、電力変換装置のコストが高騰するという問題が生じる。
また、特許文献2にて提案されている方法では、ヒートシンクを筐体に固定して使用する場合、筐体はグランド電位となるため、グランド電位と安定電位との絶縁距離を確保しなければならない。このためヒートシンクの設置スペースが大きくなるという問題が発生し、他の素子の配置の制約等の問題にも繋がる。また、ヒートシンクを固定するネジは、絶縁材料にする必要がある。絶縁材料のネジとして樹脂材料を用いた場合、強度に問題があり、セラミックスを用いた場合、電力変換装置のコストが高騰するという問題がある。他方、ヒートシンクを筐体に固定しない場合、ヒートシンクの固定強度を確保するために多数の点で固定する必要が生じるため、他の素子の配置の制約等の問題が生じる。
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、スイッチング素子とヒートシンクとの間に導電体を配置し、導電体及びスイッチング素子の間、並びに導電体及び放熱器の間に絶縁体を配置して、導電体を入力側と出力側とを繋ぐ線路に接続する。これにより、特許文献1及び特許文献2について述べた問題を生じさせることなく、ノイズを低減することが可能な電力変換装置の提供を目的とする。
上記課題を解決するために、本発明に係る電力変換装置は、入力側及び出力側を結ぶ一対の線路を短絡するように配設されたスイッチング素子と、所定の電位に接続される放熱器とを備えた電力変換装置であって、前記スイッチング素子及び放熱器の間に配置された導電体と、前記導電体及びスイッチング素子の間、並びに前記導電体及び放熱器の間に配置された絶縁体とを備え、前記導電体は、前記一対の線路のうちの一方の線路に電気的に接続されていることを特徴とする。
また、電力変換装置は、入力側及び出力側を結ぶ一対の線路を短絡するように配設されたスイッチング素子と、所定の電位に接続される放熱器とを備えた電力変換装置であって、前記スイッチング素子及び放熱器の間に配置された導電体と、前記導電体を覆う絶縁体とを備え、前記導電体は、前記一対の線路のうちの一方の線路に電気的に接続されていることを特徴とする。
また、電力変換装置は、前記導電体及び絶縁体は、薄膜状をなし、前記スイッチング素子に対向する前記絶縁体の面は、前記スイッチング素子に貼着し、前記放熱器に対向する前記絶縁体の面は、前記放熱器に貼着していることを特徴とする。
また、電力変換装置は、前記導電体が接続された一方の線路は、安定電位に接続されていることを特徴とする。
また、電力変換装置は、前記放熱器が接続する所定の電位は、グランド電位であることを特徴とする。
本発明に係る電力変換装置は、寄生容量に起因するノイズを回路内に閉じ込めることができる。
本発明は、スイッチング素子とヒートシンクとの間に導電体を配置し、導電体及びスイッチング素子の間、並びに導電体及び放熱器の間に絶縁体を配置して、導電体を線路に接続する。これにより、導電体及びスイッチング素子の間、並びに導電体及び放熱器の間に生じた寄生容量に基づくノイズ電流を線路側に流すことができるので、ノイズを回路内に閉じ込め、電力変換装置の入力側へ出力されるノイズを低減することが可能である等、優れた効果を奏する。
本発明の実施形態に係る電力変換装置の外観の一例を模式的に示す概略側面図である。 本発明の実施形態に係る電力変換装置に関する回路図に、ヒートシンク及びノイズ除去器を用いた制御系統の一例を模式的に示した説明図である。 電力変換装置の電圧の経時変化の一例を示すグラフである。 実験に用いた装置を概略的に示す模式図である。 実験に用いた電力変換装置の一部を模式的に示す説明図である。 実験に用いた電力変換装置の一部を模式的に示す説明図である。 実験結果を示すグラフである。 実験結果を示すグラフである。 電力変換装置が備える半導体スイッチ及び取り付けられたヒートシンクの外観を模式的に示す概略側面図である。 電力変換装置が備える半導体スイッチに関する回路図に、ヒートシンクを模式的に示した説明図である。 電力変換装置におけるポイントP1の電圧変化を示すグラフである。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施形態は、本発明を具現化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
図1は、本発明の実施形態に係る電力変換装置の外観の一例を模式的に示す概略側面図である。本発明に係る電力変換装置10は、半導体スイッチSWを用いて出力電圧及び/又は出力電流の変換に関する制御を行うインバータ、DC−DC変換装置等の装置である。
半導体スイッチSWは、MOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor )、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor )等の半導体スイッチング素子にて構成されている。半導体スイッチSWは、脚部となるソース端子、ドレイン端子及びゲート端子により基板B上に固定されている。また、基板B上には、半導体スイッチSWにて発生した熱を外部へ放出することで冷却する機能を有するヒートシンク(放熱器)HSが立設されており、ヒートシンクHSは、後述するFG(フレームグランド)に電気的に接続されている。さらに、基板B上には、半導体スイッチSWとヒートシンクHSとの間に発生する寄生容量から電力変換装置10の入力側へ流れるノイズ電流を低減するノイズ除去器11が半導体スイッチSW及びヒートシンクHSの間に介装されている。
ノイズ除去器11は、銅箔等の薄膜状をなす導電体11aと、導電体11aを覆う絶縁体11bとを備えており、導電体11aは、半導体スイッチSWのソース端子を介して後述する第2線路12b(図2参照)に電気的に接続されている。ノイズ除去器11は、薄膜状をなす導電体11aを、薄膜状をなす絶縁体(絶縁膜)11bにて覆った形状の薄膜状をなしており、半導体スイッチSWに対向する側の一方の面が半導体スイッチSWに貼着され、ヒートシンクHSに対向する側の他方の面がヒートシンクHSに貼着されている。即ち、半導体スイッチSW及びヒートシンクHSの間に導電体11aが配置され、導電体11a及び半導体スイッチSWの間、並びに導電体11a及びヒートシンクHSの間に絶縁膜として絶縁体11bが配置された構成となっている。また、半導体スイッチSWで発生した熱をノイズ除去器11を介してヒートシンクHSへ伝導する熱伝導の効率を高めるため、半導体スイッチSWはノイズ除去器11の一方の面に貼着する放熱面を有し、ヒートシンクHSはノイズ除去器11の他方の面に貼着する吸熱面を有している。
図2は、本発明の実施形態に係る電力変換装置10に関する回路図に、ヒートシンクHS及びノイズ除去器11を用いた制御系統の一例を模式的に示した説明図である。図2に例示する制御系では、AC電源(図示せず)に接続されるフィルタ20と、AC電源から供給される交流を直流に変換するダイオードブリッジ等のAC−DCコンバータ30と、電圧の平滑化、昇圧等の電力変換を行う電力変換装置10と、電力負荷(図示せず)に応じた規格の電圧及び電流への変換を行うトランス等の絶縁DC−DCコンバータ40とが用いられている。AC−DCコンバータ30により交流から変換される直流とは、フィルタ20側から出力される交流に対し、マイナス側の電圧の方向を反転させた脈流であり、方向は一定であるが、大きさは変化する。そして、電力変換装置10により、脈流として供給される直流電圧を平滑化する。
電力変換装置10には、AC−DCコンバータ30に接続する入力側と、絶縁DC−DCコンバータ40に接続する出力側とを結ぶ第1線路12a及び第2線路12bが設けられている。第1線路12a及び第2線路12bは、入力側の第1電位及び第2電位に接続される。第1線路12aは、第1電位として、例えば、プラス側に接続される。第2線路12bは、第2電位として、例えば、マイナス側に接続され、第1電位より低い安定電位に接続する配線として用いられる。
電力変換装置10内において、AC−DCコンバータ30から入力を受ける入力側には、第1線路12a及び第2線路12bの間を接続し、平滑化を行う第1コンデンサC1が配設されている。また、絶縁DC−DCコンバータ40へ出力する出力側には、リアクトルL、半導体スイッチSW、整流素子D及び第2コンデンサC2を用いた昇圧回路(昇圧チョッパ)が配設されている。
昇圧回路として配設されているリアクトルL及び整流素子Dは、第1線12a上に直列に接続されている。整流素子Dは、アノード端子が入力側に、カソード端子が出力側になる向きで配設されており、アノード側には、リアクトルLが直列で接続されている。また、第2コンデンサC2は、整流素子Dのカソード側に、第1線路12a及び第2線路12bの間を接続するようにして配設されている。
さらに、昇圧回路の半導体スイッチSWは、第1線路12a及び第2線路12bの間を短絡するように配設されている。図2に例示した回路では、半導体スイッチSWとして、逆並列ダイオードを内蔵するMOSFETが用いられている。半導体スイッチSWのドレイン端子は、リアクトルL及び整流素子Dの間となる第1線路12aの第1ポイントP1に接続されており、ソース端子は、第2線路12bの第2ポイントP2に接続されている。なお、第2ポイントP2は、第1コンデンサC1が第2線路12bに接続する接続点と、第2コンデンサC2が第2線路12bに接続する接続点との間に位置する。
図2中で、半導体スイッチSWの右側には、近傍に配設されたヒートシンクHSが示されており、半導体スイッチSW及びヒートシンクHSの間には、ノイズ除去器11が配設されている。ヒートシンクHSは、グランド電位となるFG(フレームグランド)に接続されている。ノイズ除去器11の導電体11aは、接続線11cを介して第2線路12bに接続されている。
以上説明した各種素子の他、ノイズ除去器11の導電体11aと半導体スイッチSWとの間には、第1寄生容量Chp1が発生し、ノイズ除去器11の導電体11aとヒートシンクHSとの間には、第2寄生容量Chp2が発生する。
ノイズ除去器11の導電体11aと半導体スイッチSWとの間に発生した第1寄生容量Chp1により、第1ポイントP1の電圧変動が導電体11aから第2ポイントP2を介して第2線路12bへと伝わり、ノイズ電流Insが流れる。ただし、第2線路12bへ伝わったノイズ電流Insは、第2ポイントP2、第1コンデンサC1、リアクトルL及び第1ポイントP1と流れて循環し、これら素子にて構成される回路内に閉じ込められるため、電力変換装置10の入力側へノイズとして出力されることはない。
また、ノイズ除去器11の導電体11aとヒートシンクHSとの間に発生した第2寄生容量Chp2により、第2ポイントP2の電圧変動がヒートシンクHSからFGに伝わり、ノイズとしてコモンモード電流Icmが流れる。この場合に流れるコモンモード電流Icmの大きさは、以下の式(1)で表すことができる。
Icm=Chp2 × dV/dt …式(1)
但し、Icm:コモンモード電流
Chp2:導電体11aとヒートシンクHSとの間の寄生容量
V :第2ポイントP2の電圧(V2)
t :時間
式(1)に示した第2ポイントP2の電圧について説明する。図3は、電力変換装置10の電圧の経時変化の一例を示すグラフである。図3は、横軸に時間をとり、縦軸に電圧をとって、第2ポイントP2の電圧V2の経時変化を実線にて示している。また、比較のため、第1ポイントP1の電圧V1の経時変化を破線にて示している。図3から、第2ポイントP2の電圧V2の経時変化は、第1ポイントP1の電圧V1の経時変化より小さいことが明らかである。従って、第2ポイントP2の経時変化に起因する式(1)中のdV/dtの値が、第1ポイントP1の経時変化に起因する値より小さくなるため、コモンモード電流Icmが小さくなる。即ち、図3に例示したように安定電位に接続される第2ポイントP2の変化がほとんどない場合、コモンモード電流Icmは、電力変換装置10の入力側へノイズとして出力された場合であっても無視できるほど小さいものとなる。
以上のように、本願記載の電力変換装置10は、導電体11aを絶縁体11bで覆ったノイズ除去器11を半導体スイッチSW及びヒートシンクHSの間に配置し、導電体11aを線路に接続している。これにより、ノイズ除去器11の導電体11aと半導体スイッチSWとの間に発生した第1寄生容量Chp1によるノイズ電流Insを電力変換装置10内に閉じ込めることが可能である。また、導電体11aを安定電位である第2線路12bに接続することにより、ノイズ除去器11の導電体11aとヒートシンクHSとの間に発生した第2寄生容量Chp2によるコモンモード電流Icmを抑制することが可能である。さらに、ノイズ除去器11を構成する導電体11a及び絶縁体11bを薄膜状に形成してもノイズ低減効果を奏するため、温度の上昇を抑制し、また生産コストを抑制することができる等の利点がある。さらに、ヒートシンクHSをFGに接続して電力変換装置10の電位と同じ電位としても問題が無いため、絶縁距離についての規格上の制約を受けることなく、任意に距離を選定することができ、従って、各素子の配置の自由度が高く、小型化が可能である等の利点がある。
<実験例>
次に、本発明に係る電力変換装置10の実験例を示し、その結果について説明する。図4は、実験に用いた装置を概略的に示す模式図である。実験に用いた装置は、フィルタ、AC−DCコンバータ(AC/DC)、電力変換装置(DC/DC)及び絶縁DC−DCコンバータ(絶縁DC/DC)を備え、入力側であるフィルタ側をAC電源(電源)に接続し、出力側である絶縁DC−DCコンバータ側を電力負荷(負荷)側に接続して構成される。そして、AC100V電源とフィルタとの間にはノイズ測定装置(測定装置)が配置されており、ノイズ測定装置は、フィルタ側から漏出するノイズを測定するように構成されている。また、AC100V電源から絶縁DC−DCコンバータまでの各回路及び装置は、ライブ(L)、ニュートラル(N)及びグランド(FG)にそれぞれ接続される線路上に直列に配置されている。また、電力変換装置としては、比較用となる従来型の電力変換装置と、本発明に係る電力変換装置とを用いた。
図5A及び図5Bは、実験に用いた電力変換装置の一部を模式的に示す説明図である。図5Aは、比較用となる従来型の電力変換装置であり、図5Bは、本発明に係る電力変換装置である。図5Aに示す比較用の従来型の電力変換装置は、MOSFETを用いた半導体スイッチSWと、ヒートシンクHSとの間に絶縁体Iを介装している。絶縁体Iは、厚さ0.85mmの薄膜状に形成した熱伝導性樹脂である。図5Bに示す電力変換装置は、MOSFETを用いた半導体スイッチSWと、ヒートシンクHSとの間にノイズ除去器11を介装している。ノイズ除去器11は、厚さ18umの薄膜状に形成した銅箔を導電体11aとして用い、半導体スイッチSW側には絶縁体11bとして厚さ0.1mmの絶縁シートが配置され、ヒートシンクHS側には絶縁体11bとして厚さ0.3mmの熱伝導性樹脂が配置されている。また、導電体11aとして用いられる銅箔は、半導体スイッチSWのソース端子に接続されている。
図6A及び図6Bは、実験結果を示すグラフである。図6Aは、比較用となる従来型の電力変換装置を用いて実験した結果を示しており、図6Bは、本発明に係る電力変換装置を用いて実験した結果を示している。図6A及び図6Bは、周波数[Hz]を横軸にとり、ノイズのレベル[dBuV]をとって、その関係を示している。なお、図6A及び図6B中、L1は、ノイズ測定の規格としてCISPR Pub.11(国際無線障害特別委員会;情報技術装置)にて規定されるクラスBの平均値を示し、L2は、CISPR Pub.11にて規定されるクラスBのQP(準尖頭値検波)を示している。また、図6A及び図6B中、VAは、L−FG間のノイズ測定結果を示し、VBは、N−FG間のノイズ測定結果を示している。
図6A及び図6Bを比較すると明らかなように、本発明に係る電力変換装置を用いることにより、ノイズが低減されており、特に200k〜1M[Hz]の周波数域でその効果は顕著であり、300k[Hz]では−10[dB]の低減効果が確認できる。
本発明は、以上説明した実施形態に限定されるものではなく、他のいろいろな形態で実施することが可能である。そのため、上述した実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には、なんら拘束されない。さらに、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。
例えば、半導体スイッチSW及びヒートシンクHSの間に導電体11aが配置され、導電体11a及び半導体スイッチSWの間、並びに導電体11a及びヒートシンクHSの間に絶縁膜として絶縁体11bが配置されるのであれば、導電体11a及び絶縁体11bは適宜設計することが可能である。例えば、形状は、薄膜状に限らず、厚みをもったバルク状であっても、硬質の平板状であっても良く、熱伝導率を高めるため、曲面、凹凸等の平面と異なる表面形状として形成しても良い。また、導電体11aを絶縁体11bで覆うのではなく、導電体11aの両面に絶縁膜として絶縁体11bを貼着するようにしても良い。また、十分な放熱効果を備えるのであれば、半導体スイッチSW、絶縁体11b、導電体11a、絶縁体11b及びヒートシンクHSのそれぞれの間は接していなくても良い。さらに、導電体11a及び絶縁体11bの材料は適宜選択することが可能である。ただし、熱伝導率が高い材料が好ましい。
また、前記実施形態では、ヒートシンクHSをFGに接続する形態について説明したが、FG以外のSG(シグナルグランド)、アース等のグランド電位、更には同様の効果を奏する他の電位に接続するように設計することも可能である。そして、ノイズ除去器11の導電体11aについてもソース端子側の第2線路12bに接続するのではなく、ドレイン端子側の第1線路12aに接続する等、適宜設計することが可能である。ただし、第1規制容量Chp1に印加される電圧の変動を抑制するという観点からは安定電位である第2線路12bに接続することが好ましい。
さらに、本発明に係る電力変換装置10は、上述した実施形態に限定されるものではなく、パワーエレクトロニクス等の技術分野において、半導体スイッチを用いたDC−ACインバータ、DCチョッパ等の様々な装置として適用することが可能である。
10 電力変換装置
11 ノイズ除去器
11a 導電体
11b 絶縁体(絶縁膜)
11c 接続線
12a 第1線路
12b 第2線路
Chp1 第1寄生容量
Chp2 第2寄生容量
HS ヒートシンク(放熱器)
SW 半導体スイッチ

Claims (5)

  1. 入力側及び出力側を結ぶ一対の線路を短絡するように配設されたスイッチング素子と、所定の電位に接続される放熱器とを備えた電力変換装置であって、
    前記スイッチング素子及び放熱器の間に配置された導電体と、
    前記導電体及びスイッチング素子の間、並びに前記導電体及び放熱器の間に配置された絶縁体と
    を備え、
    前記導電体は、前記一対の線路のうちの一方の線路に電気的に接続されている
    ことを特徴とする電力変換装置。
  2. 入力側及び出力側を結ぶ一対の線路を短絡するように配設されたスイッチング素子と、所定の電位に接続される放熱器とを備えた電力変換装置であって、
    前記スイッチング素子及び放熱器の間に配置された導電体と、
    前記導電体を覆う絶縁体と
    を備え、
    前記導電体は、前記一対の線路のうちの一方の線路に電気的に接続されている
    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であって、
    前記導電体及び絶縁体は、薄膜状をなし、
    前記スイッチング素子に対向する前記絶縁体の面は、前記スイッチング素子に貼着し、
    前記放熱器に対向する前記絶縁体の面は、前記放熱器に貼着している
    ことを特徴とする電力変換装置。
  4. 請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の電力変換装置であって、
    前記導電体が接続された一方の線路は、安定電位に接続されている
    ことを特徴とする電力変換装置。
  5. 請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の電力変換装置であって、
    前記放熱器が接続する所定の電位は、グランド電位である
    ことを特徴とする電力変換装置。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP6880851B2 (ja) * 2017-03-13 2021-06-02 オムロン株式会社 電力変換装置および電源装置
CN113452250B (zh) * 2021-06-30 2022-05-10 东南大学 一种单电源驱动的多电平双逆变器拓扑结构及其控制方法
CN114244076B (zh) * 2022-02-24 2022-05-27 浙江杭可仪器有限公司 一种平台直流电源

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0226256U (ja) * 1988-08-04 1990-02-21
JP2001069764A (ja) * 1999-08-26 2001-03-16 Matsushita Electric Works Ltd 電源装置
JP2009299928A (ja) * 2008-06-10 2009-12-24 Daikin Ind Ltd 冷凍装置
JP2011082535A (ja) * 2010-11-15 2011-04-21 Renesas Electronics Corp 半導体装置

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3138752A (en) * 1958-11-24 1964-06-23 Blasio Conrad G De Transistor-regulated direct current power supply with remote programming capabilities
FR1564641A (ja) * 1968-02-07 1969-04-25
JP2839632B2 (ja) * 1990-03-30 1998-12-16 株式会社東芝 電子レンジ
US5990776A (en) * 1994-12-08 1999-11-23 Jitaru; Ionel Low noise full integrated multilayers magnetic for power converters
JP3649259B2 (ja) 1996-04-26 2005-05-18 株式会社安川電機 インバータ装置
JPH11356047A (ja) 1998-06-08 1999-12-24 Cosel Co Ltd スイッチングレギュレータ電源装置
JP3858834B2 (ja) * 2003-02-24 2006-12-20 オンキヨー株式会社 半導体素子の放熱器
US7782002B2 (en) * 2004-09-08 2010-08-24 Progressive Dynamics, Inc. Power converter
US7393432B2 (en) * 2004-09-29 2008-07-01 Lam Research Corporation RF ground switch for plasma processing system
KR100652959B1 (ko) * 2005-06-13 2006-12-01 삼성전자주식회사 스위칭모드 전원공급장치
US8138529B2 (en) * 2009-11-02 2012-03-20 Transphorm Inc. Package configurations for low EMI circuits
JP6243136B2 (ja) * 2012-05-02 2017-12-06 株式会社半導体エネルギー研究所 スイッチングコンバータ
US10268165B2 (en) * 2014-11-05 2019-04-23 The Trustees Of Princeton University Electrical detector for liquid metal leaks
JP6447391B2 (ja) * 2015-06-30 2019-01-09 オムロン株式会社 電力変換装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0226256U (ja) * 1988-08-04 1990-02-21
JP2001069764A (ja) * 1999-08-26 2001-03-16 Matsushita Electric Works Ltd 電源装置
JP2009299928A (ja) * 2008-06-10 2009-12-24 Daikin Ind Ltd 冷凍装置
JP2011082535A (ja) * 2010-11-15 2011-04-21 Renesas Electronics Corp 半導体装置

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