JP2948863B2 - インバータ - Google Patents

インバータ

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JP2948863B2
JP2948863B2 JP2113648A JP11364890A JP2948863B2 JP 2948863 B2 JP2948863 B2 JP 2948863B2 JP 2113648 A JP2113648 A JP 2113648A JP 11364890 A JP11364890 A JP 11364890A JP 2948863 B2 JP2948863 B2 JP 2948863B2
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reactor
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] この発明は、スナバを備えたインバータに関し、特に
スナバ蓄積エネルギの直流電源への帰還手段を改良して
コンパクト化及び高周波化を実現したインバータに関す
るものである。
[従来の技術] 第9図は、例えば特開昭62−230637号公報に記載され
た、従来のインバータを示す回路図であり、自己消弧型
スイッチング素子をアーム素子としてハーフブリッジで
示したものである。
図において、P及びNは直流電源(図示せず)の正極
及び負極である。(1U)及び(1X)は正極P及び負極N
の間に直列接続されたアーム素子即ちゲートターンオフ
サイリスタ(以下、GTOという)であり、交互にオンオ
フするように、各ゲートにオンオフ信号が入力されるよ
うになっている。
(2U)及び(2X)はGTO(1U)のカソードとGTO(1X)
のアノードとの間に直列接続されたリアクトル、(3U)
及び(3X)は各GTO(1U)及び(1X)に逆並列接続され
た還流ダイオードである。Uはリアクトル(2U)及び
(2X)の接続点に設けられた交流出力端子である。
(4U)及び(4X)は各GTO(1U)及び(1X)に並列接
続されたスナバであり、それぞれ、直列接続されたスナ
バコンデンサ(41U)及びスナバダイオード(42U)と、
スナバコンデンサ(41X)及びスナバダイオード(42X)
とにより構成されている。
(5)はスナバ(4U)及び(4X)の各中間接続点間に
挿入されたダイオードであり、スナバ(4U)内のスナバ
ダイオード(42U)のアノード側にカソードが接続さ
れ、スナバ(4X)内のスナバダイオード(42X)のカソ
ード側にアノードが接続されている。
(6)はダイオード(5)のカソードとスナバダイオ
ード(42U)のアノードとの間に挿入された変流器、
(7)は変流器(6)の二次巻線の両端(6a)及び(6
b)に接続されたダイオード整流回路であり、変流器
(6)の一端(6a)は、ダイオード整流回路(7)内の
ダイオード(7a)及び(7b)を介して直流電源の正極P
に接続され、他端(6b)は、ダイオード(7c)及び(7
d)を介して直流電源の負極Nに接続されている。
第10図は第9図の回路動作を説明するための波形図で
あり、TU及びTXは各GTO(1U)及び(1X)のゲートオン
時間、IWは負荷(この例では、L負荷)に流出する負荷
電流、IU及びIXは各GTO(1U)及び(1X)に流れる電
流、IUD及びIXDは各還流ダイオード(3U)及び(3X)に
流れる電流、VUC及びVXCは各スナバコンデンサ(41U)
及び(41X)の電圧、IDはダイオード(5)及び変流器
(6)に流れる電流である。第11図はGTO(1U)がオフ
したときの回路動作を詳細に示す拡大波形図であり、V
CTは変流器(6)の一次巻線の電圧である。
次に、第10図及び第11図を参照しながら、第9図に示
した従来のインバータの動作について説明する。
いま、時刻t1において、いままでオンしていたGTO(1
U)がターンオフされると、GTO(1U)に流れていた電流
IUは、スバナ(4U)に移り、スナバコンデンサ(41U)
が充電され始める。このとき、スナバ(4X)内のスナバ
コンデンサ(41X)の電荷は、ダイオード(5)、変流
器(6)、スナバダイオード(42U)、リアクトル(2
U)及び交流出力端子Uを通って、図示しない負荷に放
電される。そして、時刻t2で放電が終了し、還流ダイオ
ード(3X)が導通し始める。
この間に、変流器(6)の二次出力は、ダイオード整
流回路(7)のダイオード(7a)及び(7d)を通して直
流電源に返還されるため、変流器(6)の一次巻線間に
直流電源の電圧に比例した電圧VCTが発生する。
続いて、リアクトル(2U)のエネルギが、リアクトル
(2X)、スナバダイオード(42X)、ダイオード
(5)、変流器(6)及びスナバダイオード(42U)の
経路で直流電源に帰還され、リアクトル(2U)及び変流
器(6)の電流IDは減衰する。
次に、時刻t3において、変流器(6)の鉄心に磁気飽
和が生じると、変流器(6)の電圧VCTは、一瞬逆極性
の過電圧となるが、ダイオード(7b)及び(7c)がオン
して、二次巻線の両端子(6a)及び(6b)間の電圧を、
直流電源の電圧にクランプする働きをなす。
この逆電圧は、スナバダイオード(42U)、リアクト
ル(2U)、リアクトル(2X)及びスナバダイオード(42
X)からなるループの電流を増加させるように働くが、
このループの電圧降下は小さい。従って、以後、上記ル
ープ電圧降下分の電圧で変流器(6)はリセットされ、
リアクトル(2U)及び変流器(6)の電流の減衰時間は
非常に長くなる。
更に、時刻t4において、負荷電流IWの極性が反転する
と、負荷電流IWは、交流出力端子U、リアクトル(2X)
及びGTO(1X)の経路で流れる。
[発明が解決しようとする課題] 従来のインバータは以上のように、スナバエネルギの
帰還手段となる変流器(6)のリセット動作が、スナバ
ダイオード(42U)、(42X)、リアクトル(2U)、(2
X)及びダイオード(5)の電圧降下分で行われるの
で、リセット期間が長くなり、特にリセット動作が時刻
t1までに終了していないと、変流器(6)に磁気飽和が
生じる時刻t3が短くなり、スナバエネルギの帰還効果が
低下するという問題点があった。
この発明は上記のような問題点を解決するためになさ
れたもので、変流器を不要として小形化を実現すると共
に、変流器の磁気飽和に起因するスイッチング周波数の
制限を無くして高周波スイッチング化を可能にしたイン
バータを得ることを目的とする。
[課題を解決するための手段] この発明に係るインバータは、リアクトルを各アーム
素子と正極及び負極との間に挿入すると共に、スナバコ
ンデンサの各一端を交流出力端子に共通に接続し、正極
側のスナバの中間接続点にアノードが接続された第1の
クランプダイオードと、負極側のスナバの中間接続点に
カソードが接続された第2のクランプダイオードと、第
1のクランプダイオードのカソードと第2のクランプダ
イオードのアノードとの間に挿入されたクランプコンデ
ンサと、各クランプダイオード及びクランプコンデンサ
の接続点と正極及び負極との間に挿入されたスイッチン
グ手段を含むエネルギ帰還手段とを設けたものである。
[作用] この発明においては、アーム素子のターンオフ及びタ
ーンオン時に、スナバコンデンサ及びリアクトルのエネ
ルギを一旦クランプコンデンサに過充電電圧として蓄え
た後に、この過充電電圧をエネルギ帰還手段を介して直
流電源に放電させる。
[実施例] 以下、この発明の一実施例を図について説明する。第
1図はこの発明の一実施例を示す回路図であり、P、
N、U、(1U)〜(4U)及び(1X)〜(4X)は前述と同
様のものである。
この場合、正極側のリアクトル(2U)は正極PとGTO
(1U)との間に挿入され、負極側のリアクトル(2X)は
負極NとGTO(1X)との間に挿入されている。又、各ス
ナバ(4U)及び(4X)は、スナバコンデンサ(41U)及
び(41X)の各一端を介して接続され、交流出力端子U
は、各スナバコンデンサ(41U)及び(41X)の中間接続
点から引き出されている。
(5U)及び(5X)はスナバ(4U)及び(4X)に接続さ
れたクランプダイオードであり、第1のクランプダイオ
ード(5U)のアノードが正極P側のスナバ(4U)の中間
接続点に接続され、第2のクランプダイオード(5X)の
カソードが負極N側のスナバ(4X)の中間接続点に接続
されている。
(8P)及び(8N)は正極P及び負極N間に直列接続さ
れたクランプコンデンサであり、各クランプコンデンサ
(8P)及び(8N)の一端が中間接続点となり、他端がそ
れぞれクランプダイオード(5U)及び(5X)に接続され
ている。クランプコンデンサ(8P)の他端はクランプダ
イオード(5U)のアノードに接続され、クランプコンデ
ンサ(8N)の他端はクランプダイオード(5X)のカソー
ドに接続されている。
(9P)及び(9N)は各クランプコンデンサ(8P)及び
(8N)の他端と正極P及び負極Nとの間に挿入されたエ
ネルギ帰還手段であり、それぞれ、スイッチング手段
(91P)及び電流制限要素(92P)からなる直列体と、ス
イッチング手段(91N)及び電流制限要素(92N)からな
る直列体とから構成されている。又、電流制限要素(92
P)及び(92N)は、具体的には、リアクトル、抵抗器、
又は、リアクトル及び抵抗器の直列体などで構成され
る。
(10P)及び(10N)は正極P及び負極N間に直列接続
された分圧コンデンサであり、直流電源の中点Oに相当
する両者の中間接続は、クランプコンデンサ(8P)及び
(8N)の中間接続点に接続されている。
第2図はGTO(1U)のターンオフ時におけるスナバ動
作を示す説明図、第3図はGTO(1U)のターンオン時に
おけるスナバ動作を示す説明図であり、各矢印は電流経
路を示している。又、ここでは、出力電流が交流出力端
子Uから流出する場合を示しており、GTO(1U)がター
ンオン又はターンオフした直後での交流出力電流の大き
さを一定と仮定している。
次に、第2図及び第3図を参照しながら、第1図に示
したこの発明の一実施例の動作について説明する。
第2図において、(a)はGTO(1U)がオン状態にあ
るときの動作モードを示し、交流出力電流は、矢印のよ
うに、直流電源の正極Pから、リアクトル(2U)、GTO
(1U)及び交流出力端子Uからなる経路を介して流れ
る。
このとき、直流電源の電圧を2Eとすれば、各分圧コン
デンサ(10P)及び(10N)の電圧は共にEに充電され、
各クランプコンデンサ(8P)及び(8N)の電圧もEに充
電される。一方、GTO(1U)を介してスナバコンデンサ
(41X)に直流電源電圧が印加されるため、スナバコン
デンサ(41U)の電圧が0であるのに対し、スナバコン
デンサ(41X)の電圧は直流電源電圧により充電されて2
Eとなる。
尚、分圧コンデンサ(10P)及び(10N)の静電容量を
C10、クランプコンデンサ(8P)及び(8N)の静電容量
をC8、スナバコンデンサ(41U)及び(41X)の静電容量
をC4とすれば、それぞれの大小関係は、 C10>C8>C4 で表わされる。
ここで、GTO(1U)をターンオフすると、第2図
(b)の動作モードに移行し、正極Pからの電流は、リ
アクトル(2U)、スナバダイオード(42U)、スナバコ
ンデンサ(41U)及び交流出力端子Uからなる経路を介
して流れ、スナバコンデンサ(41U)を充電する。同時
に、一方では、スナバダイオード(42U)、クランプダ
イオード(5U)、クランプコンデンサ(8P)、(8N)、
クランプダイオード(5X)、スナバコンデンサ(41X)
及び交流出力端子Uからなる経路を介して流れ、スナバ
コンデンサ(41X)を放電する。
スナバコンデンサ(41U)の電圧が2Eまで充電され
て、スナバコンデンサ(41X)の電圧が0まで放電する
と、第2図(c)の動作モードに移行する。即ち、スナ
バコンデンサ(41U)を電圧2E以上に過充電すると共
に、スナバダイオード(42U)、クランプダイオード(5
U)、クランプコンデンサ(8P)、(8N)、クランプダ
イオード(5X)、スナバダイオード(42X)、還流ダイ
オード(3X)及び交流出力端子Uからなる経路を介し
て、クランプコンデンサ(8P)及び(8N)を電圧E以上
に過充電する。
このときの過充電電圧ΔEは、リアクトル(2U)及び
(2X)に対して図示した極性(+、−)で印加されるた
め、リアクトル(2U)の電流は減少する。又、直流電源
の負極N、リアクトル(2X)、還流ダイオード(3X)及
び交流出力端子Uからなる経路を介して、交流出力電流
の一部がリアクトル(2U)側から移って流れるため、リ
アクトル(2U)の電流は0から増加していく。
リアクトル(2U)の電流が0になり、リアクトル(2
X)の電流が交流出力電流と同じ大きさになると、第2
図(d)の動作モードに移行する。即ち、エネルギ帰還
手段(9P)及び(9N)内のスイッチング手段(91P)及
び(91N)をオンにすることにより、クランプコンデン
サ(8P)及び(8N)の電荷は、それぞれ電流制限要素
(92P)及び(92N)を介して分圧コンデンサ(10P)及
び(10N)に放電される。
尚、スイッチング手段(91P)及び(91N)をオンさせ
るタイミングは、GTO(1U)のオフタイミングからの予
想遅れ時間に基づいて予め設定されるか、又は、クラン
プコンデンサ(8P)及び(8N)の過充電電圧が所定値に
達した時点としてもよい。
こうして、クランプコンデンサ(8P)及び(8N)が放
電されると、過充電されていたスナバコンデンサ(41
U)の電荷は、クランプダイオード(5U)、クランプコ
ンデンサ(8P)、(8N)、クランプダイオード(5X)、
スナバダイオード(42X)及び還流ダイオード(3X)か
らなる経路を介して放電する。
クランプコンデンサ(8P)及び(8N)の電圧がそれぞ
れEまで上昇すると、エネルギ帰還手段(9P)及び(9
N)はオフされる。このとき、スナバコンデンサ(41U)
の電圧は2Eに減少して、第2図(e)の動作モードとな
る。
次に、GTO(1U)のターンオン時の動作について説明
する。
まず、GTO(1U)がオフ状態であって、第2図(e)
の動作モードにあるものとし、この状態で、GTO(1U)
をターンオンする。
第3図において、(a)はGTO(1U)のターンオン直
後の動作モードを示す。このとき、直流電源の正極P、
リアクトル(2U)、GTO(1U)、還流ダイオード(3
X)、リアクトル(2X)及び直流電源の負極Nからなる
経路を介して、還流ダイオード(3X)に対して逆方向の
直流短絡電流が流れる。
この直流短絡電流が0から増加していき、還流ダイオ
ード(3X)の順方向に流れる交流出力電流と同レベルに
達すると、還流ダイオード(3X)は、直流短絡電流を阻
止し、第3図(b)の動作モードに移行する。即ち、リ
アクトル(2U)、GTO(1U)、スナバコンデンサ(41
X)、スナバダイオード(42X)及びリアクトル(2X)か
らなる経路を介してスナバコンデンサ(41X)を充電す
ると共に、GTO(1U)、スナバコンデンサ(41U)、クラ
ンプダイオード(5U)、クランプコンデンサ(8P)、
(8N)、クランプダイオード(5X)及びスナバダイオー
ド(42X)からなる経路を介してスナバコンデンサ(41
U)を放電する。
スナバコンデンサ(41X)が2Eまで充電され、スナバ
コンデンサ(41U)の電圧が0になると、第3図(c)
の動作モードに移行する。即ち、リアクトル(2U)、GT
O(1U)、スナバコンデンサ(41X)、スナバダイオード
(42X)及びリアクトル(2X)からなる経路を介して、
スナバコンデンサ(41X)を過充電すると共に、スナバ
ダイオード(42U)、クランプダイオード(5U)、クラ
ンプコンデンサ(8P)、(8N)、クランプダイオード
(5X)及びスナバダイオード(42X)からなる経路を介
して、クランプコンデンサ(8P)及び(8N)を過充電す
る。
このときの過充電電圧ΔEは、リアクトル(2U)及び
(2X)に対して図示された極性で印加されるため、リア
クトル(2U)及び(2X)の電流は減少する。リアクトル
(2X)の電流が0になり、又、リアクトル(2U)の電流
が交流出力電流レベルまで減少すると、第3図(e)の
動作モードに移行する。即ち、エネルギ帰還手段(9P)
及び(9N)をオンさせて、クランプコンデンサ(8P)及
び(8N)の電荷を、それぞれ分圧コンデンサ(10P)及
び(10N)に放電させる。
クランプコンデンサ(8P)及び(8N)が放電すれば、
スナバコンデンサ(41X)の過充電電圧は、GTO(1U)、
スナバダイオード(42U)、クランプダイオード(5
U)、クランプコンデンサ(8P)、(8N)及びクランプ
ダイオード(5X)からなる経路を介して放電する。
クランプコンデンサ(8P)及び(8N)がそれぞれ電圧
Eまで放電した後に、エネルギ帰還手段(9P)及び(9
N)をオフすると、第2図(a)に示した動作モードに
なる。即ち、GTO(1U)がオンの定常状態となり、スナ
バコンデンサ(41X)の電圧は2Eとなる。
尚、第2図及び第3図においては、交流出力電圧がイ
ンバータの交流出力端子Uから流出する場合を示し、GT
O(1U)がオンオフする動作モードについて説明した
が、逆に、交流出力端子Uからインバータに流入する場
合は、GTO(1X)がオンオフする同様の動作モードとな
るため、ここでは説明を省略する。
このように、GTO(1U)及び(1X)のターンオンオフ
時に、リアクトル(2U)及び(2X)のエネルギをクラン
プコンデンサ(8P)及び(8N)に移し、更に、エネルギ
帰還手段(9P)及び(9N)のスイッチングにより直流電
源側に放電させることができる。この結果、変流器が不
要となって小形化が実現すると共に、変流器の磁気飽和
に起因するスイッチング周波数の制限が無くなり、高周
波スイッチング化が可能となる。
尚、上記実施例では、各エネルギ帰還手段(9P)及び
(9N)に電流制限要素(92P)及び(92N)を設けたが、
第4図のように、1つの電流制限要素(92)を共用して
もよい。この場合、電流制限要素(92)は、分圧コンデ
ンサ(10P)及び(10N)の中間接続点とクランプコンデ
ンサ(8P)及び(8N)の中間接続点との間にされる。
又、電流制限要素(92P)及び(92N)としてリアクト
ルが適用可能であることを考慮して、第5図のように、
リアクトル(2U)及び(2X)にそれぞれタップ(21U)
及び(21X)を設けて分割し、リアクトル(2U)及び(2
X)の一部を、クランプコンデンサ(8P)及び(8N)の
放電経路における電流制限要素として機能させてもよ
い。
又、第5図のように電流制限要素がリアクトルを含む
場合は、スイッチング手段(91P)及び(91N)のオフ時
にリアクトル(2U)及び(2X)に過電圧が発生しやすい
ので、この過電圧を抑制するために破線のように還流ダ
イオード(93P)及び(93N)を設けてもよい。
これにより、スイッチング手段(91P)及び(91N)を
オフした後に、リアクトル(2U)の一部、分圧コンデン
サ(10P)及び還流ダイオード(93P)からなる経路と、
リアクトル(2X)の一部、還流ダイオード(93N)及び
分圧コンデンサ(10N)からなる経路と、を介して過電
圧が還流される。
又、上記実施例では、分圧コンデンサ(10P)及び(1
0N)により直流電源の電圧2Eを分圧し、これらの中間接
続点即ち中点Oにクランプコンデンサ(8P)及び(8N)
の中間接続点を接続したが、第6図のように、クランプ
コンデンサ(8P)及び(8N)を1つのクランプコンデン
サ(8)で構成し、分圧コンデンサ(10P)及び(10N)
を省略してもよい。
この場合、クランプコンデンサ(8)の定常電圧は2E
となり、過充電電圧は、スイッチング手段(91P)及び
(91N)を同時にオンすることにより、直流電源側に放
電される。
又、インバータをハーフブリッジで構成した場合を示
したが、第7図のように、3相ブリッジ構成のものに対
しても適用することができる。
この場合、図示したように、各相のクランプダイオー
ド(5U)〜(5W)に対して、クランプコンデンサ(8P)
及び(8N)、エネルギ帰還手段(9P)及び(9N)、及
び、分圧コンデンサ(10P)及び(10N)を、それぞれ共
用するように接続してもよい。
第7図において、スイッチング手段(91P)及び(91
N)は、クランプコンデンサ(8P)及び(8N)の各電圧
レベルが一定値(≒E)になるようにオンオフ制御され
る。
又、第8図のように、3相ブリッジ構成のインバータ
においても、クランプコンデンサ(8P)及び(8N)を1
つのクランプコンデンサ(8)で構成し、分圧コンデン
サ(10P)及び(10N)を省略してもよい。
この場合、クランプコンデンサ(8)がエネルギ帰還
手段(9P)及び(9N)に対して共通に接続され、スイッ
チング手段(91P)及び(91N)は、クランプコンデンサ
(8)の電圧レベルが一定値(≒2E)になるようにオン
オフ制御される。
更に、上記実施例では、インバータのアーム素子とし
てGTOを適用したが、他の自己消弧型の半導体スイッチ
ング素子を用いてもよい。又、エネルギ帰還手段(9P)
及び(9N)内のスイッチング手段(91P)及び(91N)と
してGTOなどの半導体素子を用いてもよい。
[発明の効果] 以上のようにこの発明によれば、リアクトルを各アー
ム素子と正極及び負極との間に挿入すると共に、スナバ
コンデンサの各一端を交流出力端子に共通に接続し、正
極側のスナバの中間接続点にアノードが接続された第1
のクランプダイオードと、負極側のスナバの中間接続点
にカソードが接続された第2のクランプダイオードと、
第1のクランプダイオードのカソードと第2のクランプ
ダイオードのアノードとの間に挿入されたクランプコン
デンサと、各クランプダイオード及びクランプコンデン
サの接続点と正極及び負極との間に挿入されたスイッチ
ング手段を含むエネルギ帰還手段とを設け、アーム素子
のターンオフ及びターンオン時に、スナバコンデンサ及
びリアクトルのエネルギを一旦クランプコンデンサに過
充電電圧として蓄えた後に、この過充電電圧をエネルギ
帰還手段を介して直流電源側に放電させるようにしたの
で、小形化及び高周波スイッチングが可能なインバータ
が得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の一実施例を示す回路図、第2図及び
第3図は第1図の各動作モードを示す説明図、第4図〜
第8図はこの発明のそれぞれ異なる実施例を示す回路
図、第9図は従来のインバータを示す回路図、第10図及
び第11図は第9図の従来回路の動作を示す波形図であ
る。 P……正極、N……負極 U……交流出力端子 (1U)、(1X)……GTO(アーム素子) (2U)、(2X)……リアクトル (4U)、(4X)……スナバ (41U)、(41X)……スナバコンデンサ (42U)、(42X)……スナバダイオード (5U)、(5X)……クランプダイオード (8P)、(8N)、(8)……クランプコンデンサ (9P)、(9N)……エネルギ帰還手段 (91P)、(91N)……スイッチング手段 尚、図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H02M 7/42 - 7/98

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】直流電源の正極及び負極間に直列接続され
    た少なくとも一対のアーム素子と、 前記各アーム素子にそれぞれ直列接続されたリアクトル
    と、 スナバコンデンサ及びスナバダイオードの直列体からな
    り前記各アーム素子に並列接続されたスナバと、 前記一対のアーム素子の中間接続点に接続された交流出
    力端子と、 を備えたインバータにおいて、 前記リアクトルを前記各アーム素子と前記正極及び負極
    との間に挿入すると共に、 前記スナバコンデンサの各一端を前記交流出力端子に共
    通に接続し、 正極側の前記スナバの中間接続点にアノードが接続され
    た第1のクランプダイオードと、 負極側の前記スナバの中間接続点にカソードが接続され
    た第2のクランプダイオードと、 前記第1のクランプダイオードのカソードと前記第2の
    クランプダイオードのアノードとの間に挿入されたクラ
    ンプコンデンサと、 前記各クランプダイオード及び前記クランプコンデンサ
    の接続点と前記正極及び前記負極との間に挿入されたス
    イッチング手段を含むエネルギ帰還手段と、 を設け、 前記クランプコンデンサの過充電電圧を前記エネルギ帰
    還手段を介して前記直流電源に放電させるようにしたこ
    とを特徴とするインバータ。
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