JP3786149B2 - インバータにおける過電流制限方法、並びにインバータ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電動機を駆動させるインバータにおける過電流制限方法、並びにインバータに関する。
【0002】
【従来の技術】
図3は、スイッチング素子における過電流に対する保護回路を有するインバータの一構成例を示す回路図である。
本回路は図3に示すように、三相(U相,V相,W相)交流信号によって電動機2を駆動させるものであり、直流電源1と、オン/オフ動作によって三相交流信号の上アームを生成する半導体スイッチング素子である絶縁ゲート型バイポーラトランジスタQ1,Q3,Q5と、オン/オフ動作によって三相交流信号の下アームを生成する半導体スイッチング素子である絶縁ゲート型バイポーラトランジスタQ2,Q4,Q6と、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタQ1〜Q6のエミッタ側にそれぞれ接続され、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタQ1〜Q6における過電流をそれぞれ検出するための抵抗R1〜R6と、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタQ1〜Q6とそれぞれ逆並列に接続されたフリーホイールダイオードD1〜D6と、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタQ1〜Q6の駆動を制御するとともに、抵抗R1〜R6のそれぞれの両端の電圧を検出することにより絶縁ゲート型バイポーラトランジスタQ1〜Q6における過電流を検出し、その検出結果を過電流検出信号OCLとして出力するパワーデバイス制御装置3と、電動機2を駆動させるためのパルス幅変調信号(以下、PWM信号と称する)を演算し、演算したPWM信号を、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタQ1〜Q6を駆動させるための信号としてパワーデバイス制御装置3に対して出力するマイクロコンピュータ4とから構成されており、パワーデバイス制御装置3による絶縁ゲート型バイポーラトランジスタQ1〜Q6の駆動の制御は、マイクロコンピュータ4から出力されるPWM信号に基づいて行われている。なお、電動機2においては、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタQ1とQ2、Q3とQ4、及びQ5とQ6との接続点に接続され、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタQ1〜Q6から出力される三相交流信号によって駆動される。また、直流電源1としては、例えば、ダイオードで構成されたコンバータにより、三相の交流電源が順変換されて得られる直流電源等が考えられ、また、電動機2としては、例えば、三相の誘導電動機等が考えられる。
【0003】
ここで、上記のように構成されたインバータの駆動方式においては、3アームの絶縁ゲート型バイポーラトランジスタQ1〜Q6を全てオン/オフ動作させ、それにより交流電源出力を得る3アーム変調方式と、3アームの絶縁ゲート型バイポーラトランジスタQ1〜Q6のうち、2アームの絶縁ゲート型バイポーラトランジスタのみオン/オフ動作させ、残りの1アームの絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを交流電源出力の1周期のうちの特定区間オン動作させることにより交流電源出力を得る2アーム変調方式とがあるが、通常、3アーム変調方式を用いたインバータにおいては入力に対して100%の出力を得ることができないため、入力に対して100%の出力を得ることができる2アーム変調方式が用いられる場合が多い。
【0004】
以下に、上記のように構成されたインバータにおける過電流制限方法について説明する。
図4は、図3に示したインバータにおける従来の過電流制限方法を説明するためのタイミングチャートである。なお、図4においては、2アーム変調方式の場合について示している。
絶縁ゲート型バイポーラトランジスタQ1がオン状態となり、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタQ1に電流が流れているときに、抵抗R1において過電流が検出されると、パワーデバイス制御装置3において、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタQ1を駆動させるための駆動信号PUがHiレベルに固定され、それにより絶縁ゲート型バイポーラトランジスタQ1のゲートが遮断されるとともに、過電流検出信号OCLが過電流検出状態(Lowレベル)に設定されてマイクロコンピュータ4に対して出力される。
【0005】
すると、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタQ1の動作が停止し、電動機2にU相の交流電流が正常に入力されなくなる。
その後、マイクロコンピュータ4において予め演算されているPWM信号である、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタQ1を駆動させるための駆動信号PULの次のパルスの立ち下がり時において、過電流検出信号OCL及び駆動信号PUがリセットされ、それにより、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタQ1が通常動作に復帰する。
特開平5−252754号公報に開示されているものにおいては、インバータ主回路の直流電源部に過電流検出手段を設け、この過電流検出手段において過電流が検出された場合に、過電流が検出された半導体スイッチング素子の動作を停止させ、その後、マイクロコンピュータにて演算されているPWM信号の次のパルスの立ち下がり時において半導体スイッチング素子の動作を復帰させることによって、インバータにおける過電流制限を行っている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
上述したような従来のインバータにおける過電流制限方法においては、過電流検出手段において過電流が検出された場合に、過電流が検出された半導体スイッチング素子の動作を停止させ、その後、マイクロコンピュータにて演算されているPWM信号の次のパルスの立ち下がり時において半導体スイッチング素子の動作を復帰させているが、2アーム変調方式を用いたインバータにおいては、1アームの半導体スイッチング素子へのパルスが出力されていないため、図4に示すように、マイクロコンピュータにて演算されているPWM信号である駆動信号PULのパルスとパルスとの間隔が半導体スイッチング素子の周期よりも長くなる部分が存在してしまう(図4A部)。そのため、その期間において半導体スイッチング素子の動作が停止した場合、動作が停止した半導体スイッチング素子における相の電流が長時間正常に出力されず、その分、出力電流の波形が歪んでしまうという問題点がある。これは、2アーム変調方式が用いられた場合に限られず、PWM飽和時においても生じてしまう。
【0007】
本発明は、上述したような従来の技術が有する問題点に鑑みてなされたものであって、出力電流の波形の歪みを最小限に抑えることができるインバータにおける過電流制限方法、並びにインバータを提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、
直流電源と、オン/オフ動作によって三相交流を生成する複数の半導体スイッチング素子と、該複数の半導体スイッチング素子とそれぞれ接続され、接続された半導体スイッチング素子における過電流を検出するための複数の抵抗と、前記半導体スイッチング素子の駆動を制御するとともに、前記抵抗のそれぞれの両端の電圧を検出することにより前記半導体スイッチング素子における過電流を検出し、該検出結果を過電流検出信号として出力するパワーデバイス制御装置と、電動機を駆動させるためのパルス幅変調信号を演算し、該パルス幅変調信号を前記半導体スイッチング素子を駆動させるための信号として前記パワーデバイス制御装置へ出力するマイクロコンピュータとを有し、前記パワーデバイス制御装置による前記半導体スイッチング素子の駆動の制御が前記パルス幅変調信号に基づいて行われ、前記パワーデバイス制御装置にて前記半導体スイッチング素子における過電流が検出された場合に、前記半導体スイッチング素子のうち過電流が検出された半導体スイッチング素子のゲートを遮断し、その後、前記パルス幅変調信号の次のパルスの立ち下がり時にて前記半導体スイッチング素子を動作状態に復帰させることにより過電流を制限するインバータにおける過電流制限方法において、
PWM飽和領域または2アーム変調領域で前記過電流が検出されてから前記パルス幅変調信号の次のパルスの立ち下がりまでの間隔が前記半導体スイッチング素子のスイッチング周期を越える場合は、前記半導体スイッチング素子を前記間隔よりも短い所定時間だけオンあるいはオフ状態とするための駆動信号を生成し、
前記半導体スイッチング素子を駆動するためのパルス幅変調信号が次のパルスまでオン状態となる信号であれば、前記半導体スイッチング素子を前記所定時間オフ状態とするためのパルス幅変調信号を演算し、前記半導体スイッチング素子を駆動するためのパルス幅変調信号が次のパルスまでオフ状態となる信号であれば、前記半導体スイッチング素子を前記所定時間オン状態とするためのパルス幅変調信号を演算し、演算された前記パルス幅変調信号を前記パワーデバイス制御装置へ出力することを特徴とする。
【0009】
また、前記マイクロコンピュータから出力されたパルス幅変調信号の次のパルスの立ち下がり時に、前記過電流検出信号、並びに前記半導体スイッチング素子を駆動するための信号をリセットして半導体スイッチング素子を通常動作に復帰させることを特徴とする。
また、前記ゲートを遮断した回数をカウントし、該カウント値が所定の値に到達した場合、前記複数の半導体スイッチング素子の全てのゲートを遮断することを特徴とする。
【0010】
また、ゲートを遮断した回数がカウントされ、該カウント値が所定の値に到達した場合、複数の半導体スイッチング素子の全てのゲートが遮断されるので、半導体スイッチング素子の過電流耐量以内にて電動機の運転が継続して行われる。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
図1は、図3に示したインバータにおける本発明の過電流制限方法の実施の一形態を説明するためのタイミングチャートである。なお、図1においては、図4と同様に2アーム変調方式の場合について示している。
絶縁ゲート型バイポーラトランジスタQ1がオン状態となり、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタQ1に電流が流れているときに、抵抗R1において過電流が検出されると、パワーデバイス制御装置3において、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタQ1を駆動させるための駆動信号PUがHiレベルに固定され、それにより絶縁ゲート型バイポーラトランジスタQ1のゲートが遮断されるとともに、過電流検出信号OCLが過電流検出状態(Lowレベル)に設定されてマイクロコンピュータ4に対して出力される。
【0012】
すると、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタQ1の動作が停止し、電動機2にU相の交流電流が正常に入力されなくなる。
その後、マイクロコンピュータ4において予め演算されているPWM信号である、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタQ1を駆動させるための駆動信号PULの次のパルスの立ち下がり時において、過電流検出信号OCL及び駆動信号PUがリセットされ、それにより、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタQ1が通常動作に復帰するが、その際、マイクロコンピュータ4において、予め演算されているPWM信号のパルスの間隔に基づいて、改めてPWM信号の演算が行われる。
以下に、マイクロコンピュータにおけるPWM信号の演算処理について詳細に説明する。
【0013】
図2は、本発明の過電流制限方法におけるマイクロコンピュータの演算アルゴリズムを示すフローチャートである。
まず、マイクロコンピュータ4(図3参照)において、パワーデバイス制御装置3(図3参照)から入力される過電流検出信号OCLがオン状態(Lowレベル)であるかオフ状態(Hiレベル)であるかが判断される(ステップS1)。ステップS1において過電流検出信号OCLがオン状態であると判断された場合、マイクロコンピュータ4(図3参照)にて予め演算されている半導体スイッチング素子駆動用PWM信号の次のパルスまでの間隔が、半導体スイッチング素子のスイッチング周期を越えているか否かが判断される(ステップS2)。すなわち、ステップS2においては、過電流が検出された時点において、インバータがPWM飽和領域あるいは2アーム変調領域であるか否かが判断される。
【0014】
ステップS1において過電流検出信号OCLがオフ状態であると判断された場合や、ステップS2において半導体スイッチング素子駆動用PWM信号の次のパルスまでの間隔が、半導体スイッチング素子のスイッチング周期以下であると判断された場合は、通常のPWM信号の演算処理が行われる(ステップS6)。
一方、ステップS2において、半導体スイッチング素子駆動用PWM信号の次のパルスまでの間隔が、半導体スイッチング素子のスイッチング周期を越えると判断された場合は、半導体スイッチング素子を最小時間オンあるいはオフ状態とするための駆動信号が生成される(ステップS3)。なお、この最小時間においては、半導体スイッチング素子のスイッチング周期程度の時間である。
ステップS3における処理の後、半導体スイッチング素子駆動用PWM信号が、次のパルスまでオン状態となる信号であれば、半導体スイッチング素子を最小時間オフ状態とするためのPWM信号の演算が行われ(ステップS4)、また、半導体スイッチング素子駆動用PWM信号が、次のパルスまでオフ状態となる信号であれば、半導体スイッチング素子を最小時間オン状態とするためのPWM信号の演算が行われ(ステップS5)、演算されたPWM信号が駆動信号PUL〜NWL(図3参照)としてパワーデバイス制御装置3(図3参照)に対して出力される。
【0015】
そして、パワーデバイス制御装置3(図3参照)において、マイクロコンピュータ4(図3参照)から出力された駆動信号PUL〜NWL(図3参照)の次のパルスの立ち下がり時に、過電流検出信号OCL及び駆動信号PU〜NWがリセットされ、それにより、半導体スイッチング素子が通常動作に復帰する。
なお、上述した一連の動作は、過電流検出信号OCLがリセットされるまで行われる。
また、マイクロコンピュータ4(図3参照)においては、過電流検出時に半導体スイッチング素子のゲートが遮断された回数(パワーデバイス制御装置3から出力される過電流検出信号OCLの読込み回数)がカウントされており、その回数が連続して所定の回数(例えば5回)に到達した時点、あるいは所定の時間内(例えば半導体スイッチング素子のスイッチング周期の30倍の時間内)に所定の回数(例えば5回)に到達した時点において、インバータ主回路の全半導体スイッチング素子のゲートが遮断される。
【0016】
【発明の効果】
本発明は、以上説明したように構成されているので、以下に記載するような効果を奏する。過電流が検出されてからパルス幅変調信号の次のパルスの立ち下がりまでの間隔が半導体スイッチング素子のスイッチング周期を越える場合、半導体スイッチング素子をその間隔よりも短い時間だけオンあるいはオフ状態とするための駆動信号を生成し、パルス幅変調信号として出力する構成としたものにおいては、過電流が検出されてからパルス幅変調信号の次のパルスの立ち下がりまでの間隔が半導体スイッチング素子のスイッチング周期を越える場合においても、ゲートが遮断された半導体スイッチング素子における相の電流が長時間正常に出力されないことがなくなり、出力電流の波形の歪みを最小限に抑えることができる。
【0017】
また、ゲートを遮断した回数をカウントし、該カウント値が所定の値に到達した場合、複数の半導体スイッチング素子の全てのゲートを遮断する構成としたものにおいては、半導体スイッチング素子の過電流耐量以内にて電動機の運転を継続して行うことができる。これらにより、過渡的な過電流(過負荷)、インバータ内部の過電流検出・保護回路の誤動作あるいは外来侵入ノイズによって過電流検出信号に変動が生じた場合においても、出力電流波形の歪みを最小限に抑えて電動機の運転を継続して行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の、インバータにおける過電流制限方法の実施の一形態を説明するためのタイミングチャートである。
【図2】本発明の過電流制限方法におけるマイクロコンピュータの演算アルゴリズムを示すフローチャートである。
【図3】スイッチング素子における過電流に対する保護回路を有するインバータの一構成例を示す回路図である。
【図4】図3に示したインバータにおける従来の過電流制限方法を説明するためのタイミングチャートである。
【符号の説明】
1 直流電源
2 電動機
3 パワーデバイス制御装置
4 マイクロコンピュータ
D1〜D6 フリーホイールダイオード
Q1〜Q6 絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ
R1〜R6 抵抗
Claims (5)
- 直流電源と、オン/オフ動作によって三相交流を生成する複数の半導体スイッチング素子と、該複数の半導体スイッチング素子とそれぞれ接続され、接続された半導体スイッチング素子における過電流を検出するための複数の抵抗と、前記半導体スイッチング素子の駆動を制御するとともに、前記抵抗のそれぞれの両端の電圧を検出することにより前記半導体スイッチング素子における過電流を検出し、該検出結果を過電流検出信号として出力するパワーデバイス制御装置と、電動機を駆動させるためのパルス幅変調信号を演算し、該パルス幅変調信号を前記半導体スイッチング素子を駆動させるための信号として前記パワーデバイス制御装置へ出力するマイクロコンピュータとを有し、前記パワーデバイス制御装置による前記半導体スイッチング素子の駆動の制御が前記パルス幅変調信号に基づいて行われ、前記パワーデバイス制御装置にて前記半導体スイッチング素子における過電流が検出された場合に、前記半導体スイッチング素子のうち過電流が検出された半導体スイッチング素子のゲートを遮断し、その後、前記パルス幅変調信号の次のパルスの立ち下がり時にて前記半導体スイッチング素子を動作状態に復帰させることにより過電流を制限するインバータにおける過電流制限方法において、
PWM飽和領域または2アーム変調領域で前記過電流が検出されてから前記パルス幅変調信号の次のパルスの立ち下がりまでの間隔が前記半導体スイッチング素子のスイッチング周期を越える場合は、前記半導体スイッチング素子を前記間隔よりも短い所定時間だけオンあるいはオフ状態とするための駆動信号を生成し、
前記半導体スイッチング素子を駆動するためのパルス幅変調信号が次のパルスまでオン状態となる信号であれば、前記半導体スイッチング素子を前記所定時間オフ状態とするためのパルス幅変調信号を演算し、前記半導体スイッチング素子を駆動するためのパルス幅変調信号が次のパルスまでオフ状態となる信号であれば、前記半導体スイッチング素子を前記所定時間オン状態とするためのパルス幅変調信号を演算し、演算された前記パルス幅変調信号を前記パワーデバイス制御装置へ出力することを特徴とするインバータにおける過電流制限方法。 - 前記マイクロコンピュータから出力されたパルス幅変調信号の次のパルスの立ち下がり時に、前記過電流検出信号、並びに前記半導体スイッチング素子を駆動するための信号をリセットして半導体スイッチング素子を通常動作に復帰させることを特徴とする請求項1に記載のインバータにおける過電流制限方法。
- 前記ゲートを遮断した回数をカウントし、該カウント値が所定の値に到達した場合、前記複数の半導体スイッチング素子の全てのゲートを遮断することを特徴とする請求項1に記載のインバータにおける過電流制限方法。
- 直流電源と、オン/オフ動作によって三相交流を生成する複数の半導体スイッチング素子と、該複数の半導体スイッチング素子とそれぞれ接続され、接続された半導体スイッチング素子における過電流を検出するための複数の抵抗と、前記半導体スイッチング素子の駆動を制御するとともに、前記抵抗のそれぞれの両端の電圧を検出することにより前記半導体スイッチング素子における過電流を検出し、該検出結果を過電流検出信号として出力するパワーデバイス制御装置と、電動機を駆動させるためのパルス幅変調信号を演算し、該パルス幅変調信号を前記半導体スイッチング素子を駆動させるための信号として前記パワーデバイス制御装置へ出力するマイクロコンピュータとを有し、前記パワーデバイス制御装置による前記半導体スイッチング素子の駆動の制御が前記パルス幅変調信号に基づいて行われ、前記パワーデバイス制御装置にて前記半導体スイッチング素子における過電流が検出された場合に、前記半導体スイッチング素子のうち過電流が検出された半導体スイッチング素子のゲートを遮断し、その後、前記パルス幅変調信号の次のパルスの立ち下がり時にて前記半導体スイッチング素子を動作状態に復帰させることにより過電流を制限するインバータにおいて、
前記マイクロコンピュータは、PWM飽和領域または2アーム変調領域で前記過電流が検出されてから前記パルス幅変調信号の次のパルスの立ち下がりまでの間隔が前記半導体スイッチング素子のスイッチング周期を越える場合は、前記半導体スイッチング素子を前 記間隔よりも短い所定時間だけオンあるいはオフ状態とするための駆動信号を生成し、前記半導体スイッチング素子を駆動するためのパルス幅変調信号が次のパルスまでオン状態となる信号であれば、前記半導体スイッチング素子を前記所定時間オフ状態とするためのパルス幅変調信号を演算し、前記半導体スイッチング素子を駆動するためのパルス幅変調信号が次のパルスまでオフ状態となる信号であれば、前記半導体スイッチング素子を前記所定時間オン状態とするためのパルス幅変調信号を演算し、演算された前記パルス幅変調信号を前記パワーデバイス制御装置へ出力することを特徴とするインバータ。 - 複数の半導体スイッチング素子による三相出力のインバータ主回路と、前記半導体スイッチング素子をオン/オフ駆動するパワーデバイス制御装置と、前記パワーデバイス制御装置に前記半導体スイッチング素子のオン/オフ駆動用のパルス幅変調信号を出力する演算装置を備えたインバータにおいて、
前記パワーデバイス制御装置は、
過電流検出によって前記半導体スイッチング素子を遮断する手段と、
前記パルス幅変調信号によって前記遮断をリセットする手段とを有し、
前記演算装置は、前記パワーデバイス制御装置にて過電流が検出された際に、前記パルス幅変調信号の次のパルスまでの間隔が前記半導体スイッチング素子のスイッチング周期を越える場合には前記間隔よりも短い時間だけ前記半導体スイッチング素子をオンまたはオフ状態とするパルス幅変調信号を出力する手段を有することを特徴とするインバータ。
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