JP6767081B1 - 電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】配線とコモンモードチョークコイルとの磁気結合を抑制する電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置は、半導体スイッチを有する電力変換部9と、対となるコネクタ51と嵌合しているか否かを検出する手段を備えたコネクタ1と、コネクタ1と電力変換部との間に接続された、一対の巻線を備えたコモンモードチョークコイル5を有するノイズフィルタ7と、コネクタ1で検出された信号を、配線3を介して検知する検知回路11と、を備える。配線3が、コモンモードチョークコイル5の一方の巻線の第1の端子と第2の端子を結ぶ線と平行に配置されている。【選択図】図1

Description

本願は、電力変換装置に関するものである。
従来の電力変換装置として、特許文献1に開示されている技術が知られている。特許文献1に記載の電力変換装置は、作業者が入出力端子に触れて発生する事故を防止するために、入出力用端子を有したコネクタに、外部機器のコネクタが接続されているか否かを検出するためのインターロックセンサを備えている。この電力変換装置は、外部機器のコネクタが接続されていないことを検出した場合、検出信号は配線を介して制御回路に伝わり、それを受けて、制御回路は電力変換回路に流れる電流を遮断する。
なお、このインターロックセンサは電子部品で構成されているが、より簡素なインターロック機構として、2本の配線を有したコネクタと、その2本の配線を短絡するための導体を有したコネクタを用いて検出する方法が一般的である(特許文献2参照)。この方法を特許文献1に記載の電力変換装置に適用した場合、入出力端子を有したコネクタには2本の配線、外部機器のコネクタには2本の配線を短絡するための導体が組み込まれた機構となる。
特開2012−191766号公報 特開2016−73087号公報
ところで、電力変換装置は、半導体スイッチング素子のスイッチング動作に伴いノイズを発生するため、例えば、その電力変換回路が、商用電源から供給される電力を直流に変換するAC/DCコンバータである場合、国際規格IEC(International Electrotechnical Commission)が規定しているIEC61581−21のノイズの限度値を満たす必要がある。このために、商用電源が接続される入力コネクタと電力変換回路との間には、コモンモードチョークコイルを有したノイズフィルタが接続される。このノイズフィルタは、ノイズフィルタに対する空間結合の影響によってノイズレベルが悪化することを抑制するために、金属で形成されたケースでその他の回路と遮蔽される場合が多い。
電力変換装置に前述のインターロック機構が設けられたものを図11に示す。図11に示すように、この電力変換装置は、対となるコネクタ51のコネクタ端子52が接続される入力端子2と2本の配線3が組み込まれた入力コネクタ1、コモンモードチョークコイル5と第1のプリント基板4とその基板パターン6で構成されるノイズフィルタ、ノイズフィルタ−電力変換部間端子14(以降、ノイズフィルタ−電力変換部間端子14を単にノイズフィルタ出力端子14と略称することがある)、電力変換回路9と制御回路10(検知回路11を含む)と第2のプリント基板8で構成される電力変換部、制御コネクタ12と制御端子13、出力コネクタ20と、出力コネクタ端子21、を備えている。なお、対となるコネクタ51には、コネクタ端子52に加えて、2本の配線3を短絡するための導体53が組み込まれている。
ここで、2本の配線3は、引き回しスペースを可能な限り小さくするために、制御回路10まで最短で配線されている。このため、図11に示すように、2本の配線3は、コモンモードチョークコイル5の巻線5bを横切る形態となる。
しかしながら、上記電力変換装置では、2本の配線3とコモンモードチョークコイル5が磁気結合するという課題がある。ここで、コモンモードチョークコイル5の漏れ磁束は、コモンモードチョークコイルにノーマルモードノイズ電流が流れることで発生する。コモンモードチョークコイル5の漏れ磁束が発生している状態での上記電力変換装置の上面図(ノイズフィルタ周辺のみを抜粋)を図12に示す。
図12に示すように、破線で示したコモンモードチョークコイルの漏れ磁束1000a、1000bが、2本の配線3が形成するループ面に鎖交しており、これにより、2本の配線3には誘導電流が発生する。その誘導電流は図11に示した制御回路10に流れるため、制御回路10の誤検知、あるいは誤動作が発生し、更に、図11に示した制御コネクタ12を介して伝搬するノイズレベルも悪化する。
なお、コモンモードチョークコイルの漏れ磁束1000a、1000bは、コモンモードチョークコイル5に近いほど密度が高いため、2本の配線3とコモンモードチョークコイル5の距離が近いほど磁気結合の影響が大きくなり、本課題が顕著になる。
本課題を解決する手段として、制御回路にノイズ対策部品を追加することも考えられるが、コストアップしてしまうことから、この方法は採用し難い。また、2本の配線3を、コモンモードチョークコイル5から遠ざけて配置する方法も考えられるが、引き回しに必要なスペースを別途確保する必要性が生じることでサイズが増大してしまうため、この方法も使用し難い。
本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであって、コネクタが検出した信号を伝送するための配線とコモンモードチョークコイルとの磁気結合が抑制されることにより、電力変換装置における制御回路の誤検知、あるいは誤動作を防止し、且つ、電力変換装置から発生するノイズを抑制することが可能な、小型で安価な電力変換装置を提供することを目的とする。
本願に開示される電力変換装置は、
半導体スイッチを有する電力変換部と、
対となるコネクタと嵌合しているか否かを検出する手段を備えたコネクタと、
前記コネクタと前記電力変換部との間に接続された、
一対の巻線を備えたコモンモードチョークコイルを有するノイズフィルタと、
前記コネクタで検出された信号を、配線を介して検知する検知回路と、
を備えた電力変換装置であって、
前記配線は、前記コモンモードチョークコイルの一方の巻線の第1の端子と第2の端子を結ぶ線と平行に配置されているものである。
本願に開示される電力変換装置によれば、コネクタが検出した信号を伝送するための配線とコモンモードチョークコイルとの磁気結合が抑制されることにより、電力変換装置における制御回路の誤検知、あるいは誤動作を防止し、且つ、電力変換装置から発生するノイズを抑制することが可能な、小型で安価な電力変換装置を提供することが可能となる。
実施の形態1に係る電力変換装置の一例を示す平面図である。 図1のAA断面図である。 実施の形態1に係る電力変換回路と制御回路の一例を示す図である。 コモンモードチョークコイルの漏れ磁束が発生した状態での図1の電力変換装置の一部を示した説明図である。 図4の電力変換装置の配線位置を変えた第一の例を示す説明図である。 図4の電力変換装置の配線位置を変えた第二の例を示す説明図である。 実施の形態2に係る電力変換装置の一例を示す説明図である。 図7のA矢視図である。 実施の形態3に係る電力変換装置の一例を示す説明図である。 図9のA矢視図である。 インターロック機構が設けられた電力変換装置の一例を示す図である。 コモンモードチョークコイルの漏れ磁束が配線の形成するループ面に鎖交している状態の一例を示す図である。
実施の形態1.
以下、本願の実施の形態1による電力変換装置について説明する。図1は、本実施の形態1に係る電力変換装置の一例を示す平面図である。また、本実施の形態1に係る電力変換装置の断面図(図1のAA断面図)を図2に示す。
図1、2に示すように、実施の形態1に係る電力変換装置は、嵌合の際に対として使用されるコネクタ51と、的確に嵌合しているか否かを検出する手段を備えた入力コネクタ1を有する。入力コネクタ1には、上述の対となるコネクタ51のコネクタ端子52と接続される入力端子2に加えて、2本の配線3が組み込まれている。入力コネクタ1と、上記対となるコネクタ51とが、的確に嵌合しているか否かを検出する手段として、対となるコネクタ51には2本の配線3を短絡するための導体53が組み込まれており、入力コネクタ1の2本の配線3が開放状態であるか、または、短絡状態であるかを検出することにより、嵌合の有無を検出するインターロック機構となっている。この入力コネクタ1の入力端子2は、後段に配置されているノイズフィルタ7と接続されている。
ノイズフィルタ7は、図1、2に示すように、第1のプリント基板4と、コモンモードチョークコイル5で構成されている。コモンモードチョークコイル5は、基板パターン6を介して入力端子2と接続されており、また、基板パターン6とノイズフィルタ−電力変換部間端子14(ノイズフィルタ出力端子14)を介して後段の電力変換部と接続されている。
電力変換部は、図1、2に示すように、電力変換回路9と制御回路10で構成されている。この実施の形態1に係る電力変換回路9と制御回路10の一例を図3に示す。この電力変換回路9は、図3に示すように、AC/DCコンバータ100とDC/DCコンバータ200から成る。AC/DCコンバータ100は、第1のダイオードブリッジ103、第1のリアクトル102、半導体スイッチング素子としての第1のMOSFET103、整流ダイオード104で構成されている。
AC/DCコンバータ100において、第1のダイオードブリッジ101は、図示しない商用電源に接続されて、商用電源から入力される交流を全波整流する。第1のダイオードブリッジ101内には、ブリッジ接続された複数のダイオード(図示省略)が設けられている。また、第1のダイオードブリッジ101には、第1のMOSFET103が並列接続されている。また、第1のダイオードブリッジ101と第1のMOSFET103のドレイン端子との間の正側電力ラインに、第1のリアクトル102が直列接続されている。
また、第1のMOSFET103のドレイン端子には、整流ダイオード104のアノード端子が接続されている。整流ダイオード104のカソード端子には、正側電力ラインを介して、第1の平滑コンデンサ300の正側端子が接続されている。また、第1のMOSFET103のソース端子には、負側電力ラインを介して、第1の平滑コンデンサ300の負側端子が接続されている。
AC/DCコンバータ100は、このように構成され、交流/直流変換を行う。具体的には、AC/DCコンバータ100は、商用電源の交流電圧を直流電圧に変換する。
第1の平滑コンデンサ300は、AC/DCコンバータ100からの直流出力を平滑する。第1の平滑コンデンサ300の後段には、DC/DCコンバータ200が接続され、その後段には、負荷が接続されている。
DC/DCコンバータ200は、第2のMOSFET201a、第3のMOSFET201b、第4のMOSFET201c、第5のMOSFET201d、トランス202、第2のダイオードブリッジ203、第2のリアクトル204、平滑コンデンサ205で構成されている。
DC/DCコンバータ200において、4つのMOSFET、すなわち、第2のMOSFET201a、第3のMOSFET201b、第4のMOSFET201c、第5のMOSFET201dは、フルブリッジ回路を構成している。すなわち、第2のMOSFET201aのソース端子と第3のMOSFET201bのドレイン端子とが直列接続され、同様に、第4のMOSFET201cのソース端子と第5のMOSFET201dのドレイン端子とが直列接続されている。
また、第2のMOSFET201aのドレイン端子と第4のMOSFET201cのドレイン端子とが接続され、同様に、第3のMOSFET201bのソース端子と第5のMOSFET201dのソース端子とが接続されている。このように構成されたフルブリッジ回路は、第1の平滑コンデンサ300に並列接続されており、第1の平滑コンデンサ300の直流電圧を交流電圧に変換する。
トランス202の一次側には、第2のMOSFET201aと第3のMOSFET201bとの接続点と、第4のMOSFET201cと第5のMOSFET201dとの接続点が接続されている。トランス202の二次側には、第2のダイオードブリッジ203が接続されている。第2のダイオードブリッジ203内には、ブリッジ接続された複数のダイオードが設けられている。第2のダイオードブリッジ203の出力には、出力平滑用の第2のリアクトル204と平滑コンデンサ205とが接続され、負荷へ直流電圧が出力される。
DC/DCコンバータ200は、このように構成され、直流/直流変換を行う。具体的には、DC/DCコンバータ200は、第1の平滑コンデンサ300の電圧をトランス202で絶縁された二次側直流電圧に変換して、負荷に対して出力する。
ここで、AC/DCコンバータ100とDC/DCコンバータ200は、電圧センサ10a、10d、10f、及び、電流センサ10b、10gの検出値に基づき、制御回路10によってPWM制御される。
また、電力変換回路9と制御回路10の構成部品は、図1、2に示すように、第2のプリント基板8に実装される。なお、MOSFET等、発熱により冷却が必要となる部品については、ケース22に組み付けられ、リード配線等を介して第2のプリント基板8に実装された部品、及び、基板パターンと接続される。また、制御回路10は、入力コネクタ1と、嵌合の際、対となるコネクタ51が、嵌合しているか否かを検出する信号を検知する検知回路11を備えている。この検出信号は、2本の配線3を介して伝送される。
ここで、制御回路10を動作させるための電源は、制御コネクタ12の制御端子13を介して供給される。例えば、実施の形態1に係る電力変換装置が、電気自動車、あるいはプラグインハイブリッド自動車等に搭載される車載機器である場合、制御回路10を動作させるための電源は、鉛畜バッテリから供給される。
また、この場合、制御端子13には、制御回路10を動作させるための電源配線に加えて、電気自動車、あるいはプラグインハイブリッド自動車等に搭載されている、その他の車載機器と通信するための信号配線も組み込まれる。この電力変換回路9は、後段に配置される、出力コネクタ端子21を備えた出力コネクタ20を介して、負荷に接続される。
ここで、ノイズフィルタと電力変換部は、図1、2に示すように、ケース22で遮蔽されている。このように、ノイズフィルタと電力変換回路9をケース22で遮蔽することで、ノイズフィルタと電力変換回路9の空間結合が抑制され、入力コネクタ1に伝搬するノイズレベルの悪化を防止することができる。
また、2本の配線3は、図1、2に示すように、コモンモードチョークコイル5が実装されていないプリント基板面で引き回され、検知回路11と接続されている。この様に、2本の配線3をコモンモードチョークコイル5が実装されていないプリント基板面で引き回すことで、部品の非実装面が有効活用され、引き回しに要するスペースを小さくすることが可能となり、さらに、2本の配線3をプリント基板平面上に沿って安定に配置することができる。
なお、ノイズフィルタを通る2本の配線3は、第1のプリント基板4の基板パターンで形成することも可能であり、それにより、引き回しに要するスペースを更に小さくすることが可能となり、また、2本の配線3の配置安定性に関する考慮が不要となる。
ここで、この2本の配線3は、ノイズフィルタのインピーダンス素子として機能するコモンモードチョークコイル5の巻線5aの第1の巻線端子5cと第2の巻線端子5dを結ぶ線5gと、平行に配置され、且つ、コモンモードチョークコイル5の巻線5aの第1の巻線端子5cと巻線5bの第3の巻線端子5eの中間、及び、コモンモードチョークコイル5の巻線5aの第2の巻線端子5dと巻線5bの第4の巻線端子5fの中間を通るように配置されている。
以下、上記のように構成した実施の形態1による電力変換装置において、制御回路10の誤検知、あるいは誤動作、更に、電力変換装置から発生するノイズの抑制原理について、図を用いて説明する。まず、コモンモードチョークコイル5の漏れ磁束が発生した状態における図1の電力変換装置の一例である電力変換装置のノイズフィルタ周辺のみを抜粋した説明図を図4に示す。
図4に示すように、2本の配線3は、コモンモードチョークコイル5の巻線5aの第1の巻線端子5cと第2の巻線端子5dを結ぶ線5gと平行に配置されているため、破線で示されたコモンモードチョークコイル5の漏れ磁束1000a、1000bは、2本の配線3が形成するループ面に鎖交しない。これにより、2本の配線3とコモンモードチョークコイル5は磁気結合を起こさず、2本の配線3にも誘導電流が発生しないため、制御回路10の誤検知、あるいは誤動作、及び、制御コネクタ12等を介して伝搬するノイズを抑制することが可能となる。
なお、2本の配線3が配置されているコモンモードチョークコイル5の巻線5aと巻線5bとの間の領域は、コモンモードチョークコイル5の漏れ磁束が少なく、さらに、コモンモードチョークコイル5の第1の巻線端子5cと第3の巻線端子5eの中間、及び、第2の巻線端子5dと第4の巻線端子5fとの中間、特に巻線5aと巻線5bから等距離の線に沿って配置されている場合には、コモンモードチョークコイル5の漏れ磁束は、線5g及び2本の配線3と平行に分布するため、より一層、2本の配線3とコモンモードチョークコイル5の磁気結合を抑制することが可能となる。
なお、実施の形態1の電力変換装置では、2本の配線3がコモンモードチョークコイル5の第1の巻線端子5cと第3の巻線端子5eの中間、及び、第2の巻線端子5dと第4の巻線端子5fの中間を通るように引き回されているが、図5に示すように、2本の配線3をコモンモードチョークコイル5の巻線端子である第1の巻線端子5cから第4の巻線端子5fの外側に配置し、且つ、2本の配線3とコモンモードチョークコイル5を所定の距離L以上離すことでも、同様の効果が得られる。
この場合、所定の距離Lを、2本の配線3とコモンモードチョークコイル5の絶縁距離を確保するために必要な距離とすることで、2本の配線3とコモンモードチョークコイル5の絶縁距離を確保しつつ、2本の配線3とコモンモードチョークコイル5の電磁結合を抑制することが可能になる。
なお、実施の形態1の電力変換装置では、2本の配線3がコモンモードチョークコイル5の第1の巻線端子5cと第3の巻線端子5eの中間、及び、第2の巻線端子5dと第4の巻線端子5fの中間を通るように引き回されているが、図6に示すように、2本の配線3を第1のプリント基板端、すなわち第1のプリント基板の外形輪郭線に沿って配置することでも、同様の効果が得られる。
このように、2本の配線3を第1のプリント基板4の外形輪郭線に沿って配置する形態とすることで、2本の配線3は、コモンモードチョークコイル5の巻線5aの第1の巻線端子5cと第2の巻線端子5dの中心を結ぶ線5gと、必然的に平行に配置されることになるため、2本の配線3の配置及び実装が容易になる。
実施の形態2.
次に、実施の形態2による電力変換装置について図7、図8を用いて説明する。図7は、本実施の形態2に係る電力変換装置の一例を示す図であり、電力変換装置のノイズフィルタ周辺のみを抜粋した図である。また、図8は、図7のA矢視図である。
実施の形態1の電力変換装置では、ノイズフィルタは1層から成る第1のプリント基板4を前提として説明したが、本実施の形態2の電力変換装置では、図8に示すように、ノイズフィルタは配線層が2層以上の第1のプリント基板4aで構成されている。
この実施の形態2による電力変換装置においては、図8に示したように、2本の配線3とコモンモードチョークコイル5との間にグランド層60(ケース22と電気的に接続されている層。GND層とも略称する)を設けることで、グランド層60がシールドの役割を果たし、2本の配線3に対するコモンモードチョークコイル5の漏れ磁束による影響を低減することができる。
実施の形態3.
さらに、実施の形態3による電力変換装置について図9、図10を用いて説明する。図9は、本実施の形態3に係る電力変換装置の一例を示す図であり、電力変換装置のノイズフィルタ周辺のみを抜粋した図である。また、図10は、図9のA矢視図である。
実施の形態1の電力変換装置では、ノイズフィルタは1層から成る第1のプリント基板4を前提として説明したが、本実施の形態3の電力変換装置では、図10に示すように、ノイズフィルタは配線層が4層以上の第1のプリント基板4bで構成されている。
この実施の形態3による電力変換装置においては、図10に示したように、2本の配線3を基板パターンで形成し、基板パターンで形成された2本の配線3とコモンモードチョークコイル5との間に、グランド層60(ケース22と電気的に接続)とすることでも、グランド層がシールドの役割を果たし、2本の配線3に対するコモンモードチョークコイル5の漏れ磁束による影響を低減することができる。
本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、1つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
1 入力コネクタ、2 入力端子、3 配線、4、4a、4b 第1のプリント基板、5 コモンモードチョークコイル、5a、5b 巻線、5c 第1の巻線端子、5d 第2の巻線端子、5e 第3の巻線端子、5f 第4の巻線端子、5g 線、6 基板パターン、7 ノイズフィルタ、8 第2のプリント基板、9 電力変換回路、10 制御回路、11 検知回路、12 制御コネクタ、13 制御端子、14 ノイズフィルタ−電力変換部間端子(ノイズフィルタ出力端子)、20 出力コネクタ、21 出力コネクタ端子、22 ケース、51 コネクタ、52 コネクタ端子、53 導体

Claims (10)

  1. 半導体スイッチを有する電力変換部と、
    対となるコネクタと嵌合しているか否かを検出する手段を備えたコネクタと、
    前記コネクタと前記電力変換部との間に接続された、一対の巻線を備えたコモンモードチョークコイルを有するノイズフィルタと、
    前記コネクタで検出された信号を、配線を介して検知する検知回路と、
    を備えた電力変換装置であって、
    前記配線が、
    前記コモンモードチョークコイルの一方の巻線の第1の端子と第2の端子を結ぶ線と平行に配置されている、
    ことを特徴とする電力変換装置。
  2. 前記ノイズフィルタは、プリント基板に実装され、
    前記配線は、前記プリント基板の基板パターンにより構成されている、
    ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
  3. 前記ノイズフィルタは、プリント基板に実装され、
    前記配線は、前記コモンモードチョークコイルが実装されていないプリント基板面側に配置されている、
    ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
  4. 前記ノイズフィルタが、
    金属で形成されたケースで前記電力変換部から遮蔽されている、
    ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
  5. 前記配線が、
    前記コモンモードチョークコイルの
    一方の巻線と他方の巻線との間に配置されている、
    ことを特徴とする請求項2または請求項3に記載の電力変換装置。
  6. 前記配線が、
    前記コモンモードチョークコイルの巻線の各端子から予め定められた距離以上離して配置されている、
    ことを特徴とする請求項2または請求項3に記載の電力変換装置。
  7. 前記配線が、
    前記プリント基板の外形輪郭線に沿って配置されている、
    ことを特徴とする請求項3に記載の電力変換装置。
  8. 前記配線が、
    前記一方の巻線と前記他方の巻線から等距離に配置されている、
    ことを特徴とする請求項5に記載の電力変換装置。
  9. 前記予め定められた距離は、
    前記コモンモードチョークコイルと前記配線との絶縁を確保している距離である、
    ことを特徴とする請求項6に記載の電力変換装置。
  10. 前記プリント基板は、複数の配線層によって構成されており、
    前記複数の配線層は、前記配線と前記コモンモードチョークコイルとの間にグランド層を含む、
    ことを特徴とする請求項2、3、5から9のいずれか1項に記載の電力変換装置。
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