JPH09191642A - 直流電源装置 - Google Patents

直流電源装置

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JPH09191642A
JPH09191642A JP2052296A JP2052296A JPH09191642A JP H09191642 A JPH09191642 A JP H09191642A JP 2052296 A JP2052296 A JP 2052296A JP 2052296 A JP2052296 A JP 2052296A JP H09191642 A JPH09191642 A JP H09191642A
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JP
Japan
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voltage
transformer
power supply
current
inverter
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JP2052296A
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Yoshiaki Kobayashi
由明 小林
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Sanyo Electric Co Ltd
Sanyo Denki Co Ltd
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Sanyo Electric Co Ltd
Sanyo Denki Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 インバータスイッチのスイッチング損失を低
減し、これによって、直流電源装置の効率を向上させ、
製造コストを下げること 【解決手段】 直流電力を受電し、これを制御装置によ
って駆動されるインバータスイッチに与え高周波交流電
圧に変換し、この交流電圧をトランスによって入、出力
間を絶縁するとともに変圧し、このトランスの出力を整
流回路と平滑フィルタで直流電圧に変換する装置におい
て、前記インバータスイッチと並列にダイオードとコン
デンサの並列回路を設け、前記整流回路をトランスと各
々のダイオードの間に直列に可飽和リアクトルを挿入し
た構成とし、インバータスイッチのバス電圧側にトラン
スの1次巻線の環流電流経路を持つPWMスイッチング
制御のドライブ信号を生成する前記制御装置を備える直
流電源装置。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は直流電力をこれとは
絶縁した直流電圧に変換する直流電源装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来の直流電源装置の構成例を図5に示
す。例としてフルブリッジDC・DCコンバータを使っ
た直流電源装置を示す。図においてEは入力直流電源で
ある。半導体スイッチQ1 〜Q4 をフルブリッジ回路に
組んだインバータINVは入力直流電圧Eを高周波交流
電圧に変換する。半導体スイッチQ1 〜Q4 に逆並列に
設けたダイオードD1 〜D4 はインバータINVの交流
出力側の無効電力の回生用、循環用に設けたものであ
る。インバータINVが変換した高周波交流電圧をさら
にトランスTによって入力とは絶縁した交流電圧とし、
ダイオードD5 ,D6 で整流し、リアクタLF とコンデ
ンサCF からなる平滑フィルタで平滑し直流電圧VOUT
を出力する。RLは直流負荷である。CONTは半導体
スイッチQ1〜Q4 のオン・オフを制御するためのドラ
イブ信号を発生する制御装置である。
【0003】図6に制御装置CONTの回路構成(a)
と動作波形(b)を示す。図において、7は誤差増幅
器、8はコンパレータ、9は三角波発生器を示す。出力
直流電圧を誤差増幅器7の一方に入力し他方には基準と
なる直流電圧VREF を与える。誤差増幅器7の出力には
基準直流電圧に2つの入力の差を増幅した信号が重畳さ
れたerを得る。 er=VREF +(VREF −VOUT )×R2 /R1 この重畳信号erはコンバータ装置の出力電圧が変動す
ると、それを補正するように変化する。三角波発生器は
高周波の三角波cを発生する。コンパレータ1に重畳信
号erと三角波cを与えると三角波cが信号erよりレ
ベルが高い期間にはハイレベルで、他の期間にはゼロレ
ベルとなるPWM信号dを出力する。またコンパレータ
2に重畳信号erの反転信号−erと三角波cを与える
と信号−erが三角波cよりレベルが高い期間にはハイ
レベルで、他の期間にはゼロレベルとなるPWM信号e
を出力する。PWM信号dを増幅し必要によっては絶縁
したドライブ信号で半導体スイッチQ1 ,Q4 をドライ
ブし、PWM信号eを増幅し必要によっては絶縁したド
ライブ信号で半導体スイッチQ2 ,Q3 をドライブす
る。各半導体スイッチQ1 〜Q4 は与えられたドライブ
信号がハイレベルにある期間にオンし、ゼロレベルにあ
る期間はオフする。
【0004】図7に図5各部の動作波形を示す。X点の
電位は半導体スイッチQ2 がオンの期間にゼロとなり、
半導体スイッチQ1 がオンの期間に電源電圧のEレベル
となり、他の期間はEでもゼロでもないフローティング
レベルとなる。Y点の電位は半導体スイッチQ4 がオン
の期間にゼロとなり、半導体スイッチQ3 がオンの期間
に電源電圧のEレベルとなり、他の期間はEでもゼロで
もないフローティングレベルとなる。X点がEレベルで
Y点がゼロレベルの期間にダイオードD6 が導通し、平
滑フィルタLF ,CF にPWM電圧VPWM を与え、イン
バータINVにはリアクタLF の電流に相当する電流が
E→Q1 →X→Y→Q4 の経路で流れる。またX点がゼ
ロレベルでY点がEレベルの期間にダイオードD6 が導
通し、平滑フィルタLF ,CF にPWM電圧VPWM を与
え、インバータINVにはリアクタLF の電流に相当す
る電流がE→Q3 →X→Y→Q2 の経路で流れる。X
点、Y点ともフローティングレベルの期間にはダイオー
ドD5 ,D6 に均等にリアクタLF の電流の2分の1の
電流が流れ、平滑フィルタにはPWM電圧VPWM として
ゼロ電圧が与えられ、インバータINVに流れる電流は
ゼロとなる。これらのPWM電圧VPWM から平滑フィル
タにより高周波成分が除かれて基準直流電圧VREF に対
応した直流電圧VOUT が出力される。
【0005】この従来装置では半導体スイッチQ1 〜Q
4 のターンオン・ターンオフのスイッチング時に電流と
電圧が重なり合い大きなスイッチング損失が発生する。
このため効率の低下やクーリング対策によるコストアッ
プを招いている。
【0006】従来の直流電源装置の他の構成例を図8
(a)に示す。例として降圧形チョッパを使った直流電
源装置を示す。Eは入力直流電源である。半導体スイッ
チQ1,Q2 をハーフブリッジに組んで入力直流電圧E
を高周波直流電圧に変換する。この高周波直流電圧をリ
アクタLF とコンデンナサCF からなる平滑フィルタで
平滑し直流電圧VOUT を出力する。jxはリアクタLF
の電流を示し、ioは直流負荷RLに流れる電流を示
す。動作波形を図8(b)に示す。半導体スイッチQ1
とQ2 は交互にターンオン・オフされる。これによりリ
アクタLF に方形波電圧が印加されリアクタLF のイン
ダクタンスを小さくしておけばリアクタ電流ixには正
負両方向に流れる三角形電流が流れる。半導体スイッチ
1 とQ2 が共にオフとなる期間(デットタイムtd
1,td2)を設けておく。期間td1にはリアクタ電
流ixがコンデンサC2 を充電しコンデンサC1 を放電
する方向に流れX点の電位が入力直流電圧Eとなり半導
体スイッチQ1 に印加される電圧がゼロの状態で半導体
スイッチQ1 がオンとなるゼロ電圧スイッチングが行わ
れる。期間td2にはリアクタ電流ixがコンデンサC
1 を充電しコンデンサC2 を放電する方向に流れX点の
電位がゼロとなり半導体スイッチQ2 に印加される電圧
がゼロの状態で半導体スイッチQ2 がオンとなるゼロ電
圧スイッチングが行われる。(参考文献 原田、二宮、
顧:「スイッチングコンバータの基礎」P167−P1
71 コロナ社)
【0007】この従来装置では半導体スイッチがゼロ電
圧スイッチングとなるためゼロ電圧スイッチング期間に
おいてはスイッチ損失は少ない。しかし出力が増加して
リアクタ電流ixが負となる状態が無くなると半導体ス
イッチQ1 のゼロ電圧スイッチングができなくなりスイ
ッチング損失が発生する問題がある。またリアクタ電流
が三角波電流となるためピーク電流が大きく銅損や導通
損が大きくなり効率の向上の妨げになっている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記の欠点を
改善するために提案されたもので、その目的は、コンバ
ータ装置を構成する半導体スイッチのスイッチング損失
を低減し、効率の向上やコストの低下を図ることにあ
る。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め本発明は、直流電力を受電し、これを制御装置によっ
て駆動されるインバータスイッチに与え高周波交流電圧
に変換し、この交流電圧をトランスによって入、出力間
を絶縁するとともに変圧し、このトランスの出力を整流
回路と平滑フィルタで直流電圧に変換する装置におい
て、前記インバータスイッチと並列にダイオードとコン
デンサの並列回路を設け、前記整流回路をトランスと各
々のダイオードとの間に直列に可飽和リアクトルを挿入
した構成とし、インバータスイッチのバス電圧側にトラ
ンスの1次巻線の環流電流経路を持つPWMスイッチン
グ制御のドライブ信号を生成する前記制御装置を備える
ことを特徴とする直流電源装置を発明の要旨とする。
【0010】
【発明の実施の形態】本発明は、直流電力を受電し、こ
れを制御装置によって駆動されるインバータスイッチに
与え高周波交流電圧に変換し、この交流電圧をトランス
によって入、出力間を絶縁するとともに変圧し、このト
ランスの出力を整流回路と平滑フィルタで直流電圧に変
換する装置において、前記各インバータスイッチと並列
にダイオードとコンデンサの並列回路を設け、前記整流
回路をトランスと各々のダイオードとの間に直列に可飽
和リアクトルを挿入した構成とし、インバータスイッチ
のバス電圧側にトランスの1次巻線の環流電流経路を持
つPWMスイッチング制御のドライブ信号を生成する前
記制御装置を備えることで、インバータスイッチのスイ
ッチング時のスイッチング損失を低減し、効率の向上や
コストを下げることができる。
【0011】
【実施例】次に本発明の実施例について説明する。図1
は本発明の直流電源装置の構成例である。図1におい
て、1は直流電源、2はインバータ回路、3は整流回
路、4は平滑フィルタ、5は直流負荷、6は制御回路で
ある。半導体スイッチQ1 〜Q4 をフルブリッジ回路に
組んだインバータINVは入力直流電圧を高周波交流電
圧に変換する。トランジスタQ1 〜Q4 に逆並列に設け
たダイオードD1 〜D4 はインバータINVの交流出力
側の無効電力の回生用、循環用に設けたものである。ま
たトランジスタQ1 〜Q4 に並列に設けたコンデンサC
1 〜C4 はトランジスタQ1 〜Q4 がターンオフしたと
きのサージ電流吸収用に設けたものである。インバータ
INVが変換した高周波電圧をさらにトランスTによっ
て入力とは絶縁した交流電圧とし、これを整流回路で整
流する。このとき整流回路のダイオードに順方向電圧が
印加されても可飽和リアクトルSR1 ,SR4 または可
飽和リアクトルSR2 ,SR3 のコアが飽和状態になる
までダイオードD5 ,D8 またはダイオードD6 ,D7
を通して電流は流れない。リアクタLFとコンデンサC
Fからなる平滑フィルタで整流回路で整流された電圧を
平滑し直流電圧VOUT を出力する。RLは直流負荷であ
る。CONTはトランジスタQ1 〜Q4 のオン・オフを
制御するためのドライブ信号を発生する制御装置であ
る。インバータINVの半導体スイッチQ1 〜Q4 とし
てバイポーラ・トランジスタを使った例を、示したがこ
れは一例であって他の半導体スイッチ、例えばパワーM
OS・FETやIGBT(Insulated Gate Bipolar Tra
nsistor)も使える。
【0012】図2に本発明の制御回路の構成を示す。図
において、7は誤差増幅器、8はコンパレータ、9は三
角波発生器、10は分配器である。出力直流電圧を誤差
増幅器7の一方に入力し他方には基準となる直流電圧V
REF を与える。誤差増幅器7の出力には基準直流電圧に
2つの入力の差を増幅した信号が重畳されたerを得
る。 er=VREF +(VREF −VOUT ) ×R2 /R1 この重畳信号erはコンバータ装置の出力電圧が変動す
ると、それを補正するように変化する。三角波発生器は
高周波の三角波cを発生する。コンパレータ1に重畳信
号erと三角波cを与えると信号erが三角波cよりレ
ベルが高い期間にはハイレベルで、他の期間にはゼロレ
ベルとなるPWM信号dを出力する。またコンパレータ
2に重畳信号erの反転信号−erと三角波cを与える
と信号−erが三角波cよりレベルが高い期間にはハイ
レベルで、他の期間にはゼロレベルとなるPWM信号e
を出力する。PWM信号d,eを分配器に入力する。分
配器ではPWM信号dの立ち上がりを遅延回路のトリガ
にし一定期間PWM信号の立ち上がりを遅らせ、これを
増幅し必要によっては絶縁したドライブ信号でトランジ
スタQ1 をドライブする。PWM信号dの反転信号の立
ち上がりを遅延回路のトリガにし一定期間PWM信号の
立ち上がりを遅らせ、これを増幅し必要によっては絶縁
したドライブ信号でトランジスタQ3 をドライブする。
PWM信号eの反転信号の立ち上がりを遅延回路のトリ
ガにし一定期間PWM信号の立ち上がりを遅らせ、これ
を増幅し必要によっては絶縁したドライブ信号でトラン
ジスタQ3 をドライブする。PWM信号eの立ち上がり
を遅延回路のトリガにし一定期間PWM信号の立ち上が
りを遅らせ、これを増幅し必要によっては絶縁したドラ
イブ信号でトランジスタQ4 をドライブする。各トラン
ジスタは与えられたドライブ信号がハイレベルにある期
間にオンし、ゼロレベルにある期間はオフする。
【0013】図3にコンバータの各部の動作波形を示
す。 (状態1)トランジスタQ1 ,Q4 はオン。トランジス
タQ3 ,Q2 はオフ。X点は電源電圧E、Y点はゼロと
なりトランスTの1次側が励磁され整流回路のダイオー
ドD5 ,D8 にトランスTの2次側電圧が順方向に印加
される。可飽和リアクトルSR1 ,SR4 のコアは飽和
状態にあるためリアクタLFの電流はT→SR1 →D5
→LF→D8 →SR4 のループを流れる。トランス1次
側にはリアクタLFの電流の見合った電流がE→Q1
T→Q4 のループが流れる。 (状態2)トランジスタQ1 はオン。トランジスタQ4
はオンからオフ、Q2 ,Q3 はオフ。X点は電源電圧
E。E→Q1 →T→Q4 のループを流れていた電流がト
ランジスタQ4 がオフになったためその電流はコンデン
サC4 を充電し、コンデンサC3 を放電する方向に流れ
る。このためY点はゼロから電源電圧Eに変化する。コ
ンデンサC4 に電流が流れトランジスタQ4 にかかる電
圧が小さい状態でQ4 がオフとなるためQ4 のターンオ
フのスイッチングはほぼゼロ電圧スイッチングになる。 (状態3)トランジスタQ1 はオン。トランジスタQ3
はオフからオン、Q2 ,Q4 はオフ。X点、Y点とも電
源電圧E。可飽和リアクトルSR1 ,SR4 のコアは依
然として飽和状態にあるためリアクタLFの電流はT→
SR1 →D5 →LF→D8 →SR4 のループを流れ、ト
ランスの1次側にはリアクタLFの電流に見合った電流
がQ1 →T→D3 のループを流れる。この時トランジス
タQ3 にかかる電圧はダイオードD3 の順方向飽和電圧
でありQ3 のターンオンはゼロ電圧スイッチングとな
る。 (状態4)トランジスタQ3 はオン。トランジスタQ1
はオンからオフ、Q2 ,Q4 はオフ。Y点は電源電圧
E。Q1 →T→D3 のループを流れていた電流がトラン
ジスタQ1 がオフしたことにより、その電流はコンデン
サC1 を充電しコンデンサC2を放電する方向に流れ
る。これに伴いX点は電源電圧Eからゼロに変化する。
コンデンサC1 ,C2 の放電終了後はE→D2 →T→D
3 のループで電流が流れる。 (状態5)トランジスタQ3 はオン。トランジスタQ2
はオフからオン、Q1 ,Q4 はオフ。トランジスタQ2
にかかる電圧はダイオードD2 の順方向飽和電圧であり
2のターンオンはゼロ電圧スイッチングとなる。Y点
は電源電圧E、X点はゼロとなりトランスTは状態1と
は逆方向に励磁され、可飽和リアクトルSR1 ,SR4
はトランス2次側からリセット電圧が印加され徐々に不
飽和状態になる。また整流回路のダイオードD6 ,D7
にトランスTの2次側電圧が順方向に印加され、可飽和
リアクトルSR2 ,SR3 のコアが徐々に飽和状態にな
りそれにつれてダイオードD6 ,D7 へ電流が流れ始め
る。完全に飽和状態になるとリアクタLFの電流はT→
SR3 →D7 →LF→D6 →SR2 のループを流れる。
トランス1次側にはリアクタLFの電流に見合った電流
がE→Q3 →T→Q2 のループを流れる。 (状態6)トランジスタQ3 はオン。トランジスタQ2
はオンからオフ、Q1 ,Q4 はオフ。Y点は電源電圧
E。E→Q3 →T→Q2 のループを流れていた電流がト
ランジスタQ2 がオフになったためその電流はコンデン
サC2 を充電し、コンデンサC1 を放電する方向に流れ
る。このためX点はゼロから電源電圧Eに変化する。コ
ンデンサC2 に電流が流れトランジスタQ2 にかかる電
圧が小さい状態でQ2 がオフとなるためQ2 のターンオ
フのスイッチングはほぼゼロ電圧スイッチングになる。 (状態7)トランジスタQ3 はオン。トランジスタQ1
はオフからオン、Q2 ,Q4 はオフ。X点、Y点とも電
源電圧E。可飽和リアクトルSR2 ,SR3 のコアは依
然として飽和状態にあるためリアクタLFの電流はT→
SR3 →D7 →LF→D6 →SR2 のループを流れ、ト
ランスの1次側にはリアクタLFの電流の見合った電流
がQ3 →T→D1 のループを流れる。この時トランジス
タQ1 にかかる電圧はダイオードD1 の順方向飽和電圧
でありQ1 のターンオンはゼロ電圧スイッチングとな
る。 (状態8)トランジスタQ1 はオン。トランジスタQ3
はオンからオフ、Q2 ,Q4 はオフ。X点は電源電圧
E。Q3 →T→D1 のループを流れていた電流がトラン
ジスタQ3 がオフしたことにより、その電流はコンデン
サC3 を充電しコンデンサC4を放電する方向に流れ
る。これに伴いY点は電源電圧Eからゼロに変化する。
コンデンサC3 ,C4 の放電終了後はE→D4 →T→D
1 のループで電流が流れる。 (状態9)トランジスタQ1 はオン。トランジスタQ4
はオフからオン、Q2 ,Q3 はオフ。トランジスタQ4
にかかる電圧はダイオードD4 の順方向飽和電圧であり
4のターンオンはゼロ電圧スイッチングとなる。X点
は電源電圧E、Y点はゼロとなりトランスTは状態5と
は逆方向(状態1と同方向)に励磁され、可飽和リアク
トルSR2 ,SR3 はトランス2次側からリセット電圧
が印加され徐々に不飽和状態になる。また整流回路のダ
イオードD5 ,D8 にトランスTの2次側電圧が順方向
に印加され、可飽和リアクトルSR1 ,SR4 のコアが
徐々に飽和状態になりそれにつれてダイオードD5 ,D
8 へ電流が流れ始める。完全に飽和状態になるとリアク
タLFの電流はT→SR1 →D6 →LF→D8 →SR4
のループを流れる。トランス1次側にはリアクタLFの
電流に見合った電流がE→Q1 →T→Q4 のループを流
れ状態1に戻る。
【0014】以上のようにトランジスタQ1 〜Q4 のタ
ーンオフにおいてはトランジスタに並列に取り付けられ
たダイオードD1 〜D4 の順方向に電流が流れていると
きすなわちトランジスタにダイオードの順方向電圧が印
加されているときにトランジスタがオンするゼロ電圧ス
イッチングとなる。またトランジスタQ1 〜Q4 のター
ンオフにおいてはトランジスタに並列に取り付けられた
コンデンサC1 〜C4に充電電流が流れているときすな
わちコンデンサ電圧が上昇しはじめたコンデンサ電圧が
小さいときにトランジスタがオフするゼロ電圧スイッチ
ングとなる。
【0015】図4に本発明の第2の実施例を示す。第2
の実施例が第1の実施例と異なる点はたすき掛け位置関
係にある可飽和リアクトルのコアを共通にしたことであ
る。可飽和リアクトルSR1 とSR4 のコアの飽和状態
はつねに同じであり、可飽和リアクトルSR2 とSR3
のコアの飽和状態はつねに同じであるため可飽和リアク
トルSR1 とSR4 のコアを共通とし可飽和リアクトル
SR2 とSR3 のコアを共通として第1の実施例と同様
な動作をする。これによりコアの数が半分となり装置の
小形化が可能となる。
【0016】
【発明の効果】本発明によれば、直流電源装置におい
て、インバータスイッチと並列にダイオードとコンデン
サの並列回路を設け、整流回路を可飽和リアクトルとダ
イオードの直流回路で構成し、インバータスイッチのバ
ス電圧側にトランスの1次巻線の環流電流経路を持つP
WMスイッチング制御のドライブ信号を生成する制御装
置を備えることによってインバータスイッチのスイッチ
ング損失を低減することができる。これによって直流電
源装置の効率を向上させ、コストを下げる効果を有す
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例である直流電源装置の構成を示
す。
【図2】本発明に適用する制御装置の実施例を示す。
(a)は回路構成、(b)は各部の波形を示す。
【図3】本発明の実施例の各部の動作波形を示す。
【図4】本発明の第2の実施例を示す。
【図5】従来の直流電源装置の構成を示す。
【図6】従来の直流電源装置を制御する制御装置を示
す。(a)は回路構成、(b)は各部の波形を示す。
【図7】従来の直流電源装置の各部の動作波形を示す。
【図8】従来の他の直流電源装置の構成(a)と各部の
動作波形(b)を示す。
【符号の説明】
1 直流電源 2 インバータ 3 整流器 4 平滑フィルタ 5 負荷 6 制御回路 7 誤差増幅器 8 コンパレータ 9 三角波発生器 10 分配器 Q1 〜Q4 トランジスタ D1 〜D8 ダイオード T トランス SR1 〜SR4 可飽和リアクトル C1 〜C4 コンデンサ LF リアクトル CF コンデンサ RL 負荷 CONT 制御回路

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 直流電力を受電し、これを制御装置によ
    って駆動されるインバータスイッチに与え高周波交流電
    圧に変換し、この交流電圧をトランスによって入、出力
    間を絶縁するとともに変圧し、このトランスの出力を整
    流回路と平滑フィルタで直流電圧に変換する装置におい
    て、前記インバータスイッチと並列にダイオードとコン
    デンサの並列回路を設け、前記整流回路をトランスと各
    々のダイオードの間に直列に可飽和リアクトルを挿入し
    た構成とし、インバータスイッチのバス電圧側にトラン
    スの1次巻線の環流電流経路を持つPWMスイッチング
    制御のドライブ信号を生成する前記制御装置を備えるこ
    とを特徴とする直流電源装置。
  2. 【請求項2】 整流回路を構成するたすき掛けの位置関
    係にある過飽和リアクトルのコアを共通にしたことを特
    徴とする請求項1に記載の直流電源装置。
JP2052296A 1996-01-10 1996-01-10 直流電源装置 Pending JPH09191642A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6252782B1 (en) 1998-12-08 2001-06-26 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Switching power supply utilizing magnetically coupled series inductors
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