JPS62210861A - Dc−dcコンバ−タの直列運転方式 - Google Patents

Dc−dcコンバ−タの直列運転方式

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JPS62210861A
JPS62210861A JP5198986A JP5198986A JPS62210861A JP S62210861 A JPS62210861 A JP S62210861A JP 5198986 A JP5198986 A JP 5198986A JP 5198986 A JP5198986 A JP 5198986A JP S62210861 A JPS62210861 A JP S62210861A
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Haruki Yoshikawa
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の属する技術分野〕 この発明は、直流電源に対して直列に接続されている複
数のDC−DCコンバータの入力電圧の分担を平衡させ
るDC−DCコンバータの直列運転方式に関する。
〔従来技術とその問題点〕
直流電源からの直流電力を、これとは絶縁された所望電
圧の直流電力に変換するのがDC−DCコンバータであ
って、これには各種の回路がある。
第4図はDC−DCコンバータの各種の例を示す回路図
であって、第4図(イ)はフォワード形DC−DCコン
バータと称されるもの、!4図(ロ)はフライバック形
DC−DCコンバータと称されるもの、第4図(うはブ
リッジインバータ形DC−DCコンバータと称されるも
のであるが、負荷が大容量の場合、あるいは直流電源の
電圧が高い場合などでは、1組のDC−DCコンバータ
では容量あるいは電圧が不足となるので、複数のDC−
DCインバータを電源に対して直列に接続して使用する
ことになる。
第5図は2組のDC−DCコンバータを直列接続する場
合の主回路接続図であって、入力フィルタコンデンサ2
と3とを直列接続したものを直流電源1に接続して電源
電圧を分割し、入力フィルタコンデンサ2には符号4な
るDC−DCコンバータ(以下では正極側コンバータと
呼称する)の入力側を並列に接続し、入力フィルタコン
デンサ3には符号5なるDC−DCコンバータ(以下で
は負極側コンバータと呼称する)の入力側を並列に接続
するのであるが、これら正極側コンバータ4の出力側と
負極側コンバータ5の出力側とを相互に並列接続したの
ち、出力コンデンサ6を介して負荷7に変換された直流
電力を供給する。ここで正極側コンバータ4と負極側コ
ンバータ5は、たとえば第4図に示す回路構成のDC−
DCコンバータが使用される。
ところで第5図に示すように複数のDC−DCコンバー
タの入力側を電源に対して直列に接続して使用する場合
、各DC−DCコンバータの制御パルス幅に存在する差
異に起因してそれぞれの入力フィルタコンデンサの電圧
に不平衡を生じ、従ってそれぞれのDC−DCコンバー
タの出力容量にアンバランスを生じるという欠点がある
第6図は2組のフォワード形DC−DCコンバータをそ
の入力側で直列接続して運転する従来例を示す回路図で
あって、この第6図により上述のアンバランスが生じる
理由を以下に説明する。ただしフォワード形DC−DC
コンバータの回路構成とその動作は周知であることから
、これらの詳細説明は省略する。
第6図において、入力フィルタコンデンサ2と3とが直
列に接続されており、この直列回路に直流電源1が接続
されている。入力フィルタコンデンサ2には正極形コン
バータ4の入力側が並列に接続されているが、この正極
側コンバータ4はスイッチング素子としてのトランジス
タ41、整流ダイオード42、還流ダイオード43、平
滑リアクトル44および変圧器6で構成されている。ま
た、スイッチング素子としてのトランジスタ51と整流
ダイオード52と還流ダイオード53と平滑リアクトル
父ならびに変圧器間とで構成されている負極側コンバー
タ5の入力側が入力フィルタコンデンサ3に並列に接続
され、これら正極側コンバータ4の出力側と負極側コン
バータ5の出力側とが相互に並列接続され、出力コンデ
ンサ6を介して負荷7に直流電力を供給する。
第6図に示す従来例回路では直流電源1の電圧Eの変動
に対し、負荷7に与えられる出力電圧E0が常に一定値
を維持するように正極側コンバータ4のトランジスタ4
1および負極側コンバータ5のトランジスタ51の導通
率を調節するのであるが、その制御回路は電圧設定器1
1、出力電圧検出器12、自動電圧調整器13、パルス
発生回路14およびベース駆動回路15と16とで構成
されていて、電圧設定器11で設定する電圧と出力電圧
検出器12で検出さく5) れる出力電圧E0との偏差を自動電圧調整器13に与え
ると、この自動電圧調整器13はその入力偏差を零にす
る制御信号をパルス発生回路14に出力する。
パルス発生回路14は自動電圧調整器13からの出力に
対応して変化する制御パルス信号を発生し、ベース駆動
回路15はこの制御パルス信号を増幅してトランジスタ
41を駆動し、同様にベース駆動回路16も制御パルス
信号を増幅してトランジスタ51を駆動する。かくして
トランジスタ41と51は上述の制御回路からの信号に
よりオン・オフ制御されてその導通幅を制御し、出力電
圧E0を電圧設定器11で設定している電圧に一致させ
るように動作する。
ところでベース駆動回路15 、16にはそれぞれ固有
の動作遅れがあり、またトランジスタ41 、51もそ
れぞれにターンオフ時のストレージ時間などが存在する
ために、パルス発生回路14が出力する制御パルス信号
幅αに対して、トランジスタ41 、51の実際の導通
率はこのαよりも大となる。さらにベース駆動回路15
と16との間には動作遅れ時間ににもストレージ時間の
ばらつきがあるため、トランジスタ41の導通率α1と
トランジスタ51の導通率へとの間にはΔαなる差異を
生じることとなる。
第7図は第6図に示す従来例回路において制御パルス信
号に対するトランジスタの導通率をあられした動作波形
図であって、第7図(イ)はパルス発生回路14から出
力される制御パルス信号の波形を、第7図←)はトラン
ジスタ41を流れる電流i4の波形を、第7図(ハ)は
トランジスタ51を流れる電流i、の波形をそれぞれが
あられしており、この第7図から明かなように、トラン
ジスタ41と51がオンしている期間は制御パルス信号
よりも長(、かつ両者の時間幅にはΔαなる差異がある
第8図は第7図に示すような導通率差異があるときに第
6図に示す従来例回路の動作をあられした動作波形図で
あって、第8図(イ)は正極側コンバータ4の動作を示
すもので、トランジスタ41の電流波形i4が実線で、
また平滑リアクトル必を流れる電流波形i6が破線で描
かれている。また第8図ランジスタ51の電流波形1.
が実線で、平滑リアクトルシを流れる電流波形量、が破
線で描かれている。
また第8図においては初期状態の動作波形が左側に、定
常状態における動作波形が右側に図示されている。
トランジスタ41と51との導通率に第7図に示すよう
にΔαの差がある場合の動作を第6図と第8図にもとづ
き、以下に説明する。なお説明を簡単にするために、変
圧器45、団それぞれの1次巻線と2次巻線との巻数比
はいずれも1対1であるものとする。またi、、iIl
はトランジスタ41と51の電流を、i、、i7は平滑
リアクトル44 、54の電流をあられし、I6Aと1
7人は平滑リアクトル44 、54を流れる電流tll
lt7の平均値をあられしている。
入力フィルタコンデンサ2の電圧E!と入力フィルタコ
ンデンサ3の電圧E3の電圧が等しく、トランジスタ4
1と51の初期電流が等しい場合を初期状態とすると、
第8図の初期状態のところで図示のように、それぞれの
トランジスタの導通率が同一でないことから、トランジ
スタ41の電流i4による電荷量と、トランジスタ51
の電流l、による電荷量とではΔαに相当する斜線部だ
け負極側コンバータ5の方が多くなる。ここで各部分の
電流は下記の(1)式に示す関係にある。
IIA ”=  ”2A  ”  I4A −’ak 
 ”  夏5人 ・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・(1)ただしIIAは入力電流の平均値、12
人に入力フィルタコンデンサ2の電流平均値、■3Aは
入力フィルタコンデンサ3の電流平均値s  ”4Aは
トランジスタ41の電流平均値、’Bkはトランジスタ
51の電流平均値である。
前述したように14人(Is人であることから12人)
Ia人となることが(1)式から導かれる。このことは
入力フィルタコンデンサ2の充電電荷量が入力フィルタ
コンデンサ3のそれよりも大であることを示しており、
結局第7図に示す導通率の差Δαにより人力フィルタコ
ンデンサ2の電圧E!の方が電圧E、よりも高くなり、
電圧分担が不平衡になることを示している。
このような初期状態から過渡状態を経て定常状態におち
ついたところが第8図の右側に図示されている。この定
常状態では両入力フィルタコンデンサ2と3の電圧は前
述したようにEs>Esであってこの電圧は一定してい
る。よってこれら入力フィルタコンデンサ2,3の電流
の平均値は下記の(2)式の関係にある。
I2A −Is人−〇  ・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・(2)この(2)式と(1)式とから(
3)式が得られる。
IIA −14A−16A・曲・曲・曲・四囲曲・曲・
叩・・・曲(3)すなわち定常状態においてはトランジ
スタ電流i4と量、それぞれの平均値(第8図定常状態
に図示の斜線部の面積)は等しい。このことから下記の
(4)式の関係が得られる。
I6A・α、−17A・α1・・・・・・・四囲用・曲
・四囲・四囲(4)ここでα1.α、はそれぞれトラン
ジスタ41 、51の導通率であり、16人は平滑リア
クトル44の平均電流すなわち正極側コンバータ4の出
力電流であり、17人は平滑リアクトルシの平均電流す
なわち負極側コンバータ5の出力電流である。
正極側コンバータ4の出力容量をWl、負極側コンバー
タ5の出力容量をW2とすると、Wl −16A・EO
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・(5
)W2− I7A・Eo  ・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・(6)(4)式、(5)式ペロ
)式から下記の(7)式が得られる。
すなわち両コンバータ4と5の出力容量の不平衡はそれ
ぞれのトランジスタ41と51の導通率で定まることが
わかる。そこで上記の各式を用いて入力電圧の不平衡を
求めると ここで12人−Is&なる関係があることから下記の(
9)式が得られる。
すなわちトランジスタ41と51の導通率がそれぞれα
1とα2であるならば、入力フィルタコンデンサ2と3
の電圧の比E2/E3 、ならびに正極側コンバータ4
の出力容量と負極側コンバータ5の出力容量との比Wt
/W2はそれぞれα1汐2に反比例していることがわか
る。
それ故この導通率α1とα2の差が大きいと、入力フィ
ルタコンデンサ2と3の電圧の不平衡が大となり、コン
デンサ電圧の高い方に接続されているDC−DCコンバ
ータに用いられる半導体素子の電圧責務が厳しくなるの
で、この電圧不平衡分を考慮して入力フィルタコンデン
サや半導体素子ならびに周辺機器には高耐圧のものを選
定することになり、これが装置の大形化や価格の上昇を
まねく欠点がある。さらに導通率の差異に起因して各D
C−DCコンバータの出力容量の不平衡も大となり、出
力容量が大となる方のDC−DCコンバータに使用する
各種半導体素子、変圧器、平滑リアクトルなどは、不平
衡がないときに比して大きな電流容量のものが必要にな
るばかりでなく発生損失も犬となり、このためにも装置
の大形化・高価格化をもたらす欠点を有する。
〔発明の目的〕
この発明は、複数のDC−DCコンバータを直列接続し
て使用する場合の入力電圧の不平衡や出力容量の不平衡
を解消できるDC−DCコンバータの直列運転方式を提
供することを目的とする。
〔発明の要点〕
この発明は、入力電圧をコンデンサで分割し、それぞれ
のコンデンサDC−DCコンバータの入力側を並列に接
続するとともにその出力側同士を直列または並列に接続
して運転する場合に、上述の各コンデンサが分担すべき
電圧を定めておき、任意のコンデンサの実際の電圧との
間にアンバランスを生じたとき、この電圧アンバランス
を修正する方向に動作する調節信号を発生させ、前記の
任意コンデンサに並列接続されたDC−DCコンバータ
では自動電圧調整信号に応じて動作する制御パルス発生
回路に上述の電圧アンバランスを修正する調節信号を加
算入力させることにより、当該DC−DCコンバータの
制御パルス幅を制御してそのトランジスタの導通率が他
のトランジスタの導通率と同じになるようにして入力コ
ンデンサ電圧の不平衡やDC−DCコンバータ出力容量
の不平衡を1へしようとするものである。
〔発明の実施例〕
第1図は本発明の実施例を示す回路図であって、2組の
フォワード形DC−DCコンバータの入力側を直列に接
続し、出力側は並列接続して運転する場合を示している
。すなわち入力フィルタコンデンサ2と3とを直列に接
続して直流電源1の電圧を分割し、トランジスタ41と
整流ダイオード42と還流ダイオード43と平滑リアク
トル材と変圧器45とで構成された正極側コンバータ4
の入力側を入力フィルタコンデンサ2に並列に接続し、
同様にトランジスタ51.整流ダイオード52.還流ダ
イオード53.平滑リアクトルMならびに変圧器部で構
成された負極側コンバータ5の入力側を入力フィルタコ
ンデンサ3に並列接続するとともに両コンバータ4と5
の出力側は相互に並列接続し、出力コンデンサ6を介し
て負荷7に変換された直流電力を供給するようにしてい
るのは前述の従来例回路(第6図参照)の場合と同じで
ある。また出力電圧を設定する電圧設定器11、出力電
圧EOを検出する出力電圧検出器12、これら設定電圧
と検出器圧との偏差を入力してこの入力偏差を零にする
制御信号を出力する自動電圧調整器13を備えているこ
とも第6図に示す従来例回路と同じであるから、これら
の動作についての説明は省略する。
本発明においては入力フィルタコンデンサの全電圧から
個々のコンデンサが分担すべき電圧の目標値を検出する
電圧目標値検出器21と、任意の入力フィルタコンデン
サ(第1図に示す実施例回路では負極側にある符号3な
る入力フィルタコンデンサ)の電圧の実際値を検出する
電圧実際値検出器nを備えていて、この電圧目標値と電
圧実際値との偏差を電圧調節器器に入力させることによ
り、この電圧調節器器からは入力偏差を零にする制御信
号を出力させ、この制御信号と自動電圧調整器13から
の出力信号とを加算したものを任意の、すなわち符号3
なる入力フィルタコンデンサに並列接続されている負極
側コンバータ5の制御パルス信号を発生させる制御パル
ス発生回路列に入力させて、負極側コンバータ5のトラ
ンジスタ51の導通率を変化させるようにしている。
すなわち入力フィルタコンデンサ2の電圧は一人カフィ
ルタコンデンサ3の電圧はEsであるから全電圧はE2
 + Esであり、従ってそれぞれの入力フィルタコン
デンサが分担すべき電圧目標値は(E2+ Es) /
2であって、電圧目標値検出器21はこの電圧目標値(
E2 + E)/2を検出する。一方電圧実際値検出器
nは符号3なる入力フィルタコンデンサの電圧E3を検
出している。ここでトランジスタ41の導通率へとトラ
ンジスタ51の導通率α2とには前述の従来例回路での
説明の同様にΔαなる差があってα2〉αlであるとす
るならば、(9)式からE! :) Esとなる。すな
わち符号2なる入力フィル/2と電圧実際値検出器nが
検出する電圧実際値E。
との大小関係は40式となる。
E2  +  Es □〉Es  ・・・・・・・・・・・・・・・・・・・
・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・00
)電圧調節器nは(10)式の左辺と右辺との偏差を入
力して、この入力偏差を零にする制御信号、すなわち入
力フィルタコンデンサ3の電圧E3を増大させる方向の
電圧−ΔVを発生する。それ数制御パルス発生回路あに
入力する信号は自動電圧調整器13の出力よりもΔVだ
け小となるので、この制御パルス発生回路列が出力する
パルス幅は、自動電圧調整器13の出力がその才ま入力
されるパルス発生回路14から出力されるパルス幅より
も小となり、従ってトランジスタ41に流れる電流波形
i4と、トランジスタ51に流れる電流波形i、とが等
しくなる方向に制御され、この両電流波形量4と1.が
等しくなったとき内入力フィルタコンデンサ電圧E2と
E。
とは等しくなる。両軍圧E!とE、とが等しくなれば電
圧調節器器に入力する偏差は零となり、この電圧調節器
器は入力偏差が零になった時点における出力を保持しつ
づけることとなる。
上述の動作により制御パルス発生回路列が出力するパル
ス幅は短縮されるので、出力電圧Eoはその分だけ減少
することになるが、この出力電圧E。
の減少は電圧設定器11が設定する電圧との偏差となっ
て自動電圧調整器13の出力を増大させることにより、
自動的に補償される。
第2図は第1図に示す実施例回路における各部の動作を
あられした動作波形図であって、第2図(イ)は自動電
圧調整器13の出力を、第2図(ロ))は制御パルス発
生回路列の入力を、第2図(ハ)はパルス発生回路14
の出力を、第2図に)は制御パルス発生回路Uの出力を
、第2図(ホ)はトランジスタ41を流れる電流波形i
4を、第2図(へ)はトランジスタ51を流れる電流波
形i、をそれぞれがあられしている。またこの第8図の
左側は初期状態での動作波形を、右側は定常状態での動
作波形をそれぞれが示している。
この第2図であきらかなように、当初は自動電圧調整器
13からの出力によりパルス発生回路14と制御パルス
発生回路スはともにαなる幅のパルス信号を出力するの
であるが、ターンオフ時のストレージ時間のばらつきな
どにより、トランジスタ41の導通率はα、に、トラン
ジスタ51の導通率は偽に増大し、両導通率にはΔαな
る差を生じている。
そのためにそれぞれの入力フィルタコンデンサ電圧が不
平衡となるが、この不平衡分を電圧調節器器に入力させ
て、自動電圧調整器13の出力にこの電圧調整器nの出
力である一ΔVを加算したものを制御パルス発生回路U
の入力とする(第2図(ロ)参照)ことにより、この制
御パルス発生回路脚が出力するパルス幅は、パルス発生
回路14が出力するパルスの幅よりΔαだけ小さくなる
のでトランジスタ41と51の導通率は等しくなり、従
って入力フィルタコンデンサ2と3の電圧E、とE3と
の不平衡は解消できる。なおこのとき出力電圧EOが低
下するのを補償するべく自動電圧調整器13の出力は初
期状態のときよりも増大しており、従ってパルス発生回
路14が出力するパルスの幅は、初期状態におけるパル
ス幅αよりも大となる。
なお、第1図に示す本発明の実施例回路では、電圧実際
値検出器nを電圧が低下する側の入力フィルタコンデン
サ3に設けてその電圧を検出するようにしているが、こ
れとは逆に電圧が上昇する符号2なる入力フィルタコン
デンサ側に設け、電圧調節器器の出力を制御パルス発生
回路脚の入力信号に加算するような構成にしても同様の
効果を発揮するのはもちろんである。さらに本発明の実
施例回路は2組のDC−DCコンバータの入力側は直列
接続、出力側は並列接続の場合で説明しているが、より
多数のDC−DCコンバータの入力側を直列接続した場
合でも本発明の主旨は適用できるし、これらコンバータ
の出力側を直列接続した場合でも本発明の主旨が適用で
きる。
第3図は2方式DC−DCコンバータの一例を示す回路
図であって、第3図(イ)は2石式フォワード形DC−
DCコンバータを、第3図(ロ)は2方式フライバック
形DC−DCコンバータをそれぞれが示している。
本発明では、この第3図に示す2方式DC−DCコンバ
ータにも適用できるし、スイッチング素子としてトラン
ジスタ以外の半導体スイッチ素子たとえばゲートターン
オフサイリスタなどを使用できることは勿論である。
〔発明の効果〕
この発明によれば、入力コンデンサを直列に接続して直
流電圧を分割し、各コンデンサに別個にDC−DCコン
バータの入力側を並列接続するとともに、これらコンバ
ータの出力側は相互に並列接続あるいは直列接続して構
成されている装置を運転するにあたって、各入力コンデ
ンサの電圧アンバランスを抑制する方向の電圧調節信号
を各DC−−DCコンバータの導通率を制御子る信号に
加算することにより各DC−DCコンバータのスイッチ
ング素子の導通率を等しくして入力コンデンサの電圧ア
ンバランスとDC−DCコンバータの出力容量アンバラ
ンスを解消させることができるので、このようなアンバ
ランスが存在していた従来の装置にくらべて、DC−D
Cコンバータに使用する機器や半導体素子の耐電圧や電
流容量を低減させることができるので、装置の小形化と
価格を低減できる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の実施例を示す回路図であり、第2図は
第1図に示す実施例回路における各部の動作をあられし
た動作波形図、第3図は2石式DC−DCコンバータの
一例を示す回路図である。 第4図はDC−DCコンバータの各種の例を示す回路図
であり、第5図は2組のDC−DCコンバータを直列接
続する場合の主回路接続図、第6図は2組のフォワード
形DC−DCコンバータをその入力側で直列接続して運
転する従来例を示す回路図、第7図は第6図に示す従来
例回路において制御パルス信号に対するトランジスタの
導通率をあられした動作波形図であり、第8図は第7図
に示すような導通率差異があるときに第6図に示す従来
例回路の動作をあられした動作波形図である。 1・・・直流電源、2.3・・・入力フィルタコンデン
サ、4・・・正極側コンバータ、5・・・負極側コンバ
ータ、6・・・出力コンデンサ、7・・・負荷、1】・
・・電圧設定器、12・・・出力電圧検出器、13・・
・自動電圧調整器、14・・・パルス発生回路、15 
、16・・・ベース駆動回路、21・・・電圧目標値検
出器、ρ・・・電圧実際値検出器、3・・・電圧調節器
、冴・・・制御パルス発生回路、41.51・・・スイ
ッチング素子としてのトランジスタ、42.52・・・
整流ダイオード、 43 、53・・・還流ダイオード
、躬54・・・平滑リアクトル、45 、55・・・変
圧器。 第4図 115図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1)複数のコンデンサを直列接続して直流電源に接続し
    、スイッチング素子により変圧器1次巻線に印加される
    直流電力をオン・オフすることで当該変圧器の2次巻線
    から整流素子を介して直流電力を取出すようにしている
    DC−DCコンバータの入力側を前記各コンデンサのそ
    れぞれに別個に並列に接続するとともに、当該DC−D
    Cコンバータの出力側は相互に直列接続あるいは並列接
    続し、この出力側電圧を所定値に維持するための自動電
    圧調整信号を前記各DC−DCコンバータのスイッチン
    グ素子に共通に与えてその導通率を調整しているDC−
    DCコンバータの直列運転方式において、前記直列接続
    コンデンサに印加されている全電圧から個々のコンデン
    サが分担すべき電圧目標値を求め、かつ各コンデンサご
    とにコンデンサ印加電圧の実際値を検出し、前記電圧目
    標値と任意コンデンサの電圧実際値との偏差を零にする
    電圧調節信号を求めて前記自動電圧調整信号に加算し、
    前記の任意コンデンサに並列接続されているDC−DC
    コンバータのスイッチング素子の導通率を上記加算結果
    にもとづいて調節することを特徴とするDC−DCコン
    バータの直列運転方式。
JP5198986A 1986-03-10 1986-03-10 Dc−dcコンバ−タの直列運転方式 Granted JPS62210861A (ja)

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