WO2011036896A1 - 相電流検出装置、及びそれを用いた電力変換装置 - Google Patents
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Definitions
- the inverter circuit changes the switching state of each of the plurality of switching elements to convert direct current into alternating current. Therefore, if the frequency of the carrier signal (carrier frequency) can be increased, the responsiveness of output control is improved (that is, control). (Band is expanded). For this purpose, for example, in a PWM control inverter circuit, it is necessary to increase the switching speed. For example, if a switching element composed of a wide band gap semiconductor is used, the switching speed is increased (for example, 10 times or more of the conventional). Therefore, it can be expected to increase the carrier frequency.
- the carrier frequency switching frequency
- the width of the voltage pulse generated in the shunt resistor is reduced, so that it is necessary to increase the speed of the components constituting the phase current detector.
- the waveform of the voltage pulse output from the shunt resistor is distorted due to ringing or the like for a predetermined period from the rise, the phase current cannot be measured unless a predetermined time is waited until the voltage stabilizes. That is, when the carrier frequency is increased, it may be difficult to ensure the pulse width necessary for detecting the phase current. For this, for example, it is considered that detection is possible by using Hall CT (Current Transformer). However, this increases the cost of the phase current detection device as compared with the case of using a shunt resistor.
- inverter control is performed during the inverter control period (T2), and a predetermined alternating current is output.
- a phase current detection period (T1) is provided separately from the inverter control period (T2) in which the inverter control is performed, and the detection unit (5) detects the voltage pulse in the phase current detection period (T1). The phase current is detected. Even in this power converter, the voltage pulse of the phase current detection period (T1) may be disturbed by ringing for a predetermined period from the rising edge.
- the control unit (4) controls the phase current detection period (T1) so that a voltage pulse having a pulse width larger than the voltage pulse during inverter control is output from the shunt resistor (R). ing.
- phase current detection period (T1) when using voltage pulses during inverter control. It can be secured.
- phase current detection period (T1) is longer than the inverter control period (T2).
- phase current detection period (T1) is longer than the inverter control period (T2), the width of the voltage pulse in the phase current detection period (T1) can be increased.
- a shunt resistor (R) is provided between the negative DC bus (N) and the DC power supply (2), so each phase (U phase, V) Phase current of W phase). That is, the phase current (Iu, Iv, Iw) of each phase can be detected with one shunt resistor (R).
- the fourth invention is In the phase current detection device of the first or second invention,
- the plurality of switching elements constitute a plurality of switching legs (leg1, leg2, leg3) in which two switching elements (Sup, ..., Swn) are connected in series,
- Each switching leg (leg1, leg2, leg3) is connected between the positive and negative DC buses (P, N) in the inverter circuit (3), and each intermediate point is connected to the load (6)
- the shunt resistor (R1, R2, R3) is provided in each switching leg (leg1, leg2, leg3).
- switching is performed by switching elements (Sup,..., Swn) made of a wide band gap semiconductor. That is, in this inverter circuit (3), switching speed can be increased.
- switching elements using a wide band gap semiconductor are employed for the switching elements (Sup,..., Swn) of the upper arm and the lower arm. More specifically, the switching elements (Sup,..., Swn) are SiC MOSFETs (SiC: Silicon Carbide, silicon carbide). In addition to the SiC MOSFET, it is possible to use a switching element formed of a semiconductor mainly made of gallium nitride (GaN) or diamond (C).
- GaN gallium nitride
- C diamond
- a voltage pulse corresponding to the U-phase phase current (Iu) is output from the shunt resistor (R) during the first half period (first period), and the second half period (first period).
- the control unit (4) switches the switching elements (Sup,..., Swn) so that a voltage pulse corresponding to the phase current (Iv) of the V phase is output from the shunt resistor (R) in the 2nd period.
- the switching element (Swp) on the upper arm side is controlled to be on during the period t1 to t7 of the inverter control period (T2), and the inverter control period (T2) Control off during other periods.
- the width of the voltage pulse is controlled to be larger than the voltage pulse in the inverter control period (T2). Therefore, even if waiting for detection of the current until the ringing is settled and the voltage is stabilized, It is possible to secure a longer time for measuring the phase current than when using voltage pulses during inverter control.
- control when the phase current is detected, control is performed so that the U phase and the V phase are not switched simultaneously. However, control may be performed so that these phases are switched simultaneously. .
- phase current (Iw) in the above example becomes inaccurate.
- the phase current can be obtained more accurately.
- the phase current detection period (T1) is provided for all three phases, the average value of the output voltage during the phase current detection period (T1) for all three phases can be made zero, so the three-phase output voltage is unbalanced. Don't be.
- FIG. 4 shows the waveforms of the gate signals (Gup, Gvp, Gwp) and shunt resistances (R) given to the gates of the switching elements (Sup, Svp, Swp) on the upper arm side by the phase current detection device of the second modification. It is a figure explaining a voltage waveform.
- a period corresponding to two carrier cycles is used as a phase current detection period (T1) for detecting one phase current.
- the example in FIG. 4 shows the waveform of the gate signal when measuring the V-phase current (Iv), and the control unit (4) outputs the gate signal (Gvp) during the phase current detection period (T1). ing.
- the shunt resistor (R1) has a U-phase current (Iu)
- the shunt resistor (R2) has a V-phase current (Iv)
- the shunt resistor (R3) has a W-phase current (Iw).
- the control unit (4) turns on all the three switching elements (Sun, Svn, Swn) on the lower arm side.
- the U phase current (Iu) is applied to the shunt resistor (R1)
- the V phase current (Iv) is applied to the shunt resistor (R2)
- the W phase current (Iv) is applied to the shunt resistor (R3).
- voltage pulses are generated at both ends of each shunt resistor (R1, R2, R3). The waveform of these voltage pulses is disturbed by ringing for a predetermined period from the rising edge.
- ⁇ Switching pattern example 1> In the example of FIG. 3 described in the first embodiment, since the current is detected using V4 (100) and V2 (010), the output voltage of the inverter circuit (3) is lowered. Therefore, in switching pattern example 1, an example of a switching pattern that can prevent the output voltage from being lowered will be described.
- FIG. 9 is an example of a switching pattern that can prevent the output current of the inverter circuit (3) from increasing.
- FIG. 9 shows an example in the case of
- the reason why the current Iw having the smallest absolute value is not detected is that the magnitude of each phase current is determined from the previous detected value or the like, and the sign may change at the current Iw closest to zero. Because.
- the voltage resolution is improved because the detection circuit for the voltage across the shunt resistor only needs to be configured to detect only positive voltages.
- Embodiment 4 of the Invention an example of a phase current detection device capable of compensating for a voltage offset of a shunt resistor (hereinafter, offset compensation) will be described. Specifically, in the first embodiment (including each modification) or the second embodiment, a switching pattern in which a phase current (motor current) does not flow in the shunt resistor is selected, and the voltage at that time is detected (offset detection). Offset compensation is performed using the detected value (offset detected value).
- the voltage vectors V0 and V7 are selected in the phase current detection device (Embodiment 1 or the like) having one shunt resistor.
- each switching element (Sup,..., Swn) is an example, and the present invention is not limited to this.
- a switching element may be appropriately selected in consideration of a carrier frequency (switching frequency) and the like.
- so-called synchronous rectification may be performed by omitting external free-wheeling diodes (Dup,..., Dwn).
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Abstract
Description
複数のスイッチング素子(Sup,…,Swn)のスイッチング状態をそれぞれ変化させて直流を交流に変換するインバータ回路(3)における出力交流の相電流を検出する相電流検出装置であって、
前記相電流に応じた電圧の電圧パルスを出力するシャント抵抗(R)と、
各スイッチング素子(Sup,…,Swn)のスイッチング状態をそれぞれ変化させて前記出力交流の電流又は電圧を制御するインバータ制御を所定長さのインバータ制御期間(T2)単位で繰り返す制御部(4)と、
前記電圧パルスに基づいて前記相電流を検出する検出部(5)と、
を備え、
前記制御部(4)は、前記相電流を検出する相電流検出期間(T1)を所定のインバータ制御期間(T2)同士の間に設けて、前記インバータ制御期間(T2)における前記電圧パルスの幅よりも大きな幅の電圧パルスが前記相電流検出期間(T1)に前記シャント抵抗(R)から出力されるように各スイッチング素子(Sup,…,Swn)のスイッチング状態を制御し、
前記検出部(5)は、前記相電流検出期間(T1)の電圧パルスによって前記相電流を検出することを特徴とする。
第1の発明の相電流検出装置において、
前記相電流検出期間(T1)は、前記インバータ制御期間(T2)よりも長い期間であることを特徴とする。
第1又は第2の発明の相電流検出装置において、
前記シャント抵抗(R)は、前記インバータ回路(3)における負側の直流母線(N)と、前記直流を出力する直流電源(2)との間に設けられていることを特徴とする。
第1又は第2の発明の相電流検出装置において、
前記複数のスイッチング素子(Sup,…,Swn)は、2つのスイッチング素子(Sup,…,Swn)が直列接続された複数のスイッチングレグ(leg1,leg2,leg3)を構成し、
各スイッチングレグ(leg1,leg2,leg3)は、前記インバータ回路(3)における正側及び負側の直流母線(P,N)間に接続されるとともに、それぞれの中間点が負荷(6)に接続され、
前記シャント抵抗(R1,R2,R3)は、各スイッチングレグ(leg1,leg2,leg3)に設けられていることを特徴とする。
複数のスイッチング素子(Sup,…,Swn)のスイッチング状態をそれぞれ変化させて直流を交流に変換するインバータ回路(3)と、
第1から第4の発明のうちの何れか1つの相電流検出装置と、
を備え、
それぞれのスイッチング素子(Sup,…,Swn)は、ワイドバンドギャップ半導体で構成されていることを特徴とする電力変換装置である。
〈概要〉
以下では、本発明の実施形態に係る相電流検出装置を電力変換装置に適用した例を説明する。図1は、本発明の実施形態1に係る相電流検出装置(1)を適用した電力変換装置(10)の構成を示すブロック図である。この電力変換装置(10)は、相電流検出装置(1)、コンバータ回路(2)(直流電源)、及びインバータ回路(3)を備えている。そして、電力変換装置(10)には交流電源(7)が接続されており、交流電源(7)が出力した交流(以下、入力交流という)を三相交流(以下、出力交流という)に変換し、負荷であるモータ(6)に供給するようになっている。このモータ(6)は、例えば空気調和機の冷媒回路に設けられた圧縮機を駆動するものである。
以下では、電力変換装置(10)の各構成要素について詳述する。
本実施形態のコンバータ回路(2)は、ブリッジ接続された4つのダイオード(D1,…,D4)、リアクトル(2a)、及び平滑コンデンサ(2b)を備え、前記入力交流を全波整流する。このコンバータ回路(2)の出力はインバータ回路(3)に設けられた正負1対の直流母線(P,N)(後述)に接続されている。具体的に、このコンバータ回路(2)では、図1に示すように、リアクトル(2a)は、コンバータ回路(2)の正側の出力と、インバータ回路(3)の正側の直流母線(P)とに接続され、平滑コンデンサ(2b)は、インバータ回路(3)の2つの直流母線(P,N)間に接続されている。
このインバータ回路(3)は、複数のスイッチング素子のスイッチング状態をそれぞれ変化させて、コンバータ回路(2)が出力した直流を交流に変換してモータ(6)(負荷)に供給するようになっている。具体的には、本実施形態のインバータ回路(3)は、図1に示すように、上アームを構成する3つのスイッチング素子(Sup,Svp,Swp)及び3つの還流ダイオード(Dup,Dvp,Dwp)、下アームを構成する3つのスイッチング素子(Sun,Svn,Swn)及び3つの還流ダイオード(Dun,Dvn,Dwn)を備えている。また、このインバータ回路(3)には、正負1対の直流母線(P,N)が設けられており、これらの直流母線(P,N)には、コンバータ回路(2)が出力した直流が供給されている。
このインバータ回路(3)では、上アーム及び下アームの各スイッチング素子(Sup,…,Swn)に、ワイドバンドギャップ半導体を用いたスイッチング素子を採用している。より具体的には、スイッチング素子(Sup,…,Swn)は、SiC MOSFET(SiC:Silicon Carbide,炭化ケイ素)である。なお、SiC MOSFETの他にも、窒化ガリウム(GaN)、あるいはダイヤモンド(C)を主材料とした半導体で形成されたスイッチング素子等を用いることが可能である。
相電流検出装置(1)は、前記出力交流の各相電流(Iu,Iv,Iw)を検出し、それぞれの検出結果(相電流値)を示す電流値信号を出力するようになっている。この電流値信号は、電力変換装置(10)の制御や、インバータ回路(3)を過電流から保護するためなどの目的に使用することができる。具体的に、本実施形態の相電流検出装置(1)は、シャント抵抗(R)、制御部(4)、及び検出部(5)を備えている。
シャント抵抗(R)は、負荷(モータ(6))からの電流が流れ込む位置に配置されている。この例では、シャント抵抗(R)は、インバータ回路(3)の負側の直流母線(N)とコンバータ回路(2)の負側ノード(より詳しくは平滑コンデンサ(2b)よりもモータ(6)寄りのノード)との間に設けられている。このシャント抵抗(R)にモータ(6)からの電流が流れると、シャント抵抗(R)の両端には電圧差が生じ、この両端間の電圧を検出することで相電流(Iu,Iv,Iw)を算出することができる。
制御部(4)は、インバータ回路(3)の各スイッチング素子(Sup,…,Swn)のゲートに印加するゲート信号(Gup,…,Gwn)を生成する。そして、各スイッチング素子(Sup,…,Swn)のスイッチング状態を遷移させることによって、前記出力交流の電流又は電圧を制御するインバータ制御と、相電流検出の制御を行う。
この制御部(4)は、前記インバータ制御を所定長さのインバータ制御期間(T2)単位で繰り返す。具体的には、制御部(4)が行うインバータ制御はPWM制御であり、キャリア信号に同期して前記出力交流の電圧を制御する。前記インバータ制御期間(T2)は、キャリア信号の周期(キャリア周期)と同じ長さの期間である。
このインバータ回路(3)では、前記出力交流の相電流(Iu,Iv,Iw)を検出する相電流検出期間(T1)を所定のインバータ制御期間(T2)同士の間に設けている。このインバータ回路(3)では、インバータ制御期間(T2)単位でインバータ制御が繰り返されており、所定の間隔(例えば、200μsec)で、インバータ制御期間(T2)とインバータ制御期間(T2)の間に相電流検出期間(T1)が設けられる。この例では、相電流検出期間(T1)は、キャリア周期の1周期分の期間であり、連続した2つの相電流検出期間(T1)が、インバータ制御期間(T2)同士の間に挿入されている。これら2つの相電流検出期間(T1)のうち、前半の期間(第1期間)にU相の相電流(Iu)に応じた電圧パルスがシャント抵抗(R)から出力され、後半の期間(第2期間)にV相の相電流(Iv)に応じた電圧パルスがシャント抵抗(R)から出力されるように、制御部(4)が、各スイッチング素子(Sup,…,Swn)のスイッチング状態を制御する。
検出部(5)は、相電流検出期間(T1)にシャント抵抗(R)に生じた電圧パルスが立ち上がってから、該電圧パルスに生じたリンギングが収まる程度の所定時間が経過した後に、電圧パルスの電圧値を検出し、検出値とシャント抵抗(R)の抵抗値から相電流を求めてその検出結果を出力する。図2は、検出部(5)の構成例を示すブロック図である。この例では、検出部(5)は、シャント抵抗(R)が出力した電圧パルスを入力とした作動増幅器(5a)と該作動増幅器(5a)の出力をA/D変換するA/D変換器(5b)によって構成している。
〈インバータ制御期間(T2)における動作〉
PWM制御の際に制御部(4)が各スイッチング素子(Sup,…,Swn)に印加するゲート電圧のパターン(波形)は、従来のインバータ回路で行われるPWM制御と同じである。ただし、既述の通りこのインバータ回路(3)では、その際のキャリア周波数が従来のインバータ回路よりも高い。図3は、上アーム側の各スイッチング素子(Sup,Svp,Swp)のゲートにそれぞれ与えるゲート信号(Gup,Gvp,Gwp)の波形とシャント抵抗(R)における電圧波形を説明する図である。この図では、ゲート信号(Gup,Gvp,Gwp)がハイレベルに表示されている場合には、その信号に対応した上アーム側のスイッチング素子がオン、それと対になる下アーム側のスイッチング素子がオフであることを示している。逆に、ゲート信号(Gup,Gvp,Gwp)がローレベルに表示されている場合には、そのゲート信号に対応した上アーム側のスイッチング素子がオフ、それと対になる下アーム側のスイッチング素子がオンであることを示している。
一方、相電流検出期間(T1)には、制御部(4)は、前記第1期間に、上アーム側はスイッチング素子(Sup)をオンに、下アーム側はスイッチング素子(Svn)とスイッチング素子(Swn)の2つをオンに、上アーム及び下アームのその他のスイッチング素子をオフにそれぞれ制御する。これにより、第1期間には、シャント抵抗(R)にU相の相電流(Iu)が流れることになる。この相電流(Iu)は、やはりパルス状の電流であり、シャント抵抗(R)の両端には電圧パルスを生ずる。この電圧パルスは、立ち上がりから所定の期間は、やはりリンギングにより波形が乱れている。
以上のように、本実施形態によれば、スイッチング素子(Sup,…,Swn)のスイッチング周波数(キャリア周波数)が従来のインバータ回路よりも高くなっても、検出部(5)において各相の相電流(Iu,Iv,Iw)の検出をより確実に行うことが可能になる。なお、上記のように、インバータ制御が行われていない相電流検出期間(T1)が存在すると、その期間は出力電圧が固定されることになる。しかしながら、本実施形態のように、負荷としてモータ(6)を接続した場合には、モータ(6)の時定数に比べ相電流検出期間(T1)は十分小さいので、電流波形は所望の波形から大きくずれることがなく、実用上の差し支えはない。
なお、上記のU相、V相の検出に加え、さらにW相の相電流値も実際に検出するようにしてもよい。これには、例えば、相電流検出期間(T1)をさらに挿入し、挿入したその期間にW相の相電流値を直接検出すればよい。W相の相電流値を検出するには、制御部(4)によって、上アーム側はスイッチング素子(Swp)をオンに、下アーム側はスイッチング素子(Sun)とスイッチング素子(Svn)の2つをオンに、上アーム及び下アームのその他のスイッチング素子はオフにそれぞれ制御する。
例えば、キャリア周波数がより高周波になって、相電流検出期間(T1)を1キャリア周期としたのでは十分な電圧パルス幅を確保できない場合には、相電流検出期間(T1)を、1キャリア周期分よりも長い期間に設定するとよい。図4は本変形例2の相電流検出装置が上アーム側の各スイッチング素子(Sup,Svp,Swp)のゲートにそれぞれ与えるゲート信号(Gup,Gvp,Gwp)の波形とシャント抵抗(R)における電圧波形を説明する図である。この例では、図4に示すように、1つの相電流を検出する相電流検出期間(T1)として、2キャリア周期分の期間を充てている。なお、図4の例は、V相の相電流(Iv)を測定する場合のゲート信号の波形であり、制御部(4)は相電流検出期間(T1)にゲート信号(Gvp)を出力している。
また、1相当りの検出時間が1キャリア周期よりも短くてもよい場合には、相電流検出期間(T1)を実施形態1等の例よりも短くしてもよい。図5は、相電流検出期間(T1)を0.5キャリア周期にした例である。
図6は、本発明の実施形態2に係る相電流検出装置(21)を適用した電力変換装置(20)の構成を示すブロック図である。この相電流検出装置(21)は、シャント抵抗の数と配置、制御部(4)及び検出部(5)の構成が実施形態1の電力変換装置(10)と異なっている。
本実施形態におけるインバータ制御期間(T2)の動作は、実施形態1の電力変換装置(10)と同じである。
実施形態3では、相電流検出時におけるスイッチングパターンの例を説明する。なお、以下では、各スイッチング素子(Sup,…,Swn)のスイッチングパターンを電圧ベクトルで表示する。図7は、電圧ベクトルV0~V7と各スイッチング素子(Sup,…,Swn)のスイッチング状態の関係を示すテーブルである。なお、図7に示したシャント抵抗の電圧値は、実施形態1の電力変換装置(10)のように1つのシャント抵抗を電流検出に用いる場合の例である。
実施形態1で説明した図3の例では、V4(100)とV2(010)を使って電流を検出しているので、インバータ回路(3)の出力電圧を下げることになる。そこで、スイッチングパターン例1では、出力電圧を低下させないようにできるスイッチングパターン例を説明する。
スイッチングパターン例2では、出力電流を増加させないようにできるスイッチングパターン例を説明する。図9は、インバータ回路(3)の出力電流を増加させないようにできるスイッチングパターンの一例である。図9は、|Iu|>|Iv|>|Iw|,Iu<0,Iv>0,Iw>0の場合の例である。
スイッチングパターン例3では、電圧パルスを常に正にできるスイッチングパターン例を説明する。図10は、電圧パルスを常に正にできるスイッチングパターンの一例である。図10は、|Iu|>|Iv|>|Iw|,Iu<0,Iv>0,Iw>0の場合の例である。
実施形態4では、シャント抵抗の電圧オフセットの補償(以下、オフセット補償)を行うことが可能な相電流検出装置の例を説明する。具体的には、実施形態1(各変形例を含む)又は実施形態2において、シャント抵抗に相電流(モータ電流)が流れないスイッチングパターンを選択し、その時の電圧を検出(オフセット検出)し、検出値(オフセット検出値)を用いてオフセット補償をする。
なお、上記の各実施形態や変形例で示したキャリア周波数や相電流検出期間(T1)の挿入周期は例示である。これらの値は、電力変換装置の用途などを考慮して適宜選択すればよい。
2 コンバータ回路(直流電源)
3 インバータ回路
4 制御部
5 検出部
6 モータ(負荷)
10 電力変換装置
leg1 スイッチングレグ
leg2 スイッチングレグ
leg3 スイッチングレグ
M1,M2,M3 中間点
N,P 直流母線(N)
R,R1,R2,R3 シャント抵抗
Sup,…,Swn スイッチング素子
T1 相電流検出期間
T2 インバータ制御期間
Claims (5)
- 複数のスイッチング素子(Sup,…,Swn)のスイッチング状態をそれぞれ変化させて直流を交流に変換するインバータ回路(3)における出力交流の相電流を検出する相電流検出装置であって、
前記相電流に応じた電圧の電圧パルスを出力するシャント抵抗(R)と、
各スイッチング素子(Sup,…,Swn)のスイッチング状態をそれぞれ変化させて前記出力交流の電流又は電圧を制御するインバータ制御を所定長さのインバータ制御期間(T2)単位で繰り返す制御部(4)と、
前記電圧パルスに基づいて前記相電流を検出する検出部(5)と、
を備え、
前記制御部(4)は、前記相電流を検出する相電流検出期間(T1)を所定のインバータ制御期間(T2)同士の間に設けて、前記インバータ制御期間(T2)における前記電圧パルスの幅よりも大きな幅の電圧パルスが前記相電流検出期間(T1)に前記シャント抵抗(R)から出力されるように各スイッチング素子(Sup,…,Swn)のスイッチング状態を制御し、
前記検出部(5)は、前記相電流検出期間(T1)の電圧パルスによって前記相電流を検出することを特徴とする相電流検出装置。 - 請求項1の相電流検出装置において、
前記相電流検出期間(T1)は、前記インバータ制御期間(T2)よりも長い期間であることを特徴とする相電流検出装置。 - 請求項1の相電流検出装置において、
前記シャント抵抗(R)は、前記インバータ回路(3)における負側の直流母線(N)と、前記直流を出力する直流電源(2)との間に設けられていることを特徴とする相電流検出装置。 - 請求項1の相電流検出装置において、
前記複数のスイッチング素子(Sup,…,Swn)は、2つのスイッチング素子(Sup,…,Swn)が直列接続された複数のスイッチングレグ(leg1,leg2,leg3)を構成し、
各スイッチングレグ(leg1,leg2,leg3)は、前記インバータ回路(3)における正側及び負側の直流母線(P,N)間に接続されるとともに、それぞれの中間点(M1,M2,M3)が負荷(6)に接続され、
前記シャント抵抗(R1,R2,R3)は、各スイッチングレグ(leg1,leg2,leg3)に設けられていることを特徴とする相電流検出装置。 - 複数のスイッチング素子(Sup,…,Swn)のスイッチング状態をそれぞれ変化させて直流を交流に変換するインバータ回路(3)と、
請求項1の相電流検出装置と、
を備え、
それぞれのスイッチング素子(Sup,…,Swn)は、ワイドバンドギャップ半導体で構成されていることを特徴とする電力変換装置。
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