JP5444973B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、オルタネータ等の発電機が出力した電力を変換する電力変換装置に関する。
従来、航空機では、エンジンによって回転するオルタネータ(発電機)が出力する3相交流電圧を、整流回路によって直流電圧へ変換し、当該直流電圧をスイッチングシャントによって所定の電圧まで降圧し、当該直流電圧からDC/DCコンバータによって各種電圧を生成し、これら電圧を各種負荷へ供給している。
このような電源電圧の制御に関する発明として、下記特許文献1には、シャントレギュレータをスイッチング形で構成することで、制御素子のオン抵抗を小さくし、スイッチング発熱量を小さくすることができるスイッチング方式シャントレギュレータが開示されている。
また、下記特許文献2には、交流電圧から整流によって生成した直流電圧を昇圧チョッパ回路により昇圧し、昇圧した直流電圧をコンデンサに充電し、当該コンデンサの電圧から降圧チョッパ回路により大きな充電電流を発生させ、この充電電流でバッテリを短時間で充電する充電装置が開示されている。
そして、一般的に、下記特許文献1及び下記特許文献2に記載されているような整流回路の出力側には、平滑コンデンサが取り付けられており、この平滑コンデンサによって電圧のリップルを低減する。
特開昭63−209463号公報 特開2002−325368号公報
ところで、上記従来技術では、整流後の電圧のリップルを低減する為に、整流回路の出力側に平滑コンデンサが取り付けられている。そして、航空機では、オルタネータの高速回転時に整流後の電圧が高くなり、またオルタネータの低速回転時に3相交流電圧の周波数の低下によって整流後の電圧のリップルも周波数が低下する為、高耐圧かつ大容量のコンデンサを平滑コンデンサとして用いる必要がある。しかしながら、航空機に搭載可能なフィルムコンデンサで高耐圧かつ大容量を満たす為には、フィルムコンデンサのサイズが大きくなってしまい、その為このようなフィルムコンデンサを航空機等のサイズ制限の厳しい用途に搭載することは、大変難しい。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、交流電圧の周波数が低い場合でも、小容量のコンデンサで十分に電圧のリップルを低減することができる電力変換装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明では、電力変換装置に係る第1の解決手段として、両極性の交流電力を片極性の電力に変換し、当該片極性の電力を出力する両極性/片極性電力変換回路と、前記片極性の電力の電圧のリップルを低減する平滑コンデンサとを具備する電力変換装置であって、前記両極性/片極性電力変換回路が出力する前記片極性の電力の電圧に含まれるリップルを所定の周波数まで高め、当該片極性の電力の電圧を前記平滑コンデンサへ出力する高周波化回路を具備するという手段を採用する。
本発明では、電力変換装置に係る第2の解決手段として、上記第1の解決手段において、前記高周波化回路は、前記高周波化回路は、前記両極性/片極性電力変換回路が出力する前記片極性の電力の電圧に含まれるリップルの周波数が所定のしきい値より低い場合に、前記片極性の電力の電圧に含まれるリップルの周波数を前記しきい値より高め、当該片極性の電力の電圧を前記平滑コンデンサへ出力するという手段を採用する。
本発明では、電力変換装置に係る第3の解決手段として、上記第1または第2の解決手段において、前記高周波化回路は、直流チョッパ回路であるという手段を採用する。
本発明では、電力変換装置に係る第4の解決手段として、上記第3の解決手段において、前記直流チョッパ回路は、昇圧チョッパ回路であるという手段を採用する。
本発明によれば、両極性の交流電圧を片極性の電圧に変換し、当該片極性の電圧を出力する両極性/片極性電力変換回路と、片極性の電圧のリップルを低減する平滑コンデンサとを具備する電力変換装置であって、両極性/片極性電力変換回路が出力する片極性の電圧に含まれるリップルを所定の周波数まで高め、当該片極性の電圧を平滑コンデンサへ出力する高周波化回路を具備する。
これにより、本発明では、交流電圧の周波数が低い場合、すなわち両極性/片極性電力変換回路が出力する片極性の電圧に周波数の低いリップルが存在している場合であっても、高周波化回路によって当該片極性の電圧のリップルの周波数を高めることができる為に、小容量の平滑コンデンサであっても、十分に片極性の電圧のリップルを低減することができる。
本発明の一実施形態に係る電力変換装置Aの構成を示す回路図である。 本発明の一実施形態に係る電力変換装置Aの昇圧チョッパ回路2に昇圧動作を実行させずにMOSFET23を常にOFFにした場合の整流用ブリッジ回路1に入力された3相交流電力のU相‐V相線間電圧の波形図と、整流用ブリッジ回路1が出力する片極性の電圧V1の波形図と、平滑コンデンサ3が出力する直流電圧V2の波形図と、降圧チョッパ回路4が出力する直流電圧V3の波形図である。 本発明の一実施形態に係る電力変換装置Aの昇圧チョッパ回路2に昇圧動作を実行させた場合の整流用ブリッジ回路1に入力された3相交流電圧のU相‐V相線間電圧の波形図と、整流用ブリッジ回路1が出力する片極性の電圧V1の波形図と、平滑コンデンサ3が出力する直流電圧V2の波形図と、降圧チョッパ回路4が出力する直流電圧V3の波形図である。
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。本実施形態は、オルタネータ等の発電機から入力された電力を変換する電力変換装置に関する。
まず、電力変換装置Aの回路構成について、図1を参照して、説明する。図1は、本実施形態に係る電力変換装置Aの構成を示す回路図である。
電力変換装置Aは、エンジン(図示略)の回転によってオルタネータBから入力された3相交流電力の整流及び降圧を行い、直流電力を負荷Cへ出力するものであり、図1に示すように、整流用ブリッジ回路1(両極性/片極性電力変換回路)、昇圧チョッパ回路2(高周波化回路)、平滑コンデンサ3、降圧チョッパ回路4から構成されている。
整流用ブリッジ回路1は、オルタネータBから入力された3相交流電力を片極性の電力の電圧に変換し、当該電力を昇圧チョッパ回路2へ出力するものであり、図1に示すように、3相の交流電力に応じた整流用ダイオード11a〜11f、出力端子12a,12bを備えている。
整流用ダイオード11aは、カソード端子が、正極側の出力端子12aに接続され、アノード端子が、オルタネータBのU相巻線及び整流用ダイオード11dのカソード端子に接続されている。
整流用ダイオード11bは、カソード端子が、正極側の出力端子12aに接続され、アノード端子が、オルタネータBのV相巻線及び整流用ダイオード11eのカソード端子に接続されている。
整流用ダイオード11cは、カソード端子が、正極側の出力端子12aに接続され、アノード端子が、オルタネータBのW相巻線及び整流用ダイオード11fのカソード端子に接続されている。
整流用ダイオード11dは、カソード端子が、オルタネータBのU相巻線及び整流用ダイオード11aのアノード端子に接続され、アノード端子が、負極側の出力端子12bに接続されている。
整流用ダイオード11eは、カソード端子が、オルタネータBのV相巻線及び整流用ダイオード11bのアノード端子に接続され、アノード端子が、負極側の出力端子12bに接続されている。
整流用ダイオード11fは、カソード端子が、オルタネータBのW相巻線及び整流用ダイオード11cのアノード端子に接続され、アノード端子が、負極側の出力端子12bに接続されている。
出力端子12a,12bは、上記整流用ダイオード11a〜11fにおいて生成された片極性の電力を昇圧チョッパ回路2へ出力するための一対の接続端子であり、正極側の出力端子12aは昇圧チョッパ回路2の入力側の一端に接続され、負極側の出力端子12bは昇圧チョッパ回路2の入力側の他端に接続されている。
昇圧チョッパ回路2は、チョッピング動作によって整流用ブリッジ回路1から供給された片極性の電力を昇圧し、平滑コンデンサ3へ出力するのであり、入力端子21a,21b、リアクトル22、MOSFET23、ダイオード24、出力端子25a,25b、電圧センサ26、昇圧PWM制御部27を備えている。
入力端子21a,21bは、整流用ブリッジ回路1から片極性の電力を入力するための一対の接続端子であり、正極側の入力端子21aは整流用ブリッジ回路1の正極側の出力端子12aに接続され、負極側の入力端子21bは整流用ブリッジ回路1の負極側の出力端子12bに接続されている。
リアクトル22は、一端が正極側の入力端子21aに接続され、他端がMOSFET23のドレイン端子及びダイオード24のアノード端子に接続されている。
MOSFET23では、ドレイン端子がリアクトル22の他端及びダイオード24のアノード端子に接続され、ソース端子が、負極側の入力端子21b及び出力端子25bに接続され、さらにゲート端子が昇圧PWM制御部27に接続されている。
ダイオード24は、アノード端子がリアクトル22の他端及びMOSFET23のドレイン端子に接続され、カソード端子が正極側の出力端子25aに接続されている。
出力端子25a,25bは、チョッピング動作によって昇圧された片極性の電力を平滑コンデンサ3へ出力するための一対の接続端子であり、正極側の出力端子25aは平滑コンデンサ3の一端に接続され、負極側の出力端子25bは平滑コンデンサ3の他端に接続されている。
電圧センサ26は、入力端子21a,21bから入力された片極性の電力の電圧を検出するセンサであり、図1に示すように、一端が正極側の入力端子21aに接続され、他端が負極側の入力端子21bに接続されている。そして、この電圧センサ26は、検出結果に基づいて、入力端子21a,21bから入力された片極性の電力の電圧を示す検出信号Sv1を昇圧PWM制御部27へ出力する。
昇圧PWM制御部27は、MOSFET23と信号の入出力を行うインタフェース回路等から構成されており、検出信号Sv1に基づいて、PWM制御によりMOSFET23にON/OFFを繰り返し実行させる。昇圧チョッパ回路2では、MOSFET23がON/OFFを繰り返し実行することで、整流用ブリッジ回路1から入力された片極性の電力の電圧を昇圧する。なお、昇圧PWM制御部27は、半導体デバイス等のハードウェアのみによって制御を行う制御回路であってもよいし、またCPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)及びRAM(Random Access Memory)から構成され、上記ROMに記憶された制御プログラムに基づいて制御を行うソフトウェアを用いた制御回路であってもよい。
平滑コンデンサ3は、昇圧チョッパ回路2が出力した片極性の電力の電圧の平滑化、すなわち片極性の電力の電圧のリップルを低減することを目的として設けられた小容量のコンデンサあり、一端が昇圧チョッパ回路2の正極側の出力端子25a及び降圧チョッパ回路4の入力側の一端に接続され、他端が昇圧チョッパ回路2の負極側の出力端子25b及び降圧チョッパ回路4の入力側の他端に接続されている。
降圧チョッパ回路4は、チョッピング動作によって平滑コンデンサ3から供給される直流電力を降圧し、負荷Cへ出力するものであり、入力端子41a,41b、MOSFET42、ダイオード43、リアクトル44、コンデンサ45、出力端子46a,46b及び降圧PWM制御部47を備えている。
入力端子41a,41bは、平滑コンデンサ3から直流電力を入力するための一対の接続端子であり、正極側の入力端子41aは昇圧チョッパ回路2の正極側の出力端子25a及び平滑コンデンサ3の一端に接続され、負極側の入力端子41bは昇圧チョッパ回路2の負極側の出力端子25b及び平滑コンデンサ3の他端に接続されている。
MOSFET42では、ドレイン端子が正極側の入力端子41aに接続され、ソース端子が、ダイオード43のカソード端子、リアクトル44の一端に接続され、さらにゲート端子が降圧PWM制御部47に接続されている。
ダイオード43は、アノード端子が負極側の入力端子41b、コンデンサ45の一方の端子及び負極側の出力端子46bに接続され、カソード端子がMOSFET42のソース端子及びリアクトル44の一端に接続されている。
リアクトル44は、一端がMOSFET42のソース端子及びダイオード43のカソード端子に接続され、他端がコンデンサ45の一端及び正極側の出力端子46aに接続されている。
コンデンサ45は、負荷Cへ出力する直流電力の電圧の平滑化、すなわち直流電力の電圧のリップルを低減することを目的として設けられたものであり、一端が、リアクトル44の他端及び正極側の出力端子46aに接続され、他端が、負極側の入力端子41b、ダイオード43のアノード端子及び負極側の出力端子46bに接続されている。
出力端子46a,46bは、チョッピング動作によって降圧された直流電力の電圧を負荷Cへ出力するための一対の接続端子であり、正極側の出力端子46aは、負荷Cの入力側の一端に接続され、負極側の出力端子46bは、負荷Cの入力側の他端に接続されている。
降圧PWM制御部47は、MOSFET42と信号の入出力を行うインタフェース回路等から構成されており、PWM制御によりMOSFET42にON/OFFを繰り返し実行させる。降圧チョッパ回路4では、MOSFET42がON/OFFを繰り返し実行することで、平滑コンデンサ3から入力された直流電力の電圧を降圧する。なお、降圧PWM制御部47は、半導体デバイス等のハードウェアのみによって制御を行う制御回路であってもよいし、またCPU、ROM及びRAMから構成され、上記ROMに記憶された制御プログラムに基づいて制御を行うソフトウェアを用いた制御回路であってもよい。
次に、このように構成された本実施形態に係る電力変換装置Aの動作について、詳しく説明する。
エンジンが回転を開始すると、オルタネータBは、3相交流電力の出力を開始する。そして、エンジンの回転数に比例して、U相‐V相線間電圧及び周波数は上昇する。すなわち、オルタネータBが出力する交流電力の電圧及び周波数は、比例関係にある。
電力変換装置Aでは、整流用ブリッジ回路1が、オルタネータBから入力された3相交流電力を片極性の電力へ変換し、当該片極性の電力を昇圧チョッパ回路2へ出力する。
昇圧チョッパ回路2では、入力端子21a,21bから片極性の電力が入力されると、電圧センサ26が、昇圧PWM制御部27に検出信号Sv1を出力する。
昇圧PWM制御部27は、検出信号Sv1に基づいて、整流用ブリッジ回路1から入力された片極性の電圧がしきい値を超えているか否か判断する。昇圧PWM制御部27は、整流用ブリッジ回路1から入力された片極性の電圧がしきい値を超えていない場合に、MOSFET23にチョッピング動作を実行させることで、出力端子25a,25から出力する片極性の電圧をしきい値と一致する。
このように、昇圧チョッパ回路2において、昇圧PWM制御部27が、整流用ブリッジ回路1から入力された片極性の電圧がしきい値を超えていない場合、すなわち片極性の電圧に含まれるリップルの周波数がしきい値電圧に対応した周波数より低い場合に、MOSFET23にチョッピング動作を実行させることで、片極性の電圧をしきい値まで昇圧すると共に片極性の電圧に含まれるリップルをチョッピング動作に応じた周波数まで高める。なお、昇圧チョッパ回路2のチョッピング周波数は、しきい値を超えていない片極性の電圧の周波数よりも100倍程度高い。
これにより、リップルの周波数の低い片極性の電圧が、整流用ブリッジ回路1から平滑コンデンサ3に供給されることを抑制することができる。
電力変換装置Aの動作結果について、図2及び図3を参照して、詳しく説明する。
図2は、本実施形態に係る電力変換装置Aの昇圧チョッパ回路2に昇圧動作を実行させずにMOSFET23を常にOFFにした場合の整流用ブリッジ回路1に入力された3相交流電力のU相‐V相線間電圧の波形図と、整流用ブリッジ回路1が出力する片極性の電圧V1の波形図と、平滑コンデンサ3が出力する直流電圧V2の波形図と、降圧チョッパ回路4が出力する直流電圧V3の波形図である。なお、図2(a)が、整流用ブリッジ回路1に入力された3相交流電力のU相‐V相線間電圧の波形を示し、図2(b)が、整流用ブリッジ回路1が出力する片極性の電圧V1の波形を示し、図2(c)が、平滑コンデンサ3が出力する直流電圧V2の波形を示し、図2(d)が、降圧チョッパ回路4が出力する直流電圧V3の波形を示している。
図3は、本実施形態に係る電力変換装置Aの昇圧チョッパ回路2に昇圧動作を実行させた場合の整流用ブリッジ回路1に入力された3相交流電力のU相‐V相線間電圧の波形図と、整流用ブリッジ回路1が出力する片極性の電圧V1の波形図と、平滑コンデンサ3が出力する直流電圧V2の波形図と、降圧チョッパ回路4が出力する直流電圧V3の波形図である。なお、図3(a)が、整流用ブリッジ回路1に入力された3相交流電力のU相‐V相線間電圧の波形を示し、図3(b)が、整流用ブリッジ回路1が出力する片極性の電圧V1の波形を示し、図3(c)が、平滑コンデンサ3が出力する直流電圧V2の波形を示し、図3(d)が、降圧チョッパ回路4が出力する直流電圧V3の波形を示している。そして、図2及び図3では、縦軸が電圧(V)を示し、横軸が時間を示す。なお、図2及び図3におけるVa、Va´、Vb、Vd及びVd´は、図2と図3とを比較する上の基準値である。
電力変換装置Aでは、昇圧チョッパ回路2に昇圧動作を実行させずにMOSFET23を常にOFFにした場合に、図2(b)及び(c)に示すように、整流用ブリッジ回路1が出力する片極性の電圧V1と、平滑コンデンサ3が出力する直流電圧V2との波形は、同じである。その為、図2(a)に示すU相‐V相線間電圧の低周波数の範囲では、片極性の電圧V1及び直流電圧V2のリップルの周波数も低くなる。そして、直流電圧V2のリップルの周波数が低い場合に、小容量の平滑コンデンサ3では、直流電圧V2のリップルを十分に低減することが出来ない為、図2(d)に示すように、降圧チョッパ回路4が出力する直流電圧V3にリップルが残ってしまう。
しかしながら、電力変換装置Aにおいて、昇圧チョッパ回路2に昇圧動作を実行させた場合に、図3(a)に示すU相‐V相線間電圧の低周波数の範囲において、片極性の電圧V1に存在していたリップルが、直流電圧V2では、十分に低減されている。これは、昇圧チョッパ回路2によって、片極性の電圧V1のリップルの周波数が高くなることで、平滑コンデンサ3でリップルが十分に低減されるからである。これにより、図3(d)に示すように、降圧チョッパ回路4が出力する直流電圧V3のリップルが十分に低減される。
以上のように、本実施形態に係る電力変換装置Aでは、整流用ブリッジ回路1が出力した片極性の電圧V1に含まれるリップルを、昇圧チョッパ回路2によって、所定の周波数まで高める。これにより、電力変換装置Aでは、オルタネータBが出力する3相交流電力の電圧の周波数が低い場合、すなわち整流用ブリッジ回路1が出力する片極性の電圧V1に周波数の低いリップルが存在している場合であっても、昇圧チョッパ回路2によって当該片極性の電圧V1のリップルの周波数を高めることができる為に、小容量の平滑コンデンサ3であっても、十分に片極性の電圧V1のリップルを低減することができる。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、例えば以下のような変形が考えられる。
(1)上記実施形態に係る電力変換装置Aでは、昇圧チョッパ回路2によって、整流用ブリッジ回路1が出力した片極性の電圧V1に含まれるリップルの周波数を高めたが、本発明はこれに限定されない。
例えば、昇圧チョッパ回路2の代わりに、降圧チョッパ回路を平滑コンデンサ3の前段に搭載し、この降圧チョッパ回路によって整流用ブリッジ回路1が出力した片極性の電圧のリップルの周波数を高めるようにしてもよい。
また整流用ブリッジ回路1が出力した片極性の電圧V1を反転すると共に位相をシフトした電圧を生成し、当該電圧を片極性の電圧V1に重ねることで、リップルの周波数を高めるようにしてもよい。
(2)上記実施形態に係る電力変換装置Aでは、整流用ブリッジ回路1が両極性の交流電力を片極性の電力に変換し、昇圧チョッパ回路2が当該電力の電圧をチョッピングしているが、本発明はこれに限定されない。
例えば、1つのダイオードが両極性の交流電力を片極性の電力に変換し、当該片極性の電力を昇圧チョッパ回路2がチョッピングするようにしてもよい。すなわち、本発明の両極性/片極性電力変換回路は、整流用ブリッジ回路に限定されない。
A…電力変換装置、B…オルタネータ、C…負荷、1…整流用ブリッジ回路、2…昇圧チョッパ回路、3…平滑コンデンサ、4…降圧チョッパ回路、11…整流用ブリッジ回路、11a〜11f…整流用ダイオード、12a,12b…出力端子、21a,21b…入力端子、22…リアクトル、23…MOSFET、24…ダイオード、25a,25b…出力端子、26…電圧センサ、27…昇圧PWM制御部、41a,41b…入力端子、42…MOSFET、43…ダイオード、44…リアクトル、45…コンデンサ、46a,46b…出力端子、47…降圧PWM制御部

Claims (2)

  1. 両極性の交流電力を片極性の電力に変換し、当該片極性の電力を出力する両極性/片極性電力変換回路と、前記片極性の電力の電圧のリップルを低減する平滑コンデンサとを具備する電力変換装置であって、
    前記両極性/片極性電力変換回路が出力する前記片極性の電力の電圧が所定のしきい値を超えていない場合に、チョッピング動作によって前記片極性の電力の電圧を昇圧すると共に、前記片極性の電力の電圧に含まれるリップルを所定の周波数まで高め、当該片極性の電力の電圧を前記平滑コンデンサへ出力する昇圧チョッパ回路と、
    前記平滑コンデンサが出力する前記片極性の電力の電圧を降圧し、外部に出力する降圧チョッパ回路とを具備することを特徴とする電力変換装置。
  2. 両極性の交流電力を片極性の電力に変換し、当該片極性の電力を出力する両極性/片極性電力変換回路と、前記片極性の電力の電圧のリップルを低減する平滑コンデンサとを具備する電力変換装置であって、
    前記両極性/片極性電力変換回路が出力する前記片極性の電力の電圧を反転すると共に位相をシフトした電圧を生成し、当該電圧を前記片極性の電力の電圧に重ねることで、リップルの周波数を高め、当該片極性の電力の電圧を前記平滑コンデンサへ出力する高周波化回路を具備することを特徴とする電力変換装置。
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