JPH066983A - 逆変換装置 - Google Patents

逆変換装置

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JPH066983A
JPH066983A JP4068515A JP6851592A JPH066983A JP H066983 A JPH066983 A JP H066983A JP 4068515 A JP4068515 A JP 4068515A JP 6851592 A JP6851592 A JP 6851592A JP H066983 A JPH066983 A JP H066983A
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self
circuit
diode
extinguishing
snubber circuit
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JP4068515A
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Inventor
Yoichiro Miyashita
洋一郎 宮下
Kenichi Shibata
謙一 柴田
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SANSHIN DENGU SEIZO KK
Original Assignee
SANSHIN DENGU SEIZO KK
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡単な回路構成で過渡過電圧を抑制できる自
己消弧形モジュールTMで構成された逆変換装置INT
を提供する。 【構成】 1個の抵抗と一個のダイオードで形成される
並列回路に1個のコンデンサを直列接続して成るスナバ
回路TXと自己消弧形モジュールTMとを、導体フレー
ムFRP,FRN 上に短い相互間隔で配設し、両導体フレ
ームの中間点を含み、これ等の導体フレームに垂直な平
面に対して、スナバ回路TXと自己消弧形モジュールT
Mとを対称に配設している。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、直流電源より給電を
受け、自己消弧素子を使用して所定周波数の交流電力を
発生させる逆変換装置に関する。
【0002】
【従来の技術】この種の逆変換装置では、一般に自己消
弧型素子を使用する回路構成が採用されている。特に、
近年高出力でスイッチング速度の早い電力トランジスタ
あるいはFET素子が作製され、実用化されている。し
かし、これ等の素子の転流および過負荷遮断時には強力
な遷移電圧あるいは電流を伴い、往々これ等の素子の動
作に対する安全な許容範囲を越えることがあり、素子を
破損するけでなく、周囲の回路素子も破損し、逆変換装
置自体を使用不能にする。
【0003】この種の逆変換装置のうち中位の電力変換
を行う装置 (20 kVA〜 100kVA の容量の装置) では、通
常上記の過渡過電圧発生抑制に対する対策に比較的簡単
な解決策が講じられている。この装置の概要とその対策
をここで、簡単に概観しておく。
【0004】図1に示すように、この種の逆変換装置I
NTは、順変換装置CVTと組みにして使用されること
が多い。この発明では、便宜上、船舶の動力部に装着さ
れている発電機Mから入力端T1を経由して三相交流電
力を順変換装置CVTに導入する。順変換装置CVTか
ら出た直流出力電圧は正負母線LP,N を経由して逆変
換装置INTに導入される。そして、この逆変換装置I
NTの三相出力電力を出力端T2から所要電源部、例え
ば船舶中の照明装置、船内機器の動力電源として使用さ
れる。
【0005】直流電力を三相交流電力に変換するこの逆
変換装置INTでは、各相U,V,W当たりに対にして
配置した、自己消弧型素子である、例えばトランジスタ
Tr 1,Tr2 から成るトランジスタ・モジュールTM1,
TM2,TM3 によって方形波に変換される。この場合、
図示していない位相制御回路によってトランジスタTr
1,Tr2 の切り換え時間を制御する制御信号を対応する
ベースBu1, l1に印加して、上記の変換を行い、トラ
ンジスタ・モジュールTM1,TM2,TM3 の対応する出
力端O1 等から各相U,V,Wの電力を得る。また、必
要とあれば、こら等の方形波を、例えばパルス幅変調法
によって、適当な正弦波等に変換することもできる トランジスタ・モジュールTM1,TM2,TM3 は、通常
の場合、電流電圧に応じた導電性材料製のフレームFR
P,FRN の上に装着される。そして、順変換装置CVT
で整流された電力は、順変換装置CVTの給電点SP,
N から母線LP,N を経由して受電点MP,N に達す
る。
【0006】上記の構成による電源装置では、トランジ
スタTr1,Tr2 の転流および過負荷遮断時に遷移過渡
電圧(所謂キックバック電圧)が生じる。そして、逆バ
イアス安全領域(RBSOA)を越えて、トランジスタ
Tr1,Tr2 を破損に導く。これを防止するため、例え
ば、各トランジスタTr1 またはTr2 のコレクタとエ
ミッタの間に抵抗、コンデンサおよびダイオードから成
る簡単なスナバ回路を挿入したり(例えば、正田英介、
天野比左雄監修、最新パワーデバイス活用読本、オーム
社、昭和 63 年6月出版、第15頁参照)、あるいは、
母線LP,N に限流リアクトル(図示せず)を挿入し、
このリアクトルの両端にフリーホィールダイード(図示
せず)を並列に接続している(例えば、正田英介、天野
比左雄監修、最新パワーデバイス活用読本、オーム社、
昭和 63 年6月出版、第17頁参照)ことによって過渡
遷移電圧を抑制している。この種の対策は、各素子の寸
法および重量が大きいため、相当な取付スペースを必要
とする。しかも、そのために望ましくない浮遊容量ある
いは誘導性インダクタンスの増加をもたらし、回路の動
的特性に悪影響さえ与える。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】この発明の課題は、上
記の難点を排除し、自己消弧型のスイッチング素子によ
る過渡過電圧の発生を抑制できる、簡単でしかも占有ス
ペースの少ない回路構成を有し、それ故に製造および保
守に対する経費を大幅に低減でき、動作が安定で信頼性
のある、冒頭に述べた種類の逆変換装置を提供すること
にある。
【0008】
【課題を解決するための手段】上記の課題は、この発明
により、冒頭に述べた種類の逆変換装置の場合、逆変換
装置INTの正負電位用の平行な導体フレームFRP,
N 上に、それぞれが少なくとも2個の自己消弧素子T
1,Tr2 を直列接続して成る複数の自己消弧素子モジ
ュールTMと、1個の抵抗Rおよび1個のダイオードD
で形成される並列回路に1個のコンデンサCを直列接続
して成る少なくとも1個のスナバ回路TXとを短い相互
間隔で配設し、前記導体フレームFRP,FRN の中間点
を含み、導体フレームFRP,FRN に垂直な平面に対し
て、前記自己消弧素子モジュールTMと前記スナバ回路
TXとを対称に配設し、前記ダイオードDの順方向を正
電位の導体フレームFRP から負電位の導体フレームF
N に向かうように配設し、直流電源CVTの給電点S
P,N に対応する受電点MP,N がそれぞれ導体フレー
ムFRP,FRN の前記中間点の近くに設けてあることに
よって解決されている。
【0009】この発明による他の有利な構成は、特許請
求の範囲の従属請求項に記載されている。
【0010】
【実施例】以下、実施例を示す図面に基づき、この発明
をより詳しく説明する。この場合、以下の図面で使用す
る符号が図1と同一機能を有する場合には、同じ符号を
使用する。また、回路構成上同一の機能を有し、直接説
明に必要でない部材の符号を簡単のため省略する。
【0011】図2には、自己消弧型のスイッチング素子
による過渡過電圧の発生を抑制するため、4個のスナバ
回路TX1,TX2,TX3,TX4 を正負導体フレームFR
P,FRN の間に差し渡し、各自己消弧型素子モジュール
TM1,TM2,TM3 に隣接させて配設する。その場合、
特に重要なことは、線間あるいは部品間の浮遊容量や誘
導性負荷の増加を避けるため、できる限り線路の長さや
部品間の距離、つまりスナバ回路TX1,TX2,TX3,
4 や自己消弧型素子モジュールTM1,TM2,TM3
間の距離を短くし、しかもこれ等の部品を導体フレーム
FRP,FRN 上で対称配置にする必要がある。更に、順
変換器CVTまたは直流電源の両給電点SP,N からそ
れぞれ母線LP,N を経由して導入される逆変換装置I
NTの正負導体フレームFRP,FRN にある受電点MP,
N の位置は、導体フレームFR P,FRN の中心、つま
り図2の場合、三つの自己消弧型素子モジュールTM1,
TM2,TM3 の中央のモジュールTM2 のところに配設
する。なお、図2と図4では、説明の都合上、受電点M
P,N はモジュールTM2 の接続点からずらして示して
ある。
【0012】実際には、部品の配置および母線の太さや
可撓性のため、受電点MP,N を完全に正負導体フレー
ムFRP,FRN の中心に配設することが困難に場合、極
力中央のモジュールTM2 の近くに設けることが望まし
い。
【0013】スナバ回路TX1,TX2,TX3,TX4 は、
図3に示すように、それ自体公知の回路構成を有する。
即ち、正導体フレームFRP に接続する正端子Pに抵抗
RとダイオードDを並列回路の一端を接続し、他端をコ
ンデンサCに接続し、負端子Nに直列接続された回路構
成を有する。この場合、ダイオードの向きを順方向か正
端子Pから負端子Nに向ける必要がある。
【0014】抵抗R、コンデンサCおよびダイオードD
の耐圧および容量に関しては、実験的に最適値を求める
べきであるが、概ね次の式を目安として使用できる。即
ち、コンデンサCに関して、
【0015】
【外1】
【0016】ここで、 L: 直流主回路インダクタ
ンス、VCP: スイッチング素子の耐圧、E: 直流主
回路電圧、I0 : 過負荷遮断電流。
【0017】抵抗Rに関して、
【0018】
【外2】
【0019】ここで、 K: 一定の定数、(直流母
線上のリップル電流周波数)400 Hz > 1.0 400 Hz < 3.0、f: 過負荷遮断時の電流周波数。
【0020】また、ダイオードDは電流サージ耐量が装
置の過電流遮断値の3分の1で、耐圧がスイッチング素
子の耐圧と同等であるものを使用する。自己消弧型素子
モジュールTM1,TM2,TM3 による転流時の過渡過電
圧を排除する他の構成として、図4に示す回路を使用す
ることができる。この場合、順変換器CVTの正給電点
P を逆変換装置INTの正受電点MP に接続する正母
線LP に対して並列に転流ダイオードDP を接続する。
この並列接続はダイオードの両端に接続された導線
P ′を介して正給電点SP と正受電点MP との間で直
接行われ、母線LP にはリアクトルのようなリアクタン
ス成分を含む回路素子が挿入されていない。また、ダイ
オードDP の順方向は、図示のように、正受電点MP
ら正給電点SP を向いている。このダイオードDP の耐
圧および容量に関しては、実験的に最適値を求めるべき
であるが、例えば定格負荷電流i0 , 定格出力電圧v0
に対して、耐圧=3v0 および電流値=2i0 のダイオ
ードを使用すべきである。一般に、出力交流電圧の周波
数が高い場合、高速ダイオードを使用すべきであるが、
商用電源の程度、つまり 50 〜 60 Hzの場合には、一般
のダイオードで充分効果的である。
【0021】図4では、母線LP,N の一方、つまりL
P の方に上記のような転流ダイオードDP を並列接続し
たが、他方、つまりLN の方に接続してもよく、また両
方、つまり母線LP,N にそれぞれ転流ダイオードDP
を並列接続してもよい。LN側に接続した場合でも、ダ
イオードDP の順方向は母線を流れる定常電流の向きと
は逆にすべきである。
【0022】この発明による効果を調べるため、図1に
相当する順変換器CVTと逆変換装置INTから成る実
際の装置で実験を行った。この実験では、自己消弧型素
子モジュールTM1,TM2,TM3 に三社電機製作所製の
トランジスタモジール,SQD300 BA 60 を使用し、図1
の母線LP,N の間に1個のブレーカーを入れ、一方の
母線LP に1個のメーターシャント抵抗を接続し、更に
この母線に電流変成器を挿入して過渡電流を測定した。
また、出力端にブレーカーを入れて三相負荷出力端を短
絡しておいた。出力側のブレーカーを開いた状態で、全
体の装置を起動させた後、安定した状態から、出力側の
ブレーカーを閉じて、導体フレームFR P,FRN の間に
オシロスコープのプローブを当ててトランジスタ転流時
の過渡電圧の測定を直接測定し、同時に母線の過渡電流
を上記電流変成器で測定した。
【0023】順変換器CVTに入力する三相正弦交流は
205 V rmsで、周波数は 40 〜 120Hz であり、出力は
三相方形波で電圧 225 V rmsで、周波数は 60 Hz一定で
あった。 使用したスナバ回路は図3の回路構成で、R
= 1.5Ω / 5W (酸化金属抵抗),C= 3μF / 630 V
(金属化ポリプロピレンフィルムコンデンサ), D: ER
D 27 - 10 (富士電機社製)を用いた。また、図4の転
流ダイオードDP は三社電機製作所の FRS 200 BA 60を
使用した。
【0024】比較として、4個のスナバ回路TX1,TX
2,TX3,TX4 をそれぞれ単に1個のコンデンサCのみ
で形成し、図2のように対称配置した場合のスイッチン
グ特性を、図5に示す。
【0025】4個のスナバ回路TX1,TX2,TX3,TX
4 をそれぞれ同じタイプの3個の回路素子R,C,Dで
形成し、図3に示す配置にした場合のスイッチング特性
を、図6に示す。
【0026】図4に示す1個の転流ダイオードDP のみ
を母線LP に並列接続し、4個のスナバ回路TX1,TX
2,TX3,TX4 をそれぞれ単に1個のコンデンサCのみ
で形成し、図2のように対称配置した場合のスイッチン
グ特性を、図7に示す。
【0027】母線LP に1個の転流ダイオードDP を並
列接続し、同時に図3に示す4個のスナバ回路TX1,
2,TX3,TX4 を図2のように組み合わせて配置した
場合のスイッチング特性を、図8に示す。
【0028】図4の配置に加えて、戻り母線LN に並列
に転流ダイオードを接続し、同時に図3に示す4個のス
ナバ回路TX1,TX2,TX3,TX4 を図2のように組み
合わせて配置した場合のスイッチング特性を、図9に示
す。
【0029】図5〜9の各々は同じ条件で測定され、横
軸の1目盛が 100μs, 縦軸の1目盛が出力電圧V0
対して、200 V で、電流I0 に対して 250 Aである。ま
た、短絡させるためのブレーカーの閉時点はαである。
【0030】図5から明らかなように、コンデンサ一個
のみの最も簡単なスナバ回路では、閉時点α後 75 μs
でトランジスタが実質上スイッチングを開始し、次い
で、電圧電流ともに著しい振動波形を示す。この振動
は、この過渡電圧を減衰させるため使用したコンデンサ
Cと回路中の誘導性リアクタンスから成る実効共振回路
によるものである。また、トランジスタの転流時の遅れ
による著しい逆電流が閉時点α後 75 μs (図中に記号
βとして示してある)で生じる。この測定での出力電圧
0 の最大値と最小値はそれぞれ 660 Vと 60 V であ
り、このトランジスタの逆バイアス安全領域(RBSO
A)から離脱している(なお、コンデンサCを使用しな
い、スナバ回路の全くない図1の構成では、確実にトラ
ンジスタモジュールが破損し、使用不能に陥った)。も
ちろん、使用する負荷あるいは使用電圧等でこの安全領
域を簡単に越えてしまう恐れがあり、このようなコンデ
ンサCのみのスナバ回路は信頼性に欠けた、極めて危険
な装置である。
【0031】図6では、ブレーカーの閉時点α後 75 μ
s で現れる著しい振動を完全に減衰させることができ、
出力電圧V0 の最大値と最小値はそれぞれ 620 Vおよび
244Vとなった。
【0032】図7では、ブレーカーの閉時点α後 75 μ
s で現れる逆電流は転流ダイオードDP によって完全に
遮断されている。しかし、図6で生じた振動現象を再び
見ることができる。出力電圧V0 の最大値と最小値はそ
れぞれ 636 Vおよび 92 V となった。
【0033】図8では、ブレーカーの閉時点α後 75 μ
s で現れる逆電流は転流ダイオードDP によって遮断さ
れ、しかも図6で生じた振動現象も完全に排除されてい
る。出力電圧V0 の最大値と最小値はそれぞれ 548 Vお
よび 268 Vとなった。
【0034】図9では、過渡出力電圧V0 の最大値と最
小値はそれぞれ 516 Vおよび 260 Vとなった。これ等の
結果を総合的に評価すると、コンデンサC,抵抗Rおよ
びダイオードDから成るスナバ回路TX1,TX2,TX3,
TX4 を導体フレームFRP,FRN 上でトランジスタモ
ジュールTM1,TM2,TM3 に対して対称に配置し、母
線LP,N にそれぞれ並列に1個の転流ダイオードDP,
N を接続した場合が、最も効果的に過渡電圧と電流を
抑制していることが判る。
【0035】上記の説明を三相出力電圧に関して説明し
たが、この発明の回路配置は単相出力電圧の電源装置に
対しても全く同じ技術思想を適用できることも付記す
る。更に、この発明によれば、トランジスタモジュール
TMに付属するスナバ回路TXを導体フレームFRP,
N の上で受電点MP,N を含み、導体フレームFRP,
FRN に垂直な平面に対して対称に配置することが大切
で、図2の配置以外にその他の変形種を図10〜13に
示す。
【0036】図10A,B,Cでは、三相交流電源の逆
変換装置の場合であって、トランジスタモジュールTM
1,TM2,TM3 に対してそれぞれ2個、3個および3個
のスナバ回路TXを導体フレームFRP,FRN の上に対
称に配設したものである。図10Bのスナバ回路TX2
はトランジスタモジュールTM2 の上または下に重ねて
配設されている。図Cでは、何れのスナバ回路TX1,
2,TX3 も、対応するトランジスタモジュールTM1,
TM2,TM3 の上または下に、重ねて配設されている。
【0037】図11では、逆変換装置の出力電流容量を
増やすため、各相のトランジスタモジュールTM1,TM
2,TM3 に、更に並列にトランジスタモジュールT
1 ,TM2 , TM3 ′を付加して補強したもので
ある。この場合でも、スナバ回路TX1 〜TX7 は導体
フレームFRP,FRN の上に各対のトランジスタモジュ
ールTM1,TM1 , TM2,TM2 , TM3,TM3
に対して対称に配置されている。
【0038】図12A,B,Cでは、単相電源の逆変換
装置の場合であって、単相を二相と見做すと各相のトラ
ンジスタモジュールTM1,TM2 に対してそれぞれ1
個、2個および3個のスナバ回路TXを対称に導体フレ
ームFRP,FRN の上で配設したものである。
【0039】図13A,Bでは、逆変換装置の出力電流
容量を増やすため、各トランジスタモジュールTM1,
2 に、更に同じタイプのトランジスタモジュールTM
1 , TM2 ′を並列に付加したものである。この場合
でも、スナバ回路TX1 〜TX3 は各対のトランジスタ
モジュールTM1,TM1 , TM2,TM2 ′に対して対
称に導体フレームFRP,FRN の上に配置されている。
【0040】更に、上記図面中に示していないが、図3
で示したスナバ回路をトランジスタモジュールTMに直
接埋め込み、例えば硬化性プラスチック樹脂で成形モー
ルドすることによって、所謂ハイブリッドモジュールに
することができる。このような構成では、取り付けスペ
ースを低減でき、しかも上で述べた対称配置に関して格
別の配慮を加えなくても、これ等のハイブリッドモジュ
ールを導体フレームFRP,FRN の上に等間隔に配設す
るだけで、自動的に対称配置を実現できる。もちろん、
このようなモールド成形方式は、出力電流容量を補強す
るために各相に対して並列配置された二個またはそれ以
上の個数のトランジスタモジュールTMにも適用でき
る。また、このような複合モジュール化は、船舶で使用
する時、あるいは雨中で使用するような、外部の環境が
悪くても、また耐熱、耐湿および耐塩害等に対する条件
下でも、極めて有利に使用できる。
【0041】以上、この発明の内容を種々の方法で変形
または改良することは当業者にとって容易に行えるが、
特許請求の範囲に規定する装置であれば、何れもこの発
明の範疇に帰属することは言うまでもない。
【0042】
【発明の効果】以上説明したように、この発明により、
非常に簡単な構成で逆変換装置の転流時の過渡電圧およ
び電流を適度な値に低減でき、出力トランジスタあるい
はFETのような能動素子の破損を防止できる。そのた
め、装置が非常にコンパクトに構成され、製造および保
守とも低価格で行える。
【図面の簡単な説明】
【図1】逆変換装置を含む三相交流出力電源装置の一般
的な回路構成を示すブロック図である。
【図2】スナバ回路を自己消弧素子の近傍に対称配設し
た三相交流出力電源装置のブロック図である。
【図3】図2に使用するスナバ回路の構成を示す回路図
である。
【図4】順変換器と逆変換装置の間の母線の一方に転流
ダイオードを挿入した場合の三相交流出力電源装置のブ
ロック図である。
【図5】三相交流出力電源装置のスイッチング特性を示
すグラフである(スナバ回路として単一コンデンサのみ
使用し、図2の回路配置を使用した場合)。
【図6】三相交流出力電源装置のスイッチング特性を示
すグラフである(スナバ回路として図3の回路を使用
し、図2の回路配置を使用した場合)。
【図7】三相交流出力電源装置のスイッチング特性を示
すグラフである(転流ダイオードを使用した図4の回路
に更に図2の回路配置を使用し、各スナバ回路に単一コ
ンデンサのみを使用した場合)。
【図8】三相交流出力電源装置のスイッチング特性を示
すグラフである(図7の場合のスナバ回路を図3の方式
で構成した場合)。
【図9】三相交流出力電源装置のスイッチング特性を示
すグラフである(図8の場合の配置に加えて、更に戻り
母線にも転流ダイオードを挿入した場合)。
【図10】 三相出力電源の逆変換装置に使用する他の
スナバ回路の配置を示す回路図である。
【図11】 電流容量の大きい三相出力電源の逆変換装
置に使用する他のスナバ回路の配置を示す回路図であ
る。
【図12】 単相出力電源の逆変換装置に使用する他の
スナバ回路の配置を示す回路図である。
【図13】 電流容量の大きい単相出力電源の逆変換装
置に使用する他のスナバ回路の配置を示す回路図であ
る。
【符号の説明】
CVT 順変換器 INT 逆変換装置 M 発電機 T1 入力端 T2 出力端 LP,N 母線 SP,N 給電点 MP,N 受電点 FRP,FRN 導体フレーム Dp 転流ダイオード TM1,TM2,TM3,TM1, TM2, TM3′ 自己消弧素子のモジュール TX1,TX2,TX3,TX4,TX5,TX6,TX7 スナ
バ回路
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成4年4月22日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0032
【補正方法】変更
【補正内容】
【0032】図7では、ブレーカーの閉時点α後75μ
sで表れる逆電流は転流ダイオードDによって完全に
遮断されている。しかし、図で生じた振動現象を再び
見ることができる。出力電圧Vの最大値と最小値はそ
れぞれ636Vおよび268Vとなった。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0033
【補正方法】変更
【補正内容】
【0033】図8では、ブレーカーの閉時点α後75μ
sで表れる逆電流は転流ダイオードDによって完全に
遮断されている。しかも図で生じた振動現象も完全に
除去されている。出力電圧Vの最大値と最小値はそれ
ぞれ548Vおよび268Vとなった。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 直流電源より給電を受け、自己消弧素子
    を使用して所定周波数の交流電力を発生させる逆変換装
    置において、逆変換装置INTの正負電位用の平行な導
    体フレームFRP,FRN 上に、それぞれが少なくとも2
    個の自己消弧素子Tr1,Tr2 を直列接続して成る複数
    の自己消弧素子モジュールTMと、1個の抵抗Rおよび
    1個のダイオードDで形成される並列回路に1個のコン
    デンサCを直列接続して成る少なくとも1個のスナバ回
    路TXとを短い相互間隔で配設し、前記導体フレームF
    P,FRN の中間点を含み、導体フレームFRP,FRN
    に垂直な平面に対して、前記自己消弧素子モジュールT
    Mと前記スナバ回路TXとを対称に配設し、前記ダイオ
    ードDの順方向を正電位の導体フレームFRP から負電
    位の導体フレームFRN に向かうように配設し、直流電
    源CVTの給電点SP,N に対応する受電点MP,N
    それぞれ導体フレームFRP,FRN の前記中間点の近く
    に設けてあることを特徴とする逆変換装置。
  2. 【請求項2】 前記自己消弧素子モジュールTMと対応
    する前記スナバ回路TXは一体に成形モールドされた素
    子であることを特徴とする請求項1に記載の逆変換装
    置。
JP4068515A 1992-03-26 1992-03-26 逆変換装置 Pending JPH066983A (ja)

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