JPH0522929A - スナバ回路 - Google Patents

スナバ回路

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JPH0522929A
JPH0522929A JP19483191A JP19483191A JPH0522929A JP H0522929 A JPH0522929 A JP H0522929A JP 19483191 A JP19483191 A JP 19483191A JP 19483191 A JP19483191 A JP 19483191A JP H0522929 A JPH0522929 A JP H0522929A
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snubber
capacitor
diode
series
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 直接接続された自己消弧型半導体素子に接続
するスナバ回路内に蓄えられたエネルギを抵抗で消費す
ることなく、直流電源等に回生する。 【構成】 自己消弧型半導体素子1a、1bをリアクト
ル3を介して直列に接続すると共に、各々に逆並列にダ
イオード2a、2bを接続し、かつコンデンサ6a、6
bとそのコンデンサの充電極性を定めるダイオード7
a、7bからなる第1の直列体を並列接続すると共に、
コンデンサ6a、6bとダイオード7a、7bの直列接
続点間にダイオード12とコンデンサ11からなる第2
の直列体を接続し、リアクトル3及びコンデンサ6a、
6bに蓄えられるエネルギをコンデンサ11に回収して
電力回生装置13により直流電源等に回生する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、直列接続された自己消
弧型半導体素子に接続する保護回路であるスナバ回路に
関するものである。
【0002】
【従来の技術】自己消弧型半導体素子、例えばGTOサ
イリスタをオンオフ制御する際には、自己消弧型半導体
素子に加わる電圧及び電流の急峻な立ち上りによる素子
破壊を防ぐ為に、必ずスナバ回路と呼ばれる保護回路が
設けられている。以下、自己消弧型半導体素子をGTO
サイリスタ(以下GTOと略す)とした場合に限定して
記述する。
【0003】図6と図7は従来のスナバ回路とそのスナ
バ回路を直列接続GTOインバータのハーフブリッジに
適用した場合の構成図である。図7において、正側アー
ムはGTO1a、1bとそれに逆並列接続されるフリー
ホイールダイオード2a、2bにより、負側アームはG
TO1c、1dとフリーホイールダイオード2c、2d
により構成されている。正側アームのGTO1a、1b
にかかる電流上昇率を抑制するために、アノードリアク
トル3aとスナバダイオード4a及びスナバ抵抗5aか
ら構成されるスナバ回路を接続している。これを特に直
列スナバ回路と呼ぶ。また、正側アームのGTO1a、
1bの各々にかかる電圧上昇率を抑制するために、スナ
バコンデンサ6a、6bと、スナバダイオード7a、7
b及びスナバ抵抗8a、8bから構成されるスナバ回路
を接続している。これを特に並列スナバ回路と呼ぶ。負
アームのGTO1c、1dについても同様である。ま
た、9はインバータの直流電源であり、点Aは出力端子
である。但し定常状態における電圧分担の為のバランス
抵抗は省力している。
【0004】次に動作について図7を用いて説明する。
図7の出力端子Aには図示しない誘導性負荷が接続され
ており、その負荷電流I0 は図中矢印の向きに流れてい
るものとする。また、直流電源9の電圧はEとする。さ
て、正アームGTO1a、1bがオンしており、直流電
源9−アノードリアクトル3a−GTO1a−GTO1
b−出力端子Aの経路により負荷電流I0 が流れてい
て、スナバコンデンサ6a、6bの電圧は0、スナバコ
ンデンサ6c、6dの電圧は各々E/2に充電された状
態から、GTO1a、1bを同時にオフさせ、負荷電流
0 を遮断した場合を考える。GTO1a、1bを同時
にオフさせると、遮断された負荷電流I0はスナバダイ
オード7a−スナバコンデンサ6a−スナバダイオード
7b−スナバコンデンサ6b−出力端子Aの経路にバイ
パスされてスナバコンデンサ6a、6bを充電し、その
充電電圧が各々E/2以上になると、フリーホイールダ
イオード2c、2dが導通し、負荷電流I0 はアノード
リアクトル3b−フリーホイールダイオード2d−フリ
ーホイールダイオード2c−出力端子Aの経路により流
れる。
【0005】この過程においてスナバダイオード4aが
導通し、アノードリアクトル3aの電流はアノードリア
クトル3a−スナバダイオード4a−スナバ抵抗5a−
アノードリアクトル3aの経路を還流し、アノードリア
クトル3aに蓄えられたエネルギはスナバ抵抗5aで消
費される。また、スナバコンデンサ6c、6dに蓄えら
れていたエネルギはスナバ抵抗8c、8dを通って放
電、消費される。GTO1a、1bをオフした後にGT
O1c、1dを同時にオンした際、スナバコンデンサ6
c、6dにエネルギが残っている場合は、スナバコンデ
ンサ6c−GTO1c−スナバ抵抗8c−スナバコンデ
ンサ6cの経路及びスナバコンデンサ6d−GTO1d
−スナバ抵抗8d−スナバコンデンサ6dの経路により
そのエネルギは全てスナバ抵抗8c、8dで消費され
る。
【0006】次に、GTO1c、1dを同時にオフした
後にGTO1a、1bを同時にオンした場合を考える。
この時、負荷電流I0 は図中の方向であり、GTO1
c、1dは電流を遮断していない。GTO1a、1bを
同時にオンさせるとスナバコンデンサ6a、6bに蓄え
られていたエネルギはスナバコンデンサ6a−スナバ抵
抗8a−GTO1a−スナバコンデンサ6aの経路及び
スナバコンデンサ6b−スナバ抵抗8b−GTO1b−
スナバコンデンサ6bの経路によりスナバ抵抗8a、8
bで消費され、スナバコンデンサ6c、6dは直流電源
9−アノードリアクトル3a−GTO1a−GTO1b
−スナバコンデンサ6c−スナバダイオード7c−スナ
バコンデンサ6d−スナバダイオード7d−アノードリ
アクトル3b−直流電源9の経路により各々E/2まで
充電される。
【0007】また、アノードリアクトル3a、3bに過
剰に蓄えられたエネルギは、アノードリアクトル3a−
スナバ抵抗5a−スナバダイオード4a−アノードリア
クトル3aの経路及びアノードリアクトル3b−スナバ
抵抗5b−スナバダイオード4b−アノードリアクトル
3bの経路によりスナバ抵抗5a、5bで消費されつ
つ、負荷電流I0 は直流電源9−アノードリアクトル3
a−GTO1a−GTO1b−出力端子Aの経路により
流れる。以上は負荷電流I0 が図中矢印の方向に流れて
いる場合の動作についての説明であるが、負荷電流I0
が図中矢印の逆方向に流れている場合の動作は、前述し
た動作と全く対称な為、説明を省略する。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】従来のスナバ回路は以
上のように構成されており、GTOなどの自己消弧型半
導体素子を用いた電力変換装置に適用した場合、そのオ
ンオフ動作により、スナバ回路内のエネルギ蓄積要素で
あるリアクトル、コンデンサに蓄えられたエネルギは抵
抗で消費されることになり、自己消弧型半導体素子を直
列接続した場合、さらに消費されるエネルギは増大し、
電力変換装置の効率低下要因となり、また、電力変換装
置に備えられる冷却部品或いはその装置が大形化し、電
力変換装置の大形化を招くなどの問題点があった。さら
に、抵抗で消費されるエネルギは自己消弧型半導体素子
のスイッチング周波数に比例するため、電力変換装置の
高周波化が困難であった。
【0009】本発明は、上記のような問題点を解消する
ためになされたもので、直接接続された自己消弧型半導
体素子に接続するスナバ回路内に蓄えられたエネルギを
抵抗で消費することなく、直流電源等に回生できる機能
を有するスナバ回路を得ることを目的としている。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明に係るスナバ回路
は、同時にオンオフ制御される2つの自己消弧型半導体
素子をアノードリアクトルを介して直列に接続し、上記
自己消弧型半導体素子の各々にスナバダイオードとスナ
バコンデンサの直列体を接続し、アノードリアクトルと
2つのスナバコンデンサに蓄えられたエネルギを回収す
るためのコンデンサとダイオードの直列体を接続し、そ
のコンデンサからエネルギを取り出し電源等に回生でき
る電力回生装置を備えたものである。
【0011】
【作用】本発明におけるスナバ回路は、同時にオンオフ
される2つの自己消弧型半導体素子に加わる急峻な電
圧、電流の立ち上りを抑制し、スナバ回路を構成するア
ノードリアクトルとスナバコンデンサに蓄えられたエネ
ルギを抵抗で消費することなく、1つのエネルギを回生
するためのコンデンサに回収し、そのコンデンサからエ
ネルギを取り出し、電源等に回生する。
【0012】
【実施例】実施例1.以下、本発明の一実施例を図につ
いて説明する。図1は実施例1に係るスナバ回路の回路
図を示し、図において、1a、1bは同時にオンオフ制
御される自己消弧型半導体素子の一例としてのGTO、
2a、2bはGTO1a、1bに逆並列接続されるフリ
ーホイールダイオード、3はGTO1a、1bに加わる
電流上昇率を抑制するアノードリアクトル、6a、6b
はGTO1a、1bの各々に加わる電圧上昇率を抑制す
るスナバコンデンサ、7a、7bはスナバコンデンサ6
a、6bの充電極性を定めるスナバダイオード、11は
アノードリアクトル3とスナバコンデンサ6a、6bに
蓄えられたエネルギを回収するための回収コンデンサ、
12は回収コンデンサ11の充電極性を定める回収ダイ
オード、13は回収コンデンサ11からエネルギを取り
出して電源等に回生すると共に、回収コンデンサ11を
一定電圧に制御する機能を持つ電力回生装置である。
【0013】また、図2は図1のスナバ回路を、直列接
続GTOインバータのハーフブリッジに適用した場合の
構成図であり、上側アームと下側アームは対称な回路と
なっている。なお構成部分に付した符号については、数
字が同じものについては同じ機能を有するものとする。
また、従来と同じ構成の部分には従来と同じ符号を付け
ている。
【0014】以下、図2を用いて本発明のスナバ回路の
動作について説明する。ここでは、出力端子Aに図示し
ない誘導性負荷が接続されており、負荷電流I0 が図中
矢印の方向に流れている場合の動作についてのみ説明
し、負荷電流I0 が図中矢印の逆方向に流れている場合
の動作については前述した場合の動作と全く対称な為、
省略する。なお、直流電源9の電圧はEとし、回収コン
デンサ11a、11bはそれぞれ電力回生装置13a、
13bにより一定電圧eに制御されているものとする。
但し、電圧eは電圧Eの数分の1の値とする。
【0015】今、GTO1a、1bがオンしており、直
流電源9−GTO1a−アノードリアクトル3a−GT
O1b−出力端子Aの経路により負荷電流I0 が流れて
おり、スナバコンデンサ6a、6bの電圧は0、スナバ
コンデンサ6c、6dの電圧は各々E/2に充電された
状態からGTO1a、1bを同時にオフさせ、負荷電流
0 を遮断した場合を考える。GTO1a、1bを同時
にオフさせると、遮断された負荷電流I0 は、スナバコ
ンデンサ6a−スナバダイオード7a−アノードリアク
トル3a−スナバダイオード7b−スナバコンデンサ6
b−出力端子Aの経路にバイパスされて、スナバコンデ
ンサ6a、6bを充電する。それらの充電電圧が電圧e
以上になれば、回収ダイオード12bが導通し、スナバ
コンデンサ6c、6dの放電が始まり、それらに蓄えら
れていたエネルギは回収コンデンサ11bに回収される
ことになる。
【0016】この期間中、アノードリアクトル3aの初
期電流がアノードリアクトル3a−スナバダイオード7
b−回収コンデンサ11a−回収ダイオード12a−ス
ナバコンデンサ7aの経路を還流し、アノードリアクト
ル3aに蓄えられていたエネルギは回収コンデンサ11
aに回収されていく。スナバコンデンサ6a、6bが各
々E/2まで充電され、スナバコンデンサ6c、6dは
各々0まで放電されて、負荷電流I0 はフリーホイール
ダイオード2d−アノードリアクトル3b−フリーホイ
ールダイオード2c−出力端子Aの経路により流れるこ
とになる。スナバコンデンサ6a、6bはE/2より高
い電圧値まで充電されるが、アノードリアクトル3aの
電流が0となった後に、フリーホイールダイオード2d
−アノードリアクトル3b−フリーホイールダイオード
2c−スナバコンデンサ6b−回収コンデンサ11a−
回収ダイオード12a−スナバコンデンサ6a−直流電
源9−フリーホイールダイオード2dの経路により、過
充電分のエネルギが放電されてE/2に収まる。その状
態で、GTO1c、1dをオンしても回路状態には変化
はない。
【0017】次に、GTO1c、1dを同時にオフした
後にGTO1a、1bを同時にオンした場合を考える。
この時、負荷電流I0 は図中の方向であり、GTO1
c、1dはオフした時に電流を遮断していない。GTO
1a、1bを同時にオンさせると、スナバコンデンサ6
a、6bに蓄えられていたエネルギは、スナバコンデン
サ6a−GTO1a−アノードリアクトル3a−GTO
1b−スナバコンデンサ6b−回収コンデンサ11a−
回収ダイオード12a−スナバコンデンサ6aの経路に
より回収コンデンサ11aに回収される。負荷電流I0
は、直流電源9−GTO1a−アノードリアクトル3a
−GTO1b−出力端子Aの経路により供給されるが、
GTO1a−アノードリアクトル3a−GTO1bの経
路の電流は負荷電流I0 より大きくなり、その電流はス
ナバコンデンサ6c−スナバダイオード7c−アノード
リアクトル3b−スナバコンデンサ6dの経路に分流さ
れ、スナバコンデンサ6c、6dを充電することにな
る。
【0018】スナバコンデンサ6c、6dが各々E/2
以上充電されれば、アノードリアクトル3aの電流の負
荷電流I0 以上の電流は、アノードリアクトル3a−ス
ナバダイオード7b−回収コンデンサ11a−回収ダイ
オード12a−スナバダイオード7a−アノードリアク
トル3aの経路に分流され始め、また、アノードリアク
トル3bの電流は、アノードリアクトル3b−スナバダ
イオード7d−回収コンデンサ11b−回収ダイオード
12b−スナバダイオード7c−アノードリアクトル3
bの経路に分流され始め、各々のアノードリアクトル3
a、3bに蓄えられたエネルギは回収コンデンサ11
a、11bに回収される。この期間で、スナバコンデン
サ6c、6dはE/2より高い電圧値まで充電される
が、アノードリアクトル3bの電流が0となった後に、
スナバコンデンサ6d−回収コンデンサ11b−回収ダ
イオード12b−スナバコンデンサ6cの経路により過
充電分のエネルギが放電されてE/2に収まるが、その
放電電流は、直流電源9−GTO1a−アノードリアク
トル3a−GTO1b−出力端子Aの経路より供給され
る負荷電流I0 に重畳される。
【0019】以上の動作により、直列接続されたGTO
1a、1b又は1c、1dの電圧上昇率を抑えるスナバ
コンデンサ6a、6b、6c、6dや電流上昇率を抑え
るアノードリアクトル3a、3bに蓄えられたエネルギ
を全て、回収コンデンサ11a、11bに回収すること
ができることを示したが、次に、回収コンデンサ11a
或は11bからエネルギを取り出し、電源9等に回生で
き、さらに、回収コンデンサ11を一定電圧に制御でき
る機能を有する電力回生装置13a、13bの具体的な
回路の一例を示して、このスナバ回路が実現可能である
ことを示す。
【0020】その電力回生回路13の具体例を図3に示
す。図3において、9aはエネルギを回生する直流電
源、14a、14bは自己消弧型半導体素子、15a、
15bはダイオード、16はリアクトルである。なお、
自己消弧型半導体素子14a、14bには一例としてG
TOを適用している。
【0021】今、電力回生回路13のGTO14a、1
4bを同時にオンすると、回収コンデンサ11−GTO
14b−リアクトル16−GTO14a−回収コンデン
サ11の経路により、回収コンデンサ11に蓄えられた
エネルギがリアクトル16に移される。その後、GTO
14a、14bをオフすると、リアクトル16に流れる
電流は、リアクトル16−ダイオード15a−直流電源
9a−ダイオード15b−リアクトル16の経路を還流
し、リアクトル16に移されたエネルギは直流電源9a
に回生される。この一連の回路動作により、回収コンデ
ンサ11からエネルギを取り出し、直流電源9aに回生
できる。さらに、回収コンデンサ11の電圧制御はGT
O14a、14bのオン時間を制御することにより可能
であることは容易に考えられる。
【0022】このように、本実施例のスナバ回路に備え
られる電力回生回路13としては容易な回路で実現され
るが、その他にも、公知なDC−DCコンバータ回路構
成を適用して実現することが可能である。なお、図3の
直流電圧9aと、図2の直流電源9は必ずしも同じもの
でなくても良い。また、多相インバータを構成した場
合、各ハーフブリッジの回収コンデンサ11a、11b
の上アーム、下アームを共通に接続して2つの電力回生
装置13a、13bを備える構成も容易に考えられる。
【0023】実施例2.本発明の実施例1では、インバ
ータに適用した場合について説明したが、チョッパに適
用することも可能である。その一実施例として図4に示
す。図4において、17は負荷回路である。図示回路動
作としては、図2に示したインバータの場合と同様であ
る。
【0024】実施例3.本発明の実施例1の図1におい
て、回収コンデンサ11は電力回生装置13によって定
電圧制御されるが、それと同様の効果を得るための別手
段として、変成器を用いることができる。この一実施例
を図5に示す。変成器18の1次巻線との巻数比を設定
することにより、同様の回路動作となる。ただし変成器
18のリセットを考慮すると、図1の回収ダイオード1
1は、自己消弧型半導体素子19に置換し、エネルギ回
生が終了すれば、オフ動作をさせる必要がある。また、
図5の様に変成器18の2次側にダイオードブリッジ1
0を接続して、エネルギを回生する直流電源9bに接続
すれば、図3と同様の効果が得られる。
【0025】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、自己消
弧型半導体素子に接続するスナバ回路内のエネルギ蓄積
要素であるアノードリアクトルとスナバコンデンサに蓄
えられたエネルギを直流電源等に回生できるように構成
したので、高効率な電力変換装置が得られ、装置に備え
る冷却装置が小形にできると共に装置全体を小形化で
き、さらに、自己消弧型半導体素子の高周波スイッチン
グが可能となるような効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明のスナバ回路を示す回路図である。
【図2】本発明のスナバ回路をインバータハーフブリッ
ジに適用した場合の一実施例を示す回路図である。
【図3】本発明のスナバ回路に接続される電力回生装置
の一具体例を示す回路図である。
【図4】本発明のスナバ回路をチョッパに適用した場合
の一実施例を示す回路図である。
【図5】本発明のスナバ回路と同様の効果が得られるス
ナバ回路を示す回路図である。
【図6】従来のスナバ回路を示す回路図である。
【図7】従来のスナバ回路を自己消弧型半導体素子を直
列接続したインバータハーフブリッジに適用した場合を
示す回路図である。
【符号の説明】
1a、1b 自己消弧型半導体素子(GTO) 2a、2b フリーホイールタイオード 3 アノードリアクトル 6a、6b スナバコンデンサ 7a、7b スナバダイオード 9 直流電源 11 回収コンデンサ 12 回収ダイオード 13、13a、13b 電力回生装置
─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成3年10月7日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0003
【補正方法】変更
【補正内容】
【0003】図6と図7は従来のスナバ回路とそのスナ
バ回路を直列接続GTOインバータのハーフブリッジに
適用した場合の構成図である。図7において、正側アー
ムはGTO1a、1bとそれに逆並列接続されるフリー
ホイールダイオード2a、2bにより、負側アームはG
TO1c、1dとフリーホイールダイオード2c、2d
により構成されている。正側アームのGTO1a、1b
にかかる電流上昇率を抑制するために、アノードリアク
トル3aとスナバダイオード4a及びスナバ抵抗5aか
ら構成されるスナバ回路を接続している。これを特に直
列スナバ回路と呼ぶ。また、正側アームのGTO1a、
1bの各々にかかる電圧上昇率を抑制するために、スナ
バコンデンサ6a、6bと、スナバダイオード7a、7
b及びスナバ抵抗8a、8bから構成されるスナバ回路
を接続している。これを特に並列スナバ回路と呼ぶ。負
アームのGTO1c、1dについても同様である。ま
た、9はインバータの直流電源であり、点Aは出力端子
である。但し定常状態における電圧分担の為のバランス
抵抗は省略している。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0005
【補正方法】変更
【補正内容】
【0005】この過程においてスナバコンデンサ6a,
6bが所定の電圧に充電されれば、スナバダイオード4
aが導通し、アノードリアクトル3aの電流はアノード
リアクトル3a−スナバダイオード4a−スナバ抵抗5
a−アノードリアクトル3aの経路を還流し、アノード
リアクトル3aに蓄えられたエネルギはスナバ抵抗5a
で消費される。また、スナバコンデンサ6c、6dに蓄
えられていたエネルギはスナバ抵抗8c、8dを通って
放電、消費される。GTO1a、1bをオフした後にG
TO1c、1dを同時にオンした際、スナバコンデンサ
6c、6dにエネルギが残っている場合は、スナバコン
デンサ6c−GTO1c−スナバ抵抗8c−スナバコン
デンサ6cの経路及びスナバコンデンサ6d−GTO1
d−スナバ抵抗8d−スナバコンデンサ6dの経路によ
りそのエネルギは全てスナバ抵抗8c、8dで消費され
る。
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】0024
【補正方法】変更
【補正内容】
【0024】実施例3.本発明の実施例1の図1におい
て、回収コンデンサ11は電力回生装置13によって定
電圧制御されるが、それと同様の効果を得るための別手
段として、変成器を用いることができる。この一実施例
を図5に示す。変成器18の1次巻線との巻数比を設定
することにより、同様の回路動作となる。ただし変成器
18のリセットを考慮すると、図1の回収ダイオード1
2は、自己消弧型半導体素子19に置換し、エネルギ回
生が終了すれば、オフ動作をさせる必要がある。また、
図5の様に変成器18の2次側にダイオードブリッジ1
0を接続して、エネルギを回生する直流電源9bに接続
すれば、図3と同様の効果が得られる。

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 【請求項1】 同時にオンオフ制御される2つの自己消
    弧型半導体素子をリアクトルを介して直列に接続すると
    共に、上記自己消弧型素子の各々に逆並列にダイオード
    を接続し、上記各自己消弧型半導体素子に、コンデンサ
    とそのコンデンサの充電極性を定めるダイオードからな
    る第1の直列体を並列接続すると共に、これら第1の直
    列体のコンデンサとダイオードの直列接続点間にダイオ
    ードとコンデンサからなる第2の直列体を接続し、かつ
    上記リアクトル及び各第1の直列体にあるコンデンサに
    蓄えられるエネルギを第2の直列体にあるコンデンサに
    回収すると共に、第2の直列体にあるコンデンサからエ
    ネルギを取り出して直流電源等に回生する電力回生装置
    を備えたスナバ回路。
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