JP3325303B2 - 保護機能を備えたスイッチ装置 - Google Patents

保護機能を備えたスイッチ装置

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JP3325303B2
JP3325303B2 JP25030892A JP25030892A JP3325303B2 JP 3325303 B2 JP3325303 B2 JP 3325303B2 JP 25030892 A JP25030892 A JP 25030892A JP 25030892 A JP25030892 A JP 25030892A JP 3325303 B2 JP3325303 B2 JP 3325303B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電圧駆動形のパワート
ランジスタを用いたスイッチ装置に係り、特に、短絡等
による過電流を高速に検出して限流する保護機能を備え
たスイッチ装置に関する。
【0002】
【従来の技術】電圧駆動のパワートランジスタとしてI
GBT(Insulated Gate Bipolar Transiston )が広く
知られている。IGBTはオン電圧が低く、MOSゲー
ト構造で駆動電力が少なく、しかも比較的高速にスイッ
チングできることから急速に応用分野が広がっている。
オン電圧とスイッチング速度の特性は背反関係にあり、
トレードオフを改良し、より高性能な素子となるよう日
夜研究が重ねられている。
【0003】図5(a)の特性Cは、これらの研究から
予測される第3世代以降のIGBTのオン電圧特性で、
第1世代のIGBTのオン電圧特性Aと比較して示した
ものである。現在のIGBTは第2世代で特性Bに示
す。なお、コレクタ電流Ic は、それぞれIGBTの定
格電流を100として百分率で示している。
【0004】これらの特性から明らかなように、負荷短
絡等でコレクタ・エミッタ間電圧VCEが上昇すると定格
電流の数倍のコレクタ電流Ic が流れ、第1世代のIG
BTでは6〜8倍、第2世代のIGBTでは10〜12倍の
過電流が流れる。
【0005】現在研究が進められている第3世代以降の
IGBTでは、DRAMクラスのμmオーダーのパター
ンとし、その他の改良を加えることにより、特性Cのよ
うに10数倍の過電流が流れる。このように大きな過電流
になると高速に限流しゃ断するのが困難になり素子の過
電流保護が困難になるという問題がある。以下、従来の
IGBTにおける負荷短絡時の保護について述べる。
【0006】IGBTを用いた一般的な主回路構成を図
5(b)に示す。この装置は、IGBT21〜26で成るブ
リッジ形変換器(インバータ)により直流電圧源1の直
流電圧を交流電圧に変換して電動機3を駆動するもので
ある。このような装置において負荷(電動機)側の端子
間で短絡が発生すると正側と負側のIGBTを介して短
絡電流が流れる。また、同一アームの正側と負側のIG
BTに同時にオン信号(ノイズや誤動作による信号)が
入力された場合も同様に短絡電流が流れる。
【0007】このような短絡状態に耐え得るIGBTの
短絡耐量は、現在のIGBTでは、素子定格電圧の80%
の電圧において10〜20μsの時間であり、 7.5〜10μs
以内に過電流を検出して限流しゃ断する短絡保護が行な
われている。
【0008】図6は、コレクタ・エミッタ間電圧VCE
定の下で短絡時に流れるコレクタ電流Ic と耐量時間
(t1 )の関係を示す短絡耐量の特性図で、その試験回
路を一緒に示したものである。この特性から明らかなよ
うにIc とt1 は、ほぼパワー一定の関係を持ち、負荷
短絡等によりコレクタ電流Ic が増大すると耐量時間t
1 が短くなり高速な保護動作を必要とする。
【0009】そこで負荷短絡等による過電流を検出した
ときIGBTのゲート電圧をしぼりIGBTのトランジ
スタ作用を利用して短絡電流を制限し、見かけ上の短絡
耐量時間を長くする方法が種々提案(特願昭60-92870、
特願平3-171484など)されている。
【0010】図7(a)に示す回路は学会(平成4年電
気学会全国大会470)で発表されたもので主IGBT
4aの電流を検出する電流センスIGBT4bを設け、
特定電流以上になるとNLU回路50によりIGBTのゲ
ート電圧を低下させ短絡電流を抑制するものである。
【0011】NLU回路50は図7(d)に示すように、
電流センスIGBT4bのエミッタ電流による抵抗52の
電圧降下がMOSFET54のゲートスレッショルド電圧
以上になるとゲート抵抗51を介してMOSFET54のド
レンに電流が流れIGBTのゲート電圧を低下させるよ
うに作用する。また、NLU回路50は図7(e)に示す
回路でもよく、この回路はMOSFET54をバイポーラ
トランジスタ55に置換えたものである。
【0012】このような回路を構成すると過電流時にI
GBTのゲート電圧を低下させIGBTのオン抵抗を増
加させ、図7(c)に示すように短絡電流を制限するこ
とができ短絡耐量時間を図7(b)のように見かけ上長
くすることができる。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】従来の図7の方法では
IGBTモジュールとしての短絡耐量は増加したが、次
のような問題がある。すなわち、短絡電流を 200%程度
に制限しているので過電流検出により短絡事故を検出す
ることが困難となる。
【0014】また、IGBTのVCEがオン信号を加えて
も高いままであることを検出するなどの別の短絡事故検
出回路等により駆動信号をオフさせる回路を追加する必
要があり回路が複雑となる。
【0015】また、ゲート抵抗51の値Rg により図7
(d)のFET54のドレン電流が同一でもゲート電圧が
異なるので、Rg の大きさにより図8のように電流制限
値ICLが変化する。従って、IGBTのスイッチングを
早くするためRg を小さくすると短絡電流制限値ICL
上昇し短絡耐量時間が短くなる欠点がある。
【0016】更に、IGBTを並列接続した場合に発振
を生じる問題がある。すなわち、各IGBTモジュール
の電流制限機能の動作レベルに差異があるとき、1ケの
IGBTの電流制限機能が動作すると、制限された電流
が他のIGBTに移り、そのIGBTの電流制限機能が
動作する。これを繰返して一種の発振状態を生じIGB
Tが劣化する危険がある。
【0017】また、図7(a)に示す回路のIGBTの
電流制限機能の動作は極めて早い特徴を有しているが、
ダイオードを逆並列接続して使用するとき次のような問
題が生じる。すなわち、図9の回路に示すように負荷の
インダクタンス3Lから放電電流iDがダイオード21D
に流れている時IGBT24をオンすると図9の波形図に
示すようにIGBT24の電流Ic は立上りの部分で負荷
電流iDの 1.5〜2倍程度のピーク電流が流れる。この
電流波形の斜線部分はダイオード21Dのリカバリー電流
で、ダイオードの耐圧が高くなるほど増加し、温度上昇
と共に増加する特性を有している。電流制限値がこのピ
ーク電流より低いとIGBTのターンオン損失が著しく
増加する。このためiDをIGBTの定格電流まで使用
すると仮定するとピーク電流は約200 %程度となり電流
制限値はマージンを見て最低250%以上に設定する必要
があり、短絡耐量時間が短くなるという問題がある。ま
た、スイッチング速度を速くするためRg を小さくする
と500 〜 600%程度の電流制限値となることもあり保護
協調がとりにくいなどの欠点が存在する。
【0018】本発明は、上述した技術的背景の下でなさ
れたもので、その目的とするところは、オン電圧が小さ
く大きな短絡電流となるトランジスタの過電流を高速に
検出し限流しゃ断することにより高信頼度の保護機能を
備えたスイッチ装置を提供することにある。
【0019】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は次のような手段を設ける。
【0020】
【0021】(1)駆動電圧に応じて主電流を制御する
ことの可能なトランジスタと、該トランジスタに並列接
続され前記主電流に対応した検出電圧を出力する電流検
出手段を備えた装置において、前記検出電圧が設定電圧
を越える範囲で前記検出電圧に比例した制御信号を出力
するレベル検出手段と、前記設定電圧を前記トランジス
タの温度上昇に伴って低下させる短絡耐量調整手段と、
前記制御信号により前記駆動電圧を調節して前記主電流
を制限制御する電流制御手段と、前記制御信号が出力さ
れたとき異常信号を出力し、この異常信号が所定時間継
続して出力されたとき前記駆動電圧をオフ状態に制御し
て前記主電流を零にする駆動指令制御手段を設ける。
【0022】(2)駆動電圧に応じて主電流を制御する
ことの可能なトランジスタと、該トランジスタに並列接
続され前記主電流に対応した検出電圧を出力する電流検
出手段を備えた装置において、前記検出電圧が設定電圧
を越える範囲で前記検出電圧に比例した制御信号を出力
するレベル検出手段と、前記制御信号により前記駆動電
圧を調節して前記主電流を制限制御する電流制御手段
と、前記制御信号が第1の所定時間継続して出力された
とき、前記駆動電圧をゼロよりも稍高い値に向かって徐
々に低下させる電流しゃ断手段と、前記制御信号が第1
の所定時間よりも長い第2の所定時間継続して出力され
たとき、前記駆動電圧をオフ状態に制御する駆動指令制
御手段とを設ける。
【0023】
【0024】
【0025】
【作用】 (1)トランジスタに主電流が流れると、電流
検出手段は主電流に比例した検出電圧を出力する。この
検出電圧がレベル検出手段の設定電圧を超えるとその偏
差値に比例した制御信号が出力される。このとき、前記
設定電圧をトランジスタの温度が上昇すると低下するよ
うに設定することにより、電流制限値が低下し、温度が
上昇しても確実な過電流保護が可能となる。
【0026】(2)トランジスタに過電流が流れ電流制
限動作が所定時間継続したとき、レベル検出手段から制
御信号が所定時間継続して出力される。このとき、電流
しゃ断手段は駆動電圧をゼロよりも稍高い値に向かって
徐々に低下させて主電流を零にするので、サージ電圧を
抑制しながら過電流をしゃ断しトランジスタの過電圧保
護も同時に行うことが可能となる。
【0027】
【実施例】本発明の実施例を図1に示す。
【0028】図1(a)において、IGBT4は主電流
を制御するIGBT4aと電流検出用のセンスIGBT
4bで成り、それぞれのゲート、コレクタは並列接続さ
れ、エミッタはそれぞれ独立した端子としている。アン
ド回路11は駆動信号S0 に応じてトランジスタ12をオン
・オフする。フォトカプラ13はトランジスタ12のオン・
オフにより発光ダイオードに電流が流され絶縁されたゲ
ート電源19, 20で動作するフォトトランジスタを有し、
トランジスタ12のオン・オフに応じてコンプリメント接
続されたトランジスタ14, 15をオン・オフさせる。その
出力電圧は抵抗16及び抵抗34とコンデンサ35の直列回路
を介してコンプリメント接続されたトランジスタ17, 18
のゲートに加えられて電力増幅され、この出力電圧VG
がIGBTの駆動電圧として抵抗51を介してIGBT4
a,4bのゲートに加えられる。トランジスタ55は、セ
ンスIGBT4bのエミッタ電流I1 による抵抗52の電
圧降下がベース・エミッタ間のスレッショルド電圧を越
えたときベースに電流が流れ始め、図1(b)に示すよ
うに偏差値に比例した電流I2 がコレクタに流れる。こ
の電流I2 はコンプリメント接続されたトランジスタ1
7, 18のベース電圧から抵抗36、フォトカプラ32、ダイ
オード31を介して流れる。フォトカプラ32は電流I2
流れたとき絶縁された制御電源で動作するフォトトラン
ジスタを有し、異常信号EGを出力する。タイマー33は
常時“1”の信号LKを出力し、異常信号EGが所定時
間継続して出力されたときタイムアップして出力信号L
Kを“0”にする。
【0029】上記構成において、駆動指令S0 が“1”
になると、アンド回路11の出力によりトランジスタ12が
オンしてフォトカプラ13を介してコンプリメント接続さ
れたトランジスタ14がオンする。これによりゲート電源
19の電圧が抵抗16及び抵抗34とコンデンサ35の直列回路
を介しコンプリメント接続されたトランジスタ17, 18の
ゲートに加えられ、電力増幅され抵抗51を介してIGB
T4a,4bのゲートに加えられIGBT4a,4bは
共にオンする。また、駆動指令S0 が“0”になると、
トランジスタ12がオフしてフォトカプラ13の出力により
トランジスタ14がオフ、トランジスタ15がオンし、トラ
ンジスタ17をオフ、トランジスタ18をオンさせIGBT
4a,4bのゲートに負のバイアス電圧を加え、IGB
T4a,4bは共にオフする。この場合、抵抗34とコン
デンサ35は進み回路として作用しゲート電圧を高速で変
化させるように作用する。
【0030】駆動指令S0 が“1”の状態でIGBT4
a,4bがオンしているとき、IGBT4aに過電流が
流れると、IGBT4bのエミッタ電流I1 が図1
(b)に示すa点(トランジスタ55のベース・エミッタ
間スレッショルド電圧)を越えトランジスタ55のコレク
タに電流I2 が流れる。この電流I2 による抵抗16の電
圧降下よりコンプリメント接続されたトランジスタ17,
18のゲート電圧が低下しIGBT4a,4bのゲート電
圧が低下する。
【0031】図2(a)はIGBTの特性図で、ゲート
電圧をパラメータとしてコレクタ・エミッタ間電圧VCE
とコレクタ電流Ic の関係を示した図である。この図に
示すようにIGBTはゲート電圧に応じてコレクタ電流
が変化し、通常はオン電圧を小さくするために大きなゲ
ート電圧でオンするので負荷短絡等が生じると大きな過
電流が流れる。
【0032】しかし、本実施例では前述したように、I
GBTに過電流が流れるとIGBT4a,4bのゲート
電圧が低下してIGBT4aのオン電圧が上昇し過電流
は所定範囲内に抑制される。
【0033】図1(b)において、IGBT4aの電流
が電流制限値になるゲート電圧まで低下させる電流I2
をI2Lとし、このI2Lの電流を流すIGBT4bの電流
1をb点とすると電流制御ループにより電流I1 はb
点に保たれるように制御される。
【0034】このように電流制限動作を開始すると電流
2Lによってフォトカプラ32から異常信号EGが出力さ
れ、これによりタイマー33がタイムカウントを開始す
る。電流制限動作が所定時間継続して行われるとタイマ
ー33がカウントアップして出力信号LKを“0”とし、
アンド回路11のゲートを閉じ駆動指令S0 が“1”の状
態であってもトランジスタ12を強制的にオフにする。こ
れによりIGBT4a,4bのゲート電圧は負にバイア
スされ過電流はしゃ断される。
【0035】図2(b)は負荷が短絡された状態におい
て駆動指令S0 を“1”にした場合のタイムチャートを
示した図である。時刻t1 でS0 が“0”から“1”に
なるとゲート電圧VG が負から正に変化しIGBT4
a,4bがオンしてIGBT4aには短絡電流が流れ始
めIGBT4bのエミッタ電流I1 は急速に立上りトラ
ンジスタ55のコレクタに電流I2 が流れ電流制限動作を
開始する。この電流制限動作によりゲート電圧VG は時
刻t2 で低い値に制御され電流I1 が所定値に制御され
る。この状態が所定時間継続して時刻t3 になるとタイ
マー33の出力信号LKが“1”から“0”になりゲート
電圧VG は負に戻されIGBT4a,4bの電流は零に
なり電流I1 は零になる。
【0036】なお、電流制限動作を行うとき、抵抗34と
コンデンサ35は遅れ回路として作用し、トランジスタ55
のゲイン(ΔI2 /ΔI1 )を大きくし図1(b)のa
−b間を狭くしたときに発振を防ぎ、安定した動作を行
わせると共に、図2(b)に示すようにゲート電圧VG
の低下する時刻t2 を遅らせる作用を行う。この遅れ回
路及びゲート抵抗51とIGBT4a,4bのゲート・エ
ミッタ間の容量による遅れ回路の作用により電流I1
電流制限値に達するまでオーバーシュートする。このオ
ーバーシュートする電流I1 は、IGBTを実際の回路
に適用する際に好都合の作用を行う。すなわち、前述し
た図9の回路のダイオード21Dに流れるリカバリー電流
による増加分(斜線部)を補う作用を行う。このように
本実施例では電流制限制御系のオーバーシュートを積極
的に利用することにより電流制限値を低く設定すること
ができる。なお、IGBTと逆並列に接続するダイオー
ドのリカバリー電流が少ないときは図1の抵抗34、コン
デンサ35を省くことが可能である。
【0037】また、IGBTの温度Tc と短絡耐量時間
tの間には図3(a)のような関係にあり、温度が高く
なると耐量時間が短くなる。例えばTc が 125℃の場合
は25℃の場合に比較して耐量時間はほぼ半減する。
【0038】そこでトランジスタ55のスレッショルド電
圧が温度に応じて低下する特性を利用し、IGBTの温
度に近い場所(例えばエミッタのボンディング部が望ま
しいが少し離れた絶縁パット部でもよい)にバイポーラ
トランジスタ55を配設することにより図3(b)に示す
ように短絡電流(電流制限値)をIGBTの温度上昇に
伴って低下させ、見かけ上の短絡耐量時間を延ばすこと
ができる。図3(c)はトランジスタ55としてMOSF
ETを用いた場合を示したもので温度の影響を受けず一
定の電流となる。しかし、この場合においても抵抗52を
IGBTの温度に近い場所に配設し、正の温係数のもの
を使用して図3(b)のような特性とすることが可能で
ある。
【0039】なお、IGBT4aとIGBT4bをそれ
ぞれ別のチップで構成する場合、IGBT4bのゲート
電圧は抵抗52の電圧降下の分だけ低くなり、IGBT4
aに流れる主電流とIGBT4bに流れる検出電流との
比例関係が得られない場合がある。このような場合、I
GBT4bのゲートのスレッショルド電圧を電流制限が
動作するときの抵抗52の電圧降下に見合った分だけ低く
設定して、電流制限が動作する範囲において主電流と検
出電流の比例関係が成立するようにしもよい。本発明の
第2実施例を図4に示す。図4(a)は要部構成を示し
た図で、図4(b)はその作用を説明するための波形図
である。
【0040】IGBTの負荷が短絡された状態において
駆動指令が与えられ時刻t1 でゲート電圧VG が負から
正になるとIGBTに短絡電流が流れ、短絡電流に比例
した検出電流I1 が流れる。これによりトランジスタ55
のコレクタにダイオード31、ゼナーダイオード44を介し
て電流I2 が流れると抵抗16に電圧降下が生じ時刻t2
でゲート電圧VG は短絡電流を電流制限値に抑制する値
まで低下する。また、抵抗37, 38を介して電流が流れ電
流制限の動作開始と同時にトランジスタ39がオンしてタ
イムディレイ回路40のタイムカウントを開始させる。所
定時間経過後の時刻t3 でタイムディレイ回路40から制
御信号cが出力され抵抗41を介してMOSFET43のゲ
ートに正の電圧が加えられる。MOSFET43のゲート
にはコンデンサ42が備えられ、そのゲート電圧は遅れを
持って立上り時刻t4 でMOSFET43は徐々に導通を
開始し、IGBTのゲート電圧VG をゼロより稍高い値
に向かって徐々に低下させる。これによりIGBTの電
流は徐々に減少して零になりその検出電流I1 も図示の
ように徐々に減少して零となる。フォトカプラ32はMO
SFET43に流れる電流により作動して異常信号EGを
出力する。この信号EGにより駆動指令の出力を中止さ
せ時刻t5 でゲート電圧VG は負にバイアスされる。こ
の第2実施例によれば過電流が所定時間継続して流れた
後、徐々に減少させるのでサージ電圧を低い値とするこ
とができる。なおゼナーダイオード44はゲート電圧を下
げすぎないようにリミットするためのもので抵抗で代替
してもよく省略することも可能である。また、オーバー
シュート量を調節するための遅れ回路はトランジスタ55
の後段に増幅回路等を設けてその部分に追加することが
できる。
【0041】また、本発明は、IGBT4a,4bと、
トランジスタ55及び抵抗52, 56で成るレベル検出部を1
つのパッケージ内に収納したIGBTモジュールとして
構成することで主回路構成の自由度の大きい使い勝手の
良いスイッチ装置とすることができる。すなわち、この
IGBTモジュールを並列接続して使用する場合に最も
早く動作するレベル検出部の出力信号により並列接続し
た全てのIGBTのゲート電圧を抑制して過電流保護す
ることが可能になり、大容量化した場合でも容易に過電
流保護を行うことが可能となる。
【0042】
【発明の効果】本発明の保護機能を備えたスイッチ装置
によれば、レベル検出手段の設定電圧をトランジスタの
温度が上昇すると低下するように設定することにより、
電流制限値が低下し、温度が上昇しても確実な過電流保
護を行うことができる。
【0043】また、電流しゃ断手段は駆動電圧をゼロよ
りも稍高い値に向かって徐々に低下させて主電流を零に
することにより、過電流をしゃ断するときのサージ電圧
を抑制することができるので、更に信頼性の高い保護機
能を備えたスイッチ装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の保護機能を備えたスイッチ装置の第1
実施例を示す図で(a)はその構成図(b)は要部の特
性図
【図2】上記第1実施例の作用を説明するための図で
(a)はIGBTの特性図(b)は動作波形図
【図3】上記第1実施例の他の作用を説明するための図
で(a)はIGBTの特性図(b)(c)は電流波形図
【図4】本発明の第2実施例を示す図で(a)はその要
部構成図(b)は動作波形図
【図5】技術的背景を説明するための図で(a)はIG
BTの特性図(b)はIGBTが使用される一般的な主
回路構成図
【図6】IGBTの過電流に対する耐量時間を示す特性
図で、その試験回路を一緒に示している。
【図7】従来の過電流保護機能を備えたIGBTを示す
図で(a)はその要部構成図(b)は負荷短絡耐量分布
図(c)は負荷短絡試験波形図(d)(e)は要部(N
LU)の具体的構成図
【図8】上記従来構成の問題点を説明するための特性図
【図9】IGBTを使用した主回路の動作上における問
題を説明するための主回路要部構成図と動作波形図を一
緒に示した図
【符号の説明】
4…IGBT、4a…主IGBT、4b…センスIGB
T、11…アンド回路、12,14,15,17,18,39,55…トランジ
スタ、13,32 …フォトカプラ、16,34,36,37,38,41,51,5
2,56…抵抗、19,20 …ゲート電源、31…ダイオード、33
…タイマー、35…コンデンサ、43…MOSFET、44…
ゼナーダイオード。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 秀島 誠 神奈川県川崎市幸区小向東芝町1番地 株式会社東芝 多摩川工場内 (56)参考文献 特開 平3−207214(JP,A) 特開 昭63−229757(JP,A) 特開 平2−226808(JP,A) 特開 平4−96618(JP,A) 特開 平4−236122(JP,A) 特開 平3−183209(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02H 3/08 - 3/253

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 駆動電圧に応じて主電流を制御すること
    の可能なトランジスタと、該トランジスタに並列接続さ
    前記主電流に対応した検出電圧を出力する電流検出手
    段を備えた装置において、前記検出電圧が設定電圧を越
    える範囲で前記検出電圧に比例した制御信号を出力する
    レベル検出手段と、前記設定電圧を前記トランジスタの
    温度上昇に伴って低下させる短絡耐量調整手段と、前記
    制御信号により前記駆動電圧を調節して前記主電流を制
    限制御する電流制御手段と、前記制御信号が出力された
    とき異常信号を出力し、この異常信号が所定時間継続し
    て出力されたとき前記駆動電圧をオフ状態に制御して前
    記主電流を零にする駆動指令制御手段を設けたことを特
    徴とする保護機能を備えたスイッチ装置。
  2. 【請求項2】 駆動電圧に応じて主電流を制御すること
    の可能なトランジスタと、該トランジスタに並列接続さ
    れ前記主電流に対応した検出電圧を出力する電流検出手
    段を備えた装置において、前記検出電圧が設定電圧を越
    える範囲で前記検出電圧に比例した制御信号を出力する
    レベル検出手段と、前記制御信号により前記駆動電圧を
    調節して前記主電流を制限制御する電流制御手段と、前
    記制御信号が第1の所定時間継続して出力されたとき、
    前記駆動電圧をゼロよりも稍高い値に向かって徐々に低
    下させる電流しゃ断手段と、前記制御信号が第1の所定
    時間よりも長い第2の所定時間継続して出力されたと
    き、前記駆動電圧をオフ状態に制御する駆動指令制御手
    段とを設けたことを特徴とする保護機能を備えたスイッ
    チ装置。
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