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技術 車両用交流発電機の電圧制御装置

出願人 株式会社デンソー
発明者 浅田忠利
出願日 2000年8月7日 (20年10ヶ月経過) 出願番号 2000-238627
公開日 2002年2月22日 (19年3ヶ月経過) 公開番号 2002-058173
状態 特許登録済
技術分野 発電機の制御 半導体集積回路 発電機による充電制御
主要キーワード Nチャンネル 接合劣化 電磁アクチエータ 分離集積 負サージ 変形構造 各島領域 還流素子
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図面 (9)

課題

車載誘導負荷開閉に伴う誤動作動作特性の変動を良好に防止可能な車両用交流発電機電圧制御装置を提供すること。

解決手段

車両用交流発電機の電圧制御装置8内の電源回路10は逆流防止ダイオ−ド9を通じてバッテリ4から給電され、更に、この逆流防止ダイオ−ド9は電源回路とともに絶縁物分離集積回路素子集積される。

概要

背景

近年、車両用交流発電機電圧制御装置内部回路構成はますます複雑、高機能化されるとともに、励磁電流スイッチング素子を除いてコンパレータなどのオペアンプ回路発振回路などが同一チップ集積されるようになっている。

これらのオペアンプ回路や発振回路などにバッテリ電圧のような変動が大きい電圧電源電圧として用いると特性のふらつきが生じるので、このレギュレータチップ定電圧回路(以下、電源回路ともいう)を集積し、この定電圧回路にバッテリからキースイッチを通じてバッテリ電圧を印加し、形成した定電圧の内部電源電圧を各回路に電源電圧として給電している。

概要

車載誘導負荷開閉に伴う誤動作動作特性の変動を良好に防止可能な車両用交流発電機の電圧制御装置を提供すること。

車両用交流発電機の電圧制御装置8内の電源回路10は逆流防止ダイオ−ド9を通じてバッテリ4から給電され、更に、この逆流防止ダイオ−ド9は電源回路とともに絶縁物分離集積回路素子に集積される。

目的

本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、車載誘導負荷の開閉に伴う誤動作や動作特性の変動を良好に防止可能な車両用交流発電機の電圧制御装置を提供することをその目的としている。

効果

実績

技術文献被引用数
2件
牽制数
2件

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請求項1

バッテリと前記バッテリを充電する発電機の界磁巻線との間に接続されて前記界磁巻線の励磁電流断続するスイッチ素子と、前記バッテリの電圧に応じて前記スイッチ素子の作動を制御する制御回路と、高位入力端に入力される入力電圧から定電圧の内部電源電圧を形成して前記制御回路の各部に内部電源電圧として配電する電源回路と、を有する車両用交流発電機電圧制御装置において、アノード電極外部電源ラインを通じて前記バッテリに接続され、カソード電極が前記電源回路の前記高位入力端に接続される逆流防止ダイオ−ドを有することを特徴とする車両用交流発電機の電圧制御装置。

請求項2

請求項1記載の車両用交流発電機の電圧制御装置において、前記制御回路の少なくとも一部、前記電源回路及び逆流防止ダイオ−ドは、絶縁分離型集積回路により集積されていることを特徴とする車両用発電機の電圧制御装置。

請求項3

請求項1記載の車両用交流発電機の電圧制御装置において、前記逆流防止ダイオ−ドは、前記制御回路の少なくとも一部と前記電源回路とを集積した接合分離型集積回路に対して外付けされていることを特徴とする車両用発電機の電圧制御装置。

請求項4

請求項1記載の車両用交流発電機の電圧制御装置において、前記逆流防止ダイオ−ドが構成された半導体チップと、前記制御回路の少なくとも一部と前記電源回路とを集積した接合分離型集積回路チップとはハイブリッド集積回路素子を構成していることを特徴とする車両用発電機の電圧制御装置。

請求項5

前記逆流防止ダイオ−ドと少なくとも前記電源回路とは異なる導電性支持基板に別々に固定され、各前記導電性支持基板は互いに電気的に絶縁され、かつ、熱的にも分離されていることを特徴とする請求項1記載の車両用発電機の電圧制御装置。

請求項6

前記導電性支持基板は、リードフレーム構造リードからなり、前記逆流防止ダイオードのカソード電極と前記電源回路の前記高位入力端とは、ボンディングワイヤで接続され、前記逆流防止ダイオ−ド、電源回路及びワイヤ樹脂封止されていることを特徴とする請求項5記載の車両用発電機の電圧制御装置。

請求項7

前記逆流防止ダイオ−ド及び少なくとも前記電源回路は、同一の導電性部材により異なる前記リードフレームに同時に固着されていることを特徴とする請求項6記載の車両用発電機の電圧制御装置。

技術分野

0001

本発明は、半導体素子を用いて発電機の励磁コイル通電制御を行う車両用発電機電圧制御装置に関する。

背景技術

0002

近年、車両用交流発電機の電圧制御装置の内部回路構成はますます複雑、高機能化されるとともに、励磁電流スイッチング素子を除いてコンパレータなどのオペアンプ回路発振回路などが同一チップ集積されるようになっている。

0003

これらのオペアンプ回路や発振回路などにバッテリ電圧のような変動が大きい電圧電源電圧として用いると特性のふらつきが生じるので、このレギュレータチップ定電圧回路(以下、電源回路ともいう)を集積し、この定電圧回路にバッテリからキースイッチを通じてバッテリ電圧を印加し、形成した定電圧の内部電源電圧を各回路に電源電圧として給電している。

発明が解決しようとする課題

0004

しかしながら、近年、車両に搭載する電磁アクチュエータの数が増大する傾向にあり、これらの電磁アクチエータがまれに同時にターンオフする場合がある。すると、バッテリからこれら電磁アクチエータに給電する外部電源ラインに大きな負サージ電圧が発生し、この負サージ電圧が、この外部電源ラインから給電される上記定電圧回路の高位入力端に印加されることがある。

0005

このような負サージ電圧が定電圧回路の高位入力端に入力すると、定電圧回路の出力電圧すなわち内部電源電圧VDDがが大幅に変動し、車両用交流発電機の制御回路に内蔵されるコンパレータや発振回路などの動作特性が大幅に変動するという問題があった。

0006

本発明は、上記問題点に鑑みなされたものであり、車載誘導負荷開閉に伴う誤動作や動作特性の変動を良好に防止可能な車両用交流発電機の電圧制御装置を提供することをその目的としている。

課題を解決するための手段

0007

請求項1の車両用交流発電機の電圧制御装置は、バッテリと前記バッテリを充電する発電機の界磁巻線との間に接続されて前記界磁巻線の励磁電流を断続するスイッチ素子と、前記バッテリの電圧に応じて前記スイッチ素子の作動を制御する制御回路と、高位入力端に入力される入力電圧から定電圧の内部電源電圧を形成して前記制御回路の各部に内部電源電圧として配電する電源回路とを有する車両用交流発電機の電圧制御装置において、アノード電極が外部電源ラインを通じて前記バッテリに接続され、カソード電極が前記電源回路の前記高位入力端に接続される逆流防止ダイオ−ドを有することを特徴としている。

0008

本発明によれば、定電圧回路である電源回路は逆流防止ダイオ−ドを通じてバッテリから給電されるので、バッテリと逆流防止ダイオ−ドのアノード電極とを接続する(正確にはキースイッチとIG端子とを接続する)外部電源ラインが、それに接続された複数の誘導負荷の同時ターンオフなどにより大きな負サージ電圧を発生しても、逆流防止ダイオ−ドが電源回路(定電圧回路)へのその侵入を防止するので、制御回路内のコンパレータや発振回路などが誤動作したり、特性変動したりするのを防止することができる。なお、この種の負サージ電圧の発生時間は誘導性負荷の短い遮断過渡期間に限定されるので、上記逆流防止ダイオ−ドによる電源回路へのバッテリ電流給電停止にもかかわらず、電源回路が出力する内部電源電圧VDDを制御回路内部に配電する内部電源線の浮遊容量や寄生容量や追加の容量などにより、内部電源電圧VDDの低下を許容範囲に制限することができ、上記特性ばらつきを良好に防止することができる。

0009

請求項2記載の構成によれば請求項1記載の車両用交流発電機の電圧制御装置において更に、前記制御回路の少なくとも一部、前記電源回路及び逆流防止ダイオ−ドは、絶縁分離型集積回路により集積されていることを特徴とするので、負サージ電圧が大きくなって、逆流防止ダイオ−ドが形成される集積回路チップ基板電位又は基板上に形成されたウエル領域電位以下となっても、この逆流防止ダイオ−ド領域がその上に形成される基板や隣接する他の回路素子領域電流リークが生じることがなく、回路の信頼性を向上することができる。

0010

なお、従来の接合分離型集積回路構造では、負サージ電圧(図8参照)が生じると、素子分離用PN接合順バイアスして基板(又はウエル領域)や隣接回路素子領域にリーク電流が流れ(図7参照)、回路の信頼性を損なわれる可能性がある。

0011

また、負サージ電流が電圧制御装置の回路内を流れることが無いので、電源回路を簡素な構成とすることができ、逆流防止用のダイオ−ドの順方向の電圧降下は0.7V程度とわずかなため、電圧制御装置の使用時においては、電源回路に供給される電圧はスターター起動によるバッテリ電圧低下時においても、電圧制御装置を構成する回路に十分な電圧を供給できるので、作動が安定なものとなる。

0012

請求項3記載の構成によれば請求項1記載の車両用交流発電機の電圧制御装置において更に、前記逆流防止ダイオ−ドは、前記制御回路の少なくとも一部と前記電源回路とを集積した接合分離型集積回路に対して外付けされているので、電源回路や制御回路のその他の部分を簡素な工程で集積回路構成とすることができ、製造コスト押さえ、また、逆流防止ダイオ−ドとして格別に高耐圧のものを用いることができる。

0013

請求項4記載の構成によれば請求項1記載の車両用交流発電機の電圧制御装置において更に、前記逆流防止ダイオ−ドが構成された半導体チップと、前記制御回路の少なくとも一部と前記電源回路とを集積した接合分離型集積回路チップとはハイブリッド集積回路素子を構成しているので、すなわち、両チップ同一モジュール実装するので、配線作業の簡素化、冷却、回路部品点数の削減が可能となる。たとえば、電圧制御装置内のスイッチ素子作動に伴う自己発熱の影響が、逆流防止ダイオ−ドに及ぶことが無い。従って、逆流防止ダイオ−ドの温度上昇を抑制することができるので、逆流防止ダイオ−ドのPN接合が逆バイアスされたときの温度に依存する漏れ電流を小さくすることができ、確実に逆流防止ダイオ−ドの効果を高めることができる。

0014

請求項5記載の構成によれば請求項1記載の車両用発電機の電圧制御装置において更に、前記逆流防止ダイオ−ドと少なくとも前記電源回路とは異なる導電性支持基板に別々に固定され、各前記導電性支持基板は互いに電気的に絶縁され、かつ、熱的にも分離されていることを特徴とするすなわち、本構成によれば、たとえば2チップ1樹脂モールドパッケージ構造を採用するとともに、各チップを導電性支持基板に固定するので、導電パターンを有する回路基板を必要とせず回路構成を簡素化することができる。

0015

また、逆流防止用ダイオ−ド及び、他の制御回路が電気的に絶縁されているのみならず、熱的にも分離され、かつ、電圧制御装置内のスイッチ素子作動に伴う自己発熱の影響が、逆流防止ダイオ−ドに及ぶことが無い。

0016

請求項6記載の構成によれば請求項5記載の車両用発電機の電圧制御装置において更に、前記導電性支持基板は、リードフレーム構造リードからなり、前記逆流防止ダイオードのカソード電極と前記電源回路の前記高位入力端とは、ボンディングワイヤで接続され、前記逆流防止ダイオ−ド、電源回路及びワイヤ樹脂封止されていることを特徴とする。

0017

これにより、モ−ルド樹脂にて一括封止されているので、電圧制御装置を小型にすることができ好都合である。また、逆流ダイオ−ドと電源回路とはボンディングワイヤにて接触しているので、50μm程度以下のボンディングワイヤを選択することで、電源回路に過電流が流れるようなケースにいたっても、ボンディングワイヤが溶断し回路がオープン側で故障するので、フェールセーフとして働き電圧制御回路はより安全なものとなる。

0018

更に、電圧制御装置内のスイッチ素子作動に伴う自己発熱の影響が逆流ダイオ−ドに及ぶことが無いので、電圧制御装置内において逆流ダイオ−ドの温度を低くできる、従い、接合部の高温劣化特性を考慮した場合、接合品質は他の接合部に較べ、逆流防止ダイオ−ドの接合状態をより良くできる。この結果、接合劣化に伴い、逆流防止ダイオ−ドが先にオープン故障することが無いので、逆流防止ダイオ−ドを付加しても、電圧制御装置全体の寿命を低下させることが無いので良い。

0019

請求項7記載の構成によれば請求項6記載の車両用発電機の電圧制御装置において更に、前記逆流防止ダイオ−ド及び少なくとも前記電源回路は、同一の導電性部材により異なる前記リードフレームに同時に固着されているので、素子構成が簡素となり、更に逆流防止ダイオ−ドの接合状態は、他の電圧制御装置内の回路の接合状態と同等にできる。又、逆流防止ダイオ−ドを接合している接合部材は、他の接合部と同一の材料特性(例えば融点熱分解温度)を有するので、発電機がエンジンよりの輻射熱等で異常に温度が上がり、電圧制御装置の温度も異常上昇するような過熱時は、逆流防止ダイオ−ドの接合材誘導性が他の接合部と同じくオープンモ−ドとなり、電圧制御装置の電源回路にバッテリからの電源供給が断たれるためスイッチ素子がオフし、発電機は発電を停止するのでフェールセーフとして働き、電圧制御回路はより安全なものとなる。なお、各実施例の好適な態様において、電源回路の出力端並列コンデンサを接続される。これにより、上記逆流防止ダイオ−ドによる電源電流断時の内部電源電圧VDDの低下を抑止することができる。この並列コンデンサは、当然、集積回路チップに集積してもよく、外付けしてもよい。外付けの場合には集積回路チップと同一樹脂モールド封止してもよく、集積回路チップと同一基板に実装してもよく、リードフレームのリードに固定してもよい。

発明を実施するための最良の形態

0020

本発明の車両用交流発電機の電圧制御装置の好適な態様を以下の実施例を参照して説明する。

0021

この実施例の車両用発電機の電圧制御装置を図1を参照して以下に説明する。図1は車両用交流発電機の回路図である。

0022

(全体構成)車両は、搭載された電気負荷6へ、電力の供給を行うバッテリ4を備える。バッテリ4は、エンジン(図示しない)によって駆動される発電機によって充電される。

0023

この発電機は、充電されて磁界を形成する励磁コイル2と、励磁コイル2の発生する磁界の変化によって起電力を発生する電機子コイル1とを有し、励磁コイル2または電機子コイル1の一方が回転駆動される。電機子コイル1で発生した交流電流は、整流回路3によって直流に変換された後、電気負荷6やバッテリ2へ出力される。

0024

発電機の発電量、つまり電機子コイル1の発電量は、発電機の駆動速度と、励磁コイル2の通電状態とによって決定される。励磁コイル2の通電状態は、制御回路8によって制御される。

0025

(制御回路8の構成及び基本動作)制御回路8は、励磁コイル2に供給される電流を断続するスイッチ素子11を備える。スイッチ素子11はソースホロワ接続のNチャンネルMOSFETで構成され、ゲ−ト電極に印加される電圧値制御状態に応じて、励磁コイル2に供給される電流値を制御している。12は励磁コイル2と並列に接続された還流素子としてのフライホイールダイオ−ドである。スイッチ素子11のゲ−ト電圧は、チャージポンプ回路14で必要な電位まで充電され、ゲ−ト放電トランジスタ17にて放電される。

0026

バッテリ電圧は、バッテリ接続端(S)より制御回路8に入力され、分圧回路を構成する抵抗20、21にて分圧された後、比較器19の負入力端に入力される。コンデンサ22は、上記分圧回路の出力電圧に流入するバッテリ電圧のリップル成分バイパスしている。

0027

上記分圧回路の出力電圧は、コンパレータ19にて基準電圧Vrと比較され、コンパレータ19は、バッテリ電圧が所定電圧を下回る場合にアンド回路16及びインバータ18にHi信号を入力する。インバータ18は、Hi信号の入力によりゲ−ト放電トランジスタ17をオフし、スイッチ素子11のゲ−ト電荷の放電を停止する。

0028

アンド回路16は、入力された上記Hi信号に基づき発振回路15の出力をチャージポンプ回路14に入力してチャージポンプ回路14を駆動し、あるいは、チャージポンプ回路14の出力を許可し、スイッチ素子11のゲ−ト電極が充電されて、必要なレベルまで昇圧され、スイッチ素子11がオンする。これにより、励磁コイル2に通電される励磁電流が増加し、発電量が増加する。

0029

逆に、チャージポンプ回路14は、バッテリ電圧が所定電圧を上回る場合にスイッチ素子11のゲート電極の充電を停止し、かつ同時にインバータ18を通じてゲ−ト放電トランジスタ17がオンして、スイッチ素子11をオフさせる。これにより、励磁コイル2に通電される励磁電流が減少し、発電量が減少する。

0030

上記コンパレータ19の動作により、バッテリ4の電圧は、基準電圧Vrと分圧回路の分圧比で定まるレベルに収束することになる。

0031

次に、エンジン始動時の動作について説明する。

0032

エンジン停止時にキースイッチ5を投入してスイッチ素子11を励磁しても、電機子コイル1は交流発電電圧を発生しないので、電機子コイル1の一相電圧を検出する発電検出回路31は、ワーニングランプ40駆動用のスイッチ素子30をオンして、ワーニングランプ40を点灯させる。エンジンが始動して発電機が発電を開始すると、発電検出回路31が、電機子コイル1に発生した交流発電電圧を検出してワーニングランプ40駆動用のスイッチ素子30をオフし、ワーニングランプ40を消灯させる。なお、ワーニングランプ40の点消灯制御は、スイッチ素子30で直接駆動する他に、他の機器に信号として出力し、この他の機器がワーニングランプ40を点灯・消灯しても良いことはもちろんである。

0033

(電源回路10の構成及び動作)次に、制御回路8の内部電源電圧VDDを形成する電源回路10について説明する。

0034

この電源回路10は、定電圧ダイオ−ド101と、好適には抵抗素子からなる電流制限素子102とを直列接続した周知の定電圧回路である。電源回路10は、逆流防止ダイオード9及びIGスイッチ5を通じてバッテリ4から給電され、制御回路8内の各部に定電圧化された内部電源電圧VDDを給電している。

0035

IG端子から給電されてスイッチ7により開閉される電気負荷6が誘導負荷である場合、スイッチ7のオフにより電気負荷6は負サージ電圧を発生し、この負サージ電圧はIG端子の電位を一時的にではあるが大きく低下させる。逆流防止ダイオ−ド9は、この負サージ電圧が電源回路10に印加されるのを阻止する。

0036

(逆流防止ダイオ−ド9の構造及び作用)次に、この逆流防止ダイオ−ド9の具体的な構造の一例を図2を参照して説明する。

0037

この逆流防止ダイオ−ドは絶縁分離型集積回路に他の回路素子電流制限抵抗102のみ図示)を集積したものであり、200は低濃度P型基板、201、202は酸化膜絶縁領域、基板200の表面に必要個数N型島領域を互い電気絶縁して形成している。各島領域の底面には高濃度N型埋め込み層が形成され、その上に低濃度N型エピタキシャル層が形成され、その表面部には、高濃度P型アノード領域205、P型抵抗領域206、高濃度P型コンタクト領域207、208、高濃度N型コンタクト領域209が形成されている。図2中、右側の島領域には逆流防止ダイオ−ドが9が形成され、左側の島領域には電源回路10の電流制限用の抵抗102が形成されている。構造及び製造方法は知られており、説明を省略する。

0038

この絶縁分離型集積回路構造を採用すれば、逆流防止ダイオ−ド9と制御回路8内の他の素子とをワンチップに集積することができるので、電圧制御装置をコンパクトにすることができ、小型化に寄与できる。

0039

変形態様1)定電圧回路10の変形態様を図3に示す。

0040

この変形態様において、105は並列コンデンサ、103はエミッタホロワトランジスタ、104はコレクタ抵抗である。この変形態様は、図1に示す定電圧回路10の出力電圧をエミッタホロワ回路電流増幅したものであり、また、並列コンデンサ105により内部電源線300の電位変動を抑止することができる。

0041

(変形態様2)制御回路8の変形構造図4図6を参照して説明する。

0042

この実施態様は、逆流防止ダイオ−ド9をリードフレームのリード510上に導電性の部材54にて固着したもので、逆流防止ダイオ−ド9は図6に模式図示するように、P型基板91にN型拡散をしたPN接合を持つダイオ−ドで構成されている。

0043

50はヒートシンク、52はボンディングワイヤ、53はモールド樹脂、54は導電性部材、105はチップコンデンサ、510〜517はリードである。80は、制御回路8が集積された集積回路チップであり、10aはその電源回路10が集積された部分である。集積回路チップ80はヒートシンク50上に固着されている。逆流防止ダイオ−ド9をなす半導体チップは、p型基板91の表面部にN型領域92を設け、金属電極93をN型領域92上に固着してなる。逆流防止ダイオ−ド9をなすチップはリード510上に固着されている。

0044

金属電極93はボンディングワイヤ52の材料組成の主成分を例えばアルミ等に揃えると、異なる金属間化合物を生成することが無いので、信頼性が高く好ましい。

0045

集積回路80をヒートシンク50に接続する部材と導電性の部材54とは主成分を同一とすることが好ましい。並列コンデンサ105をなすチップコンデンサはリード516と517との間に配されており、コンデンサ105の接合部材もやはり逆流防止ダイオ−ドの接合部材9と同一種をもちいると材料が統一でき、コストダウンに寄与でき、好ましい。しかしながら、コンデンサの固着過程に付いては、逆流防止ダイオ−ド等と同時に行う必要性は特に無い。

0046

これら部品をモ−ルド樹脂53にて一括封止することで、電圧制御装置を小型にすることができる。更に本例においては、逆流防止ダイオ−ド9とスイッチング素子11を含む制御回路8内の他の素子とをモ−ルド樹脂により熱的にも分離することができる。ここで、スイッチング素子11は制御回路8と別チップ構成としてもよい。

0047

モールド樹脂53として熱伝導率が小さい素材を選択することにより、スイッチング素子11が励磁電流を駆動して自己発熱しても、逆流防止ダイオ−ド9に与える熱的影響を軽減できるので、逆流防止ダイオ−ド9の漏れ電流を小さくすることができる。

0048

また、逆流防止ダイオ−ド9の接合と、制御回路8内の他の素子とを同一種の導電性の部材54にて同時に固着させると、接合状態を同等にできる。このため接合部の高温劣化特性を考慮した場合、接合品質は他の接合部よりできる。従い、接合劣化に伴い、逆流ダイオ−ドが先にオープン故障することが無いので、逆流ダイオ−ドを付加しても、電圧制御装置全体の寿命を低下させることが無いので良い。

0049

また、逆流防止ダイオ−ド9を接合している接合部材は、他の接合部と同一の材料特性を有するので、発電機がエンジンよりの輻射熱等で異常に温度が上がり、電圧制御装置の温度も異常上昇するような過熱時は、逆流ダイオ−ドの接合材の導電性が他の接合部と同じくオープンモ−ドとなり、電圧制御装置の電源回路にバッテリからの電源供給がたたれるためスイッチ素子がオフし、フェールセーフとして働くので電圧制御回路はより安全なものとなる。

0050

また、並列コンデンサ105をセラミックコンデンサ等のチップ部品として、逆流防止ダイオ−ド9と同様にリードフレーム上に同一の接合部材で接続し、モ−ルド樹脂にて一括封止するので、大容量のコンデンサを搭載でき、サージ電圧時定数がより大きなサージにも対応できるメリットがある。

図面の簡単な説明

0051

図1本発明の車両用交流発電機の電圧制御装置の一実施例を示す回路図である。
図2図1に示す制御回路8の一部を示す模式断面図である。
図3図1の電源回路の変形例を示す回路図である。
図4図1の制御回路の変形例を示す平面図である。
図5図4のA−A線矢視断面図である。
図6図4図5に示す逆流防止ダイオ−ド近傍の拡大模式断面図である。
図7従来の車両用交流発電機の電圧制御装置における負サージによるリーク電流を示す説明図である。
図8図7の負サージ電圧の波形を示す波形図である。

--

0052

2……励磁コイル
1……電機子コイル
8……制御回路
9……逆流防止ダイオ−ド
10……電源回路
11……スイッチング素子

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