JP2000245137A - 半導体素子の保護装置 - Google Patents
半導体素子の保護装置Info
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- JP2000245137A JP2000245137A JP11039569A JP3956999A JP2000245137A JP 2000245137 A JP2000245137 A JP 2000245137A JP 11039569 A JP11039569 A JP 11039569A JP 3956999 A JP3956999 A JP 3956999A JP 2000245137 A JP2000245137 A JP 2000245137A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 電圧クランプ期間中にオーバーシュートによ
って半導体素子に過電圧が印加されるのを抑制し、素子
の破壊を防ぐ。 【解決手段】 IGBT等の半導体素子の電流遮断時に
素子の電極相互間の電圧を定格電圧以下のほぼ一定値に
クランプする電圧クランプ回路を、電極相互間に接続し
た半導体素子の保護装置に関する。電圧クランプ回路1
0の一端をIGBT Qのコレクタ側冷却体11に銅バ
ー13を介して接続すると共に、電圧クランプ回路10
の他端をIGBT Qの制御電極に最短距離にて接続す
る。前記電圧クランプ回路10は、IGBT Qのター
ンオフ時にコレクタ−エミッタ間電圧を一定値にクラン
プする。
って半導体素子に過電圧が印加されるのを抑制し、素子
の破壊を防ぐ。 【解決手段】 IGBT等の半導体素子の電流遮断時に
素子の電極相互間の電圧を定格電圧以下のほぼ一定値に
クランプする電圧クランプ回路を、電極相互間に接続し
た半導体素子の保護装置に関する。電圧クランプ回路1
0の一端をIGBT Qのコレクタ側冷却体11に銅バ
ー13を介して接続すると共に、電圧クランプ回路10
の他端をIGBT Qの制御電極に最短距離にて接続す
る。前記電圧クランプ回路10は、IGBT Qのター
ンオフ時にコレクタ−エミッタ間電圧を一定値にクラン
プする。
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、IGBT(絶縁
ゲート形バイポーラトランジスタ)等の半導体素子を流
れる電流を遮断した際に発生するスパイク電圧から素子
を保護するための保護装置に関する。
ゲート形バイポーラトランジスタ)等の半導体素子を流
れる電流を遮断した際に発生するスパイク電圧から素子
を保護するための保護装置に関する。
【0002】
【従来の技術】図4は、電圧駆動型の半導体素子として
IGBTを使用した公知の電圧形インバータの回路構成
図である。図において、直流電源Ed(その電圧値もEd
にて表す)と平滑コンデンサCFとの並列回路の両端に
は、IGBT Q1〜Q4がブリッジ接続されている。こ
れらのうちIGBT Q1,Q2の接続点とIGBT
Q3,Q4の接続点との間には、負荷抵抗RLと負荷リア
クトルLとが直列接続されている。
IGBTを使用した公知の電圧形インバータの回路構成
図である。図において、直流電源Ed(その電圧値もEd
にて表す)と平滑コンデンサCFとの並列回路の両端に
は、IGBT Q1〜Q4がブリッジ接続されている。こ
れらのうちIGBT Q1,Q2の接続点とIGBT
Q3,Q4の接続点との間には、負荷抵抗RLと負荷リア
クトルLとが直列接続されている。
【0003】上記構成のインバータでは、IGBT
Q2,Q3を同時にオンさせて正の直流電圧を出力し、同
Q1,Q4を同時にオンさせて負の直流電圧を出力するよ
うになっており、正負の直流電圧が交互に出力されるこ
とによって交流電圧が出力される。この交流電圧によ
り、負荷抵抗RL及び負荷リアクトルLの直列回路に交
流の負荷電流ILが流れる。
Q2,Q3を同時にオンさせて正の直流電圧を出力し、同
Q1,Q4を同時にオンさせて負の直流電圧を出力するよ
うになっており、正負の直流電圧が交互に出力されるこ
とによって交流電圧が出力される。この交流電圧によ
り、負荷抵抗RL及び負荷リアクトルLの直列回路に交
流の負荷電流ILが流れる。
【0004】図5は、図4の電圧形インバータにおける
IGBT Q2がスイッチングする時の等価回路図であ
り、Lmは回路の配線インダクタンス、FWD1はIGB
T Q1(IGBT Q2の上のアームのIGBT)に内蔵
されているフリーホイールダイオードである。また、図
6はIGBT Q2のターンオフ時におけるコレクタ−エ
ミッタ間電圧VCE及びコレクタ電流Icの波形を示して
いる。
IGBT Q2がスイッチングする時の等価回路図であ
り、Lmは回路の配線インダクタンス、FWD1はIGB
T Q1(IGBT Q2の上のアームのIGBT)に内蔵
されているフリーホイールダイオードである。また、図
6はIGBT Q2のターンオフ時におけるコレクタ−エ
ミッタ間電圧VCE及びコレクタ電流Icの波形を示して
いる。
【0005】図5において、IGBT Q2がオンの時に
は直流電源Ed→配線インダクタンスLm→負荷抵抗RL
→負荷インダクタンスL→IGBT Q2→直流電源Ed
の経路で電流が流れる。図6に示すごとくIGBT Q2
が時刻t0でターンオフすると、そのコレクタ−エミッ
タ間電圧VCEが上昇し始める。VCEが時刻t1で直流電
圧Edに達してダイオードFWD1がオンすることによ
り、負荷電流ILはダイオードFWD1に転流し始めるた
め、それ以後、コレクタ電流Icは減少していく。この
コレクタ電流Icの変化率(減少率)である−di/d
tにより、配線インダクタンスLmには誘起電圧V
Lm(=△Vsp:スパイク電圧)が発生し、図6に示すよ
うにIGBT Q2のコレクタ−エミッタ間には電圧(E
d+△Vsp)が印加される。
は直流電源Ed→配線インダクタンスLm→負荷抵抗RL
→負荷インダクタンスL→IGBT Q2→直流電源Ed
の経路で電流が流れる。図6に示すごとくIGBT Q2
が時刻t0でターンオフすると、そのコレクタ−エミッ
タ間電圧VCEが上昇し始める。VCEが時刻t1で直流電
圧Edに達してダイオードFWD1がオンすることによ
り、負荷電流ILはダイオードFWD1に転流し始めるた
め、それ以後、コレクタ電流Icは減少していく。この
コレクタ電流Icの変化率(減少率)である−di/d
tにより、配線インダクタンスLmには誘起電圧V
Lm(=△Vsp:スパイク電圧)が発生し、図6に示すよ
うにIGBT Q2のコレクタ−エミッタ間には電圧(E
d+△Vsp)が印加される。
【0006】上述したIGBTのターンオフ時における
スパイク電圧△Vspから素子を保護するために、図7に
示すように、IGBT(ここではQ2を図示してある)
のコレクタ−ゲート間にターンオン時逆流防止用のダイ
オードDとツェナーダイオードZDとからなる電圧クラ
ンプ回路10’を接続し、コレクタ−エミッタ間電圧V
CEを一定値(IGBTの定格電圧以下)にクランプする
ことによりIGBTを保護する方法が、公知の技術とし
て知られている。なお、図において、GDUはIGBT
Q2のゲート駆動回路である。
スパイク電圧△Vspから素子を保護するために、図7に
示すように、IGBT(ここではQ2を図示してある)
のコレクタ−ゲート間にターンオン時逆流防止用のダイ
オードDとツェナーダイオードZDとからなる電圧クラ
ンプ回路10’を接続し、コレクタ−エミッタ間電圧V
CEを一定値(IGBTの定格電圧以下)にクランプする
ことによりIGBTを保護する方法が、公知の技術とし
て知られている。なお、図において、GDUはIGBT
Q2のゲート駆動回路である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】図7の電圧クランプ回
路10’を設ければ、IGBTのターンオフ時に発生す
るスパイク電圧△VspからIGBTを保護することが可
能である。しかしながら、図7に示すように、クランプ
期間中に電圧クランプ回路10’に流れる電流IZDの経
路には、配線インダクタンスLZD(コレクタC−A点
間)、配線インダクタンスL1(A点−ゲートG1間)及
びIGBT Q2の内部インダクタンスL2,L3が存在す
るため、これらのインダクタンスとIGBT Q2の入力
容量Ciesとの共振電流が図8に示すように流れる。こ
の共振電流の影響により、IGBT Q2のコレクタ−エ
ミッタ間電圧VCEが振動し、オーバーシュートしてしま
う。このオーバーシュートした電圧のピーク値VPがI
GBT Q2のコレクタ−エミッタ間の定格電圧を超えて
しまうと、素子破壊に至るという問題がある。
路10’を設ければ、IGBTのターンオフ時に発生す
るスパイク電圧△VspからIGBTを保護することが可
能である。しかしながら、図7に示すように、クランプ
期間中に電圧クランプ回路10’に流れる電流IZDの経
路には、配線インダクタンスLZD(コレクタC−A点
間)、配線インダクタンスL1(A点−ゲートG1間)及
びIGBT Q2の内部インダクタンスL2,L3が存在す
るため、これらのインダクタンスとIGBT Q2の入力
容量Ciesとの共振電流が図8に示すように流れる。こ
の共振電流の影響により、IGBT Q2のコレクタ−エ
ミッタ間電圧VCEが振動し、オーバーシュートしてしま
う。このオーバーシュートした電圧のピーク値VPがI
GBT Q2のコレクタ−エミッタ間の定格電圧を超えて
しまうと、素子破壊に至るという問題がある。
【0008】そこで本発明は、電圧クランプ動作に伴う
オーバーシュートをなくし、半導体素子を過電圧から保
護してその破壊を防止するようにした半導体素子の保護
装置を提供しようとするものである。
オーバーシュートをなくし、半導体素子を過電圧から保
護してその破壊を防止するようにした半導体素子の保護
装置を提供しようとするものである。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、請求項1記載の発明は、半導体素子の電流遮断時に
素子の電極相互間の電圧を定格電圧以下のほぼ一定値に
クランプする電圧クランプ回路を、電極相互間に接続し
てなる半導体素子の保護装置において、前記電圧クラン
プ回路の一端を前記半導体素子の出力側電極に直接、ま
たは、この電極に接合された導電性の冷却体に低インダ
クタンス材料を介して、最短距離にて接続すると共に、
前記電圧クランプ回路の他端を前記半導体素子の制御電
極に最短距離にて接続したものである。
め、請求項1記載の発明は、半導体素子の電流遮断時に
素子の電極相互間の電圧を定格電圧以下のほぼ一定値に
クランプする電圧クランプ回路を、電極相互間に接続し
てなる半導体素子の保護装置において、前記電圧クラン
プ回路の一端を前記半導体素子の出力側電極に直接、ま
たは、この電極に接合された導電性の冷却体に低インダ
クタンス材料を介して、最短距離にて接続すると共に、
前記電圧クランプ回路の他端を前記半導体素子の制御電
極に最短距離にて接続したものである。
【0010】請求項2記載の発明は、請求項1に記載し
た半導体素子の保護装置において、前記半導体素子の出
力側電極に導電性の冷却体が接合され、この冷却体に連
結された銅材を介して前記電圧クランプ回路の一端が直
接接続され、この電圧クランプ回路の他端が前記半導体
素子の制御電極に最短距離にて接続されるものである。
た半導体素子の保護装置において、前記半導体素子の出
力側電極に導電性の冷却体が接合され、この冷却体に連
結された銅材を介して前記電圧クランプ回路の一端が直
接接続され、この電圧クランプ回路の他端が前記半導体
素子の制御電極に最短距離にて接続されるものである。
【0011】請求項3記載の発明は、請求項1または2
に記載した半導体素子の保護装置において、前記半導体
素子が逆導通圧接型IGBTであり、かつ、前記電圧ク
ランプ回路は、前記IGBTの電流遮断時にそのコレク
タ−エミッタ間電圧をほぼ一定値にクランプするべくI
GBTのコレクタ−ゲート間に接続されるものである。
に記載した半導体素子の保護装置において、前記半導体
素子が逆導通圧接型IGBTであり、かつ、前記電圧ク
ランプ回路は、前記IGBTの電流遮断時にそのコレク
タ−エミッタ間電圧をほぼ一定値にクランプするべくI
GBTのコレクタ−ゲート間に接続されるものである。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、図に沿って本発明の実施形
態を説明する。図1は実施形態の回路構成を示すもの
で、Qは半導体素子としての逆導通圧接型IGBTであ
り、その出力側電極としてのコレクタCと制御電極とし
てのゲートG1との間には、ターンオン時逆流防止用の
ダイオードDとツェナーダイオードZDとの直列回路か
らなる電圧クランプ回路10が接続されている。L
ZDは、前記同様に電圧クランプ回路10の配線インダク
タンス、GDUはゲート駆動装置である。
態を説明する。図1は実施形態の回路構成を示すもの
で、Qは半導体素子としての逆導通圧接型IGBTであ
り、その出力側電極としてのコレクタCと制御電極とし
てのゲートG1との間には、ターンオン時逆流防止用の
ダイオードDとツェナーダイオードZDとの直列回路か
らなる電圧クランプ回路10が接続されている。L
ZDは、前記同様に電圧クランプ回路10の配線インダク
タンス、GDUはゲート駆動装置である。
【0013】図2は、本実施形態におけるIGBT Q
及び電圧クランプ回路10の取付状態を示す斜視図であ
る。図示するように、直方体状の逆導通圧接型IGBT
Qは両面からコレクタ側冷却体11及びエミッタ側冷
却体12により圧接接続されている。IGBT Qのゲ
ートG1及び補助エミッタE1が突設されている面と同じ
側のコレクタ側冷却体11の側面には、インダクタンス
が極めて小さい銅バー13を用いて電圧クランプ回路1
0のダイオードD側の端子が直接接続される。なお、少
なくともコレクタ側冷却体11は導電性を有しており、
側面ほぼL字形の銅バー13は冷却体11を介してIG
BT Qのコレクタと電気的に接続されている。電圧ク
ランプ回路10のツェナーダイオードZD側の端子は、
IGBT QのゲートG1に最短の配線によって直接接続
される。また、IGBT QのゲートG 1及び補助エミッ
タE1はゲート駆動回路GDUの各端子G2,E2に接続
される。
及び電圧クランプ回路10の取付状態を示す斜視図であ
る。図示するように、直方体状の逆導通圧接型IGBT
Qは両面からコレクタ側冷却体11及びエミッタ側冷
却体12により圧接接続されている。IGBT Qのゲ
ートG1及び補助エミッタE1が突設されている面と同じ
側のコレクタ側冷却体11の側面には、インダクタンス
が極めて小さい銅バー13を用いて電圧クランプ回路1
0のダイオードD側の端子が直接接続される。なお、少
なくともコレクタ側冷却体11は導電性を有しており、
側面ほぼL字形の銅バー13は冷却体11を介してIG
BT Qのコレクタと電気的に接続されている。電圧ク
ランプ回路10のツェナーダイオードZD側の端子は、
IGBT QのゲートG1に最短の配線によって直接接続
される。また、IGBT QのゲートG 1及び補助エミッ
タE1はゲート駆動回路GDUの各端子G2,E2に接続
される。
【0014】このように本実施形態では、電圧クランプ
回路10をIGBT Qの近傍においてそのコレクタ−
ゲート間に最短距離の配線によって接続するものであ
る。これにより、電圧クランプ回路10の配線インダク
タンスLZDを従来よりも大幅に小さくすることができ
る。また、逆導通圧接型IGBTにはその内部インダク
タンスが非常に小さいという特徴があるので、図1に示
す電流IZDが流れるルートに存在するインダクタンス
(図7におけるL2,L3に相当)は極めて小さいものと
なる。
回路10をIGBT Qの近傍においてそのコレクタ−
ゲート間に最短距離の配線によって接続するものであ
る。これにより、電圧クランプ回路10の配線インダク
タンスLZDを従来よりも大幅に小さくすることができ
る。また、逆導通圧接型IGBTにはその内部インダク
タンスが非常に小さいという特徴があるので、図1に示
す電流IZDが流れるルートに存在するインダクタンス
(図7におけるL2,L3に相当)は極めて小さいものと
なる。
【0015】この実施形態におけるIGBT Qのター
ンオフ時の動作について、図3を参照しつつ説明する。
図3において、ゲート駆動回路GDUにオフ信号が入力
されると、IGBTQのゲート電圧(ゲート−エミッタ
間電圧)VGEが逆バイアス電圧に向かって変化を始め
る。時刻t0においてゲート電圧がしきい値電圧に達す
ると、IGBTQのコレクタ−エミッタ間電圧VCEが上
昇する。時刻t01においてコレクタ−エミッタ間電圧V
CEがツェナーダイオードZDのツェナー電圧(クランプ
電圧)に達すると、図1に示すルートで電流IZDが流
れ、VCEが時刻t02までの間、一定電圧にクランプされ
る。
ンオフ時の動作について、図3を参照しつつ説明する。
図3において、ゲート駆動回路GDUにオフ信号が入力
されると、IGBTQのゲート電圧(ゲート−エミッタ
間電圧)VGEが逆バイアス電圧に向かって変化を始め
る。時刻t0においてゲート電圧がしきい値電圧に達す
ると、IGBTQのコレクタ−エミッタ間電圧VCEが上
昇する。時刻t01においてコレクタ−エミッタ間電圧V
CEがツェナーダイオードZDのツェナー電圧(クランプ
電圧)に達すると、図1に示すルートで電流IZDが流
れ、VCEが時刻t02までの間、一定電圧にクランプされ
る。
【0016】本実施形態によれば、IGBT Qのター
ンオフ時の電流IZDの振動はほとんどなくなり、コレク
タ−エミッタ間電圧VCEも従来技術(図3に破線にて示
す)と比べてオーバーシュートのない波形としてほぼ一
定値になる。従って、オーバーシュートによる過電圧が
IGBT Qに印加されることもなく、その破壊を防ぐ
ことができる。
ンオフ時の電流IZDの振動はほとんどなくなり、コレク
タ−エミッタ間電圧VCEも従来技術(図3に破線にて示
す)と比べてオーバーシュートのない波形としてほぼ一
定値になる。従って、オーバーシュートによる過電圧が
IGBT Qに印加されることもなく、その破壊を防ぐ
ことができる。
【0017】なお、本発明は、IGBT以外の一般のバ
イポーラパワートランジスタや静電誘導トランジスタ等
の半導体素子に対しても適用可能である。
イポーラパワートランジスタや静電誘導トランジスタ等
の半導体素子に対しても適用可能である。
【0018】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、IGBT
等の半導体素子と電圧クランプ回路との接続構成を改良
したことにより、電圧クランプ回路の配線インダクタン
スを少なくしてこの配線インダクタンスによる共振電流
の振動を極めて小さく抑制することができる。このた
め、クランプ期間中に素子に印加される電圧のオーバー
シュートを防ぎ、素子の破壊を未然に防止することがで
きる。また、半導体素子として逆導通圧接型IGBTを
用いた場合には、その内部インダクタンスが小さいこと
によって本発明の有用性は一層高くなる。
等の半導体素子と電圧クランプ回路との接続構成を改良
したことにより、電圧クランプ回路の配線インダクタン
スを少なくしてこの配線インダクタンスによる共振電流
の振動を極めて小さく抑制することができる。このた
め、クランプ期間中に素子に印加される電圧のオーバー
シュートを防ぎ、素子の破壊を未然に防止することがで
きる。また、半導体素子として逆導通圧接型IGBTを
用いた場合には、その内部インダクタンスが小さいこと
によって本発明の有用性は一層高くなる。
【図1】本発明の実施形態を示す回路構成図である。
【図2】本発明の実施形態の取付状態を示す斜視図であ
る。
る。
【図3】本発明の実施形態及び従来技術の動作を示す波
形図である。
形図である。
【図4】従来の電圧形インバータの回路構成図である。
【図5】図4における主要部の等価回路図である。
【図6】図5におけるIGBTの動作を示す波形図であ
る。
る。
【図7】従来の電圧クランプ回路の構成図である。
【図8】電圧クランプ回路の作用を示す波形図である。
10 電圧クランプ回路 11 コレクタ側冷却体 12 エミッタ側冷却体 13 銅バー Q 逆導通圧接型IGBT GDU ゲート駆動回路 G1 ゲート E1 補助エミッタ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 高坂 憲司 神奈川県川崎市川崎区田辺新田1番1号 富士電機株式会社内 Fターム(参考) 5H007 CA01 CC07 DA06 DB03 FA01 FA13 5H740 AA04 BA11 BB05 BB07 BB08 BC01 BC02 LL03 MM01 PP03
Claims (3)
- 【請求項1】 半導体素子の電流遮断時に素子の電極相
互間の電圧を定格電圧以下のほぼ一定値にクランプする
電圧クランプ回路を、電極相互間に接続してなる半導体
素子の保護装置において、 前記電圧クランプ回路の一端を前記半導体素子の出力側
電極に直接、または、この電極に接合された導電性の冷
却体に低インダクタンス材料を介して、最短距離にて接
続すると共に、前記電圧クランプ回路の他端を前記半導
体素子の制御電極に最短距離にて接続したことを特徴と
する半導体素子の保護装置。 - 【請求項2】 請求項1に記載した半導体素子の保護装
置において、 前記半導体素子の出力側電極に導電性の冷却体が接合さ
れ、この冷却体に連結された銅材を介して前記電圧クラ
ンプ回路の一端が直接接続され、この電圧クランプ回路
の他端が前記半導体素子の制御電極に最短距離にて接続
されることを特徴とする半導体素子の保護装置。 - 【請求項3】 請求項1または2に記載した半導体素子
の保護装置において、 前記半導体素子が逆導通圧接型IGBTであり、かつ、
前記電圧クランプ回路は、前記IGBTの電流遮断時に
そのコレクタ−エミッタ間電圧をほぼ一定値にクランプ
するべくIGBTのコレクタ−ゲート間に接続されるこ
とを特徴とする半導体素子の保護装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11039569A JP2000245137A (ja) | 1999-02-18 | 1999-02-18 | 半導体素子の保護装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP11039569A JP2000245137A (ja) | 1999-02-18 | 1999-02-18 | 半導体素子の保護装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2000245137A true JP2000245137A (ja) | 2000-09-08 |
Family
ID=12556717
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP11039569A Pending JP2000245137A (ja) | 1999-02-18 | 1999-02-18 | 半導体素子の保護装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2000245137A (ja) |
Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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US7576964B2 (en) | 2003-09-30 | 2009-08-18 | Nec Electronics Corporation | Overvoltage protection circuit of output MOS transistor |
WO2009101868A1 (ja) | 2008-02-14 | 2009-08-20 | Toyota Jidosha Kabushiki Kaisha | 逆導通半導体素子の駆動方法と半導体装置及び給電装置 |
JP2010178461A (ja) * | 2009-01-28 | 2010-08-12 | Fuji Electric Systems Co Ltd | 半導体保護回路 |
CN102507638A (zh) * | 2011-09-30 | 2012-06-20 | 广州高澜节能技术股份有限公司 | 一种用于igbt模块的水冷测试装置 |
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EP3321959A1 (en) * | 2016-11-10 | 2018-05-16 | ABB Schweiz AG | Power semiconductor module |
CN109905015A (zh) * | 2019-03-08 | 2019-06-18 | 湖南大学 | 三电平二极管退饱和控制的逆导型igbt驱动方法 |
CN110254247A (zh) * | 2019-06-18 | 2019-09-20 | 深圳市麦格米特驱动技术有限公司 | 一种半桥功率模块组件、电机控制器功率组件及电动汽车 |
CN112786697A (zh) * | 2019-11-01 | 2021-05-11 | 株式会社东芝 | 半导体装置的控制方法 |
-
1999
- 1999-02-18 JP JP11039569A patent/JP2000245137A/ja active Pending
Cited By (13)
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