JP2016226152A - 電源制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】車両の起動時であっても、消費電力を低減させつつ、半導体リレーの破壊を回避することができる電源制御装置を提供する。
【解決手段】車両に設けられる電源制御装置1であって、バッテリ3と、負荷5との間に設けられ、バッテリ3と負荷5との接続を許容する半導体リレー21と、負荷5に流れる負荷電流Idと、半導体リレー21のドレイン−ソース間電圧Vdsとに基づいて、半導体リレー21のゲートにゲート電圧Vgを印加するドライブ回路13とを備える。ドライブ回路13は、車両の起動時に充電が行われる際、ゲート電圧Vgを上昇させつつ、負荷電流Id及びドレイン−ソース間電圧Vdsを半導体リレー21の安全動作領域SOAの範囲内に制御する。
【選択図】図1
【解決手段】車両に設けられる電源制御装置1であって、バッテリ3と、負荷5との間に設けられ、バッテリ3と負荷5との接続を許容する半導体リレー21と、負荷5に流れる負荷電流Idと、半導体リレー21のドレイン−ソース間電圧Vdsとに基づいて、半導体リレー21のゲートにゲート電圧Vgを印加するドライブ回路13とを備える。ドライブ回路13は、車両の起動時に充電が行われる際、ゲート電圧Vgを上昇させつつ、負荷電流Id及びドレイン−ソース間電圧Vdsを半導体リレー21の安全動作領域SOAの範囲内に制御する。
【選択図】図1
Description
本発明は、電源制御装置に関する。
電気自動車又はハイブリッドカー等の車両は、インバータ等のような高電圧負荷が搭載されている。車両の起動時には、負荷側の平滑用コンデンサに突入電流が流入する恐れがある。そこで、負荷の通電又は遮断を行うメインリレーとは並列に、電流制限抵抗及びプリチャージリレーからなる直列回路が接続されている。車両の起動時には、この直列回路を経由することにより、電流量が制限されつつ、負荷側に設けられたコンデンサが充電される。
しかし、上記回路構成は、メインリレー、プリチャージリレー、及び電流制限抵抗が必要となるため、部品サイズが大きくなると共に、全体重量が重くなる。よって、上記回路構成は、システム全体のサイズ及び車両重量が増大する。
そこで、電流制限抵抗の代わりに、半導体リレーのゲート電圧−ドレイン電流の特性を利用することにより、車両の起動時に充電が行われる際、擬似的に高抵抗の状態を作り出し、車両の起動時における負荷電流を低減させ、突入電流を防止するものがある(例えば、特許文献1参照)。
しかし、特許文献1に記載の技術は、車両の起動時において、半導体リレーに擬似的に高抵抗の状態を作り出すため、消費電力が大きくなると共に、半導体リレーの安全動作領域SOA(Safe Operating Area)を超え、デバイスが破壊される恐れがある。
したがって、特許文献1に記載の技術では、車両の起動時において、消費電力を低減させつつ、半導体リレーの破壊を回避することができない恐れがある。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、車両の起動時であっても、消費電力を低減させつつ、半導体リレーの破壊を回避することができる電源制御装置を提供することである。
本発明に係る電源制御装置は、車両に設けられる電源制御装置であって、バッテリと、負荷との間に設けられ、前記バッテリと前記負荷との接続を許容する半導体リレーと、前記負荷に流れる負荷電流と、前記半導体リレーのドレイン−ソース間電圧とに基づいて、前記半導体リレーのゲートにゲート電圧を印加するドライブ回路とを備え、前記ドライブ回路は、前記車両の起動時に充電が行われる際、前記ゲート電圧を上昇させつつ、前記負荷電流及び前記ドレイン−ソース間電圧を前記半導体リレーの安全動作領域の範囲内に制御することを特徴とする。
本発明に係る電源制御装置によれば、車両の起動時において、半導体リレーの消費電力が定格値よりも増大することなく、車両の起動時に生じ得る突入電流を回避することができるため、車両の起動時であっても、消費電力を低減させつつ、半導体リレーの破壊を回避することができる。
また、本発明に係る電源制御装置において、前記ドライブ回路は、前記半導体リレーの安全動作領域の範囲内において、閾値電圧が設定され、第1の制御電流と、前記第1の制御電流よりも大きい第2の制御電流とを制御するものであり、前記ドレイン−ソース間電圧が前記閾値電圧より大きい場合、前記負荷電流を前記第1の制御電流に制御し、前記ドレイン−ソース間電圧が前記閾値電圧以下である場合、前記負荷電流を前記第2の制御電流に制御することが好ましい。
この電源制御装置によれば、半導体リレーの安全動作領域の範囲内に、第1の制御電流及び第2の制御電流を制御することにより、充電の前半には突入電流を回避しつつ、充電の後半にはより大きな電流値で平滑コンデンサを充電するため、車両の起動時における突入電流によるデバイスの破壊を回避しつつ、より短時間に車両の起動を完了させることができる。
また、本発明に係る電源制御装置において、前記ドライブ回路は、前記ドレイン−ソース間電圧がゼロとなる場合、前記ゲート電圧をさらに上昇させることが好ましい。
この電源制御装置によれば、半導体リレーのドレイン−ソース間電圧がゼロとなる状態においては、ゲート電圧をさらに上昇させることにより、半導体リレーを通常の通電状態に移行させるため、半導体リレーを高電圧の負荷の通電又は遮断を行うメインリレーとして動作させることができる。
本発明によれば、車両の起動時において、半導体リレーの消費電力が定格値よりも増大することなく、車両の起動時に生じ得る突入電流を回避することができるため、車両の起動時であっても、消費電力を低減させつつ、半導体リレーの破壊を回避することができる電源制御装置を提供することができる。
図1は、本実施形態に係る電源制御装置1の構成例を示す図である。図1に示すように、電源制御装置1は、半導体リレー21及びドライブ回路13等を備え、車両に設けられる。半導体リレー21は、バッテリ3と、負荷5との間に設けられ、バッテリ3と負荷5との接続を許容し、例えば、MOSFETからなる。なお、図1においては、半導体リレー21として、NチャネルのMOSFETが設けられ、NチャネルのMOSFETは、バッテリ3の負極側の経路に配置されている。
バッテリ3は、高電圧の電源であり、例えば、複数のセルが接続された組電池からなり、車両に搭載される。なお、バッテリ3は、一次電池、二次電池のような安定した直流電圧を供給するものであればよい。
負荷5は、6個のアーム及び平滑用コンデンサCL等からなるインバータであり、各アームはIGBTにより構成され、車両に搭載される。負荷5は、半導体リレー21により、バッテリ3との間の接続状態が遮断状態から通電状態になった場合、バッテリ3から電圧が印加され、駆動するものである。
また、電源制御装置1は、電流センサ7及び電圧監視回路9を備える。電流センサ7は、バッテリ3と、負荷5との間の経路のうち、バッテリ3の正極側の経路に配置され、負荷電流Idを検出する。電流センサ7は、負荷電流Idの検出結果を、電流値信号としてドライブ回路13に送信する。
電圧監視回路9は、半導体リレー21のドレイン−ソース間に配置され、半導体リレー21のドレイン−ソース間電圧Vdsを検出する。電圧監視回路9は、半導体リレー21のドレイン−ソース間電圧Vdsの検出結果を、Vds信号としてドライブ回路13に送信する。
ドライブ回路13は、負荷5に流れる負荷電流Idと、半導体リレー21のドレイン−ソース間電圧Vdsとに基づいて、半導体リレー21のゲートにゲート電圧Vgを印加する。ドライブ回路13は、車両の起動時に充電が行われる際、ゲート電圧Vgを上昇させつつ、負荷電流Id及びドレイン−ソース間電圧Vdsを、半導体リレー21の安全動作領域SOA(Safe Operating Area)の範囲内に制御する。
次に、ドライブ回路13の詳細について図2〜4を用いて説明する。図2は、ドライブ回路13の機能の構成例を示すブロック図である。図3は、車両の起動時における電源制御装置1の動作タイミングチャートである。図4は、半導体リレー21の安全動作領域SOAを説明する図である。
ドライブ回路13は、半導体リレー21の安全動作領域SOAの範囲内において、閾値電圧Vthが設定され、第1の制御電流Icont1と、第1の制御電流Icont1よりも大きい第2の制御電流Icont2とを制御するものである。ドライブ回路13は、ドレイン−ソース間電圧Vdsが閾値電圧Vthより大きい場合、負荷電流Idを第1の制御電流Icont1に制御する。ドライブ回路13は、ドレイン−ソース間電圧Vdsが閾値電圧Vth以下である場合、負荷電流Idを第2の制御電流Icont2に制御する。
より具体的には、図2に示すように、ドライブ回路13は、ゲート電圧制御部31、閾値電圧判定部33、及び電流判定部35の各機能を含むものである。ゲート電圧制御部31、閾値電圧判定部33、及び電流判定部35のそれぞれの機能は、ハードウェアにより実現されるものであってもよく、ソフトウェアにより実現されるものであってもよい。
電流判定部35は、負荷電流Idと、安全動作領域SOAデータとに基づいて、負荷電流Idが安全動作領域SOAの範囲内にあるか否かを判定し、判定結果をゲート電圧制御部31に供給する。
閾値電圧判定部33は、ドレイン−ソース間電圧Vdsと、閾値電圧Vthとに基づいて、ドレイン−ソース間電圧Vdsが、閾値電圧Vthより大きいか否かを判定し、判定結果をゲート電圧制御部31に供給する。なお、バッテリ3のバッテリ電圧VB_H及び閾値電圧Vthは、半導体リレー21の安全動作領域SOAの範囲内に設定されている。
ゲート電圧制御部31は、入力信号Input_sigが入力された場合、電流判定部35の判定結果と、閾値電圧判定部33の判定結果とに基づいて、ゲート電圧Vgを出力する。ゲート電圧制御部31は、負荷電流Idを第1の制御電流Icont1に制御する際、第1の制御電流Icont1に対応するゲート電圧Vgの大きさを決定する。ゲート電圧制御部31は、負荷電流Idを第2の制御電流Icont2に制御する際、第2の制御電流Icont2に対応するゲート電圧Vgの大きさを決定する。
具体的には、半導体リレー21において、ゲート電圧−ドレイン電流の特性を利用することで負荷電流Idを調整することができ、負荷電圧を徐々に増加させる制御が可能となる。
例えば、図3に示すように、入力信号Input_sigがオン状態になり、初期充電動作、すなわち、プリチャージ動作が行われる動作状態に遷移される。次に、ゲート電圧Vgを上昇させ、半導体リレー21を状態Aから状態Bに遷移させる。状態Bは、負荷電流Idが第1の制御電流Icont1に制御されている状態である。
次に、状態Bから状態Cにかけて、第1の制御電流Icont1を維持し、一定の電流値のまま平滑用コンデンサCLが充電される。この間、負荷電圧VLは次式(1)の関係式で増加する。
次に、状態Cにおいて、ドレイン−ソース間電圧Vdsが閾値電圧Vthに到達した場合、ゲート電圧Vgをさらに上昇させ、半導体リレー21を状態Cから状態Dに遷移させる。状態Dは、負荷電流Idが第2の制御電流Icont2に制御されている状態である。
次に、状態Dから状態Eにかけて、第2の制御電流Icont2を維持し、より大きな一定の電流値のまま平滑用コンデンサCLが充電される。この間、負荷電圧VLは次式(2)の関係式で増加する。
負荷5にある平滑用コンデンサCLが完全に充電された場合、半導体リレー21は状態Eに遷移する。状態Eにおいては、ドレイン−ソース間電圧Vdsはゼロとなる。次に、ゲート電圧Vgをさらに上昇させ、半導体リレー21を通常の通電状態に遷移させる。これにより、半導体リレー21は、高電圧側の負荷5の通電及び遮断の何れかを制御するメインリレーとして動作する。
図2のゲート電圧制御部31は、図3に示す車両の起動時の動作タイミングチャートに従い、ドレイン−ソース間電圧Vdsと、負荷電流Idとに基づいて、ゲート電圧Vgを制御しつつ、ドレイン−ソース間電圧Vds及び負荷電流Idを安全動作領域SOAの範囲内に制御する。
具体的には、図4に示すように、状態A、状態B、状態C、状態D、及び状態Eの何れにおいても、半導体リレー21の安全動作領域SOAの範囲内で制御されている。より具体的には、状態Aにおいて、ドレイン−ソース間電圧Vdsは、バッテリ電圧VB_Hと等しく、負荷電流Idはゼロである。状態Bにおいて、負荷電流Idが第1の制御電流Icont1に制御されている。状態Cにおいて、ドレイン−ソース間電圧Vdsは、閾値電圧Vthと等しい。状態D,Eにおいて、負荷電流Idが第2の制御電流Icont2に制御されている。
つまり、ドレイン−ソース間電圧Vdsが大きい状態では、半導体リレー21の安全動作領域SOAの範囲内の小さい電流値、すなわち、第1の制御電流Icont1に負荷電流Idを制御し、平滑用コンデンサCLを充電する。ドレイン−ソース間電圧Vdsが閾値電圧Vthに到達後、半導体リレー21の安全動作領域SOAの範囲内であって、第1の制御電流Icont1よりも大きな電流値、すなわち、第2の制御電流Icont2に負荷電流Idを制御し、平滑用コンデンサCLを充電する。
次に、車両起動時充電処理について図5を用いて説明する。図5は、電源制御装置1の制御例を説明するフローチャートである。
ステップS11において、ドライブ回路13は、入力信号Input_sigが入力されたか否かを判定する。入力信号Input_sigが入力された場合、ステップS12に進む。一方、入力信号Input_sigが入力されなかった場合、そのまま待機する。
ステップS12において、ドライブ回路13は、第1の制御電流Icont1で平滑用コンデンサCLを充電する。
ステップS13において、ドライブ回路13は、ドレイン−ソース間電圧Vdsが閾値電圧Vth以下であるか否かを判定する。ドレイン−ソース間電圧Vdsが閾値電圧Vth以下である場合、ステップS14に進む。一方、ドレイン−ソース間電圧Vdsが閾値電圧Vthより大きい場合、ステップS12に戻る。
ステップS14において、ドライブ回路13は、第2の制御電流Icont2で平滑用コンデンサCLを充電する。
ステップS15において、ドライブ回路13は、ドレイン−ソース間電圧Vdsがゼロ[V]であるか否かを判定する。ドレイン−ソース間電圧Vdsがゼロ[V]である場合、車両起動時充電処理を終了する。一方、ドレイン−ソース間電圧Vdsがゼロ[V]でない場合、ステップS14に戻る。
以上の説明から、本実施形態においては、バッテリ3と、負荷5との間には半導体リレー21が設けられている。半導体リレー21は、負荷電流Idを通電又は遮断させるものである。電源制御装置1は、半導体リレー21のゲートに印加するゲート電圧Vgを制御することにより、半導体リレー21のゲート電圧−ドレイン電流の特性を利用して負荷に流れる電流を調整出来る為、結果として車両の起動時における突入電流を低減させることができる。
具体的には、電源制御装置1は、負荷電流Idと、半導体リレー21のドレイン−ソース間電圧Vdsとに基づいて、半導体リレー21のゲートに印加するゲート電圧Vgを制御する。より具体的には、電源制御装置1は、車両の起動時に充電を行う際、ゲート電圧Vgを上昇させつつ、負荷電流Id及びドレイン−ソース間電圧Vdsを、半導体リレー21の安全動作領域SOAの範囲内に制御する。
よって、電源制御装置1は、半導体リレー21の安全動作領域SOAの範囲内において、半導体リレー21を動作させつつ、負荷電流Idを制限させる。したがって、電源制御装置1は、車両の起動時において、半導体リレー21の消費電力が定格値よりも増大することなく、車両の起動時に生じ得る突入電流を回避することができる。これにより、電源制御装置1は、車両の起動時であっても、消費電力を低減させつつ、半導体リレー21の破壊を回避することができる。
換言すれば、電源制御装置1は、車両の起動時に充電が行われる際、ゲート電圧Vgを上昇させつつ、負荷電流Id及びドレイン−ソース間電圧Vdsを、半導体リレー21の安全動作領域SOAの範囲内に制御することにより、車両の起動時において、半導体リレー21の消費電力が定格値よりも増大することなく、車両の起動時に生じ得る突入電流を回避することができるため、車両の起動時であっても、消費電力を低減させつつ、半導体リレー21の破壊を回避することができる。
また、電源制御装置1は、半導体リレー21の安全動作領域SOAの範囲内に、閾値電圧Vthが設定されるものである。また、電源制御装置1は、半導体リレー21の安全動作領域SOAの範囲内に、第1の制御電流Icont1と、第2の制御電流Icont2とを制御するものである。電源制御装置1は、半導体リレー21のドレイン−ソース間電圧Vdsと、閾値電圧Vthとに基づいて、第1の制御電流Icont1及び第2の制御電流Icont2の何れか一方に、負荷電流Idを制御するものである。
具体的には、第2の制御電流Icont2は、第1の制御電流Icont1よりも大きなものとなっている。電源制御装置1は、ドレイン−ソース間電圧Vdsが閾値電圧Vthよりも大きな状態においては、負荷電流Idを第1の制御電流Icont1に制御し、ドレイン−ソース間電圧Vdsが閾値電圧Vth以下の状態においては、負荷電流Idを第2の制御電流Icont2に制御する。
よって、電源制御装置1は、車両の起動時に充電が行われる際、まず、負荷電流Idを第1の制御電流Icont1に制限することにより、突入電流が負荷5に流入することを回避する。次に、電源制御装置1は、車両の起動時の充電中において、負荷電流Idを第2の制御電流Icont2に制御することにより、より大きな電流値で平滑用コンデンサCLを充電し、より短時間に車両の起動を完了させる。
これにより、電源制御装置1は、車両の起動時における突入電流によるデバイスの破壊を回避しつつ、より短時間に車両の起動を完了させることができる。
換言すれば、電源制御装置1は、半導体リレー21の安全動作領域SOAの範囲内に、第1の制御電流Icont1及び第2の制御電流Icont2を制御することにより、充電の前半には突入電流を回避しつつ、充電の後半にはより大きな電流値で平滑用コンデンサCLを充電するため、車両の起動時における突入電流によるデバイスの破壊を回避しつつ、より短時間に車両の起動を完了させることができる。
また、電源制御装置1は、半導体リレー21のドレイン−ソース間電圧Vdsがゼロとなる状態においては、ゲート電圧Vgをさらに上昇させることにより、半導体リレー21を通常の通電状態に移行させるため、半導体リレー21を高電圧の負荷5の通電又は遮断を行うメインリレーとして動作させることができる。
以上、本実施形態に係る電源制御装置1は、車両に設けられる電源制御装置1であって、バッテリ3と、負荷5との間に設けられ、バッテリ3と負荷5との接続を許容する半導体リレー21と、負荷5に流れる負荷電流Idと、半導体リレー21のドレイン−ソース間電圧Vdsとに基づいて、半導体リレー21のゲートにゲート電圧Vgを印加するドライブ回路13とを備え、ドライブ回路13は、車両の起動時に充電が行われる際、ゲート電圧Vgを上昇させつつ、負荷電流Id及びドレイン−ソース間電圧Vdsを半導体リレー21の安全動作領域SOAの範囲内に制御するものである。
このような構成により、電源制御装置1は、車両の起動時に充電が行われる際、ゲート電圧Vgを上昇させつつ、負荷電流Id及びドレイン−ソース間電圧Vdsを、半導体リレー21の安全動作領域SOAの範囲内に制御することにより、車両の起動時において、半導体リレー21の消費電力が定格値よりも増大することなく、車両の起動時に生じ得る突入電流を回避することができるため、車両の起動時であっても、消費電力を低減させつつ、半導体リレー21の破壊を回避することができる。
また、本実施形態に係る電源制御装置1において、ドライブ回路13は、半導体リレー21の安全動作領域SOAの範囲内において、閾値電圧Vthが設定され、第1の制御電流Icont1と、第1の制御電流Icont1よりも大きい第2の制御電流Icont2とを制御するものであり、ドレイン−ソース間電圧Vdsが閾値電圧Vthより大きい場合、負荷電流Idを第1の制御電流Icont1に制御し、ドレイン−ソース間電圧Vdsが閾値電圧Vth以下である場合、負荷電流Idを第2の制御電流Icont2に制御するものである。
このような構成により、電源制御装置1は、半導体リレー21の安全動作領域SOAの範囲内に、第1の制御電流Icont1及び第2の制御電流Icont2を制御することにより、充電の前半には突入電流を回避しつつ、充電の後半にはより大きな電流値で平滑用コンデンサCLを充電するため、車両の起動時における突入電流によるデバイスの破壊を回避しつつ、より短時間に車両の起動を完了させることができる。
また、本実施形態に係る電源制御装置1において、ドライブ回路13は、ドレイン−ソース間電圧Vdsがゼロとなる場合、ゲート電圧Vgをさらに上昇させるものである。
このような構成により、電源制御装置1は、半導体リレー21のドレイン−ソース間電圧Vdsがゼロとなる状態においては、ゲート電圧Vgをさらに上昇させることにより、半導体リレー21を通常の通電状態に移行させるため、半導体リレー21を高電圧の負荷5の通電又は遮断を行うメインリレーとして動作させることができる。
以上、実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよい。
例えば、本実施形態において負荷5がアームを6つ有するインバータである一例について説明したが、これに限らず、他の高電圧の負荷5であってもよい。例えば、アームの数が6つ以外のインバータであってもよく、インバータ以外の回路構成であってもよい。
加えて、本実施形態では半導体リレー21がNチャネルのMOSFETからなる一例を説明したが、これに限らず、PチャネルのMOSFETからなるものであってもよい。
また、本実施形態において説明した半導体リレー21は、特に限定していないが、ワイドバンドギャップ半導体で構成されるものであってもよい。
また、本実施形態において説明した半導体リレー21は、MOSFETからなるものであるが、特に限定されるものではなく、バイポーラトランジスタ又はIGBTであってもよい。例えば、半導体リレー21がバイポーラトランジスタからなる場合、半導体リレー21の安全動作領域SOAは、コレクタ電流と、コレクタ−エミッタ間電圧とに基づいて定まるものであり、それに応じて上記で説明した各種制御が同様に実施されればよい。
また、本実施形態において、半導体リレー21が高電圧のバッテリ3の負極側に配置され、電流センサ7が高電圧のバッテリ3の正極側に配置された一例について説明したが、特に限定されるものではなく、負荷電流Idが流れる経路であれば、高電圧のバッテリ3の負極側又は正極側のどちらに配置されてもよい。
また、本実施形態において、負荷電流Idを2段階に切り替える一例について説明したが、特に限定されるものではなく、負荷電流Idを3段階以上の多段階に切り替えるものであってもよく、負荷電流Idを連続的に変化させるものであってもよい。
1 :電源制御装置
3 :バッテリ
5 :負荷
7 :電流センサ
9 :電圧監視回路
13 :ドライブ回路
21 :半導体リレー
31 :ゲート電圧制御部
33 :閾値電圧判定部
35 :電流判定部
3 :バッテリ
5 :負荷
7 :電流センサ
9 :電圧監視回路
13 :ドライブ回路
21 :半導体リレー
31 :ゲート電圧制御部
33 :閾値電圧判定部
35 :電流判定部
Claims (3)
- 車両に設けられる電源制御装置であって、
バッテリと、負荷との間に設けられ、前記バッテリと前記負荷との接続を許容する半導体リレーと、
前記負荷に流れる負荷電流と、前記半導体リレーのドレイン−ソース間電圧とに基づいて、前記半導体リレーのゲートにゲート電圧を印加するドライブ回路と
を備え、
前記ドライブ回路は、
前記車両の起動時に充電が行われる際、
前記ゲート電圧を上昇させつつ、前記負荷電流及び前記ドレイン−ソース間電圧を前記半導体リレーの安全動作領域の範囲内に制御する
ことを特徴とする電源制御装置。 - 前記ドライブ回路は、
前記半導体リレーの安全動作領域の範囲内において、
閾値電圧が設定され、
第1の制御電流と、前記第1の制御電流よりも大きい第2の制御電流とを制御するものであり、
前記ドレイン−ソース間電圧が前記閾値電圧より大きい場合、前記負荷電流を前記第1の制御電流に制御し、
前記ドレイン−ソース間電圧が前記閾値電圧以下である場合、前記負荷電流を前記第2の制御電流に制御する
ことを特徴とする請求項1に記載の電源制御装置。 - 前記ドライブ回路は、
前記ドレイン−ソース間電圧がゼロとなる場合、前記ゲート電圧をさらに上昇させる
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の電源制御装置。
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