CN102664514A - 开关管单元及五电平逆变器及具有该逆变器的发电系统 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种开关管单元及具有该开关管单元的四种五电平逆变器，以及具有所述逆变器的发电系统，所述开关管单元包括8个分别反并联有一个二极管的开关管，五电平逆变器除了具有所述开关管单元，还包括四个电容C1、C2、C3、C4，四个电容串联后并联在直流电源两端，开关管单元的直流输入正负端分别接在所述直流电源的正负输出端，开关管单元的第一电平端接在电容C1、C2的接点，第二电平端接在电容C2、C3的接点，第三电平端接在电容C3、C4的接点。本发明的优点在于：减少了钳位二极管、飞跨电容，半导体器件数目较少，因此结构简单，体积较小，具有较大的工程应用价值。

Description

开关管单元及五电平逆变器及具有该逆变器的发电系统

技术领域

本发明涉及一种开关管单元及逆变器，具体是一种开关管单元，及具有该单元的五电平逆变器，及具有该逆变器的发电系统。

背景技术

中压大容量场合，多电平逆变器获得较大的应用，目前较常见的五电平结构主要是二极管钳位型和飞跨电容型结构，二极管钳位型多电平逆变器如图1a至图1c所示，飞跨电容型多电平逆变器如图2所示。

如图1a所示，二极管钳位多电平变换器中，钳位二极管因为需要阻断多倍电平电压，通常采用多个相同标称值的二极管串联，如图1b所示，由于器件的分散性及杂散参数的影响，可能引起二极管两端的过电压，因而需要均压措施和很大的RC吸收电路，导致系统体积庞大，成本增加。为此，现有文献提出了一种改进拓扑，如图1c所示。该种拓扑所用的功率器件数量和图1b拓扑一样，该拓扑电路可以将二极管电压钳位在单电平电压之内，在电平数较多的情况下，有较大的优越性。但二极管钳位型多电平存在共有的缺点：钳位的二极管较多。

图2所示的为飞跨电容型五电平拓扑，用电容取代了传统二极管嵌位拓扑的二极管得到嵌位的作用，各个分立电容容量相等。

由上所知，传统五电平的拓扑因有大量的嵌位二极管或飞跨电容而造成体积庞大，且存在线路过长，散热不均等诸多实际工程应用问题。且搭建拓扑结构过程中，电容或者二极管的一致性较难把握。

发明内容

本发明实施例要解决的技术问题是提供了一种开关管单元及四种具有该种开关管单元的五电平逆变器，使得逆变器无嵌位二极管和飞跨电容。

本发明解决上述技术问题的技术方案之一是：一种开关管单元，包括第一开关管(T1)、第二开关管(T2)、第三开关管(T3)、第四开关管(T4)、第五开关管(T5)、第六开关管(T6)、第七开关管(T7)、第八开关管(T8)以及分别反并联于上述8个开关管的第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第五二极管(D5)、第六二极管(D6)、第七二极管(D7)、第八二极管(D8)；

第一开关管(T1)的第二端作为开关管单元的直流输入正端(DC+)，第一开关管(T1)的第一端、第三开关管(T3)的第一端以及第八开关管(T8)的第二端相连，该连接点作为该开关管单元的交流输出端(AC)，第三开关管(T3)的第二端与第四开关管(T4)的第二端相连，第八开关管(T8)的第一端作为开关管单元的直流输入负端(DC-)，第四开关管(T4)的第一端、第二开关管(T2)的第一端、第五开关管(T5)的第一端以及第七开关管(T7)的第二端相连，第二开关管(T2)的第二端作为开关管单元的第一电平输入端(M1)，第五开关管(T5)的第二端与第六开关管(T6)的第二端相连，第六开关管(T6)的第一端作为开关管单元的第二电平输入端(M2)，第七开关管(T7)的第一端作为开关管单元的第三电平输入端(M3)。

本发明解决上述技术问题的技术方案之二是：提供了一种具有上述开关管单元的五电平逆变器，所述五电平逆变器包括第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第四电容(C4)，以及所述开关管单元；

所述四个电容(C1、C2、C3、C4)依次串联后并联在直流电源两端；

所述开关管单元的直流输入正端连到直流电源的正输出端，所述开关管单元的直流输入负端连到直流电源的负输出端，开关管单元的第一电平输入端连到所述第一电容(C1)、第二电容(C2)的接点，开关管单元的第二电平输入端连接到所述第二电容(C2)、第三电容(C3)的接点，开关管单元的第三电平输入端连接到所述第三电容(C3)、第四电容(C4)的接点，所述开关管单元的交流输出端作为该逆变器的第一输出端，所述第二电容(C2)、第三电容(C3)的接点作为该逆变器的第二输出端。

本发明解决上述技术问题的技术方案之三是：提供了一种单相全桥五电平逆变器，所述五电平逆变器包括第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第四电容(C4)，以及两个所述开关管单元；

所述四个电容(C1、C2、C3、C4)依次串联后并联在直流电源两端；

两个开关管单元的直流输入正端(DC+)均连接到所述直流电源的正输出端，直流输入负端(DC-)均连接到所述直流电源的负输出端，第一电平端(M1)均连接到第一电容(C1)、第二电容(C2)的接点，第二电平端(M2)均连接到第二电容(C2)、第三电容(C3)的接点，第三电平端(M3)均连接到第三电容(C3)、第四电容(C4)的接点，交流输出端(AC)均连接到电网或者负载。

本发明解决上述技术问题的技术方案之四是：提供了一种三相三桥臂五电平逆变器，所述五电平逆变器包括第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第四电容(C4)，以及三个所述开关管单元；

所述四个电容(C1、C2、C3、C4)依次串联后并联在直流电源两端；

三个所述开关管单元的直流输入正端(DC+)均连接到所述直流电源的正输出端，直流输入负端(DC-)均连接到所述直流电源的负输出端，第一电平端(M1)均连接到第一电容(C1)、第二电容(C2)的接点，第二电平端(M2)均连接到第二电容(C2)、第三电容(C3)的接点，第三电平端(M3)均连接到第三电容(C3)、第四电容(C4)的接点，交流输出端(AC)均连接到电网或者负载。

本发明解决上述技术问题的技术方案之五是：提供了一种三相四线五电平逆变器，所述五电平逆变器包括第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第四电容(C4)，以及四个所述开关管单元；

所述四个电容(C1、C2、C3、C4)依次串联后并联在直流电源两端；

四个所述开关管单元的直流输入正端(DC+)均连接到所述直流电源的正输出端，直流输入负端(DC-)均连接到所述直流电源的负输出端，第一电平端(M1)均连接到第一电容(C1)、第二电容(C2)的接点，第二电平端(M2)均连接到第二电容(C2)、第三电容(C3)的接点，第三电平端(M3)均连接到第三电容(C3)、第四电容(C4)的接点，交流输出端(AC)均连接到电网或者负载。

当上述五个实施例中的开关管采用IGBT(绝缘栅双极型晶体管)时，所述开关管的第一端均指的是发射极，第二端均指的是集电极。

本发明还提供了一种具有上述逆变器的发电系统。

本发明的优点在于：相比于二极管钳位型五电平和飞跨电容型五电平，减少了钳位二极管、飞跨电容，半导体器件数目较少，因此结构简单，体积较小，并且因此减少了线路连接，保证了一致性，从而保证了拓扑运行的可靠性，具有较大的工程应用价值。

附图说明

图1a至图1c是现有三种二极管钳位型多电平逆变器的拓朴结构图。

图2是现有飞跨电容型多电平逆变器的拓朴结构图。

图3是本发明第一实施例开关管单元结构图。

图4是图3的封装结构图。

图5是本发明第二实施例的五电平逆变器的拓扑结构图。

图6a至图6e是图5所示五电平逆变器的5种工作模态图。

图7是本发明第三实施例的单相全桥五电平逆变器拓扑结构图。

图8是本发明第四实施例的三相三桥臂五电平逆变器拓扑结构图。

图9是本发明第五实施例的三相四线五电平逆变器拓扑结构图。

具体实施方式

第一实施例

请参照图3所示，本实施例提供了一种开关管单元，所述开关管单元包括8个开关管T1、T2、T3、T4、T5、T6、T7、T8以及分别反并联于上述8个开关管的8个二极管D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8。

开关管T1的第二端作为开关管单元的直流输入正端DC+，开关管T1的第一端、开关管T3的第一端以及开关管T8的第二端相连，该连接点作为该开关管单元的交流输出端AC，开关管T3的第二端与开关管T4的第二端相连，开关管T8的第一端作为开关管单元的直流输入负端DC-，开关管T4的第一端、开关管T2的第一端、开关管T5的第一端以及开关管T7的第二端相连，开关管T2的第二端作为开关管单元的第一电平输入端M1，开关管T5的第二端与开关管T6的第二端相连，开关管T6的第一端作为开关管单元的第二电平输入端M2，开关管T7的第一端作为开关管单元的第三电平输入端M3。

所述开关管单元可以工作在如下的5个模态：

H1模态：开关管T1，T2，T3，T5导通，其他开关管截止；

H2模态：开关管T2，T3，T4，T5导通，其他开关管截止；

H3模态：开关管T3，T4，T5，T6导通，其他开关管截止；

H4模态：开关管T3，T4，T6，T7导通，其他开关管截止；

H5模态：开关管T4，T6，T7，T8导通，其他开关管截止。

如图4所示，上述开关管单元可以作为一个封装件。

当所述开关管采用IGBT(绝缘栅双极型晶体管)时，所述开关管的第一端指的是发射极，第二端指的是集电极。

第二实施例

请参阅图5，也是应用了第一实施例的开关管单元的一种五电平逆变器，本实施例中五电平逆变器包括电容C1、C2、C3、C4，所述第一实施例的开关管单元。

所述电容C1、C2、C3、C4依次串联后并联在直流电源(PV&DC/DC)两端。

所述开关管单元的直流输入正端连到直流电源(PV&DC/DC)的正输出端，所述开关管单元的直流输入负端连到直流电源(PV&DC/DC)的负输出端，开关管单元的第一电平输入端连到所述电容C1、C2的接点，开关管单元的第二电平输入端连接到所述电容C2、C3的接点，开关管单元的第三电平输入端连接到所述电容C3、C4的接点，所述开关管单元的交流输出端作为该逆变器的第一输出端a，所述电容C2、C3的接点作为该逆变器的第二输出端n。

该实施例的五电平逆变器可以应用在并网场合，也可以应用在离网场合(储能应用等)。当应用于并网场合时，本实施例的逆变器的第一输出端a和第二输出端n之间接电网VG。当应用于离网场合时，本实施例的逆变器的第一输出端a和第二输出端n之间接负载。但是这两种应用场合，五电平逆变器的工作原理是相同的，以下以应用在并网场合为例，对该五电平逆变器的工作原理进行详细叙述。

请同时参阅图6a至图6e，是图5所示五电平逆变器的5种工作模态图。图6a至图6e所示分别为工作模态：H1、H2、H3、H4、H5。

H1模态：开关管T1，T2，T3，T5导通，其他开关管截止，当第一输出端a流出电流时，经过T1-L1-VG-L2-C2-C1-T1，当第一输出端a流进电流时，经过D1-C1-C2-L2-VG-L1-D1。

H2模态：开关管T2，T3，T4，T5导通，其他开关管截止，当第一输出端a流出电流时，经过T2-D4-T3-L1-VG-L2-C2-T2，当第一输出端a流进电流时，经过D3-T4-D2-C2-L2-VG-L1-D3。

H3模态：开关管T3，T4，T5，T6导通，其他开关管截止，当第一输出端a流出电流时，经过D6-T5-D4-T3-L1-VG-L2-D6，当第一输出端a流进电流时，经过D3-T4-D5-T6-L2-VG-L1-D3。

H4模态：开关管T3，T4，T6，T7导通，其他开关管截止，当第一输出端a流出电流时，经过D7-D4-T3-L1-VG-L2-C3-D7，当第一输出端a流进电流时，经过D3-T4-T7-C3-L2-VG-v-D3。

H5模态：开关管T4，T6，T7，T8导通，其他开关管截止，当第一输出端a流出电流时，经过D8-L1-VG-L2-C3-C4-D8，当第一输出端a流进电流时，经过T8-C4-C3-L2-VG-L1-T8。

在图6a至图6e中，导通的路径以粗实线示出，未导通的路径用虚线示出，需要注意的是，部分虽未导通但有开关信号的开关管也用细实线示出，以便于实现开关时序。

还请参照图5，作为进一步的改进，所述五电平逆变器还包括滤波电路，用来滤除输出电流中的谐波，所述滤波电路包括电感L1、L2以及电容C，所述电感L1连接在五电平逆变器的第一输出端a与电网或者负载之间，所述电感L2连接在五电平逆变器的第二输出端n与电网或者负载之间，电容C并联在电网或者负载的两端。

所述滤波电路还可以为现有的LC型或LL型结构。

与第一实施例类似，该实施例中的开关管单元同样可以做成封装件。

第三实施例

请参阅图7，是本发明第三实施例的单相全桥五电平逆变器拓扑结构图。其与上述第二实施例的区别在于，包括两个第一实施例所述的开关管单元，两个开关管单元的直流输入正端DC+均连接到直流电源(PV&DC/DC)的正输出端，两个开关管单元的直流输入负端DC-均连接到直流电源(PV&DC/DC)的负输出端，两个开关管单元的第一电平端M1均连接到电容C1、C2的接点，两个开关管单元的第二电平端M2均连接到电容C2、C3的接点，两个开关管单元的第三电平端M3均连接到电容C3、C4的接点，两个开关管单元的交流输出端AC均连接到电网或者负载。

该实施例中的两个开关管单元中的各期间工作模态与上述第二实施例完全相同。

与第一实施例类似，该实施例中的两个开关管单元均可以做成封装件。

第四实施例

请参阅图8，是本发明第四实施例的三相三桥臂五电平逆变器拓扑结构图。其与上述第二实施例的区别在于，包括三个第一实施例所述的开关管单元，三个开关管单元的直流输入正端DC+均连接到直流电源(PV&DC/DC)的正输出端，三个开关管单元的直流输入负端DC-均连接到直流电源(PV&DC/DC)的负输出端，三个开关管单元的第一电平端M1均连接到电容C1、C2的接点，三个开关管单元的第二电平端M2均连接到电容C2、C3的接点，三个开关管单元的第三电平端M3均连接到电容C3、C4的接点，三个开关管单元的交流输出端AC均连接到电网或者负载。

上述三个开关管单元的工作模态与上述第二实施例完全相同。

与第一实施例类似，该实施例中的三个开关管单元均可以做成封装件。

第五实施例

请参阅图9，是本发明第五实施例的三相四线五电平逆变器拓扑结构图。其与上述第二实施例的区别在于，包括四个第一实施例所述的开关管单元，开关管单元，四个开关管单元的直流输入正端DC+均连接到直流电源(PV&DC/DC)的正输出端，四个开关管单元的直流输入负端DC-均连接到直流电源(PV&DC/DC)的负输出端，四个开关管单元的第一电平端M1均连接到电容C1、C2的接点，四个开关管单元的第二电平端M2均连接到电容C2、C3的接点，四个开关管单元的第三电平端M3均连接到电容C3、C4的接点，四个开关管单元的交流输出端AC均连接到电网或者负载。

上述四个开关管单元的工作模态与上述第二实施例完全相同。

与第一实施例类似，该实施例中的四个开关管单元均可以做成封装件。

上述五个实施例中的开关管具体应用时可以是MOSFET(金属-氧化层-半导体-场效晶体管)、或IGBT(绝缘栅双极型晶体管)、IGCT(集成门极换流晶闸管)、IEGT(电子注入增强栅晶体管)，本领域普通的技术人员均熟知替换以后的实施电路。

需要说明的是，上述实施例中的直流电源(PV&DC/DC)实际应用中可以为太阳能电池，还可以是其他直流电源。

上述实施例的逆变器相比于二极管钳位型五电平和飞跨电容型五电平逆变器，减少了钳位二极管、飞跨电容，半导体器件数目较少，因此结构简单，体积较小，并且因此减少了线路连接，保证了一致性，从而保证了拓扑运行的可靠性，具有较大的工程应用价值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种开关管单元，其特征在于：包括第一开关管(T1)、第二开关管(T2)、第三开关管(T3)、第四开关管(T4)、第五开关管(T5)、第六开关管(T6)、第七开关管(T7)、第八开关管(T8)以及分别反并联于上述8个开关管的第一二极管(D1)、第二二极管(D2)、第三二极管(D3)、第四二极管(D4)、第五二极管(D5)、第六二极管(D6)、第七二极管(D7)、第八二极管(D8)；

第一开关管(T1)的第二端作为开关管单元的直流输入正端(DC+)，第一开关管(T1)的第一端、第三开关管(T3)的第一端以及第八开关管(T8)的第二端相连，该连接点作为该开关管单元的交流输出端(AC)，第三开关管(T3)的第二端与第四开关管(T4)的第二端相连，第八开关管(T8)的第一端作为开关管单元的直流输入负端(DC-)，第四开关管(T4)的第一端、第二开关管(T2)的第一端、第五开关管(T5)的第一端以及第七开关管(T7)的第二端相连，第二开关管(T2)的第二端作为开关管单元的第一电平输入端(M1)，第五开关管(T5)的第二端与第六开关管(T6)的第二端相连，第六开关管(T6)的第一端作为开关管单元的第二电平输入端(M2)，第七开关管(T7)的第一端作为开关管单元的第三电平输入端(M3)。

2.如权利要求1所述的开关管单元，其特征在于：所述开关管单元工作在如下的5个模态：

H1模态：第一、二、三、五开关管(T1，T2，T3，T5)导通，其他开关管截止；

H2模态：第二、三、四、五开关管(T2，T3，T4，T5)导通，其他开关管截止；

H3模态：第三、四、五、六开关管(T3，T4，T5，T6)导通，其他开关管截止；

H4模态：第三、四、六、七开关管(T3，T4，T6，T7)导通，其他开关管截止；

H5模态：第四、六、七、八开关管(T4，T6，T7，T8)导通，其他开关管截止。

3.一种具有如权利要求1或2所述的开关管单元的五电平逆变器，其特征在于：所述五电平逆变器包括第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第四电容(C4)，以及所述开关管单元；

所述四个电容(C1、C2、C3、C4)依次串联后并联在直流电源两端；

所述开关管单元的直流输入正端连到直流电源的正输出端，所述开关管单元的直流输入负端连到直流电源的负输出端，开关管单元的第一电平输入端连到所述第一电容(C1)、第二电容(C2)的接点，开关管单元的第二电平输入端连接到所述第二电容(C2)、第三电容(C3)的接点，开关管单元的第三电平输入端连接到所述第三电容(C3)、第四电容(C4)的接点，所述开关管单元的交流输出端作为该逆变器的第一输出端，所述第二电容(C2)、第三电容(C3)的接点作为该逆变器的第二输出端。

4.根据权利要求3所述的五电平逆变器，其特征在于：所述第一输出端和第二输出端之间接电网或负载，所述五电平逆变器具有5种工作模态：H1、H2、H3、H4、H5；

H1模态：第一、二、三、五开关管(T1，T2，T3，T5)导通，其他开关管截止，当第一输出端流出电流时，经过第一开关管(T1)-电网或负载-第二电容(C2)-第一电容(C1)-第一开关管(T1)，当第一输出端流进电流时，经过第一二极管(D1)-第一电容(C1)-第二电容(C2)-电网或负载-第一二极管(D1)；

H2模态：第二、三、四、五开关管(T2，T3，T4，T5)导通，其他开关管截止，当第一输出端流出电流时，经过第二开关管(T2)-第四二极管(D4)-第三开关管(T3)-电网或负载-第二电容(C2)-第二开关管(T2)，当第一输出端流进电流时，经过第三二极管(D3)-第四开关管(T4)-第二二极管(D2)-第二电容(C2)-电网或负载-第三二极管(D3)；

H3模态：第三、四、五、六开关管(T3，T4，T5，T6)导通，其他开关管截止，当第一输出端流出电流时，经过第六二极管(D6)-第五开关管(T5)-第四二极管(D4)-第三开关管(T3)-电网或负载-第六二极管(D6)，当第一输出端流进电流时，经过第三二极管(D3)-第四开关管(T4)-第五二极管(D5)-第六开关管(T6)-电网或负载-第三二极管(D3)；

H4模态：第三、四、六、七开关管(T3，T4，T6，T7)导通，其他开关管截止，当第一输出端流出电流时，经过第七二极管(D7)-第四二极管(D4)-第三开关管(T3)-电网或负载-第三电容(C3)-第七二极管(D7)，当第一输出端流进电流时，经过第三二极管(D3)-第四开关管(T4)-第七开关管(T7)-第三电容(C3)-电网或负载-第三二极管(D3)；

H5模态：第四、六、七、八开关管(T4，T6，T7，T8)导通，其他开关管截止，当第一输出端流出电流时，经过第八二极管(D8)-电网或负载-第三电容(C3)-第四电容(C4)-第八二极管(D8)，当第一输出端流进电流时，经过第八开关管T8-第四电容(C4)-第三电容(C3)-电网或负载-第八开关管(T8)。

5.根据权利要求3所述的五电平逆变器，其特征在于：所述五电平逆变器还包括连接在所述第一输出端及第二输出端之后的滤波电路。

6.根据权利要求5所述的五电平逆变器，其特征在于：所述滤波电路包括第一电感(L1)、第二电感(L2)以及第五电容(C)，所述第一电感(L1)的第一端连接所述第一输出端，第二端作为滤波电路的第一输出端，所述第二电感(L2)的第一端连接在所述第二输出端，第二端作为滤波电路的第二输出端，第五电容(C)并联在第一电感(L1)的第二端以及第二电感(L2)的第二端之间，所述滤波电路的第一输出端和第二输出端之间接电网或负载。

7.一种具有如权利要求1或2所述的开关管单元的五电平逆变器，其特征在于：所述五电平逆变器包括第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第四电容(C4)，以及两个所述开关管单元；

所述四个电容(C1、C2、C3、C4)依次串联后并联在直流电源两端；

两个开关管单元的直流输入正端(DC+)均连接到所述直流电源的正输出端，直流输入负端(DC-)均连接到所述直流电源的负输出端，第一电平端(M1)均连接到第一电容(C1)、第二电容(C2)的接点，第二电平端(M2)均连接到第二电容(C2)、第三电容(C3)的接点，第三电平端(M3)均连接到第三电容(C3)、第四电容(C4)的接点，交流输出端(AC)均连接到电网或者负载。

8.一种具有如权利要求1或2所述的开关管单元的五电平逆变器，其特征在于：所述五电平逆变器包括第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第四电容(C4)，以及三个所述开关管单元；

所述四个电容(C1、C2、C3、C4)依次串联后并联在直流电源两端；

三个所述开关管单元的直流输入正端(DC+)均连接到所述直流电源的正输出端，直流输入负端(DC-)均连接到所述直流电源的负输出端，第一电平端(M1)均连接到第一电容(C1)、第二电容(C2)的接点，第二电平端(M2)均连接到第二电容(C2)、第三电容(C3)的接点，第三电平端(M3)均连接到第三电容(C3)、第四电容(C4)的接点，交流输出端(AC)均连接到电网或者负载。

9.一种具有如权利要求1或2所述的开关管单元的五电平逆变器，其特征在于：所述五电平逆变器包括第一电容(C1)、第二电容(C2)、第三电容(C3)、第四电容(C4)，以及四个所述开关管单元；

所述四个电容(C1、C2、C3、C4)依次串联后并联在直流电源两端；

四个所述开关管单元的直流输入正端(DC+)均连接到所述直流电源的正输出端，直流输入负端(DC-)均连接到所述直流电源的负输出端，第一电平端(M1)均连接到第一电容(C1)、第二电容(C2)的接点，第二电平端(M2)均连接到第二电容(C2)、第三电容(C3)的接点，第三电平端(M3)均连接到第三电容(C3)、第四电容(C4)的接点，交流输出端(AC)均连接到电网或者负载。

10.一种具有如权利要求3至9任一项所述的五电平逆变器的发电系统。

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