CN102892246B - 放电灯系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出了一种放电灯系统及其控制方法,包含:放电灯;交流电源,用以提供一交流电;整流器,用以将该交流电转化为一直流电;功率因数校正电路,其连接至该整流器,用以产生一输出电压;半桥电路,其连接至该功率因数校正电路及该放电灯,用以将该输出电压转变为该放电灯所需电压;以及控制器,其连接至该功率因数校正电路及该半桥电路,且具有一计时器,该计时器用以计时,其中该控制器根据该计时器的计时时间控制该功率因数校正电路的输出电压大小。本发明所提出的放电灯系统及其控制方法,通过计时器计时,来快速控制功率因数校正电路的输出电压,从而控制半桥逆变器的开路电压,进而给放电灯提供点燃所需电压及稳定工作时所需电压。
Description
技术领域
本发明是关于一种放电灯系统,尤其是关于功率因数校正电路的输出电压控制的放电灯系统及其控制方法。
背景技术
高强度气体放电灯(highintensitydischarge(HID)lamps)由于具有较高的效率、良好的显色性(colorrendering)与较长的使用寿命,而被广泛应用于许多方面。
气体放电灯通常需要通过镇流器将低压220V电瞬间提高至一定高压,而激发石英管内的物质,使其在电弧中发光,而所产生的超强白色电弧光,近似于白昼的太阳光,由于其不具有灯丝,因此不会产生灯丝断裂而报废的问题,且其相较于现有的卤素灯,除了具有使用寿命长的功效外,其进一步并能增进其穿透度与照度,且其耗电量极低,而能大幅节省电能,因此其被广泛的研究、开发,以取代现有的光源。
但是,由于高强度气体放电灯在点亮时,需将低压220V电瞬间提高至所需高压,所以高强度气体放电灯无法单独使用,其必需要有特殊的供电电路,方可使高强度气体放电灯被点燃及稳定发光。就目前设计的高强度气体放电灯供电电路,一般包含功率因数校正(PFC,powerfactorcorrection)电路及与该PFC电路相连接的逆变器,而逆变器通常选择全桥逆变器或半桥逆变器,但由于半桥逆变器的低成本优势,所以行业里通常选择半桥逆变器,但是,由于半桥逆变器其特殊性,即,其提供给高强度气体放电灯的最大电压(即,所谓的“开路电压”或OCV(OpenCircuitVoltage))为仅为PFC电路输出电压的一半,如,当PFC的输出电压为400V时,半桥逆变器的OCV为200V,而高强度气体放电灯被点燃所需OCV通常为250~350V,因此如采用通常的PFC输出电压400V加上半桥逆变器电路构架,将不利于点燃高强度气体放电灯。
发明内容
为了解决上述技术问题,本发明提出了一种放电灯系统,包含:一放电灯;一交流电源,用以提供一交流电;一整流器,用以将该交流电转化为一直流电;一功率因数校正电路,其连接至该整流器,用以产生一输出电压;一半桥电路,其连接至该功率因数校正电路及该放电灯,用以将该输出电压转变为该放电灯所需电压;以及一控制器,其连接至该功率因数校正电路及该半桥电路,且具有一计时器,该计时器用以计时,其中,该控制器根据该计时器的计时时间控制该功率因数校正电路的输出电压大小。
优选地,上述控制器包含:一控制单元,其包含上述计时器;一第一驱动器,用以产生一第一驱动信号;以及一功率因数校正电路控制器,连接至所述控制单元及所述第一驱动器,用以根据所述计时器计时时间透过所述第一驱动器控制所述功率因数校正电路。
优选地,当上述计时器的计时时间小于或等于一预定时间时,上述功率因数校正电路输出一第一电压,当上述计时器的计时时间大于上述预定时间时,功率因数校正电路输出一第二电压,其中,上述第一电压大于上述第二电压。
优选地,上述预定时间大于或等于放电灯被点燃所需时间。
优选地,上述放电灯系统还包含一点火器,点火器于上述预定时间内正常工作,点火器于上述预定时间外停止工作。
优选地,上述功率因数校正电路包含一第一开关,上述第一驱动信号用以驱动该第一开关。
优选地,上述半桥电路包含一第二开关、一第三开关。
优选地,上述控制器还包含:一第二驱动器,连接至上述控制单元,用以产生一第二驱动信号及一第三驱动信号,该第二驱动信号与该第三驱动信号分别用以驱动上述第二开关及上述第三开关。
优选地,上述放电灯为高强度气体放电灯。
优选地,上述第一开关、第二开关及第三开关为金属氧化物半导体场效晶体管。
本发明还提出了一种放电灯系统的控制方法,该方法包含:判断上述计时器的一计时时间是否大于一预定时间;如果上述计时器的上述计时时间不是大于上述预定时间,上述功率因数校正电路输出一第一电压,否则上述功率因数校正电路输出一第二电压,其中,上述第一电压大于上述第二电压。
优选地,上述预定时间大于或等于上述放电灯被点燃所需时间。
优选地,在上述预定时间内一点火器正常工作,在上述预定时间外点火器停止工作。
本发明还提出了一种放电灯系统的控制方法,该方法包含:判断一计时时间是否在一时间段Tn内,Tn包括一第一时间段Δtn1及紧随第一时间段Δtn1的一第二时间段Δtn2,且n为1至N中的任一正整数;如果计时时间在第一时间段Δtn1内,一功率因数校正电路输出一第一预定电压Vn1;以及,如果计时时间在第二时间段Δtn2内,功率因数校正电路输出一第二预定电压Vn2,其中Vn2<Vn1。
较佳地,上述控制方法还包含:当上述计时时间大于时间t2n时,上述功率因数校正电路输出一上述第二预定电压Vn2。
较佳地,上述控制方法还包含:当上述计时时间小于时间t0时,上述功率因数校电路输出一第三预定电压。
较佳地,上述控制方法还包含:当上述计时时间在上述第一时间段Δtn1内,一点火器正常工作,当上述计时时间在上述第二时间段Δtn2内,上述点火器停止工作。
较佳地,上述控制方法还包含:当上述计时时间在时间段Ti的第一时间段Δti1内时,上述功率因数校正电路输出第一预定电压Vi1;当上述计时时间在时间段Tj的第一时间段Δtj1内时,上述功率因数校正电路输出第一预定电压Vj1;其中,Vi1≠Vj1,i、j均为1至N中的正整数且i≠j,Vi1也可以Vj1。
较佳地,上述控制方法还包含:当上述计时时间在时间段Ti的第二时间段Δti2内时,上述功率因数校正电路输出第二预定电压Vi2;当上述计时时间在时间段Tj的第二时间段Δtj2内时,上述功率因数校正电路输出第二预定电压Vj2;其中,Vi2≠Vj2,i、j均为1至N中的正整数且i≠j,Vi2也可以Vj2。
本发明所提出的放电灯系统及其控制方法,通过计时器计时,来快速控制PFC电路的输出电压,从而控制半桥逆变器的OCV,进而给放电灯提供点燃所需电压及稳定工作时所需电压,实为一简单高效方案。另,由于本发明所提出的技术方案采用的是半桥拓扑,从而节省了成本。
附图说明
图1绘示依照本发明一实施方式的放电灯系统的电路结构示意图;
图2绘示依照本发明一实施方式的放电灯系统的PFC电路输出电压的波形示意图;
图3绘示本发明一实施方式的放电灯系统的控制方法的流程图;
图4A、4B绘示本发明的另一实施方式的放电灯系统的控制时序图;
图5是图4A所示的控制时序图的控制方法的流程图。
具体实施方式
以下将以附图及详细说明来清楚阐释本发明的实施方式,为简化附图起见,一些已知惯用的结构与组件在附图中将以简单示意的方式绘示。
参照图1,图1绘示了本发明一实施方式的放电灯系统100的电路结构示意图。如图1所示,该放电灯系统100包含一电源AC、一电磁干扰滤波器110、一整流器120、一功率因数校正(PFC)电路130、一半桥电路140、一放电灯150及一控制器160。其中,放电灯150可以为高强度气体放电灯;电源AC可以为交流电压源;电磁干扰滤波器110,其一端连接于电源AC,用以滤除对电源AC的干扰信号,但,需说明的是,在本实施方式中的放电灯系统100也可以不具有该电磁干扰滤波器110,不以此为限;整流器120,其一端连接于电磁干扰滤波器110的另一端,该整流器120可用于将交流电压源AC所提供的交流电转化为直流电。PFC电路130为一升压型(Boost)PFC电路,包含一电感L1、一二极管D1、一第一金氧半场效晶体管S1(开关S1),PFC电路130可以用于将其输入电压进行一定的升压,进而产生一输出电压V。当然,PFC电路130也可以采用其它的架构,例如升降压型(Buck-Boost)的PFC电路,且并不以此为限。半桥电路140,如,半桥逆变器,连接于PFC电路130,可以用于将PFC电路130所提供的输出电压V转换为放电灯150所需电压,其中,半桥逆变器包括两个串联的电解电容C1与C2、一与放电灯150串联的点火器1410、一与放电灯串联的电感L2、一与放电灯并联的电容C3、一第二金氧半场效晶体管S2(开关S2)及一第三金氧半场效晶体管S3(开关S3)。控制器160,可以包括:一控制单元1610,其包含一计时器1611;一第一驱动器1630,用以产生一第一驱动信号;以及一功率因数校正电路(PFC)控制器1620,连接至控制单元1610及第一驱动器1630,用以根据计时器1611的计时时间透过第一驱动器1630控制PFC电路130,即,PFC电路控制器根据计时器1611的计时时间产生一控制信号,并传输给第一驱动器,第一驱动器进而发出一第一驱动信号,此第一驱动信号用以驱动PFC电路中的开关S1,从而达成对PFC电路输出电压的控制。另,控制器160还包括一第二驱动器1640,连接至控制单元1610,用以产生一第二驱动信号及一第三驱动信号,分别用来驱动半桥逆变器中的开关S2与S3。
在本实施方式中,首先,控制单元1610中的计时器1611计时,之后,控制单元1610根据计时器1611的计时时间,指示PFC电路控制器1620通过第一驱动器1630控制开关S1,进而控制PFC电路130的输出电压的大小,当计时时间小于或等于一预定时间,则PFC电路130输出一第一电压,当计时时间大于一预定时间,则输出一第二电压,其电压输出波形如图2所示,图2绘示了依照本发明一实施方式的放电灯系统的PFC电路输出电压的波形示意图,如图2所示,如计时器1611的计时时间为t,预定时间为t1,当t小于或等于t1时,则PFC电路130输出第一电压V1,当t大于t1时,则PFC电路130输出第二电压V2。
需说明的是,预定时间t1可以是大于放电灯被点燃所需的时间,也可以是刚好为放电灯被点燃所需的时间。另,还需说明的是,如果PFC电路采用的是升压型(Boost)的PFC电路,则PFC电路输出的第一电压V1,其范围值约为450V~550V,较佳地,V1为500V;PFC电路输出的第二电压V2,其范围值约为380V~420V,较佳地,V2为400V。如果PFC电路采用的是升降压型(Buck-Boost)的PFC电路,则PFC电路输出的第一电压V1,其范围值约为450V~550V,较佳地,V1为500V;PFC电路输出的第二电压V2,其范围值约为100V-420V,较佳地范围为300V-400V。
由于放电灯的工作特性,即,在放电灯未被点燃前,即在点灯过程中,放电灯需要一很高的点灯电压(通常为几千伏(KV))用于激发放电灯,还需要一较高的开路电压(OCV)(通常为几百伏)用于帮助放电灯被激发后从辉光状态进入到弧光状态;而当放电灯被点燃后并稳定工作后,只需维持放电灯稳定工作所需的工作电压即可。在本实施方式中,采用改变PFC输出电压的方式来满足上述放电灯工作工程中所需的电压。采用在一定时间内,提高PFC的输出电压,从而提高了半桥逆变器的开路电压,而在一定时间后,降低PFC的输出电压,从而降低半桥逆变器的开路电压。点火电路在PFC输出第一电压(高电压)的时间内工作,产生很高的点灯电压,在PFC输出第二电压(低电压)的时间内可以不工作,从而不产生很高的点灯电压,减少灯电极的损耗,有利于提高放电灯的使用寿命。且在放电灯稳定工作后PFC已输出低电压,从而提高整个系统的效率。
参照图3,图3绘示了本发明一实施方式的放电灯系统的控制方法的流程图。结合图1、图2及与图3所示,首先,在步骤310中,判断计时器1611的计时时间是否大于一预定时间;如果计时器1611的计时时间小于或等于预定时间,则进入步骤320,PFC电路130输出第一电压,否则,进入步骤330,PFC电路130输出第二电压。详述之,如计时器1611的计时时间为t,预定时间为t1,当t小于或等于t1时,则PFC电路130输出第一电压V1,当t大于t1时,则PFC电路130输出第二电压V2。在本实施例中,在预定时间t1内(t小于或等于t1),由于PFC电路130输出较高的第一电压V1,在此期间,点火器1410可以是正常工作并且输出激发放电灯150灯管的点火高压,优选的,点火器1410在此期间一直正常工作。当t大于预定时间t1时,PFC电路130输出较低的第二电压V2,在此期间,点火器1410可以停止输出点火高压,即,点火器1410可以停止工作,优选的,点火器1410在此期间一直停止工作,从而减小点火高压对放电灯150的灯极的损耗,延长放电灯150灯管的使用寿命,同时由于PFC电路130输出较低的第二电压V2,整个系统的效率也会得到相应的改善。
参照图4A和4B,分别绘示了本发明的另一实施方式的放电灯系统的控制时序图。结合图1与图4A、4B所示,在本实施方式中,此控制时序是为了点亮热灯所需,从而控制PFC电路130的输出电压。如图4A所示,0~t2n时间段可以由T1、T2…Tn时间段构成,n为1至N间的任意正整数,N为大于1的整数。其中,T1、T2…Tn可以相同,也可以不相同。类似地,如图4B所示,在T1之前也可以包含一初始时间T0,即0~t2n时间段由T0、T1、T2…Tn时间段构成。其中,时间段T1由Δt11与Δt12构成(也可表示为从t0到t2的时间区间),T2时间段由Δt21与Δt22构成(也可表示为从t2到t4的时间区间),依此类推,Tn时间段由Δtn1与Δtn2构成(也可表示为从t2n-2到t2n的时间区间)。其中,T0、T1、T2…Tn可以相同,也可以不相同。在本实施方式中,Δt11、Δt21…Δtn1时间段内,PFC电路130的输出电压分别为第一预定电压V11、V21…Vn1,点火器1410在该时间内可以有正常工作状态。其中Δt11、Δt21…Δtn1可以相同,也可以不相同。优选地,第一预定电压V11、V21…Vn1相等,即,在Δt11、Δt21…Δtn1时间段内,PFC电路130的输出电压相等。优选地,Δt11、Δt21…Δtn1时间段内,点火器1410在该时间内正常工作。在Δt12、Δt22…Δtn2时间段内,PFC电路130的输出电压分别为第二预定电压V12、V22…Vn2,且第二预定电压V12、V22…Vn2对应地分别小于第一预定电压V11、V21…Vn1,点火器1410在该时间内可以有停止工作状态。其中Δt12、Δt22…Δtn2可以相同,也可以不相同。优选地,电压V12、V22…Vn2相等。优选地,Δt12、Δt22…Δtn2时间段内,PFC电路130的输出电压相等。优选地,Δt12、Δt22…Δtn2时间段内,点火器1410在该时间内停止工作。在本实施方式中,该控制时序的优点在于,通常热灯需要超高电压才能点亮(在20KV左右),因此为了降低点灯电压,减小损耗,通常采用该点灯控制时序,即,在一段时间里,如Δt11、Δt21。。。Δtn1时间段内进行点灯,当点灯点不亮时,可以停止点灯,将PFC电路130的输出电压降低至第二预定电压;等待放电灯150冷却一段时间后,如Δt12、Δt22…Δtn2,再尝试重新电灯,即,将PFC电路130的输出电压提高至第一预定电压。这样,点灯电压通常就可以设置在5KV左右。另,在经过0~t2n时间段T1、T2…Tn后,PFC电路130的输出电压为第二预定电压。简而言之,在第一时间段Δt11或Δt21…或Δtn1内,PFC电路130对应输出第一预定电压V11或V21…或Vn1,此时点火器1410正常工作;在第二段时间Δt12或Δt22…或Δtn2内,PFC电路130对应输出第二预定电压V12或V22…或Vn2,此时点火器1410停止工作;以及在t0前的时间里,PFC电路130输出一第三电压V3,V3的值并不限定,并且在经过0~t2n时间段T1、T2…Tn后,即经过t2n时间后,PFC电路130输出第二预定电压,此时点火器1410停止工作。
需说明的是,对于电压V11、V21…Vn1,可以相同,也可以不相同,而其只需符合让点火器1410在时间段Δt11、Δt21…Δtn1内正常工作所需的电压即可。具体地说,当计时时间在时间段Ti的第一时间段Δti1内时,PFC电路130输出第一预定电压Vi1,当计时时间在时间段Tj的第一时间段Δtj1内时,PFC电路130输出第一预定电压Vj1,i、j均为1至N中的正整数且i≠j,在本实施方式中,Vi1可以与Vj1相等,在其它一些实施方式中,Vi1可以与Vj1不相等,即Vi1≠Vj1。
类似地,第二预定电压V12、V22…Vn2可以设置为相同数值,也可以设置为不同数值。具体地说,当计时时间在时间段Ti的第二时间段Δti2内时,PFC电路130输出第二预定电压Vi2,当计时时间在时间段Tj的第二时间段Δtj2内时,PFC电路130输出第二预定电压Vj2,i、j均为1至N中的正整数且i≠j,在本实施方式中Vi2可以与Vj2相等,在其它一些实施方式中,Vi2可以与Vj2不相等,即Vi2≠Vj2。
参照图5,图5是图4A所示的控制时序图的控制方法的流程图。结合图1、图4A及图5所示,首先,在步骤510中,判断计时时间是否小于时间t2n;如果计时时间小于时间t2n,则判断计时时间是否在Δtn1时间段内(步骤520),如果是,则进入步骤530,否则进入步骤540;在步骤530中,PFC电路130输出第一预定电压Vn1;在步骤540中,判断计时时间是否在Δtn2时间段内,如果是,进入步骤550,否则回到步骤510;在步骤550中,PFC电路130输出第二预定电压Vn2;如果计时时间不是小于时间t2n,则进入步骤560,即PFC电路130输出第二预定电压,如前述之Vn2中的任意值。
本发明所提出的放电灯系统及其控制方法这一技术方案,即,通过计时器计时,来快速控制PFC电路的输出电压,从而控制半桥逆变器的OCV,进而实现给放电灯提供点燃所需电压及稳定工作时所需电压,实为一简单高效方案。另,由于本发明所提出的技术方案采用的是半桥拓扑,从而节省了成本。
上文中,参照附图描述了本发明的具体实施方式。但是,本领域中的普通技术人员能够理解,在不偏离本发明的精神和范围的情况下,还可以对本发明的具体实施方式作各种变更和替换。这些变更和替换都落在本发明权利要求书所限定的范围内。
Claims (17)
1.一种放电灯系统,包含一放电灯,其特征在于,包含:
一交流电源,用以提供一交流电;
一整流器,其用以将所述交流电转化为一直流电;
一功率因数校正电路,其连接至所述整流器,用以产生一输出电压,其中所述功率因数校正电路包含一第一开关;
一半桥电路,其连接至所述功率因数校正电路及所述放电灯,用以将所述输出电压转变为所述放电灯所需电压;以及
一控制器,其连接至所述功率因数校正电路及所述半桥电路,且具有一计时器,所述计时器用以计时,
其中,所述控制器根据所述计时器的计时时间驱动所述功率因数校正电路的所述第一开关以控制所述功率因数校正电路的输出电压大小,
当所述计时器的计时时间小于或等于一预定时间时,所述功率因数校正电路输出一第一电压,当所述计时器的计时时间大于所述预定时间时,功率因数校正电路输出一第二电压,其中,所述第二电压小于所述第一电压,所述预定时间大于或等于放电灯被点燃所需时间。
2.根据权利要求1所述的放电灯系统,其特征在于,所述控制器包含:
一控制单元,其包含所述计时器;
一第一驱动器,用以产生一第一驱动信号;以及
一功率因数校正电路控制器,连接至所述控制单元及所述第一驱动器,用以根据所述计时器计时时间透过所述第一驱动器控制所述功率因数校正电路。
3.根据权利要求1所述的放电灯系统,其特征在于,所述放电灯系统还包含一点火器,所述点火器于所述预定时间内正常工作,所述点火器于所述预定时间外停止工作。
4.根据权利要求2所述的放电灯系统,其特征在于,所述第一驱动信号用以驱动所述第一开关。
5.根据权利要求2所述的放电灯系统,其特征在于,所述半桥电路包含一第二开关及一第三开关。
6.根据权利要求5所述的放电灯系统,其特征在于,所述控制器还包含:
一第二驱动器,连接至所述控制单元,用以产生一第二驱动信号及一第三驱动信号,所述第二驱动信号与所述第三驱动信号分别用以驱动所述第二开关及所述第三开关。
7.根据权利要求1所述的放电灯系统,其特征在于,所述放电灯为高强度气体放电灯。
8.一种放电灯系统的控制方法,其中所述放电灯系统包含功率因数校正电路,其特征在于:
判断一计时器的一计时时间是否大于一预定时间;
如果所述计时器的所述计时时间不是大于所述预定时间,驱动所述功率因数校正电路中的一第一开关以输出一第一电压,否则驱动所述功率因数校正电路中的所述第一开关以输出一第二电压,其中,所述第二电压小于所述第一电压,所述预定时间大于或等于所述放电灯被点燃所需时间。
9.根据权利要求8所述的控制方法,其特征在于,在所述预定时间内一点火器正常工作,在所述预定时间外所述点火器停止工作。
10.一种放电灯系统的控制方法,其中所述放电灯系统包含功率因数校正电路,其特征在于,包含:
判断一计时时间是否在一时间段Tn内,所述Tn包括一第一时间段Δtn1及紧随所述第一时间段Δtn1的一第二时间段Δtn2,且n为1至N中的任意正整数,其中,N为大于1的整数;
如果所述计时时间在所述第一时间段Δtn1内,驱动所述功率因数校正电路中的一第一开关以输出一第一预定电压Vn1;以及
如果放电灯没有被点亮且所述计时时间在所述第二时间段Δtn2内,驱动所述功率因数校正电路中的所述第一开关以输出一第二预定电压Vn2,其中Vn2<Vn1。
11.根据权利要求10所述的控制方法,其特征在于,所述控制方法还包含:
当所述计时时间大于时间段Tn时,所述功率因数校正电路输出所述第二预定电压Vn2。
12.根据权利要求10所述的控制方法,其特征在于,所述控制方法还包含:
当所述计时时间小于时间段T1时,所述功率因数校电路输出一第三预定电压V3。
13.根据权利要求10所述的控制方法,其特征在于,所述控制方法还包含:
当所述计时时间在所述第一时间段Δtn1内,一点火器正常工作;以及当所述计时时间在所述第二时间段Δtn2内,所述点火器停止工作。
14.根据权利要求10所述的控制方法,其特征在于,所述控制方法还包含:
当所述计时时间在时间段Ti的第一时间段Δti1内时,所述功率因数校正电路输出第一预定电压Vi1;
当所述计时时间在时间段Tj的第一时间段Δtj1内时,所述功率因数校正电路输出第一预定电压Vj1;
其中,Vi1≠Vj1,i、j均为1至N中的正整数且i≠j。
15.根据权利要求10所述的控制方法,其特征在于,所述控制方法还包含:
当所述计时时间在时间段Ti的第一时间段Δti1内时,所述功率因数校正电路输出第一预定电压Vi1;
当所述计时时间在时间段Tj的第一时间段Δtj1内时,所述功率因数校正电路输出第一预定电压Vj1;
其中,Vi1=Vj1,i、j均为1至N中的正整数且i≠j。
16.根据权利要求10所述的控制方法,其特征在于,所述控制方法还包含:
当所述计时时间在时间段Ti的第二时间段Δti2内时,所述功率因数校正电路输出第二预定电压Vi2;
当所述计时时间在时间段Tj的第二时间段Δtj2内时,所述功率因数校正电路输出第二预定电压Vj2;
其中,Vi2≠Vj2,i、j均为1至N中的正整数且i≠j。
17.根据权利要求10所述的控制方法,其特征在于,所述控制方法还包含:
当所述计时时间在时间段Ti的第二时间段Δti2内时,所述功率因数校正电路输出第二预定电压Vi2;
当所述计时时间在时间段Tj的第二时间段Δtj2内时,所述功率因数校正电路输出第二预定电压Vj2;
其中,Vi2=Vj2,i、j均为1至N中的正整数且i≠j。
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