CN104980035A - 电力转换装置以及电力转换方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电力转换装置以及电力变化方法，在电力转换方法中，电力转换装置具备构成于初级侧电路的初级侧端口、和构成于通过变压器与上述初级侧电路磁耦合的次级侧电路的次级侧端口，并变更初级侧电路的开关与上述次级侧电路的开关的相位差，来调整在上述初级侧电路与上述次级侧电路之间传输的传输电力，该电力转换方法具有：当上述初级侧端口的电压比将上述次级侧端口的电压除以上述变压器的匝数比而得到的值小时，将上述初级侧端口的目标电压设定为将上述次级侧端口的电压除以上述变压器的匝数比而得到的值；当上述初级侧端口的电压与将上述次级侧端口的电压除以上述变压器的匝数比而得到的值相等时，将上述初级侧端口的目标电压设定为规定值。

Description

电力转换装置以及电力转换方法
对于2014年4月9日提出的日本专利申请2014－080486号所包括的说明书、附图、以及摘要的公开内容，在此将其全部引入本文。
技术领域
本发明涉及电力转换装置以及电力转换方法。
背景技术
已知有一种将在初级侧转换电路和次级侧转换电路之间传输的传输电力根据相位差φ来进行调整的电力转换装置，其中，初级侧转换电路包括多个初级侧端口，次级侧转换电路包括多个次级侧端口，且通过变压器与初级侧转换电路磁耦合(例如，参照日本特开2011－193713)。
然而，当电力转换装置停止时，在不与电池连接的初级侧端口没有贮留电荷，初级侧端口的电压与和电池连接的次级侧端口的电压比较，变得极低。由于初级侧端口的电压与次级侧端口的电压的不平衡，有可能当电力转换装置启动时，在初级侧转换电路产生过电流，导致电路内的开关元件、电容器等发生故障。
发明内容
鉴于此，本发明的一个方式提供防止在初级侧转换电路中产生的过电流的技术。
为了实现上述目的，根据一个方式，提供一种电力转换装置的电力转换方法，上述电力转换装置具备构成于初级侧电路的初级侧端口、以及构成于通过变压器与上述初级侧电路磁耦合的次级侧电路的次级侧端口，并变更上述初级侧电路的开关与上述次级侧电路的开关的相位差，来调整在上述初级侧电路与上述次级侧电路之间传输的传输电力，所述电力转换装置的电力转换方法具有：判定上述电力转换装置是否启动的判定步骤；判定上述初级侧端口的电压是否比将上述次级侧端口的电压除以上述变压器的匝数比而得到的值小的判定步骤；在上述初级侧端口的电压比将上述次级侧端口的电压除以上述变压器的匝数比而得到的值小的情况下，将上述初级侧端口的目标电压设定为将上述次级侧端口的电压除以上述变压器的匝数比而得到的值的设定步骤；判定上述初级侧端口的电压是否与将上述次级侧端口的电压除以上述变压器的匝数比而得到的值相等的判定步骤；以及在上述初级侧端口的电压与将上述次级侧端口的电压除以上述变压器的匝数比而得到的值相等的情况下，将上述初级侧端口的目标电压设定为规定值的设定步骤。
根据一个方式，能够防止在初级侧转换电路中产生的过电流。
附图说明
下面，参照附图来描述本发明的示例性实施方式的特征、优点、以及技术和工业意义，其中，相同符号表示相同部件，并且，其中：
图1是表示电力转换装置的构成例的图。
图2是表示控制部的构成例的框图。
图3是表示初级侧电路以及次级侧电路的开关例的时序图。
图4是表示控制部的构成例的框图。
图5是表示电力转换方法的一个例子的图。
具体实施方式
＜电源装置101的构成＞
图1是表示作为电力转换装置的实施方式的电源装置101的构成例的框图。电源装置101例如是具备电源电路10、控制部50、以及传感器部70的电源系统。电源装置101例如是被搭载于汽车等车辆，且向车载的各负荷配电的系统。作为这样的车辆的具体例，可列举混合动力车、插电式混合动力车、电动汽车等。
电源装置101例如具有连接初级侧高电压级负荷(例如，电动转向装置(EPS)等)61a的第1输入输出端口60a、和连接初级侧低电压级负荷(例如，电子控制装置(ECU)、电子控制制动系统(ECB)等)61c以及初级侧低电压级电源(例如，辅机电池)62c的第2输入输出端口60c作为初级侧端口。初级侧低电压级电源62c向以与初级侧低电压级电源62c相同的电压级(例如，12V级)动作的初级侧低电压级负荷61c供给电力。另外，初级侧低电压级电源62c向以与初级侧低电压级电源62c不同的电压级(例如，比12V级高的48V级)动作的初级侧高电压级负荷61a供给被构成于电源电路10的初级侧转换电路20升压后的电力。作为初级侧低电压级电源62c的具体例，可列举铅蓄电池等二次电池。
电源装置101例如具有连接次级侧高电压级负荷61b以及次级侧高电压级电源(例如，主机电池)62b的第3输入输出端口60b、和连接次级侧低电压级负荷61d的第4输入输出端口60d作为次级侧端口。次级侧高电压级电源62b向以与次级侧高电压级电源62b相同的电压级(例如，比12V级以及48V级高的288V级)动作的次级侧高电压级负荷61b供给电力。另外，次级侧高电压级电源62b向以与次级侧高电压级电源62b不同的电压级(例如，比288V级低的72V级)动作的次级侧低电压级负荷61d供给被构成于电源电路10的次级侧转换电路30降压后的电力。作为次级侧高电压级电源62b的具体例，可列举锂离子电池等二次电池。
电源电路10是具有上述4个输入输出端口，且具有从这4个输入输出端口中选择任意2个输入输出端口来在这2个输入输出端口之间进行电力转换的功能的电力转换电路。此外，具备电源电路10的电源装置101也可以是具有至少3个以上的多个输入输出端口，且在至少3个以上的多个输入输出端口中的某2个输入输出端口间都能够转换电力的装置。例如，电源电路10也可以是没有第4输入输出端口60d的具有3个输入输出端口的电路。
端口电力Pa、Pc、Pb、Pd分别为第1输入输出端口60a、第2输入输出端口60c、第3输入输出端口60b、第4输入输出端口60d中的输入输出电力(输入电力或者输出电力)。端口电压Va、Vc、Vb、Vd分别是第1输入输出端口60a、第2输入输出端口60c、第3输入输出端口60b、第4输入输出端口60d中的输入输出电压(输入电压或者输出电压)。端口电流Ia、Ic、Ib、Id分别是第1输入输出端口60a、第2输入输出端口60c、第3输入输出端口60b、第4输入输出端口60d中的输入输出电流(输入电流或者输出电流)。
电源电路10具备设置于第1输入输出端口60a的电容器C1、设置于第2输入输出端口60c的电容器C3、设置于第3输入输出端口60b的电容器C2、以及设置于第4输入输出端口60d的电容器C4。作为电容器C1、C2、C3、C4的具体例，可列举薄膜电容器、铝电解电容器、陶瓷电容器、固体高分子电容器等。
电容器C1被插入在第1输入输出端口60a的高电位侧的端子613与第1输入输出端口60a以及第2输入输出端口60c的低电位侧的端子614之间。电容器C3被插入在第2输入输出端口60c的高电位侧的端子616与第1输入输出端口60a以及第2输入输出端口60c的低电位侧的端子614之间。电容器C2被插入在第3输入输出端口60b的高电位侧的端子618与第3输入输出端口60b以及第4输入输出端口60d的低电位侧的端子620之间。电容器C4被插入在第4输入输出端口60d的高电位侧的端子622与第3输入输出端口60b以及第4输入输出端口60d的低电位侧的端子620之间。
电容器C1、C2、C3、C4可以设置在电源电路10的内部，也可以设置在电源电路10的外部。
电源电路10是包含初级侧转换电路20和次级侧转换电路30而构成的电力转换电路。其中，初级侧转换电路20和次级侧转换电路30经由初级侧磁耦合电抗器204以及次级侧磁耦合电抗器304连接，并且，通过变压器400(中央抽头式变压器)磁耦合。由第1输入输出端口60a以及第2输入输出端口60c构成的初级侧端口、和由第3输入输出端口60b以及第4输入输出端口60d构成的次级侧端口经由变压器400连接。
初级侧转换电路20是包含初级侧全桥电路200、第1输入输出端口60a、和第2输入输出端口60c而构成的初级侧电路。初级侧全桥电路200是包含变压器400的初级侧线圈202、初级侧磁耦合电抗器204、初级侧第1上臂U1、初级侧第1下臂/U1、初级侧第2上臂V1、以及初级侧第2下臂/V1而构成的初级侧电力转换部。这里，初级侧第1上臂U1、初级侧第1下臂/U1、初级侧第2上臂V1、以及初级侧第2下臂/V1分别是例如包含N沟道型的MOSFET、和作为该MOSFET的寄生元件的体二极管(寄生二极管)而构成的开关元件。也可以与该MOSFET以并联方式追加连接二极管。
初级侧全桥电路200具有与第1输入输出端口60a的高电位侧的端子613连接的初级侧正极母线298、和与第1输入输出端口60a以及第2输入输出端口60c的低电位侧的端子614连接的初级侧负极母线299。
在初级侧正极母线298与初级侧负极母线299之间，安装有将初级侧第1上臂U1和初级侧第1下臂/U1串联连接而成的初级侧第1臂电路207。初级侧第1臂电路207是能够通过初级侧第1上臂U1以及初级侧第1下臂/U1的接通断开的开关动作进行电力转换动作的初级侧第1电力转换电路部(初级侧U相电力转换电路部)。并且，在初级侧正极母线298与初级侧负极母线299之间，与初级侧第1臂电路207并联安装有将初级侧第2上臂V1和初级侧第2下臂/V1串联连接而成的初级侧第2臂电路211。初级侧第2臂电路211是能够通过初级侧第2上臂V1以及初级侧第2下臂/V1的接通断开的开关动作进行电力转换动作的初级侧第2电力转换电路部(初级侧V相电力转换电路部)。
在将初级侧第1臂电路207的中点207m与初级侧第2臂电路211的中点211m连接的桥接部分，设置有初级侧线圈202和初级侧磁耦合电抗器204。若对桥接部分更详细地说明连接关系，则初级侧第1臂电路207的中点207m与初级侧磁耦合电抗器204的初级侧第1电抗器204a的一端连接。而且，初级侧第1电抗器204a的另一端与初级侧线圈202的一端连接。并且，初级侧线圈202的另一端与初级侧磁耦合电抗器204的初级侧第2电抗器204b的一端连接。然后，初级侧第2电抗器204b的另一端与初级侧第2臂电路211的中点211m连接。其中，初级侧磁耦合电抗器204包含初级侧第1电抗器204a、和以耦合系数k1与初级侧第1电抗器204a磁耦合的初级侧第2电抗器204b而构成。
中点207m是初级侧第1上臂U1与初级侧第1下臂/U1之间的初级侧第1中间节点，中点211m是初级侧第2上臂V1与初级侧第2下臂/V1之间的初级侧第2中间节点。
第1输入输出端口60a是设置在初级侧正极母线298与初级侧负极母线299之间的端口。第1输入输出端口60a包含端子613和端子614而构成。第2输入输出端口60c是设置在初级侧负极母线299与初级侧线圈202的中央抽头202m之间的端口。第2输入输出端口60c包含端子614和端子616而构成。
第1输入输出端口60a的端口电压Va以及第2输入输出端口60c的端口电压Vc取决于初级侧低电压级电源62c的电压而变动。
中央抽头202m与第2输入输出端口60c的高电位侧的端子616连接。中央抽头202m是被构成为初级侧线圈202的初级侧第1绕组202a与初级侧第2绕组202b的中间连接点。
次级侧转换电路30是包含次级侧全桥电路300、第3输入输出端口60b、以及第4输入输出端口60d而构成的次级侧电路。次级侧全桥电路300是包含变压器400的次级侧线圈302、次级侧磁耦合电抗器304、次级侧第1上臂U2、次级侧第1下臂/U2、次级侧第2上臂V2、以及次级侧第2下臂/V2而构成的次级侧电力转换部。这里，次级侧第1上臂U2、次级侧第1下臂/U2、次级侧第2上臂V2、以及次级侧第2下臂/V2分别是例如包含N沟道型的MOSFET、和作为该MOSFET的寄生元件的体二极管(寄生二极管)而构成的开关元件。也可以与该MOSFET以并联方式追加连接二极管。
次级侧全桥电路300具有与第3输入输出端口60b的高电位侧的端子618连接的次级侧正极母线398、和与第3输入输出端口60b以及第4输入输出端口60d的低电位侧的端子620连接的次级侧负极母线399。
在次级侧正极母线398与次级侧负极母线399之间，安装有将次级侧第1上臂U2和次级侧第1下臂/U2串联连接而成的次级侧第1臂电路307。次级侧第1臂电路307是能够通过次级侧第1上臂U2以及次级侧第1下臂/U2的接通断开的开关动作进行电力转换动作的次级侧第1电力转换电路部(次级侧U相电力转换电路部)。并且，在次级侧正极母线398与次级侧负极母线399之间，与次级侧第1臂电路307并联安装有将次级侧第2上臂V2和次级侧第2下臂/V2串联连接而成的次级侧第2臂电路311。次级侧第2臂电路311是能够通过次级侧第2上臂V2以及次级侧第2下臂/V2的接通断开的开关动作进行电力转换动作的次级侧第2电力转换电路部(次级侧V相电力转换电路部)。
在将次级侧第1臂电路307的中点307m与次级侧第2臂电路311的中点311m连接的桥接部分，设置有次级侧线圈302和次级侧磁耦合电抗器304。若对桥接部分更详细说明连接关系，则次级侧第1臂电路307的中点307m连接次级侧磁耦合电抗器304的次级侧第1电抗器304a的一端。而且，次级侧第1电抗器304a的另一端连接次级侧线圈302的一端。并且，次级侧线圈302的另一端与次级侧磁耦合电抗器304的次级侧第2电抗器304b的一端连接。然后，次级侧第2电抗器304b的另一端与次级侧第2臂电路311的中点311m连接。其中，次级侧磁耦合电抗器304包含次级侧第1电抗器304a、和以耦合系数k2与次级侧第1电抗器304a磁耦合的次级侧第2电抗器304b而构成。
中点307m是次级侧第1上臂U2与次级侧第1下臂/U2之间的次级侧第1中间节点，中点311m是次级侧第2上臂V2与次级侧第2下臂/V2之间的次级侧第2中间节点。
第3输入输出端口60b是设置在次级侧正极母线398与次级侧负极母线399之间的端口。第3输入输出端口60b包含端子618与端子620而构成。第4输入输出端口60d是被设置在次级侧负极母线399与次级侧线圈302的中央抽头302m之间的端口。第4输入输出端口60d包含端子620和端子622而构成。
第3输入输出端口60b的端口电压Vb以及第4输入输出端口60d的端口电压Vd取决于次级侧低电压级电源62b的电压而变动。
中央抽头302m与第4输入输出端口60d的高电位侧的端子622连接。中央抽头302m是被构成为次级侧线圈302的次级侧第1绕组302a与次级侧第2绕组302b的中间连接点。
在图1中，电源装置101具备传感器部70。传感器部70是以规定的检测周期检测第1至第4输入输出端口60a、60c、60b、60d的至少一个端口中的输入输出值Y，将与该检测出的输入输出值Y对应的检测值Yd输出至控制部50的检测单元。检测值Yd可以是检测输入输出电压而得到的检测电压，也可以是检测输入输出电流而得到的检测电流，还可以是检测输入输出电力而得到的检测电力。传感器部70可以设于电源电路10的内部，也可以设于外部。
传感器部70例如具有对在第1至第4输入输出端口60a、60c、60b、60d的至少一个端口产生的输入输出电压进行检测的电压检测部。传感器部70例如具有：初级侧电压检测部，其将输入输出电压Va和输入输出电压Vc的至少一方检测电压作为初级侧电压检测值输出；以及次级侧电压检测部，其将输入输出电压Vb和输入输出电压Vd的至少一方检测电压作为次级侧电压检测值输出。
传感器部70的电压检测部具有例如监控至少一个端口的输入输出电压值的电压传感器、以及将与被该电压传感器监控的输入输出电压值对应的检测电压输出至控制部50的电压检测电路。
传感器部70例如具有对流入第1至第4输入输出端口60a、60c、60b、60d的至少一个端口的输入输出电流进行检测的电流检测部。传感器部70例如具有：初级侧电流检测部，其将输入输出电流Ia和输入输出电流Ic的至少一方检测电流作为初级侧电流检测值输出；以及次级侧电流检测部，其将输入输出电流Ib和输入输出电流Id的至少一方检测电流作为次级侧电流检测值输出。
传感器部70的电流检测部例如具有监控至少一个端口的输入输出电流值的电流传感器、以及将与被该电流传感器监控的输入输出电流值对应的检测电流输出至控制部50的电流检测电路。
电源装置101具备控制部50。控制部50例如是具备内置CPU的微机的电子电路。控制部50可以设于电源电路10的内部也可以设于外部。
控制部50能够通过使规定的控制参数X的值变化，来对由电源电路10进行的电力转换动作进行反馈控制，调整电源电路10的第1至第4各输入输出端口60a、60c、60b、60d中的输入输出值Y。作为主要的控制参数X，可列举相位差φ以及占空比D(导通时间δ)这2种控制变量。
相位差φ是在初级侧全桥电路200与次级侧全桥电路300之间相同相的电力转换电路部间的开关定时的偏差(时滞)。占空比D(导通时间δ)是构成于初级侧全桥电路200以及次级侧全桥电路300的各电力转换电路部中的开关波形的占空比(导通时间)。
这2个控制参数X能够被相互独立地控制。控制部50通过使用了相位差φ以及占空比D(导通时间δ)的初级侧全桥电路200以及次级侧全桥电路300的占空比控制以及/或者相位控制，来使电源电路10的各输入输出端口中的输入输出值Y变化。
控制部50反馈控制电源电路10的电力转换动作，以使第1至第4输入输出端口60a、60c、60b、60d的至少一个端口中的输入输出值Y的检测值Yd收敛于对该端口设定的目标值Yo。目标值Yo例如是基于对与各输入输出端口连接的每个负载(例如，初级侧低电压级负载61c等)规定的驱动条件，由控制部50或者控制部50以外的规定的装置设定的指令值。目标值Yo在从端口输出电力时作为输出目标值发挥作用，在将电力输入至端口时作为输入目标值发挥作用，可以是目标电压值，也可以是目标电流值，还可以是目标电力值。
另外，控制部50反馈控制电源电路10的电力转换动作，以使在初级侧转换电路20与次级侧转换电路30之间经由变压器400传输的传输电力P收敛于所设定的目标传输电力。传输电力也被称为电力传输量。目标传输电力例如是基于任意一个端口中的检测值Yd与目标值Yo的偏差，由控制部50或者控制部50以外的规定的装置设定的指令值。
控制部50检测端口电压Va、端口电压Vb，监视变压器400的匝数比N与电压比(端口电压Va与端口电压Vb之比：端口电压Vb/端口电压Va)的关系，来设定增益(例如，x、y)，控制在初级侧转换电路20与次级侧转换电路30之间传输的传输电力。
例如，若在不与电池连接的端口电压Va比与电池连接的端口电压Vb变得极低时(电源装置101停止时)，通过使电源装置101启动而从次级侧转换电路30向初级侧转换电路20传输较大的电力，则导致在初级侧转换电路20中产生过电流。因此，控制部50预先使端口电压Va上升，在使乘以匝数比N后的第1输入输出端口60a的端口电压Va与第3输入输出端口60b的端口电压Vb平衡之后，启动电源装置101(从次级侧转换电路30向初级侧转换电路20传输电力)。由此，能够防止在初级侧转换电路中产生的过电流，抑制电路内的开关元件、电容器等的故障。
图2是控制部50的框图。控制部50是具有进行初级侧转换电路20的初级侧第1上臂U1等各开关元件与次级侧转换电路30的次级侧第1上臂U2等各开关元件的开关控制的功能的控制部。控制部50包含电力转换模式决定处理部502、相位差φ决定处理部504、导通时间δ决定处理部506、初级侧开关处理部508、以及次级侧开关处理部510而构成。控制部50例如是具备了内置CPU的微机的电子电路。
电力转换模式决定处理部502例如基于规定的外部信号(例如，表示任意一个端口中的检测值Yd与目标值Yo的偏差的信号)，从以下所述的电源电路10的电力转换模式A～L中选择并决定动作模式。电力转换模式具有对从第1输入输出端口60a输入的电力进行转换并输出至第2输入输出端口60c的模式A、对从第1输入输出端口60a输入的电力进行转换并输出至第3输入输出端口60b的模式B、以及对从第1输入输出端口60a输入的电力进行转换并输出至第4输入输出端口60d的模式C。
而且，具有对从第2输入输出端口60c输入的电力进行转换并输出至第1输入输出端口60a的模式D、对从第2输入输出端口60c输入的电力进行转换并输出至第3输入输出端口60b的模式E、以及对从第2输入输出端口60c输入的电力进行转换并输出至第4输入输出端口60d的模式F。
并且，具有对从第3输入输出端口60b输入的电力进行转换并输出至第1输入输出端口60a的模式G、对从第3输入输出端口60b输入的电力进行转换并输出至第2输入输出端口60c的模式H、以及对从第3输入输出端口60b输入的电力进行转换并输出至第4输入输出端口60d的模式I。
还有对从第4输入输出端口60d输入的电力进行转换并输出至第1输入输出端口60a的模式J、对从第4输入输出端口60d输入的电力进行转换并输出至第2输入输出端口60c的模式K、以及对从第4输入输出端口60d输入的电力进行转换并输出至第3输入输出端口60b的模式L。
相位差φ决定处理部504为了使电源电路10作为DC－DC转换器电路发挥作用，具有设定初级侧转换电路20与次级侧转换电路30之间的开关元件的开关周期运动的相位差φ的功能。
导通时间δ决定处理部506为了使初级侧转换电路20和次级侧转换电路30分别作为升降压电路发挥作用，具有设定初级侧转换电路20与次级侧转换电路30的开关元件的导通时间δ的功能。
初级侧开关处理部508具有基于电力转换模式决定处理部502、相位差φ决定处理部504、以及导通时间δ决定处理部506的输出，来开关控制初级侧第1上臂U1、初级侧第1下臂/U1、初级侧第2上臂V1、以及初级侧第2下臂/V1的各开关元件的功能。
次级侧开关处理部510具有基于电力转换模式决定处理部502、相位差φ决定处理部504、以及导通时间δ决定处理部506的输出，来开关控制次级侧第1上臂U2、次级侧第1下臂/U2、次级侧第2上臂V2、以及次级侧第2下臂/V2的各开关元件的功能。
控制部50并不局限于图2所示的处理，能够进行为了控制在初级侧转换电路20与次级侧转换电路30之间传输的传输电力所需的各种处理。
＜电源装置101的动作＞
使用图1以及图2，对上述电源装置101的动作进行说明。例如，在被输入了请求使电源电路10的电力转换模式作为模式F进行动作的外部信号的情况下，控制部50的电力转换模式决定处理部502将电源电路10的电力转换模式决定为模式F。此时，输入至第2输入输出端口60c的电压通过初级侧转换电路20的升压功能被升压，该升压后的电压的电力通过电源电路10的作为DC－DC转换器电路的功能被传输至第3输入输出端口60b侧，并且，通过次级侧转换电路30的降压功能被降压并从第4输入输出端口60d输出。
这里，对初级侧转换电路20的升降压功能进行详细说明。若着眼于第2输入输出端口60c与第1输入输出端口60a，则第2输入输出端口60c的端子616经由初级侧第1绕组202a和与初级侧第1绕组202a串联连接的初级侧第1电抗器204a与初级侧第1臂电路207的中点207m连接。而且，由于初级侧第1臂电路207的两端与第1输入输出端口60a连接，所以在第2输入输出端口60c的端子616与第1输入输出端口60a之间安装有升降压电路。
并且，第2输入输出端口60c的端子616经由初级侧第2绕组202b和与初级侧第2绕组202b串联连接的初级侧第2电抗器204b与初级侧第2臂电路211的中点211m连接。而且，由于初级侧第2臂电路211的两端与第1输入输出端口60a连接，所以在第2输入输出端口60c的端子616与第1输入输出端口60a之间并联安装有升降压电路。其中，由于次级侧转换电路30是具有与初级侧转换电路20几乎相同的结构的电路，所以在第4输入输出端口60d的端子622与第3输入输出端口60b之间并联连接有2个升降压电路。因此，次级侧转换电路30与初级侧转换电路20同样地具有升降压功能。
接下来，对电源电路10的作为DC－DC转换器电路的功能进行详细说明。若着眼于第1输入输出端口60a和第3输入输出端口60b，则第1输入输出端口60a与初级侧全桥电路200连接，第3输入输出端口60b与次级侧全桥电路300连接。而且，通过设置于初级侧全桥电路200的桥接部分的初级侧线圈202与设置于次级侧全桥电路300的桥接部分的次级侧线圈302以耦合系数kT磁耦合，使得变压器400作为匝数1：N的中央抽头式变压器发挥作用。因此，通过调整初级侧全桥电路200与次级侧全桥电路300中的开关元件的开关周期运动的相位差φ，能够对输入至第1输入输出端口60a的电力进行转换并传输至第3输入输出端口60b，或者对输入至第3输入输出端口60b的电力进行转换并传输至第1输入输出端口60a。
图3是表示通过控制部50的控制使构成于电源电路10的各臂接通断开的开关波形的时序图的图。在图3中，U1是初级侧第1上臂U1的接通断开波形，V1是初级侧第2上臂V1的接通断开波形，U2是次级侧第1上臂U2的接通断开波形，V2是次级侧第2上臂V2的接通断开波形。初级侧第1下臂/U1、初级侧第2下臂/V1、次级侧第1下臂/U2、次级侧第2下臂/V2的接通断开波形分别是将初级侧第1上臂U1、初级侧第2上臂V1、次级侧第1上臂U2、次级侧第2上臂V2的接通断开波形反转后的波形(省略图示)。此外，也可以在上下臂的两个接通断开波形间设置死区时间，以便通过上下臂双方接通而不流动贯通电流。另外，在图3中，高电平表示接通状态，低电平表示断开状态。
这里，通过变更U1、V1、U2以及V2的各导通时间δ，能够变更初级侧转换电路20与次级侧转换电路30的升降压比。例如，通过使U1、V1、U2以及V2的各导通时间δ相互相等，能够使初级侧转换电路20的升降压比与次级侧转换电路30的升降压比相等。
为了初级侧转换电路20与次级侧转换电路30的升降压比相互相等，导通时间δ决定处理部506使U1、V1、U2以及V2的各导通时间δ相互相等(各导通时间δ＝初级侧导通时间δ11＝次级侧导通时间δ12＝时间值β)。
初级侧转换电路20的升降压比由占据构成于初级侧全桥电路200的开关元件(臂)的开关周期T的导通时间δ的比例即占空比D来决定。同样，次级侧转换电路30的升降压比由占据构成于次级侧全桥电路300的开关元件(臂)的开关周期T的导通时间δ的比例即占空比D来决定。初级侧转换电路20的升降压比是第1输入输出端口60a与第2输入输出端口60c之间的变压比，次级侧转换电路30的升降压比是第3输入输出端口60b与第4输入输出端口60d之间的变压比。
因此，例如表示为初级侧转换电路20的升降压比＝第2输入输出端口60c的电压/第1输入输出端口60a的电压＝δ11/T＝β/T、次级侧转换电路30的升降压比＝第4输入输出端口60d的电压/第3输入输出端口60b的电压＝δ12/T＝β/T。即，初级侧转换电路20与次级侧转换电路30的升降压比是相互相同的值(＝β/T)。
其中，图3的导通时间δ表示初级侧第1上臂U1以及初级侧第2上臂V1的导通时间δ11，并且表示次级侧第1上臂U2以及次级侧第2上臂V2的导通时间δ12。另外，构成于初级侧全桥电路200的臂的开关周期T与构成于次级侧全桥电路300的臂的开关周期T是相等时间。
另外，U1与V1的相位差以180度(π)动作，U2与V2的相位差也以180度(π)动作。并且，通过变更U1与U2的相位差φ，能够调整初级侧转换电路20与次级侧转换电路30之间的传输电力P，如果相位差φ＞0，则能够从初级侧转换电路20向次级侧转换电路30传输，如果相位差φ＜0，则能够从次级侧转换电路30向初级侧转换电路20传输。
相位差φ是初级侧全桥电路200与次级侧全桥电路300之间相同的相的电力转换电路部之间的开关定时的偏差(时滞)。例如，相位差φ是初级侧第1臂电路207与次级侧第1臂电路307之间的开关定时的偏差，是初级侧第2臂电路211与次级侧第2臂电路311之间的开关定时的偏差。这些偏差被控制为彼此相等。即，U1与U2的相位差φ以及V1与V2的相位差φ被控制为相同的值。
因此，例如在被输入了请求使电源电路10的电力转换模式为模式F来进行动作的外部信号的情况下，电力转换模式决定处理部502决定为选择模式F。而且，导通时间δ决定处理部506设定导通时间δ，该导通时间δ规定在使初级侧转换电路20作为对输入至第2输入输出端口60c的电压进行升压并将其输出至第1输入输出端口60a的升压电路发挥作用的情况下的升压比。其中，在次级侧转换电路30中，作为以由导通时间δ决定处理部506设定的导通时间δ所规定的降压比对输入至第3输入输出端口60b的电压进行降压并将降压后的电压输出至第4输入输出端口60d的降压电路发挥作用。并且，相位差φ决定处理部504设定用于以所期望的电力传输量P将输入至第1输入输出端口60a的电力向第3输入输出端口60b传输的相位差φ。
初级侧开关处理部508为了使初级侧转换电路20作为升压电路、并且使初级侧转换电路20作为DC－DC转换器电路的一部分发挥作用，而对初级侧第1上臂U1、初级侧第1下臂/U1、初级侧第2上臂V1、以及初级侧第2下臂/V1的各开关元件进行开关控制。
次级侧开关处理部510为了使次级侧转换电路30作为降压电路、并且使次级侧转换电路30作为DC－DC转换器电路的一部分发挥作用，而对次级侧第1上臂U2、次级侧第1下臂/U2、次级侧第2上臂V2、以及次级侧第2下臂/V2的各开关元件进行开关控制。
如上述那样，能够使初级侧转换电路20以及次级侧转换电路30作为升压电路或者降压电路发挥作用，并且，也能够使电源电路10作为双方向DC－DC转换器电路发挥作用。因此，能够进行电力转换模式A～L的全部模式的电力转换，换言之，能够在从4个输入输出端口中选择出的2个输入输出端口间进行电力转换。
由控制部50根据相位差φ、等效电感L等来调整的传输电力P(也称为电力传输量P)是在初级侧转换电路20与次级侧转换电路30中从一方的转换电路经由变压器400发送至另一方的转换电路的电力，由P＝(N×Va×Vb)/(π×ω×L)×F(D，φ)···式1来表示。
其中，N是变压器400的匝数比，Va是第1输入输出端口60a的输入输出电压(初级侧转换电路20的初级侧正极总线298与初级侧负极总线299之间的电压)，Vb是第3输入输出端口60b的输入输出电压(次级侧转换电路30的次级侧正极总线398与次级侧负极总线399之间的电压)。π是圆周率，ω(＝2π×f＝2π/T)是初级侧转换电路20以及次级侧转换电路30的开关的角频率。f是初级侧转换电路20以及次级侧转换电路30的开关频率，T是初级侧转换电路20以及次级侧转换电路30的开关周期，L是与磁耦合电抗器204、304和变压器400的电力传输相关的等效电感。F(D，φ)是以占空比D和相位差φ为变量的函数，不取决于占空比D，是随着相位差φ增加而单调增加的变量。占空比D以及相位差φ是被设计成在被规定的上下限值夹持的范围内变化的控制参数。
等效电感L能够在连接了初级侧磁耦合电抗器204以及/或者次级侧磁耦合电抗器304的变压器400的简易等效电路上定义。等效电感L是在简易等效电路中将初级侧磁耦合电抗器204的漏电感以及/或者次级侧磁耦合电抗器的漏电感与变压器400的漏电感合成后的合成电感。
例如，从次级侧转换电路30侧测定的等效电感L(次级侧换算值LEQ2)能够表示为LEQ2＝2L1(1－k1)N2+2L2(1－k2)+LT2(1－kT 2)···式2。
L1是初级侧磁耦合电抗器204的自感，k1是初级侧磁耦合电抗器204的耦合系数，N是变压器400的匝数比，L2是次级侧磁耦合电抗器304的自感，k2是次级侧磁耦合电抗器304的耦合系数，LT2是变压器400的次级侧的励磁电感，kT是变压器400的耦合系数。其中，在不使用第2输入输出端口60c或者第4输入输出端口60d的情况下，在公式2中，也可能存在没有由第1项或者第2项表示的漏电感的情况。
另外，控制部50通过变更相位差φ以使初级侧端口和次级侧端口中的至少一个规定的端口中的端口电压Vp收敛于目标端口电压Vo，来调整传输电力P。因此，即使与该规定的端口连接的负载的消耗电流增加，控制部50也能够通过使相位差φ变化来调整传输电力P，从而防止端口电压Vp相对于目标端口电压Vo下降。
例如，控制部50通过变更相位差φ以使初级侧端口和次级侧端口中的作为传输电力P的传输目的地的一方端口中的端口电压Vp收敛于目标端口电压Vo，来调整传输电力P。因此，即使与传输电力P的传输目的地的端口连接的负载的消耗电流增加，控制部50也能够通过使相位差φ上升变化来将传输电力P向增加方向调整，从而防止端口电压Vp相对于目标端口电压Vo下降。
图4是表示计算PID计算值的控制部50的构成例的框图。控制部50具有PID控制部51等。PID计算值例如是相位差φ的指令值φo、占空比D的指令值Do。
PID控制部51具有相位差指令值生成部，该相位差指令值生成部按每个开关周期T生成用于通过PID控制使初级侧端口和次级侧端口中的至少一个端口的端口电压收敛于目标电压的相位差φ的指令值φo。例如，PID控制部51的相位差指令值生成部按每个开关周期T生成指令值φo，该指令值φo用于通过基于端口电压Va的目标电压与由传感器部70获取到的端口电压Va的检测电压的偏差进行PID控制，来使该偏差收敛于零。
控制部50通过按照由PID控制部51生成的指令值φo，进行初级侧转换电路20以及次级侧转换电路30的开关控制，来调整由公式1规定的传输电力P，以使端口电压收敛于目标电压。
另外，PID控制部51具有占空比指令值生成部，该占空比指令值生成部按每个开关周期T生成用于通过PID控制来使初级侧端口和次级侧端口中的至少一个端口的端口电压收敛于目标电压的占空比D的指令值Do。例如，PID控制部51的占空比指令值生成部按每个开关周期T生成指令值Do，该指令值Do用于通过基于端口电压Vc的目标电压与由传感器部70获取到的端口电压Vc的检测电压之间的偏差进行PID控制，来使该偏差收敛于零。
此外，PID控制部51也可以具有取代占空比D的指令值Do而生成导通时间δ的指令值δo的导通时间指令值生成部。
PID控制部51基于积分增益I1、微分增益D1、比例增益P1来调整相位差φ的指令值φo，基于积分增益I2、微分增益D2、比例增益P2来调整占空比D的指令值Do。
例如，在PID控制部51中，当控制参数分别被设定为x＝1，y＝0时(参照图5)，初级侧转换电路20中的初级侧第1上臂U1、初级侧第2上臂V1被以图3所示的开关波形控制。另外，次级侧转换电路30中的次级侧第1上臂U2、次级侧第2上臂V2被以将图3所示的开关波形固定为断开状态的波形控制。
例如，在PID控制部51中，当控制参数分别被设定为x＝0，y＝1时(参照图5)，初级侧转换电路20中的初级侧第1上臂U1、初级侧第2上臂V1被以图3所示的开关波形控制。另外，次级侧转换电路30中的次级侧第1上臂U2、次级侧第2上臂V2被以图3所示的开关波形控制。
其中，在端口电压Va、端口电压Vc、占空比D之间，成立端口电压Va×占空比D＝端口电压Vc这一关系。因此，在想要对一定的端口电压Va(例如，10V)进行降压来增加端口电压Vc的情况(例如，从1V至5V)下，只要使占空比D增加即可(例如，从10％至50％)。相反，在想要对一定的端口电压Vc(例如，5V)进行升压来增加端口电压Va的情况(例如，从10V至50V)下，只要使占空比D减少即可(例如，从50％至10％)。即，PID控制部51通过变更控制参数x、y的值，来切换控制对象(第1输入输出端口60a或者第2输入输出端口60c)，从而使占空比D的控制方向(使占空比D增减的方向)在进行升压动作的情况和进行降压动作的情况下相反。
＜电源装置101的动作的流程图＞
图5是表示电力转换方法的一个例子的流程图。图5的电力转换方法由控制部50执行。
在步骤S310中，控制部50判定电源装置101是否启动。在电源装置101启动的情况下(是)，控制部50进入步骤S320。在电源装置101不启动的情况下(否)，控制部50返回到步骤S310。
在步骤S320中，控制部50判定端口电压Va与变压器400的匝数比N之积是否比端口电压Vb小。在端口电压Va与变压器400的匝数比N之积比端口电压Vb小的情况下(是)，控制部50进入步骤S330。在端口电压Va与变压器400的匝数比N之积为端口电压Vb以上的情况下(否)，控制部50进入步骤S350。
通过步骤S310以及步骤S320中的判定，控制部50能够判定是否由于乘以了变压器400的匝数比N后的初级侧转换电路20的端口电压(例如，第1输入输出端口60a的端口电压Va)与次级侧转换电路30的端口电压(例如，第3输入输出端口60b的端口电压Vb)的不平衡，导致在使电源装置101启动了的情况下，初级侧转换电路20中产生过电流。
在步骤S330中，控制部50将端口电压Va的目标电压设定为将端口电压Vb除以变压器400的匝数比N而得到的值(＝端口电压Vb/变压器400的匝数比N)。另外，控制部50将各控制参数设定为x＝1，y＝0，基于相位差φ以及占空比D来控制各臂的驱动。其中，在使端口电压Va接近端口电压Va的目标电压时(使端口电压Va上升)，利用与第2输入输出端口60c并联连接的初级侧低电压级电源62c(辅机电池)。
各臂的接通断开定时能够参照图3所示的开关波形的时序图。初级侧第1上臂U1、初级侧第2上臂V1的接通断开波形是图3所示的开关波形。另外，初级侧第1下臂/U1、初级侧第2下臂/V1的接通断开波形是在图3所示的开关波形中将初级侧第1上臂U1、初级侧第2上臂V1的接通断开波形反转而得到的波形(省略图示)。
另外，次级侧第1上臂U2、次级侧第2上臂V2的接通断开波形是在图3所示的开关波形中将次级侧第1上臂U2、次级侧第2上臂V2的接通断开波形固定为断开状态的波形(省略图示)。另外，次级侧第1下臂/U2、次级侧第2下臂/V2的接通断开波形是固定为接通状态的波形(省略图示)。
其中，能够通过将次级侧第1上臂U2、次级侧第2上臂V2固定为断开状态(将次级侧第1下臂/U2、次级侧第2下臂/V2固定为接通状态)，来使施加于次级侧的变压器400的电压成为零。因此，能够在停止了从次级侧转换电路30向初级侧转换电路20的电力传输的状态下，使第1输入输出端口60a的电压上升。
在步骤S340中，控制部50判定端口电压Va和变压器400的匝数比N之积是否与端口电压Vb相等。在端口电压Va和变压器400的匝数比N之积与端口电压Vb相等的情况下(是)，控制部50进入步骤S350。在端口电压Va和变压器400的匝数比N之积与端口电压Vb不相等的情况下(否)，控制部50返回到步骤S330。
通过步骤S340中的判定，控制部50能够判定是否可使所有的开关元件如通常那样进行开关动作。在确保了电压的平衡的情况下，能够解除次级侧第1上臂U2以及次级侧第2上臂V2的固定为断开状态(次级侧第1下臂/U2以及次级侧第2下臂/V2的固定为接通状态)，返回到通常的接通断开控制(开关控制)(参照图3)。
其中，控制部50反复进行步骤S330以及步骤S340的处理直至端口电压Va接近端口电压Va的目标电压为止(直至在第1输入输出端口60a贮留规定的电荷为止)。端口电压Va逐渐上升到端口电压Va的目标电压，在乘以了变压器400的匝数比N的端口电压Va与端口电压Vb平衡的时刻，控制部50停止步骤S330以及步骤S340的反复处理。
在步骤S350中，控制部50将端口电压Va的目标电压设定为任意的指示值(在电源装置101内指示的规定值)。另外，控制部50将各控制参数设定为x＝0，y＝1，基于相位差φ以及占空比D来控制各臂的驱动。
各臂的接通断开定时能够参照图3所示的开关波形的时序图。初级侧第1上臂U1、初级侧第2上臂V1的接通断开波形是图3所示的开关波形。另外，初级侧第1下臂/U1、初级侧第2下臂/V1的接通断开波形是在图3所示的开关波形中将初级侧第1上臂U1、初级侧第2上臂V1的接通断开波形反转而得到的波形(省略图示)。
另外，次级侧第1上臂U2、次级侧第2上臂V2的接通断开波形是图3所示的开关波形。另外，次级侧第1下臂/U2、次级侧第2下臂/V2的接通断开波形是在图3所示的开关波形中将次级侧第1上臂U2、次级侧第2上臂V2的接通断开波形反转而得到的波形(省略图示)。
其中，上述的处理在电源装置101启动时以极短的时间进行。通过在用于使电源装置101启动的信号(例如，用于接通使车辆的发动机启动或者停止的点火开关的IG－ON信号等)输入至电源装置101的同时，进行上述的处理，能够在电源装置101实际启动时，使初级侧端口的电压与次级侧端口的电压平衡。
如上所述，控制部50通过步骤S310中的控制来判定电源装置101是否启动，通过步骤S320中的控制来判定端口电压Va是否比将端口电压Vb除以变压器400的匝数比N而得到的值小。然后，通过步骤S330中的控制，在端口电压Va比将端口电压Vb除以变压器400的匝数比N而得到的值小的情况下，使端口电压Va上升，通过步骤S340中的控制，判定端口电压Va是否与将端口电压Vb除以变压器400的匝数比N而得到的值相等。通过步骤S350中的控制，在端口电压Va与将端口电压Vb除以变压器400的匝数比N而得到的值相等的情况下，将端口电压Va设定为指示值，使电源装置101通常启动。
即，控制部50在电源装置101从停止向启动切换时，使与次级侧端口的电压相比变得极低的初级侧端口的电压上升，并在初级侧端口的电压与次级侧端口的电压保持平衡的瞬间，开始通常控制。由此，由于能够在电源装置101启动时，防止在初级侧转换电路中产生的过电流，所以能够抑制电路内的开关元件、电容器等的故障，进行高精度的电力传输。
以上，通过实施例对电力转换装置以及电力转换方法进行了说明，但本发明并不局限于上述实施方式例。与其他实施方式例的一部分或者全部的组合、置换等各种变形以及改进也能够在本发明的范围内进行。
例如，在上述的实施方式中，作为开关元件的一个例子，列举了进行接通断开动作的作为半导体元件的MOSFET。然而，开关元件例如也可以是IGBT、MOSFET等由绝缘栅极实现的电压控制型电动元件，还可以是双极晶体管。
另外，电源也可以与第1输入输出端口60a连接，电源还可以与第4输入输出端口60d连接。
另外，也可以将次级侧定义为初级侧，将初级侧定义为次级侧。
另外，本发明能够应用于下述电力转换装置：具有至少3个以上的多个输入输出端口，且能够在至少3个以上的多个输入输出端口中任意2个输入输出端口之间转换电力。例如，本发明对于具有没有图1所例示的4个输入输出端口中的任意一个输入输出端口的构成的电源装置也能够应用。

Claims (8)

1.一种电力转换方法，是电力转换装置(101)的电力转换方法，
所述电力转换装置(101)具备构成于初级侧电路(20)的初级侧端口(60a、60c)、以及构成于通过变压器(400)与所述初级侧电路(20)磁耦合的次级侧电路(30)的次级侧端口(60b、60d)，并通过变更所述初级侧电路(20)的开关与所述次级侧电路(30)的开关之间的相位差，来调整在所述初级侧电路(20)与所述次级侧电路(30)之间传输的传输电力，该电力转换装置(101)的电力转换方法的特征在于，包括：
判定所述电力转换装置(101)是否启动的步骤；
判定所述初级侧端口(60a、60c)的电压是否比将所述次级侧端口(60b、60d)的电压除以所述变压器(400)的匝数比而得到的值小的步骤；
在所述初级侧端口(60a、60c)的电压比将所述次级侧端口(60b、60d)的电压除以所述变压器(400)的匝数比而得到的值小的情况下，将所述初级侧端口(60a、60c)的目标电压设定为将所述次级侧端口(60b、60d)的电压除以所述变压器(400)的匝数比而得到的值的步骤；
判定所述初级侧端口(60a、60c)的电压是否与将所述次级侧端口(60b、60d)的电压除以所述变压器(400)的匝数比而得到的值相等的步骤；
在所述初级侧端口(60a、60c)的电压与将所述次级侧端口(60b、60d)的电压除以所述变压器(400)的匝数比而得到的值相等的情况下，将所述初级侧端口(60a、60c)的目标电压设定为规定值的步骤。
2.根据权利要求1所述的电力转换方法，其中，
还包括在所述初级侧端口(60a、60c)的电压是将所述次级侧端口(60b、60d)的电压除以所述变压器(400)的匝数比而得到的值以上的情况下，将所述初级侧端口(60a、60c)的目标电压设定为规定值的步骤。
3.根据权利要求1或者2所述的电力转换方法，其中，
还包括在所述初级侧端口(60a、60c)的电压与将所述次级侧端口(60b、60d)的电压除以所述变压器(400)的匝数比而得到的值不相等的情况下，将所述初级侧端口(60a、60c)的目标电压设定为将所述次级侧端口(60b、60d)的电压除以所述变压器(400)的匝数比而得到的值的步骤。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的电力转换方法，其中，
还包括在所述初级侧端口(60a、60c)的电压比将所述次级侧端口(60b、60d)的电压除以所述变压器(400)的匝数比而得到的值小的情况下，将所述次级侧电路(30)所包括的第1上臂(U2)以及第2上臂(V2)固定为断开状态，将第1下臂(/U2)以及第2下臂(/V2)固定为接通状态。
5.一种电力转换装置(101)，具备：初级侧电路(20)，其具备初级侧端口(60a、60c)；次级侧电路(30)，其具备次级侧端口(60b、60d)，并通过变压器(400)与所述初级侧电路(20)磁耦合；以及控制部(50)，其通过变更所述初级侧电路(20)的开关与所述次级侧电路(30)的开关之间的相位差，来控制在所述初级侧电路(20)与所述次级侧电路(30)之间传输的传输电力，所述电力转换装置(101)的特征在于，
所述控制部(50)判定所述电力转换装置(101)是否启动，
所述控制部(50)判定所述初级侧端口(60a、60c)的电压是否比将所述次级侧端口(60b、60d)的电压除以所述变压器(400)的匝数比而得到的值小，
所述控制部(50)在所述初级侧端口(60a、60c)的电压比将所述次级侧端口(60b、60d)的电压除以所述变压器(400)的匝数比而得到的值小的情况下，将所述初级侧端口(60a、60c)的目标电压设定为将所述次级侧端口(60b、60d)的电压除以所述变压器(400)的匝数比而得到的值，
所述控制部(50)判定所述初级侧端口(60a、60c)的电压是否与将所述次级侧端口(60b、60d)的电压除以所述变压器(400)的匝数比而得到的值相等，
所述控制部(50)在所述初级侧端口(60a、60c)的电压与将所述次级侧端口(60b、60d)的电压除以所述变压器(400)的匝数比而得到的值相等的情况下，将所述初级侧端口(60a、60c)的目标电压设定为规定值。
6.根据权利要求5所述的电力转换装置，其中，
所述控制部(50)在所述初级侧端口(60a、60c)的电压是将所述次级侧端口(60b、60d)的电压除以所述变压器的匝数比而得到的值以上的情况下，将所述初级侧端口(60a、60c)的目标电压设定为规定值。
7.根据权利要求5或者6所述的电力转换装置，其中，
所述控制部(50)在所述初级侧端口(60a、60c)的电压与将所述次级侧端口(60b、60d)的电压除以所述变压器的匝数比而得到的值不相等的情况下，将所述初级侧端口(60a、60c)的目标电压设定为将所述次级侧端口(60b、60d)的电压除以所述变压器的匝数比而得到的值。
8.根据权利要求5～7中任一项所述的电力转换装置，其中，
所述次级侧电路(30)具备第1上臂(U2)、第2上臂(V2)、第1下臂(/U2)、以及第2下臂(/V2)，
所述控制部(50)在所述初级侧端口(60a、60c)的电压比将所述次级侧端口(60b、60d)的电压除以所述变压器的匝数比而得到的值小的情况下，将所述第1上臂(U2)以及所述第2上臂(V2)固定为断开状态，将所述第1下臂(/U2)以及所述第2下臂(/V2)固定为接通状态。
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