CN106575927A - 功率转换装置 - Google Patents

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Abstract

在具有半导体开关的功率转换器中，通过设定插入到双方的线路的电抗器(6a，6b、8a，8b)的共模电感值，以使得线地间旁路电容器(4，9)的合成电容和插入到双方线路的电抗器(6a，6b、8a，8b)的谐振频率达到规定值以上，从而有效地降低共模噪声。

Description

功率转换装置
技术领域
本发明涉及重复进行半导体开关的接通操作及关断操作来进行功率转换的功率转换装置。
背景技术
这种功率转换装置中，一般以设为20kHz以上的高频开关频率进行开关控制，因此，会产生由开关元件的接通操作或关断操作引起的较高的开关噪声。由此，作为噪声产生源，有可能会导致其它电子设备的误动作、功能停止等弊病。实际上，关于这种噪声，各国的标准需要具有一定的一致性，因此，国际标准IEC(International ElectrotechnicalCommission：国际电工委员会)制定并发行了各领域的电子设备、汽车设备的EMC(Electromagnetic Compatibility：电磁兼容性)标准。为了抑制这种开关噪声，一般考虑设置噪声对策部件，但无法避免成本上升、装置的大型化。
因而，以往提出有例如日本专利特开2011-193593号公报(专利文献1)的方法。即，根据专利文献1中提出的方法，通过将电抗器插入到从电源流入的线路及返回到电源的线路双方，有效降低共模噪声，且通过将插入到双方的电抗器的铁芯共有化，从而双方的电抗器中产生的磁通相加，因此，可增加电抗器的电感，并可使电抗器小型化。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2011-193593号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，根据上述专利文献1中提出的方法，连接到滤波器电路的线路－接地间的线地间旁路电容器的电容和插入到双方的线路的电抗器的共模电感会产生谐振，在谐振频带下，共模的噪声特性劣化。在将线地间旁路电容器的合成电容设为C1、插入到双方的线路的电抗器的共模电感设为L1时，谐振频率fr如(1)式所示。
线地间旁路电容器的合成电容根据可容许的泄漏电流值来决定最大电容，一般为数十nF左右。此外，能量储存用等的电抗器的电感值根据可容许的纹波电流来决定其值，在数kw级别的功率转换装置中为数百μH。由此，线地间旁路电容器的合成电容和插入到双方的线路中的电抗器的共模电感所产生的谐振频率为数百kHz左右。
此处，一般IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极晶体管)、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor：金属氧化物半导体场效应晶体管)等开关元件在开关动作时的两端电压的傅里叶频谱包络线如图5所示。图5的T为周期，f0为开关频率的基波分量，τ为脉冲宽度，tr为上升时间，tf为下降时间。如图5所示，(2)式所示的f1以上的f0高次谐波分量的频率的最大振幅轨迹即傅里叶包络线以-20dB/decade进行衰减。
f1＝1/πτ···(2)
图5所示的f2如(3)式所示，依赖于上升时间tr，若达到f2以上的频率，则傅里叶包络线达到-40dB/decade，衰减特性进一步变大。
f2＝1/πtr···(3)
由上可知，开关频率的基波的高次谐波分量在达到f2以上的频率时，衰减量变大。现下的IGBT、MOSFET等的开关动作的上升/下降时间为数百ns左右，此时的f2为数MHz。
即，在专利文献1提出的技术中，并未考虑线地间旁路电容器的电容和插入到双方线路的电抗器所发生的谐振，而其谐振频率fr一般为数百kHz，满足fr＜f2，因此，在开关频率的基波的高次谐波分量的衰减量较小的频带中，共模的噪声特性劣化。因此，需要另外设置共模扼流圈等噪声对策部件或进行改善，存在导致噪声滤波器的大型化、成本上升的问题。
本发明是为了解决上述问题而完成的，其目的在于提供一种功率转换装置，该功率转换装置通过设定插入到一对线路双方的电抗器的共模电感值，以使得线地间旁路电容器的电容和所述电抗器的谐振频率达到规定值以上，从而能有效地抑制开关噪声而不会导致噪声滤波器的大型化或成本的增加。
解决技术问题的技术方案
第1发明的功率转换装置具有：具有连接在一对线路与接地之间的线地间旁路电容器的滤波器电路；具有半导体开关的开关电路；及连接在所述滤波器电路与所述开关电路之间的电抗器，其特征在于，
所述电抗器为设置于所述一对线路双方的两个电抗器，所述两个电抗器彼此共有铁芯，在设所述线地间旁路电容器的合成电容为C1[F]，所述两个电抗器的共模电感值为L1[H]，
所述半导体开关的开关两端的电压的上升时间为tr[s]时，
设定所述两个电抗器的共模电感值，以满足L1＜tr 2/4C1的关系。
第2发明的功率转换装置具有：具有连接在一对线路与接地之间的线地间旁路电容器的滤波器电路；具有半导体开关的开关电路；及连接在所述滤波器电路与所述开关电路之间的电抗器，其特征在于，
所述电抗器为设置于所述一对线路双方的两个电抗器，所述两个电抗器彼此共有铁芯，在设所述线地间旁路电容器的合成电容为C2[F]，所述两个电抗器的共模电感值为L2[H]时，
设定所述两个电抗器的共模电感值，以满足L2＜1/{(10π×106)2×C2}的关系。
第3发明的功率转换装置具有：具有连接在一对线路与接地之间的线地间旁路电容器的滤波器电路；具有半导体开关的开关电路；以及连接在所述滤波器电路与所述开关电路之间的电抗器，其特征在于，
所述电抗器为设置于所述一对线路双方的两个电抗器，所述两个电抗器彼此共有铁芯，在设所述线地间旁路电容器的合成电容为C3[F]，所述两个电抗器的共模电感值为L3[H]时，
设定所述两个电抗器的共模电感值，以满足L3＜{(10π×105)2×C3}的关系。
发明效果
根据第1发明，通过将具有同一电感值的电抗器插入到一对线路双方，不仅可降低共模噪声，还可通过将插入到双方的电抗器的共模电感值设定为规定值以下，使线地间旁路电容器的电容和插入到双方线路的电抗器的谐振频率偏移到开关频率的基波的高次谐波分量的衰减量较大的频带，因此，无需为了会在谐振频带中发生劣化的减噪而另外设置共模扼流圈等对策部件，从而可实现噪声滤波器的小型化和低成本化。
根据第2发明，通过将具有同一电感值的电抗器插入到一对线路双方，不仅可降低共模噪声，还可通过将插入到双方的电抗器的共模电感值设定为规定值以下，使线地间旁路电容器的电容和插入到双方线路的电抗器的谐振频率偏移到由国际标准IEC规定的传导噪声的限度值变高的5MHz以上，因此，无需为了会在谐振频带中发生劣化的减噪而另外设置共模扼流圈等对策部件，从而可实现噪声滤波器的小型化和低成本化，并将传导噪声抑制在限度值以下。
根据第3发明，通过将具有同一电感值的电抗器插入到一对线路双方，不仅可降低共模噪声，还可通过将插入到双方的电抗器的共模电感值设定为规定值以下，使线地间旁路电容器的电容和插入到双方线路的电抗器的谐振频率偏移到由国际标准IEC规定的传导噪声的限度值变固定的500kHz以上，从而使限度值固定并且开关频率的基波分量f0的高次谐波分量以-20dB/decade或-40dB/decade的斜率衰减，因此，无需为了会在谐振频带中发生劣化的减噪而另外设置共模扼流圈等对策部件，从而可实现噪声滤波器的小型化和低成本化，并将传导噪声抑制在限度值以下。
关于本发明的上述以外的目的、特征、观点及效果，通过参照附图的以下本发明的详细说明可以进一步了解。
附图说明
图1是表示本发明实施方式1所涉及的功率转换装置的结构的图。
图2是说明本发明实施方式1所涉及的功率转换装置的动作的一例的图。
图3是说明本发明实施方式1所涉及的功率转换装置的动作的其它示例的图。
图4是表示将本发明实施方式1所涉及的功率转换装置的共模噪声的谐振路径简化后的等效电路模型的图。
图5是表示开关动作时的脉冲的傅立叶频谱包络线的图。
图6是表示由国际标准IEC61000-6-3(2版；2006年)规定的限度值的图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明所涉及的功率转换装置的优选实施方式进行说明。
实施方式1
图1是本发明实施方式1所涉及的功率转换装置的简要结构图。如图1所示，实施方式1所涉及的功率转换装置由连接至作为交流输入电源的商用交流输入1到向负载13供电为止的要素构成。商用交流输入1连接到由第1线间旁路电容器2、第1共模扼流圈3、第1线地间旁路电容器4构成的第1噪声滤波器5，第1噪声滤波器5的输出的一对线路与彼此共有铁芯的第1电抗器6a、6b连接。
第1电抗器6a、6b的后级与具有半导体开关的开关电路7连接，开关电路7的输出的一对线路与彼此共有铁芯的第2电抗器8a、8b连接。第2电抗器8a、8b的后级与由第2线地间旁路电容器9、第2共模扼流圈10、第2线间旁路电容器11构成的第2噪声滤波器12连接，第2噪声滤波器12的输出与直流负载13连接。
参照图2和图3，对这样连接的功率转换装置的包含第1电抗器6a、6b和第2电抗器8a、8b的开关电路的动作的一例进行说明。
首先，对包含图1的第1电抗器6a、6b的开关电路的动作进行说明。图2是将第1电抗器6a、6b应用于AC/DC转换器的简要结构图。另外，商用交流输入1、第1噪声滤波器5、第1线间旁路电容器2、第1共模扼流圈3、第1线地间旁路电容器4、第1电抗器6a、6b与图1所示的相同。
如图2所示，第1噪声滤波器5的输出的一对线路与彼此共有铁芯的第1电抗器6a、6b连接，第1电抗器6a、6b的输出与二极管电桥14连接。二极管电桥14的后级连接有开关元件15和二极管16，二极管16的阴极侧与输出级的平滑电容器17的正极连接。开关元件15的另一端连接有第1电抗器6b和平滑电容器17的负极。
首先，在开关元件15接通时，在第1电抗器6a、6b中有电流流过，在其中储蓄能量。接下来，若开关元件15关断，则由于第1电抗器6a、6b中产生的反电动势，所储蓄的能量传送到负载18。此时，可控制开关元件15通断的脉冲宽度，控制功率因数，使得输入电流波形呈正弦波状。
包含第1电抗器6a、6b的开关电路并不限于图2的电路结构，也可由利用交错方式等的开关元件的开关来进行功率转换的其它AC/DC转换器电路构成。
接着，对包含图1的第2电抗器8a、8b的开关电路的动作进行说明。图3是将第2电抗器8a、8b应用于全桥型DC/DC转换器的简要电路图。另外，第2电抗器8a、8b、第2噪声滤波器12、第2线地间旁路电容器9、第2共模扼流圈10、第2线间旁路电容器11与图1所示的相同。
如图3所示，直流电源输入19连接到由四个开关元件20a、20b、20c、20d构成的桥式电路20，桥式电路20的输出与绝缘变压器21的一次侧连接。绝缘变压器21的二次侧与二极管电桥22连接，二极管电桥22的输出的一对线路与彼此共有铁芯的第2电抗器8a、8b连接。第2电抗器8a、8b的后级与由第2线地间旁路电容器9、第2共模扼流圈10、第2线间旁路电容器11构成的第2噪声滤波器12连接，第2噪声滤波器12的输出与直流负载23连接。
使四个开关元件20a、20b、20c、20d交替通断，将输入的直流转换成高频交流，在绝缘变压器21的二次侧端子间产生电压，利用二极管电桥22进行整流。在向绝缘变压器21的二次侧产生电压时，在第2电抗器8a、8b中累积能量，在除此以外的期间内，利用第2电抗器8a、8b中产生的反电动势，将所累积的能量传送到负载23。此时，可控制开关元件20a、20b、20c、20d的通断的脉冲宽度，控制输出电流。
包含第2电抗器8a、8b的开关电路并不限于图3的电路结构，也可由利用半桥型或反激型等开关元件的开关来进行功率转换的其它DC/DC转换器电路构成。
这样，构成开关电路7的开关元件以20kHz以上的高频开关频率进行开关控制，因此，会产生由开关频率引起的高开关噪声。噪声中存在共模噪声和常模噪声这两种噪声。共模噪声一般是指因与接地之间的电位差而产生的噪声，常模噪声一般是指因线路间的电位差而产生的噪声。
此时，若在双方的线路中插入具有同一阻抗的第1电抗器6a、6b及第2电抗器8a、8b，则与仅插入到单方线路的情况相比，可降低共模噪声。
若以第1电抗器6a、6b为例，则在使第1电抗器6a、6b仅集中于单方线路的情况下，在插入有第1电抗器6a、6b的线路侧存在第1电抗器6a、6b的阻抗，在另一方未插入电抗器的线路侧不存在由电抗器所产生的阻抗。
由此，在未插入电抗器的线路侧，噪声经由线地间旁路电容器直接流入到接地，但在插入有第1电抗器6a、6b的线路侧，由于第1电抗器6a、6b的阻抗，能够在流入接地前衰减。这样，双方线路的阻抗变得不平衡，从而产生共模噪声。因此，通过在双方的线路中分别插入具有同一阻抗的第1电抗器6a、6b，从而阻抗实现平衡化，可降低共模噪声。
此外，通过将插入到双方的线路的第1电抗器6a、6b的铁芯共有化，在线圈的卷绕方向上第1电抗器6a、6b中产生的磁通相加，可增加总的常模电感，并可将第1电抗器6a、6b小型化。
上文中，对第1电抗器6a、6b进行了说明，但通过对于第2电抗器8a、8b也同样地将铁芯共有化，可将第2电抗器8a、8b小型化。
接着，示出作为本实施方式的特征的将共模噪声的谐振频率偏移的方法。图4中示出将由图1的第1电抗器6a、6b、第2电抗器8a、8b、第1线地间旁路电容器4、第2线地间旁路电容器9形成的共模噪声的谐振路径进行简化后的等效电路模型。
如图4所示，设第1电抗器6a、6b的共模电感值为Lcommon6，第2电抗器8a、8b的共模电感值为Lcommon8，第1线地间旁路电容器4的电容为C4，第2线地间旁路电容器9的电容为C9。
由图4所示的谐振路径形成的谐振频率fr1如(4)式所示。
若(4)式的fr1和(3)式的f2设定成满足fr1≥f2，则可使共模噪声的谐振频率偏移到开关频率的基波的高次谐波分量的衰减量较大的频带，可抑制谐振频带的共模噪声。
通过减小共模电感值Lcommon6、Lcommon8、第1及第2线地间旁路电容器4、9的电容C4、C9，可设定成满足fr1≥f2，但若减小第1及第2线地间旁路电容器4、9的电容C4、C9，则共模噪声降低效果下降。另一方面，通过使第1电抗器6a、6b及第2电抗器8a、8b共有一个铁芯，从而对于共模电流，可使铁芯内的磁通相抵消，因此，可维持共模噪声降低效果，同时降低共模电感值。
因此，将Lcommon6、Lcommon8的值设定成(5)式那样，以满足fr1≥f2。
Lcommon6+Lcommon8＜tr 2/4(C4+C9)···(5)
根据本实施方式，通过将具有同一电感值的电抗器插入到一对线路双方，不仅可降低共模噪声，还可通过将Lcommon6、Lcommon8的值设定成(5)式那样，使线地间旁路电容器的电容和插入到双方线路的电抗器的谐振频率fr1偏移到开关频率的基波的高次谐波分量的衰减量较大的频带，因此，无需为了会在谐振频带中发生劣化的减噪而另外设置共模扼流圈等对策部件，从而可实现噪声滤波器的小型化和低成本化，能有效地抑制共模噪声。
另外，上文中阐述了电抗器连接到开关电路7的输入侧和输出侧的情况，但即使在电抗器仅位于开关电路7的输入侧的情况下，通过将输入侧的电抗器的共模电感值设定成满足fr1≥f2，也能有效地抑制共模噪声。此外，即使在电抗器仅位于开关电路7的输出侧的情况下，通过将输出侧的电抗器的共模电感值设定成满足fr1≥f2，也能有效地抑制共模噪声。
此外，图2中构成为在二极管电桥14之前连接有第1电抗器6a、6b，但即使是在第1电抗器6a、6b之前连接二极管电桥14的结构，也可获得与本实施方式同样的效果。
本实施方式的线地间电容利用第1及第2线地间旁路电容器4、9进行了说明，但也可利用由一对线路与接地之间的布线图案形成的线地间电容。
实施方式2
接着，说明本发明的实施方式2所涉及的功率转换装置。
实施方式1中，设定第1电抗器6a、6b及第2电抗器8a、8b的共模电感Lcommon6、Lcommon8的值，以使得由第1电抗器6a、6b、第2电抗器8a、8b、第1线地间旁路电容器4、第2线地间旁路电容器9形成的共模噪声的谐振频率fr1满足fr1≥f2，但实施方式2中，设定第1电抗器6a、6b及第2电抗器8a、8b的共模电感Lcommon6、Lcommon8的值，以使得共模噪声的谐振频率fr1达到使图6所示的由国际标准IEC61000-6-3(2版；2006年)规定的传导噪声的限度值切换且限度值变高的f4＝5MHz以上。
图6表示由国际标准IEC61000-6-3(2版；2006年)规定的传导噪声的限度值。为了使这种功率转换装置不会导致其它电子设备误动作、功能停止等弊病，需要将传导噪声抑制在图6所示的限度值以下。如图6所示，在500kHz之前限度值慢慢减少，在500kHz以上限度值固定，在5MHz以上限度值变高。在5MHz以上，即使产生共模噪声的谐振，限度值也变高，因此，可不设置对策部件，而容易抑制在限度值以下。
因此，将Lcommon6、Lcommon8的值设定成(6)式那样，以满足fr1≥f4。
Lcommon6+Lcommon8＜1/{(10×106π)2×(C4+C9)}
···(6)
根据本实施方式，通过将具有同一电感值的电抗器插入到一对线路双方，不仅可降低共模噪声，还可通过将Lcommon6、Lcommon8的值设定成(6)式那样，使线地间旁路电容器的电容和插入到双方线路的电抗器的谐振频率fr1偏移到传导噪声的限度值变高的5MHz以上，因此，无需为了会在谐振频带中发生劣化的减噪而另外设置共模扼流圈等对策部件，从而可实现噪声滤波器的小型化和低成本化，并将传导噪声抑制在限度值以下。
上文中阐述了电抗器连接到开关电路7的输入侧和输出侧的情况，但即使在电抗器仅位于开关电路7的输入侧的情况下，通过将输入侧的电抗器的共模电感值设定成满足fr1≥f4，也能有效地抑制共模噪声。此外，即使在电抗器仅位于开关电路7的输出侧的情况下，通过将输出侧的电抗器的共模电感值设定成满足fr1≥f4，也能有效地抑制共模噪声。
另外，本实施方式的线地间电容利用第1及第2线地间旁路电容器4、9进行了说明，但也可利用由一对线路与接地之间的布线图案形成的线地间电容。
此外，本实施方式中利用IEC61000-6-3的传导噪声的限度值进行了说明，但也可以是IEC61581-21等在5MHz下传导噪声的限度值变高的标准。
实施方式3
接着，说明本发明的实施方式3所涉及的功率转换装置。
虽然设定第1电抗器6a、6b及第2电抗器8a、8b的共模电感Lcommon6、Lcommon8的值，以使得实施方式1中，由第1电抗器6a、6b、第2电抗器8a、8b、第1线地间旁路电容器4、第2线地间旁路电容器9形成的共模噪声的谐振频率fr1满足fr1≥f2，而实施方式2中满足fr1≥f4，但实施方式3中，设定第1电抗器6a、6b及第2电抗器8a、8b的共模电感Lcommon6、Lcommon8的值，以使得共模噪声的谐振频率fr1达到图6所示的由国际标准IEC61000-6-3(2版；2006年)规定的传导噪声的限度值发生切换且限度值变固定的f3＝500kHz以上。
如图6所示，开关频率的基波分量f0的高次谐波分量的频率以-20dB/decade或-40dB/decade的斜率衰减。此外，如图6所示，频率为500kHz以上时，传导噪声的限度值变固定。在500kHz以上，即使产生共模噪声的谐振，限度值也固定，并且f0的高次谐波分量以-20dB/decade或-40dB/decade的斜率衰减，因此，能够容易地抑制在限度值以下而不用设置对策部件。
因此，将Lcommon6、Lcommon8的值设定成(7)式那样，以满足fr1≥f3。
Lcommon6+Lcommon8＜1/{(10×105π)2×(C4+C9)}
···(7)
根据本实施方式，通过将具有同一电感值的电抗器插入到一对线路双方，不仅可降低共模噪声，还可通过将Lcommon6、Lcommon8的值设定成(7)式那样，使线地间旁路电容器的电容和插入到双方线路的电抗器的谐振频率fr1偏移到传导噪声的限度值变固定的500kHz以上，限度值固定，并且开关频率的基波分量f0的高次谐波分量以-20dB/decade或-40dB/decade的斜率衰减，因此，无需为了会在谐振频带中发生劣化的减噪而另外设置共模扼流圈等对策部件，从而可实现噪声滤波器的小型化和低成本化，并将传导噪声抑制在限度值以下。
上文中阐述了电抗器连接到开关电路的输入侧和输出侧的情况，但即使在电抗器仅位于开关电路7的输入侧且与线地间电容器进行谐振的情况下，也能有效地抑制共模噪声。此外，即使在电抗器仅位于开关电路7的输出侧且与线地间电容器进行谐振的情况下，也能有效地抑制共模噪声。
本实施方式的线地间电容利用第1及第2线地间旁路电容器4、9进行了说明，但也可利用由一对线路与接地之间的布线图案形成的线地间电容。
此外，本实施方式中利用IEC61000-6-3的传导噪声的限度值进行了说明，但也可以是IEC61581-21等在500kHz下传导噪声的限度值为固定的标准。
如上所述，对本发明的实施方式1至3进行了说明，然而本发明可以在其发明范围内对各实施方式进行组合，或对各实施方式进行适当地变形、省略。

Claims (7)

1.一种功率转换装置，包括：
具有连接在一对线路与接地之间的线地间旁路电容器的滤波器电路；
具有半导体开关的开关电路；及
连接在所述滤波器电路与所述开关电路之间的电抗器，
其特征在于，
所述电抗器为设置于所述一对线路双方的两个电抗器，所述两个电抗器彼此共有铁芯，
在设所述线地间旁路电容器的合成电容为C1[F]、
所述两个电抗器的共模电感值为L1[H]、
所述半导体开关的开关两端的电压的上升时间为tr[s]时，
设定所述两个电抗器的共模电感值，以满足L1＜tr 2/4C1的关系。
2.一种功率转换装置，包括：
具有连接在一对线路与接地之间的线地间旁路电容器的滤波器电路；
具有半导体开关的开关电路；及
连接在所述滤波器电路与所述开关电路之间的电抗器，
其特征在于，
所述电抗器为设置于所述一对线路双方的两个电抗器，所述两个电抗器彼此共有铁芯，
在设所述线地间旁路电容器的合成电容为C2[F]、
所述两个电抗器的共模电感值为L2[H]时，
设定所述两个电抗器的共模电感值，以满足L2＜1/{(10π×106)2×C2}的关系。
3.一种功率转换装置，包括：
具有连接在一对线路与接地之间的线地间旁路电容器的滤波器电路；
具有半导体开关的开关电路；及
连接在所述滤波器电路与所述开关电路之间的电抗器，
其特征在于，
所述电抗器为设置于所述一对线路双方的两个电抗器，所述两个电抗器彼此共有铁芯，
在设所述线地间旁路电容器的合成电容为C3[F]、
所述两个电抗器的共模电感值为L3[H]时，
设定所述两个电抗器的共模电感值，以满足L3＜{(10π×105)2×C3}的关系。
4.如权利要求1至3中任一项所述的功率转换装置，其特征在于，
所述滤波器电路和所述两个电抗器连接到所述开关电路的输入侧。
5.如权利要求1至3中任一项所述的功率转换装置，其特征在于，
所述滤波器电路和所述两个电抗器连接到所述开关电路的输出侧。
6.如权利要求1至3中任一项所述的功率转换装置，其特征在于，
所述滤波器电路和所述两个电抗器连接到所述开关电路的输入侧和输出侧。
7.如权利要求1至3中任一项所述的功率转换装置，其特征在于，
所述线地间旁路电容器为由所述一对线路和所述接地的布线图案间形成的电容。
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