CN106655830B - 一种解耦控制方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种解耦控制方法及系统,通过对现有无桥Cuk PFC整流器中开关状态的充分利用,有效阻止二次脉动功率流入负载侧,将其缓存在能量转移电容中,能量转移电容电压平均值反馈给整流级以调节有功输入。从而起到了消除现有技术解决无桥Cuk PFC整流器解耦控制方法中新增电解电容所引起的整流器体积增大、寿命变短等问题的有益效果;同时提高了整流器功率密度和体积。本方案无需增加任何的开关或无源器件,实施成本低,同时对解耦效果进行了反馈,消除了解耦性能对系统参数的依赖,同时又具有较强的控制鲁棒性。

Description

一种解耦控制方法及系统
技术领域
本发明涉及电力电子变换器控制技术领域,更具体地,涉及一种解耦控制方法及系统。
背景技术
目前,为了实现高效率和满足IEC 61000-3-2的谐波标准,有源PFC电路广泛应用于整流器和开关电源中。大多数PFC电路前端为二极管整流桥,后端为一个基本的DC/DC变换电路。由于电流路径上半导体器件数量的增加,系统的导通损耗增加,效率降低。因此,无桥PFC变换器得到了的关注。
传统的无桥PFC变换器可减小电流环路中半导体器件的数目,因而减少了导通损耗,提高了系统效率。但是,在进行整流变换时,固有存在二次脉动功率被注入至负载侧,这将导致低频输出电压纹波,降低系统性能,还会造成电容、电池等元器件寿命的减少。因此,处理好输入输出端瞬时功率的不平衡,消除二次脉动功率对系统的影响至关重要。
Cuk斩波电路也称Cuk变换器,是开关电源六种基本DC/DC变换拓扑之一。针对无桥Cuk PFC整流器,传统的控制方法中,只有两种开关状态:同时开通和同时关断。低频纹波功率由负载侧大容量的电解电容来缓冲,能量转移电容电压不受控。大容量电解电容的投入不但增加了系统成本和体积,同时提高了系统工作时的故障发生率,还会减少无桥Cuk PFC整流器的使用寿命。
发明内容
本发明为克服上述问题或者至少部分地解决上述问题,提供一种解耦控制方法及系统。
根据本发明的一个方面,提供一种解耦控制方法,包括:
步骤1,接收待控制无桥Cuk PFC整流器电路信息;
步骤2,基于所述电路信息得到所述无桥Cuk PFC整流器中各种开关状态的占空比;基于所述占空比计算得到待控制无桥Cuk PFC整流器一个开关周期中各种开关状态的动作时间;
步骤3,基于所述一个开关周期各种开关状态的动作时间对所述无桥Cuk PFC整流器中开关状态进行调整。
根据本发明的另一个方面,提供一种解耦控制系统,包括接收模块、计算模块和调整模块:
所述接收模块,与所述计算模块相连,用于接收待控制无桥Cuk PFC整流器电路信息;
所述计算模块,分别与所述接收模块和计算模块相连,用于基于所述电路信息得到所述无桥Cuk PFC整流器中各种开关状态的占空比;基于所述占空比计算得到待控制无桥Cuk PFC整流器一个开关周期中各种开关状态的动作时间;
所述调整模块,与所述计算模块相连,基于所述一个开关周期各种开关状态的动作时间对所述无桥Cuk PFC整流器中开关状态进行调整。
本申请提出一种解耦控制方法及系统,通过对现有无桥Cuk PFC整流器中开关状态的充分利用,有效阻止二次脉动功率流入负载侧,将其缓存在能量转移电容中,能量转移电容电压平均值反馈给整流级以调节有功输入。从而起到了消除现有技术解决无桥CukPFC整流器解耦控制方法中新增电解电容所引起的整流器体积增大、寿命变短等问题的有益效果;同时提高了整流器功率密度和体积。本方案无需增加任何的开关或无源器件,实施成本低,同时对解耦效果进行了反馈,消除了解耦性能对系统参数的依赖,同时又具有较强的控制鲁棒性。
附图说明
图1为根据本发明实施例一种解耦控制方法中待解耦控制无桥Cuk PFC整流器结构示意图;
图2为根据本发明实施例一种解耦控制方法的整体流程示意图;
图3为根据本发明实施例一种解耦控制方法流程的示意图;
图4为根据本发明实施例一种解耦控制方法应用于无桥Cuk PFC整流器的纹波功率解耦控制的开关运行状态的示意图;
图5为根据本发明实施例一种解耦控制方法应用于无桥Cuk PFC整流器的纹波功率解耦控制时,当控制信号大于0时IGBT功率器件动作的时序的示意图;
图6为根据本发明实施例一种解耦控制方法应用于无桥Cuk PFC整流器的纹波功率解耦控制时,当控制信号小于等于0时IGBT功率器件动作时序的示意图;
图7为根据本发明实施例一种解耦控制方法应用于无桥Cuk PFC整流器实验中达到稳态时实验波形的示意图;
图8为根据本发明实施例一种解耦控制方法应用于无桥Cuk PFC整流器试验中本发明控制方法切换至传统控制方法时的实验波形的示意图;
图9为根据本发明实施例一种解耦控制方法应用于无桥Cuk PFC整流器试验中IGBT功率器件S1、S2驱动波形和ig、io实验波形的示意图;
图10为根据本发明实施例一种解耦控制方法应用于无桥Cuk PFC整流器试验中IGBT功率器件S1、S2驱动波形和ig、io实验波形的细节放大示意图;
图11为根据本发明实施例一种解耦控制系统的整体框架示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例,对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
本发明技术具体实施例提供了应用于无桥Cuk PFC整流器的纹波功率解耦控制方法。在无需增加任何的开关或无源器件的情况下,通过充分利用各种开关状态实现解耦,将低频纹波功率缓存在能量转移电容中,消除了电解电容的使用,减小了整体的体积,提高了系统可靠性。
图1中,示出本发明一个具体实施例中待解耦控制无桥Cuk PFC整流器结构示意图。总体上,包括:单相输入电源1、输入滤波电感2、电压型无桥电路3、能量转移电容4、输出电感5、续流二极管6、输出电容7及直流负载8;单相输入电源1直接连接到电网或是连接到单相变压器的副边;电压型无桥电路3通过所述的输入滤波电感2与单相输入电源1相连;电压型无桥电路3通过所述的能量转移电容4与输出电感5与续流二极管6的公共端点相连;输出电感5的另一端与输出电容7及直流负载8相连;
图2中,示出本发明一个具体实施例一种解耦控制方法整体流程示意图。总体上,包括:步骤1,接收待控制无桥Cuk PFC整流器电路信息;步骤2,基于所述电路信息得到所述无桥Cuk PFC整流器中各种开关状态的占空比;基于所述占空比计算得到待控制无桥CukPFC整流器一个开关周期中各种开关状态的动作时间;步骤3,基于所述一个开关周期各种开关状态的动作时间对所述无桥Cuk PFC整流器中开关状态进行调整。
本发明另一个具体实施例中,一种解耦控制方法,所述无桥Cuk PFC整流器电路信息包括:无桥Cuk PFC整流器的单相电源输入电压ug、单相电源输入电流ig、解耦电容Cd电压ud、负载电压uo和输出电感电流io
上述本发明具体实施例中步骤1,利用数字信号处理器DSP采样无桥Cuk整流器的单相电源输入电压ug、单相电源输入电流ig、解耦电容Cd电压ud、负载电压uo以及输出电感电流io
本发明另一个具体实施例中,一种解耦控制方法,所述步骤2中基于所述电路信息得到所述无桥Cuk PFC整流器开关占空比还包括:
S21,基于所述单相电源输入电压ug、单相电源输入电流ig和解耦电容Cd电压ud计算获得期望控制电压参考值基于所述负载电压uo和输出电感电流io计算获得输出电压参考值
S22,基于所述期望控制电压参考值和输出电压参考值计算获得所述无桥CukPFC整流器中各种开关状态的占空比。
本发明另一个具体实施例中,一种解耦控制方法,所述步骤2中基于所述占空比计算得到一个开关周期各种开关状态的动作时间还包括:
所述一个开关周期各种开关状态的动作时间为各开关占空比与所述无桥Cuk PFC整流器开关周期Ts的乘积。
本发明另一个具体实施例中,一种解耦控制方法,所述S21中基于所述单相电源输入电压ug、单相电源输入电流ig和解耦电容Cd电压ud计算获得期望控制电压参考值还包括:
S211,单相电源输入电压检测值ug利用锁相环计算获得相位信息ωt,基于所述ωt得到对应余弦值cosωt,其中ω为单相电源电压角频率,ωt为单相输入电源电压相位;利用滑动滤波器对所述能量转移电容电压ud进行滤波后得到能量转移电容电压的直流分量将期望能量转移电容电压的平均值做差,得到能量转移电容电压的误差值将能量转移电容电压误差值经过一个比例积分控制器,输出作为期望输入电流幅值参考I*;
S212,将期望单相电源输入电流幅值I*与cosωt的乘积作为输入电流参考
S213,将输入电流参考与采样得到的输入电流ig进行比较,得到单相电源输入电流的误差值Δig;Δig经过一个比例谐振控制器后得到期望控制电压参考
本发明另一个具体实施例中,一种解耦控制方法,所述S21中基于所述负载电压uo和输出电感电流io计算获得输出电压参考值还包括:
将输出直流电压参考和采样值uo进行比较得到输出电压误差值Δuo,所述Δuo经过一个比例积分控制器处理后得到期望输出电感电流参考将所述与采样值io进行比较,得到输出电感电流误差值Δio,所述Δio经过一个比例积分控制器处理得到输出电压参考值
本发明另一个具体实施例中,一种解耦控制方法,所述S22还包括:
将所述期望控制电压参考值和输出电压参考值作为输入,利用下式计算出所述无桥Cuk PFC整流器中各种开关状态的占空比:
d3=1-d1-d2
其中,d1、d2和d3分别为各种开关状态下的占空比;其中sgn()为符号函数,当大于0时,等于1;当等于0时,等于0;当小于0时,等于-1。
本发明另一个具体实施例中,一种解耦控制方法,所述期望能量转移电容电压的平均值应当满足如下条件:
其中,V为单相输入电源电压幅值,I为单相输入电源电流幅值,Vmax为半导体器件和无源器件最大电压允许值。
本发明另一个具体实施例中,一种解耦控制方法,所述步骤3还包括:基于所述一个开关周期各种开关状态的动作时间,利用绝缘栅双极型晶体管对所述无桥Cuk PFC整流器中开关状态进行调整。
如图3,本发明另一个具体实施例中,示出一种解耦控制方法流程示意图,所述方法包括以下步骤:
DSP采样无桥Cuk整流器的单相电源输入电压ug、单相电源输入电流ig、解耦电容Cd电压ud、负载电压uo以及输出电感电流io
单相电源输入电压检测值ug通过锁相环得到相位信息ωt。
利用滑动滤波器对采样得到的能量转移电容电压ud进行滤波后得到能量转移电容电压的直流分量将期望能量转移电容电压的平均值做差,得到能量转移电容电压的误差值
将能量转移电容电压误差值经过一个比例积分控制器,输出作为期望输入电流幅值参考I*
根据ωt得到对应余弦值cosωt,期望单相电源输入电流幅值I*与cosωt的乘积作为输入电流参考
将输入电流参考与采样得到的输入电流ig进行比较,得到单相电源输入电流的误差值Δig;经过一个比例谐振控制器后得到期望控制电压参考该值为计算控制占空比的输入量。
对输出直流电压参考和采样值uo进行比较得到输出电压误差值Δuo;经过一个比例积分控制器后得到期望输出电感电流参考
与采样值io进行比较,得到输出电感电流误差值Δio;Δio经过一个比例积分控制器,得到输出电压参考值该值为计算控制占空比的输入量。
根据所得电压参考和当可计算得到占空比参考值:d3=1-d1-d2;其中sgn()为符号函数,当大于0时,等于1;当等于0时,等于0;当小于0时,等于-1。
根据求得的占空比得到一个开关周期Ts的开关状态的动作时间d1Ts、d2Ts和d3Ts,继而控制IGBT功率器件S1和S2的开通与关断。
如图4,本发明另一个具体实施例中,示出一种解耦控制方法应用于无桥Cuk PFC整流器的纹波功率解耦控制的开关运行状态示意图。
当控制信号大于0,选择运行状态为1、2和3;当控制信号小于等于0时,选择的运行状态为4、5和6;
运行状态1中,IGBT功率器件S1关断,IGBT功率器件S2开通;
运行状态2中,IGBT功率器件S1开通,IGBT功率器件S2开通;
运行状态3中,IGBT功率器件S1开通,IGBT功率器件S2关断;
运行状态4中,IGBT功率器件S1开通,IGBT功率器件S2关断;
运行状态5中,IGBT功率器件S1开通,IGBT功率器件S2开通;
运行状态6中,IGBT功率器件S1关断,IGBT功率器件S2开通。
如图5,本发明另一个具体实施例中,示出一种解耦控制方法应用于无桥Cuk PFC整流器的纹波功率解耦控制时,当控制信号大于0时IGBT功率器件动作的时序示意图;如图6,本发明另一个具体实施例中,示出一种解耦控制方法应用于无桥Cuk PFC整流器的纹波功率解耦控制时,当控制信号小于等于0时IGBT功率器件动作的时序图;其中S1(S2)=‘ON’表示相应开关处于导通状态,S1(S2)=‘OFF’表示相应开关处于关断状态。
本发明另一个具体实施例中,一种解耦控制方法,所述能量转移电容电压平均值参考推导如下:
ug=Vcosωt,
其中V为单相输入电源电压幅值,ω为单相电源电压角频率,ωt为单相输入电源电压相位。
对于单位功率因数工作状态下的无桥Cuk PFC整流器,单相输入电源输出电流为:ig=Icosωt,其中I为单相输入电源电流幅值。
单相输入电源向外输出的功率为:
本发明提出的控制方法能够避免输出直流电压上产生这种纹波电压,通过能量转移电容吸收2ω的纹波功率,表示为:
其中Cd为能量转移电容的容值,ud为能量转移电容电压,两边同时积分可得:
其中为稳态时能量转移电容电压的平均值。为了满足半导体器件电压限幅和占空比的限制条件:d1+d2≤1,其中,d1和d2为控制占空比。为满足上述条件,必须满足:
其中Lg为输入滤波电感值,Vmax为半导体器件和无源器件最大电压允许值。通常输入滤波电感Lg的值很小,故可忽略输入滤波电感上的压降,可得的受限范围为:
因此本控制方法中的选取需要满足上述限制,保证该整流器的正常工作。
本发明另一个具体实施例中,对本发明一种解耦控制方法对于无桥Cuk PFC整流器进行实验验证,具体设计参数如表1所示。
表1
图7为上述实验达到稳态时,单相电源输入电压ug、单相电源输入电流ig、解耦电容电压ud以及负载电压uo的波形。单相电源输入电流ig为正弦波并且与单相电源输入电压ug同相,功率因数为0.99。输出电压uo平滑,解耦电容电压ud由于缓冲纹波功率而产生100Hz的波动。
图8为在上述实验中为当控制方法从本发明转变为传统控制方法对应的实验波形。可以看出,当控制方法转变为传统控制方法时,解耦电容电压ud失去控制,输出电压uo突然产生峰峰值为130V的波动。同时,单相电源输入电流产生畸变。此次实验结果充分表明本发明的有效性。
图9为上述实验中IGBT功率器件门极发射极间的电压,单相电源输入电流ig以及输出电感电流io波形,图10为图9相应的细节放大图。Vs1和Vs2为IGBT功率器件S1和S2对应的门极发射极间的电压。从图10可以看出,IGBT功率器件S1和S2由不同驱动信号驱动,并且它们的驱动信号波形不同。但是,在传统控制方法中,IGBT功率器件S1和S2同步开通和关断。
如图11,示出本发明另一个具体实施例中,一种解耦控制系统整体框架示意图。总体上,包括:接收模块、计算模块和调整模块:
所述接收模块,与所述计算模块相连,用于接收待控制无桥Cuk PFC整流器电路信息;
所述计算模块,分别与所述接收模块和计算模块相连,用于基于所述电路信息得到所述无桥Cuk PFC整流器中各种开关状态的占空比;基于所述占空比计算得到待控制无桥Cuk PFC整流器一个开关周期中各种开关状态的动作时间;
所述调整模块,与所述计算模块相连,基于所述一个开关周期各种开关状态的动作时间对所述无桥Cuk PFC整流器中开关状态进行调整。
在本发明另一个具体实施例中,一种解耦控制系统,所述接收模块接受的待控制无桥Cuk PFC整流器电路信息包括:无桥Cuk PFC整流器的单相电源输入电压ug、单相电源输入电流ig、解耦电容Cd电压ud、负载电压uo和输出电感电流io
在本发明另一个具体实施例中,一种解耦控制系统,所述计算模块还用于:基于所述单相电源输入电压ug、单相电源输入电流ig和解耦电容Cd电压ud计算获得期望控制电压参考值基于所述负载电压uo和输出电感电流io计算获得输出电压参考值基于所述期望控制电压参考值和输出电压参考值计算获得所述无桥Cuk PFC整流器中各种开关状态的占空比。
在本发明另一个具体实施例中,一种解耦控制系统,所述计算模块还用于:计算各开关占空比与所述无桥Cuk PFC整流器开关周期Ts的乘积为所述一个开关周期各种开关状态的动作时间。
在本发明另一个具体实施例中,一种解耦控制系统,所述计算模还用于:
单相电源输入电压检测值ug利用锁相环计算获得相位信息ωt,基于所述ωt得到对应余弦值cosωt,其中ω为单相电源电压角频率,ωt为单相输入电源电压相位;利用滑动滤波器对所述能量转移电容电压ud进行滤波后得到能量转移电容电压的直流分量将期望能量转移电容电压的平均值做差,得到能量转移电容电压的误差值将能量转移电容电压误差值经过一个比例积分控制器,输出作为期望输入电流幅值参考I*;将期望单相电源输入电流幅值I*与cosωt的乘积作为输入电流参考将输入电流参考与采样得到的输入电流ig进行比较,得到单相电源输入电流的误差值Δig;Δig经过一个比例谐振控制器后得到期望控制电压参考
在本发明另一个具体实施例中,一种解耦控制系统,所述计算模还用于:将输出直流电压参考值和采样值uo进行比较得到输出电压误差值Δuo,所述Δuo经过一个比例积分控制器处理后得到期望电感电流参考将所述与采样值io进行比较,得到输出电感电流误差值Δio,所述Δio经过一个比例积分控制器处理得到输出电压参考值
在本发明另一个具体实施例中,一种解耦控制系统,所述计算模还用于:
将所述期望控制电压参考值和输出电压参考值作为输入,利用下式计算出所述无桥Cuk PFC整流器中各种开关状态的占空比:
d3=1-d1-d2
其中,d1、d2和d3分别为各种开关状态下的占空比;其中sgn()为符号函数,当大于0时,等于1;当等于0时,等于0;当小于0时,等于-1。
在本发明另一个具体实施例中,一种解耦控制系统,所述计算模还用于:
确定所述期望能量转移电容电压的平均值应当满足如下条件:
其中,V为单相输入电源电压幅值,I为单相输入电源电流幅值,Vmax为半导体器件和无源元件最大电压允许值。
在本发明另一个具体实施例中,一种解耦控制系统,所述控制系统还用于:基于所述一个开关周期各种开关状态的动作时间,利用绝缘栅双极型晶体管对所述无桥Cuk PFC整流器中开关状态进行调整。
本申请中技术方案提出了解耦控制方法及系统,通过对现有无桥Cuk PFC整流器中开关状态的充分利用,有效阻止二次脉动功率流入负载侧,将其缓存在能量转移电容中,能量转移电容电压平均值反馈给整流级以调节有功输入。从而起到了消除现有技术解决无桥Cuk PFC整流器解耦控制方法中新增电解电容所引起的整流器体积增大、寿命变短短等问题的有益效果;同时提高了整流器功率密度和体积。本方案无需增加任何的开关或无源器件,实施成本低,同时对解耦效果进行了反馈,消除了解耦性能对系统参数的依赖,同时又具有较强的控制鲁棒性。
最后,本申请的方法仅为较佳的实施方案,并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种解耦控制方法,其特征在于,包括:
步骤1,接收待控制无桥Cuk PFC整流器电路信息;
步骤2,基于所述电路信息得到所述无桥Cuk PFC整流器中各种开关状态的占空比;基于所述占空比计算得到待控制无桥Cuk PFC整流器一个开关周期中各种开关状态的动作时间;
步骤3,基于所述一个开关周期各种开关状态的动作时间对所述无桥Cuk PFC整流器中开关状态进行调整;
所述无桥Cuk PFC整流器电路信息包括:无桥Cuk PFC整流器的单相电源输入电压ug、单相电源输入电流ig、解耦电容Cd电压ud、负载电压uo和输出电感电流io
2.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤2中基于所述电路信息得到所述无桥Cuk PFC整流器开关占空比还包括:
S21,基于所述单相电源输入电压ug、单相电源输入电流ig和解耦电容Cd电压ud计算获得期望控制电压参考值基于所述负载电压uo和输出电感电流io计算获得输出电压参考值
S22,基于所述期望控制电压参考值和输出电压参考值计算获得所述无桥Cuk PFC整流器中各种开关状态的占空比。
3.如权利要求2所述的方法,其特征在于,所述步骤2中基于所述占空比计算得到一个开关周期各种开关状态的动作时间还包括:
所述一个开关周期各种开关状态的动作时间为各开关占空比与所述无桥Cuk PFC整流器开关周期Ts的乘积。
4.如权利要求2所述的方法,其特征在于,所述S21中基于所述单相电源输入电压ug、单相电源输入电流ig和解耦电容Cd电压ud计算获得期望控制电压参考值还包括:
S211,基于单相电源输入电压检测值ug利用锁相环计算获得相位信息ωt,基于所述ωt得到对应余弦值cosωt,其中ω为单相电源电压角频率,ωt为单相输入电源电压相位;利用滑动滤波器对解耦电容Cd电压ud进行滤波后得到解耦电容Cd电压的直流分量将期望解耦电容Cd电压的平均值做差,得到解耦电容Cd电压的误差值将解耦电容Cd电压误差值经过一个比例积分控制器,输出作为期望输入电流幅值参考I*
S212,将期望单相电源输入电流幅值I*与cosωt的乘积作为输入电流参考
S213,将输入电流参考与采样得到的输入电流ig进行比较,得到单相电源输入电流的误差值Δig;Δig经过一个比例谐振控制器后得到期望控制电压参考
5.如权利要求2所述的方法,其特征在于,所述S21中基于所述负载电压uo和输出电感电流io计算获得输出电压参考值还包括:
将输出直流电压参考和采样值uo进行比较得到输出电压误差值Δuo,所述Δuo经过一个比例积分控制器处理后得到期望输出电感电流参考将所述与采样值io进行比较,得到输出电感电流误差值Δio,所述Δio经过一个比例积分控制器处理得到输出电压参考值
6.如权利要求4所述的方法,其特征在于,所述期望解耦电容Cd电压的平均值应当满足如下条件:
其中,V为单相输入电源电压幅值,I为单相输入电源电流幅值,Vmax为半导体器件和无源器件最大电压允许值。
7.如权利要求1所述的方法,其特征在于,所述步骤3还包括:基于所述一个开关周期各种开关状态的动作时间,利用绝缘栅双极型晶体管对所述无桥Cuk PFC整流器中开关状态进行调整。
8.一种解耦控制系统,其特征在于,包括接收模块、计算模块和调整模块:
所述接收模块,与所述计算模块相连,用于接收待控制无桥Cuk PFC整流器电路信息;
所述计算模块,分别与所述接收模块和调整模块相连,用于基于所述电路信息得到所述无桥Cuk PFC整流器中各种开关状态的占空比;基于所述占空比计算得到待控制无桥CukPFC整流器一个开关周期中各种开关状态的动作时间;
所述调整模块,与所述计算模块相连,基于所述一个开关周期各种开关状态的动作时间对所述无桥Cuk PFC整流器中开关状态进行调整;
所述无桥Cuk PFC整流器电路信息包括:无桥Cuk PFC整流器的单相电源输入电压ug、单相电源输入电流ig、解耦电容Cd电压ud、负载电压uo和输出电感电流io
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