CN112564052A - 充电桩及其四脚封装开关器件短路保护电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种充电桩及其四脚封装开关器件短路保护电路，其中，所述短路保护电路：采样电路，采样电路分别与四脚封装开关器件的功率源极和驱动源极相连，采样电路用于实时获取并处理寄生电感生成的感应电压；偏置电路，偏置电路与采样电路相连，偏置电路用于生成偏置电压以偏置调整处理后的感应电压；比较电路，比较电路与偏置电路相连，比较电路用于根据偏置调整后的感应电压来判断四脚封装开关器件所在电路是否短路，若四脚封装开关器件所在电路短路，则生成相应的控制信号；关断电路，关断电路与比较电路相连，关断电路用于在四脚封装开关器件所在电路短路时，根据控制信号控制四脚封装开关器件关断。本发明电路简单，短路保护响应迅速。

Description

充电桩及其四脚封装开关器件短路保护电路

技术领域

本发明涉及短路保护技术领域，具体涉及一种四脚封装开关器件短路保护电路和一种充电桩。

背景技术

随着电动汽车的发展和技术进步，电动汽车的功能越来越强大，对续航里程的要求也越来越大，这就要求与之配套的充电桩或充电模块产品向着大功率、高效率、小型化、功能丰富的方向发展，同样也要求相关的电路器件具有高耐压，高开关频率和高耐温的特性，尤其是其中的功率半导体器件。但是，由于功率半导体器件，例如SIC MOSFET技术和工艺的限制，SIC MOSFET的开通门电压较小，同时在高开关频率的桥式拓扑电路中上下MOS管是互补导通的，不能同时导通，高频电路中存在的一些干扰会导致关断的MOS管误导通出现短路现象。然而，现在的短路保护电路大多是对主电路电流进行检测，缺乏针对单独功率半导体器件的检测方式，往往导致对单独功率半导体器件的短路保护响应不及时。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术中的技术问题之一。为此，本发明的一个目的在于提出一种四脚封装开关器件短路保护电路，能够在开关器件出现瞬时短路电流时进行及时地短路保护，从而能够提高开关器件可靠性和使用寿命，并且电路简单，无需在主功率回路增加其它器件，从而能够保证主功率回路的性能。

为达到上述目的，本发第一方面实施例提出了一种四脚封装开关器件短路保护电路，所述四脚封装开关器件包括栅极、漏极、功率源极和驱动源极，并且所述功率源极和所述驱动源极之间具有寄生电感，所述短路保护电路：采样电路，所述采样电路分别与所述四脚封装开关器件的功率源极和驱动源极相连，所述采样电路用于实时获取并处理所述寄生电感生成的感应电压；偏置电路，所述偏置电路与所述采样电路相连，所述偏置电路用于生成偏置电压以偏置调整处理后的所述感应电压；比较电路，所述比较电路与所述偏置电路相连，所述比较电路用于根据偏置调整后的所述感应电压来判断所述四脚封装开关器件所在电路是否短路，若所述四脚封装开关器件所在电路短路，则生成相应的控制信号；关断电路，所述关断电路与所述比较电路相连，所述关断电路用于在所述四脚封装开关器件所在电路短路时，根据所述控制信号控制所述四脚封装开关器件关断。

根据本发明实施例提出的四脚封装开关器件短路保护电路，通过采样电路实时获取并处理所述寄生电感生成的感应电压，并通过偏置电路生成偏置电压以偏置调整处理后的感应电压，然后通过比较电路根据偏置调整后的感应电压来判断所述四脚封装开关器件所在电路是否短路，并在四脚封装开关器件所在电路短路时，生成相应的控制信号以通过关断电路控制四脚封装开关器件关断，由此，能够在开关器件出现瞬时短路电流时进行及时地短路保护，从而能够提高开关器件可靠性和使用寿命，并且电路简单，无需在主功率回路增加其它器件，从而能够保证主功率回路的性能。

另外，根据本发明上述实施例提出的四脚封装开关器件短路保护电路还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的一个实施例，所述关断电路用于在所述四脚封装开关器件所在电路短路时，根据所述控制信号控制所述四脚封装开关器件关断，具体包括：根据所述控制信号关断所述四脚封装开关器件的驱动装置，并将所述控制信号发送至所述四脚封装开关器件的控制装置。

根据本发明的一个实施例，所述采样电路为差分采样电路，所述差分采样电路包括：第一电阻，所述第一电阻的一端与所述四脚封装开关器件的驱动源极相连；第二电阻，所述第二电阻的一端与所述四脚封装开关器件的功率源极相连；差分放大器，所述差分放大器的同相输入端与所述第一电阻的另一端相连，所述差分放大器的反相输入端与所述第二电阻的另一端相连；第三电阻，所述第三电阻的一端与所述差分放大器的同相输入端相连，所述第三电阻的另一端接地；第四电阻，所述第四电阻的一端与所述差分放大器的反相输入端相连，所述第四电阻的另一端与所述差分放大器的输出端相连。

根据本发明的一个实施例，所述偏置电路包括：第五电阻，所述第五电阻的一端与所述差分放大器的输出端相连；第六电阻，所述第六电阻的一端与所述第五电阻的另一端相连；第一电源，所述第一电源与所述第六电阻的另一端相连。

根据本发明的一个实施例，所述比较电路为电压比较电路，所述电压比较电路包括：第一电压比较器，所述第一电压比较器的同相输入端输入第一基准电压，所述第一电压比较器的反相输入端与所述第五电阻的另一端相连；第二电压比较器，所述第二电压比较器的反相输入端输入第二基准电压，所述第二电压比较器的同相输入端与所述第五电阻的另一端相连；其中，所述第一电压比较器的输出端与所述第二电压比较器的输出端相连。

根据本发明的一个实施例，所述关断电路包括光耦电路和逻辑电路，所述光耦电路和所述逻辑电路相连。

根据本发明的一个实施例，所述光耦电路包括：第七电阻，所述第七电阻的一端连接所述第一电源；光电耦合器，所述光电耦合器的第一引脚与所述第七电阻的另一端相连，所述光电耦合器的第二引脚与所述第一电压比较器和所述第二电压比较器的输出端相连，所述光电耦合器的第四引脚连接到第二电源；第八电阻，所述第八电阻的一端与所述光电耦合器的第三引脚相连，所述第八电阻的另一端接地。

根据本发明的一个实施例，所述逻辑电路包括与非门逻辑芯片，所述与非门逻辑芯片的输入端与所述光电耦合器的第三引脚相连，所述与非门逻辑芯片的输出端分别与所述四脚封装开关器件的驱动装置和控制装置相连。

根据本发明的一个实施例，所述第一基准电压为低压基准值，所述第二基准电压为高压基准值。

为达到上述目的，本发第二方面实施例提出了一种充电桩，包括第一方面实施例提出的四脚封装开关器件短路保护电路。

根据本发明实施例提出的充电桩，包括上述实施例的四脚封装开关器件短路保护电路，能够在开关器件出现瞬时短路电流时进行及时地短路保护，从而能够提高开关器件可靠性，以及产品的使用寿命。

附图说明

图1为本发明一个实施例的四脚封装开关器件的结构示意图；

图2为本发明实施例的四脚封装开关器件短路保护电路的方框示意图；

图3为本发明一个实施例的四脚封装开关器件短路保护电路的拓扑图；

图4为本发明一个实施例的主功率回路中的四脚封装开关器件短路保护电路的拓扑图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明提出的四脚封装开关器件短路保护电路是基于以下研究得到的：如图1所示，四脚封装开关器件100，例如四脚封装SIC MOSFET包括栅极101、漏极102、功率源极103和驱动源极104，并且功率源极103和驱动源极104之间具有寄生电感，而该寄生电感可在导通电流经过四脚封装开关器件100的功率源极103时产生感应电压，并且在四脚封装开关器件100所在电路出现短路时，瞬间会有较大的电流流过四脚封装开关器件100的功率源极103，从而可使寄生电感产生一个较大的感应电压，并且该感应电压大小近似等于四脚封装开关器件100的功率源极103和驱动源极104之间的电压差，所以可通过采样四脚封装开关器件100的功率源极103和驱动源极104之间的电压差来获取寄生电感的感应电压，从而判断四脚封装开关器件100所在电路是否短路，并在出现短路时进行短路保护。

如图2所示，本发明实施例的四脚封装开关器件短路保护电路包括采样电路10、偏置电路20、比较电路30和关断电路40。其中，采样电路10分别与四脚封装开关器件100的功率源极103和驱动源极104相连，采样电路10用于实时获取并处理寄生电感生成的感应电压；偏置电路20与采样电路10相连，偏置电路20用于生成偏置电压以偏置调整处理后的感应电压；比较电路30与偏置电路20相连，比较电路30用于根据偏置调整后的感应电压来判断四脚封装开关器件100所在电路是否短路，若四脚封装开关器件100所在电路短路，则生成相应的控制信号；关断电路40与比较电路30相连，关断电路40用于在四脚封装开关器件100所在电路短路时，根据控制信号控制四脚封装开关器件100关断。

具体地，如图3所示，采样电路10的输入端分别与四脚封装开关器件100的功率源极103和驱动源极104相连，采样电路10的输出端通过偏置电路20与比较电路30的输入端相连，比较电路30的输出端可与关断电路40相连。其中，差分采样电路10用于实时获取寄生电感生成的感应电压，并对感应电压进行处理，并将处理后的感应电压与偏置电路20生成的偏置电压进行结合以输入到比较电路30来判断四脚封装开关器件100所在电路是否短路，若四脚封装开关器件100所在电路短路，则比较电路30生成相应的控制信号并发送到关断电路40以控制四脚封装开关器件100关断。

在本发明的一个实施例中，如图3所示，采样电路10为差分采样电路10，差分采样电路10包括：第一电阻，即R8，第一电阻，即R8的一端与四脚封装开关器件100的驱动源极104相连；第二电阻，即R9，第二电阻，即R9的一端与四脚封装开关器件100的功率源极103相连；差分放大器，即U1，差分放大器，即U1的同相输入端与第一电阻，即R8的另一端相连，差分放大器，即U1的反相输入端与第二电阻，即R9的另一端相连；第三电阻，即R10，第三电阻，即R10的一端与差分放大器，即U1的同相输入端相连，第三电阻，即R10的另一端接地；第四电阻，即R11，第四电阻，即R11的一端与差分放大器，即U1的反相输入端相连，第四电阻，即R11的另一端与差分放大器，即U1的输出端相连。通过差分采样电路10可对获取的感应电压进行差分放大处理。

在本发明的一个实施例中，如图3所示，偏置电路20包括：第五电阻，即R12，第五电阻，即R12的一端与差分放大器，即U1的输出端相连；第六电阻，即R13，第六电阻，即R13的一端与第五电阻，即R12的另一端相连；第一电源，即VCC2，第一电源，即VCC2与第六电阻，即R13的另一端相连。

其中，需要说明的是，流经四脚封装开关器件100，例如四脚封装SIC MOSFET的短路电流既可从漏极流向功率源极103，也可从功率源极103流向漏极，所以在寄生电感上可产生极性相反的感应电压，即可出现正、负感应电压，因此，通过设置偏置电路20可生成偏置电压，例如正向偏置电压与感应电压相结合可将负感应电压转换为正感应电压。

在本发明的一个实施例中，如图3所示，比较电路30为电压比较电路30，电压比较电路30包括：第一电压比较器，即U2，第一电压比较器，即U2的同相输入端输入第一基准电压，第一电压比较器，即U2的反相输入端与第五电阻，即R12的另一端相连；第二电压比较器，即U3，第二电压比较器，即U3的反相输入端输入第二基准电压，第二电压比较器，即U3的同相输入端与第五电阻，即R12的另一端相连；其中，第一电压比较器，即U2的输出端与第二电压比较器，即U3的输出端相连。

其中，第一基准电压可为低压基准值，第二基准电压可为高压基准值，并且第一基准电压，即低压基准值可根据短路电流保护值、寄生电感电感量和四脚封装开关器件100的开关周期计算得到的负电压值加上偏置电路20生成的偏置电压获得，第二基准电压，即高压基准值可根据短路电流保护值、寄生电感电感量和四脚封装开关器件100的开关周期计算得到的正电压值加上偏置电路20生成的偏置电压获得。

其中，需要说明的是，短路电流保护值可选取四脚封装开关器件100，例如四脚封装SIC MOSFET耐冲击电流值，或者可在耐冲击电流值范围内自定义一个短路电流值作为短路电流保护值选取，在本发明中可在耐冲击电流值范围内自定义一个短路电流值作为短路电流保护值，当然，在本发明的另一个实施例中也可选取耐冲击电流值作为短路电流保护值；寄生电感电感量可从四脚封装开关器件100，例如四脚封装SIC MOSFET的使用手册中获得；此外，上述正、负电压值可通过电感感应电压公式，即U＝L*ΔIds/Δt(其中，L为寄生电感电感量，I为短路电流保护值，t为四脚封装开关器件100的开关周期)根据短路电流保护值、寄生电感电感量和四脚封装开关器件100的开关周期计算得到。

在本发明的一个实施例中，如图3所示，关断电路40包括光耦电路401和逻辑电路402，其中，光耦电路401包括：第七电阻，即R14，第七电阻，即R14的一端连接第一电源，即VCC2；光电耦合器，即OC1，光电耦合器，即OC1的第一引脚与第七电阻，即R14的另一端相连，光电耦合器，即OC1的第二引脚与第一电压比较器，即U2和第二电压比较器，即U3的输出端相连，光电耦合器，即OC1的第四引脚连接到第二电源，即VCC3；第八电阻，即R15，第八电阻，即R15的一端与光电耦合器，即OC1的第三引脚相连，第八电阻，即R15的另一端接地。

进一步地，如图3所示，逻辑电路402可包括与非门逻辑芯片，即U4，并且与非门逻辑芯片，即U4的输入端，例如输入端3可与光电耦合器，即OC1的第三引脚相连，此外，与非门逻辑芯片，即U4的输出端，即输出端1可分别与四脚封装开关器件100的驱动装置200和控制装置300相连，具体地，与非门逻辑芯片，即U4的输出端，即输出端1可通过第九电阻，即R16连接到四脚封装开关器件100的控制装置200，即DSP装置，并可通过第十电阻，即R17连接到四脚封装开关器件100的驱动装置300，即缓冲器IC装置。

下面将结合图3和图4进一步说明本发明实施例的四脚封装开关器件短路保护电路的工作过程。其中，图3所示的四脚封装开关器件100的导通电流方向为I1所示方向，具体从四脚封装开关器件100的漏极流向功率源极103。

当图4中另一个四脚封装开关器件100是导通时，图3所示的四脚封装开关器件100应处于关断状态，若图3所示的四脚封装开关器件100也处于导通状态，则四脚封装开关器件100所在电路短路。此时，参照图3，四脚封装开关器件100中的寄生电感瞬间产生一个较大的感应电压，并且该感应电压大小近似等于四脚封装开关器件100的功率源极103和驱动源极104之间的电压差，此功率源极103和驱动源极104两端电压差可通过第一电阻，即R8和第二电阻，即R9分别进入差分放大器，即U1的同相输入端和反相输入端，然后可通过差分放大器，即U1的输出端输入到偏置电路20，并加上偏置电路20生成的偏置电压Vbias后得到Uo1电压，然后可将其送到第一电压比较器，即U2和第二电压比较器，即U3中。

其中，若此时Uo1大于第二基准电压，即高压基准值Vref4，则第二电压比较器，即U3输出控制信号，即高电平，此时，关断电路40，即光耦电路中的光电耦合器原边将截止，副边不导通，因此光电耦合器副边输出的Uo2将由高电平反转成低电平并输入与非门逻辑芯片，即U4的输入端3，从而可使输入的电平实现电平反转，可由低电平反转为高电平，此时与非门逻辑芯片，即U4输出端1输出的U03可为高电平，并且该高电平一方面可输入到四脚封装开关器件100的驱动装置300，即缓冲器IC中，以禁止缓冲器IC将PWM驱动信号传输到四脚封装开关器件100的驱动信号输入脚，从而可从硬件上同时关断短路电路中的四脚封装开关器件100以断开电路，另一方面可输入到四脚封装开关器件100的控制装置200，即DSP装置中，以向DSP装置发送短路故障信息，关断短路电路中的四脚封装SIC MOSFET的驱动信号以断开电路，从而可从软件上同时关断短路电路中的四脚封装开关器件100以断开电路。

同理，若四脚封装开关器件100的导通电流方向与I1所示方向相反，则Uo1电压将为一个较小的值，进一步地，若Uo1小于第一基准电压，即低压基准值Vref3，则第一电压比较器，即U2输出控制信号，即高电平，同时与非门逻辑芯片，即U4输出端1输出的U03也是高电平，为避免重复，这里不在进行赘述。

其中，需要说明的是，与非门逻辑芯片，即U4的两个输入端2和3，只要有一个为低电平，那么输出端1输出的U03就是高电平，即只要图4所示的两个碳化硅MOSFET的同时导通发生短路时，与非门逻辑芯片，即U4的输出端1就将输出高电平，只有在图4所示的两个碳化硅MOSFET所在电路没有发生短路时，与非门逻辑芯片，即U4的输出端1可输出低电平。

根据本发明实施例提出的四脚封装开关器件短路保护电路，通过采样电路实时获取并处理寄生电感生成的感应电压，并通过偏置电路生成偏置电压以偏置调整处理后的感应电压，然后通过比较电路根据偏置调整后的感应电压来判断四脚封装开关器件所在电路是否短路，并在四脚封装开关器件所在电路短路时，生成相应的控制信号以通过关断电路控制四脚封装开关器件关断，由此，能够在开关器件出现瞬时短路电流时进行及时地短路保护，从而能够提高开关器件可靠性和使用寿命，并且电路简单，无需在主功率回路增加其它器件，从而能够保证主功率回路的性能。

对应上述实施例提出的四脚封装开关器件短路保护电路，本发明还提出了一种充电桩。

本发明实施例提出的充电桩，包括上述实施例提出的四脚封装开关器件短路保护电路，其具体实施方式参照上述实施例。

根据本发明实施例提出的充电桩，包括上述实施例的四脚封装开关器件短路保护电路，能够在开关器件出现瞬时短路电流时进行及时地短路保护，从而能够提高开关器件可靠性，以及产品的使用寿命

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

Claims (10)

1.一种四脚封装开关器件短路保护电路，所述四脚封装开关器件包括栅极、漏极、功率源极和驱动源极，并且所述功率源极和所述驱动源极之间具有寄生电感，其特征在于，所述短路保护电路：

采样电路，所述采样电路分别与所述四脚封装开关器件的功率源极和驱动源极相连，所述采样电路用于实时获取并处理所述寄生电感生成的感应电压；

偏置电路，所述偏置电路与所述采样电路相连，所述偏置电路用于生成偏置电压以偏置调整处理后的所述感应电压；

比较电路，所述比较电路与所述偏置电路相连，所述比较电路用于根据偏置调整后的所述感应电压来判断所述四脚封装开关器件所在电路是否短路，若所述四脚封装开关器件所在电路短路，则生成相应的控制信号；

关断电路，所述关断电路与所述比较电路相连，所述关断电路用于在所述四脚封装开关器件所在电路短路时，根据所述控制信号控制所述四脚封装开关器件关断。

2.根据权利要求1所述的四脚封装开关器件短路保护电路，其特征在于，所述关断电路用于在所述四脚封装开关器件所在电路短路时，根据所述控制信号控制所述四脚封装开关器件关断，具体包括：

根据所述控制信号关断所述四脚封装开关器件的驱动装置，并将所述控制信号发送至所述四脚封装开关器件的控制装置。

3.根据权利要求2所述的四脚封装开关器件短路保护电路，其特征在于，所述采样电路为差分采样电路，所述差分采样电路包括：

第一电阻，所述第一电阻的一端与所述四脚封装开关器件的驱动源极相连；

第二电阻，所述第二电阻的一端与所述四脚封装开关器件的功率源极相连；

差分放大器，所述差分放大器的同相输入端与所述第一电阻的另一端相连，所述差分放大器的反相输入端与所述第二电阻的另一端相连；

第三电阻，所述第三电阻的一端与所述差分放大器的同相输入端相连，所述第三电阻的另一端接地；

第四电阻，所述第四电阻的一端与所述差分放大器的反相输入端相连，所述第四电阻的另一端与所述差分放大器的输出端相连。

4.根据权利要求3所述的四脚封装开关器件短路保护电路，其特征在于，所述偏置电路包括：

第五电阻，所述第五电阻的一端与所述差分放大器的输出端相连；

第六电阻，所述第六电阻的一端与所述第五电阻的另一端相连；

第一电源，所述第一电源与所述第六电阻的另一端相连。

5.根据权利要求4所述的四脚封装开关器件短路保护电路，其特征在于，所述比较电路为电压比较电路，所述电压比较电路包括：

第一电压比较器，所述第一电压比较器的同相输入端输入第一基准电压，所述第一电压比较器的反相输入端与所述第五电阻的另一端相连；

第二电压比较器，所述第二电压比较器的反相输入端输入第二基准电压，所述第二电压比较器的同相输入端与所述第五电阻的另一端相连；

其中，所述第一电压比较器的输出端与所述第二电压比较器的输出端相连。

6.根据权利要求5所述的四脚封装开关器件短路保护电路，其特征在于，所述关断电路包括光耦电路和逻辑电路，所述光耦电路和所述逻辑电路相连。

7.根据权利要求6所述的四脚封装开关器件短路保护电路，其特征在于，其中，所述光耦电路包括：

第七电阻，所述第七电阻的一端连接所述第一电源；

光电耦合器，所述光电耦合器的第一引脚与所述第七电阻的另一端相连，所述光电耦合器的第二引脚与所述第一电压比较器和所述第二电压比较器的输出端相连，所述光电耦合器的第四引脚连接到第二电源；

第八电阻，所述第八电阻的一端与所述光电耦合器的第三引脚相连，所述第八电阻的另一端接地。

8.根据权利要求7所述的四脚封装开关器件短路保护电路，其特征在于，其中，所述逻辑电路包括与非门逻辑芯片，所述与非门逻辑芯片的输入端与所述光电耦合器的第三引脚相连，所述与非门逻辑芯片的输出端分别与所述四脚封装开关器件的驱动装置和控制装置相连。

9.根据权利要求8所述的四脚封装开关器件短路保护电路，其特征在于，其中，所述第一基准电压为低压基准值，所述第二基准电压为高压基准值。

10.一种充电桩，其特征在于，包括根据权利要求1-9中任一项所述的四脚封装开关器件短路保护电路。

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