CN114337208A - 一种兼容单相和三相交流输入的pfc电路及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种兼容单相和三相交流输入的PFC电路及控制方法,它包括功率因数校正电路、电压检测模块和控制信号发生装置,电压检测模块与功率因数校正电路连接,并连接单相或者三相交流电网侧的输入,通过采集相应的电压电流信号,判断输入交流电网侧的电压大小控制继电器的闭合状态,再将判断后的信号输入控制信号发生装置,控制开关管的开通和关断状态,使得电路工作在单相模式或者三相模式实现不同等级的直流电压输出。本发明兼容单/三相的电源输入,应用场景广泛,既可以应用于三相交流输入的场合进行快速充电,又可以在仅有单相电源输入的情况下进行充电。一套设备可以满足不同的应用场合,大大节约了成本和提高了产品的适用性。
Description
技术领域
本发明涉及新能源充电技术领域,尤其涉及一种兼容单相和三相交流输入的PFC电路及控制方法。
背景技术
随着当下国家对于环保越来越重视,新能源产业的发展也越来越快;在出行方式的选择上,更多的人倾向于新能源汽车作为出行的第一选择。而随着新能源汽车的普及,其充电成为一种很重要的问题,车载式充电机作为一种常见的电力电子变换装置,其对电网造成的谐波污染及带来的电网的无功功率的增加也日益成为本领域急需解决的问题之一。
为了减小无功功率及降低电网侧交流电网侧流的谐波含量,通过使用PFC(功率因数校正)电路,但是充电方式受到其使用场合的电网输入条件的限制,比如在高速公路上的充电站只有三相充电电源,而在居民小区等场合多数只有单相充电电源;因此,为了能够提高充电方式的兼容性,需要PFC电路能够同时兼容单/三相交流输入的需求;但是,现有的PFC电路存在的问题有:1、PFC电感独立设计,需要三个独立电感,器件数量多,导致体积和成本高;2、开关导通过程中未考虑软开关,在高频条件下开关损耗较大,不利于装置体积的小型化和便捷化。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺点,提供了一种兼容单相和三相交流输入的PFC电路及控制方法,解决了现有技术中存在的问题。
本发明的目的通过以下技术方案来实现:一种兼容单相和三相交流输入的PFC电路,它包括功率因数校正电路和数字信号处理电路,所述功率因数校正电路的输入端连接单相或者三相交流电网侧的输入,然后输出直流,通过内部的继电器选择单相模式或者三相模式;所述数字信号处理电路与功率因数校正电路连接,并连接单相或者三相交流电网侧的输入,通过采集输入的交流电网侧电压信号、功率因数校正电路输入到数字信号处理电路的电流信号以及输出的直流电压信号,判断输入交流电网侧的电压大小控制功率因数校正电路中继电器的闭合状态和开关管的开通和关断状态,使得功率因数校正电路工作在单相模式或者三相模式实现不同等级的直流电压输出,通过输出不同的控制信号控制功率因数校正电路内部的开关管的开通和关断的延迟时间实现软开关。
所述功率因数校正电路包括三相磁集成电感、开关模块、继电器模块和直流侧滤波电路;所述三相磁集成电感的一端连接单相或三相交流电网侧的输入,另一端连接开关模块,开关模块的输出端连接直流侧滤波电路输出直流;所述继电器模块与三相磁集成电感并联,所述数字信号处理电路与继电器模块和开关模块连接,通过控制继电器的闭合状态来选择单相模式或者三相模式,通过输出不同的控制信号控制开关模块的开通和关断的延迟时间实现软开关。
所述三相磁集成电感包括两个E型磁芯和功率因数校正升压电感L1、L2以及L3;电感L1和L2的一端分别连接交流电网侧的第一相和第二相,电感L3的一端连接交流电网侧的第三相或者零线,电感L1、L2和L3的另一端连接所述开关模块;所述继电器模块与所述电感L3并联,当继电器模块导通时电感L3被短路,电路接入零线,此时通过控制开关模块的开通和关断状态使得第一相和第二相接入电路中,交错并联控制模式下,第一相和第二相的控制信号交错开来,相位相差180°,使得功率因数校正电路工作在单相工作模式中;当继电器断开时,电感L3接入第三相,此时通过控制开关模块的开通和关断状态使得第一相和第二相接入电路中,功率因数校正电路进入三相工作模式。
所述开关模块包括相互并联的三组开关组件,每组开关组件包括两个MOSFET开关管;所述电感L1、L2和L3的输出端分别连接一组开关组件的输入端,每组开关组件的输出端连接所述数字信号处理电路。
所述数字信号处理电路包括电压检测模块和控制信号发生装置,所述电压检测模块的输入端连接单相或者三相交流电网侧的输入,用于判断输入电源的类型,输出端与继电器模块的输出端和控制信号发生装置连接;所述控制信号发生装置与开关模块连接,用于控制开关模块中的开关管的开通和关断状态。
所述控制信号发生装置包括输入信号采样电路ADC1、ADC2、ADC3、三相占空比实时计算模块和单相占空比实时计算模块、判断选择模块、PWM控制模块、多个PWM模块;所述输入信号采样电路ADC1的输入端与单相或者三相交流电网侧的输入连接,用于采集输入的电压信号,其输出端与三相工作控制模块和单相工作控制模块连接;输入信号采样电路ADC2的输入端连接三相磁集成电感的输出端,用于采集输入的电流信号,其输出端与三相工作控制模块和单相工作控制模块连接;输入信号采样电路ADC3的输入端连接直流输出端,其输出端与三相工作控制模块和单相工作控制模块连接;所述三相工作控制模块和单相工作控制模块与所述电压检测模块连接,通过电压检测模块判断的输入电源类型来控制所述功率因数校正电路为单相工作模式或者三相工作模式。
一种兼容单相和三相交流输入的PFC电路的控制方法,所述控制方法包括:
电压检测模块判断交流电网侧输入的电压大小,当电压满足第一阈值时判定交流电网侧输入的为单相交流电,当电压满足第二阈值时判定交流电网侧输入的为三相交流电;其中,第一阈值为220V,第二阈值为380V;
当输入的为单相交流电时,单相控制模块控制继电器模块导通,零线接入电路,并控制开关模块中开关管的开通和关断使得第一相和第二相接入电路,交错并联控制模式下,第一相和第二相的控制信号交错开来,相位相差180°,使得功率因数校正电路工作在单相工作模式中;
当输入的为三相交流电时,三相控制模块控制继电器模块断开,第三相接入电路,并控制开关模块中开关管的开通和关断使得第一相和第二相接入电路,使得功率因数校正电路工作在三相工作模式中;
最后将交流电转换为直流电输出。
本发明具有以下优点:
1、兼容单/三相的电源输入,应用场景广泛,既可以应用于三相交流输入的场合(例如高速公路等)进行快速充电,又可以在仅有单相电源输入的情况下(例如居民小区等)进行充电。一套设备可以满足不同的应用场合,大大节约了成本和提高了产品的适用性。
2、采用磁集成装置,将传统的功率因数校正电路用到的三个升压电感集成于一起,不仅能实现原有的功能,还减少了器件数和体积。节约了成本。
3、无需借助任何辅助电路,仅利用耦合电感漏感与开关管寄生电容之间的谐振,配合时序微调,即可实现主开关管零电压开关(ZVS)开通,提高了开关管的效率,降低了损耗。
4、采用三相无整流桥拓扑结构,即在交流端输入无需额外的三相整流二极管,降低了装置的体积,减少了由于整流二极管功率器件的损耗。
附图说明
图1为本发明的电路原理示意图;
图2为控制信号发生装置的原理示意图;
图3为单相工作的实时占空比计算模块示意图;
图4为三相工作的实时占空比计算模块示意图;
图5为单相工作模式下PFC电路的等效电路示意图;
图6为三相工作模式下PFC电路的等效电路示意图;
图7为A相等效电路模态分析图;
图8为高频周期波形图;
图9为三相磁集成耦合电感的结构示意图;
图10为零电压开通时开关管电压电流波形图;
图11为A相暂态分析图;
图12为[t3-t4]阶段等效电路示意图;
图13为单相工作模式下从轻载到满载的功率因数变化波形图;
图14为三相工作模式下从轻载到满载的功率因数变化波形图;
图15为单相工作模式下10kW输出功率下的THD;
图16为三相工作模式下10kW输出功率下的THD。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本申请实施例中附图,对本申请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申请一部分实施例,而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此,以下结合附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的保护范围,而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例,本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本发明做进一步的描述。
如图1所示,本发明以减小PFC电感的数量和体积和降低开关导通损耗提高开关频率,降低PFC电路的成本和体积,具体包括功率因数校正电路和数字信号处理电路,所述功率因数校正电路的输入端连接单相或者三相交流电网侧的输入,然后输出直流,通过内部的继电器选择单相模式或者三相模式;所述数字信号处理电路与功率因数校正电路连接,并连接单相或者三相交流电网侧的输入,通过采集输入的交流电网侧电压信号、功率因数校正电路输入到数字信号处理电路的电流信号以及输出的直流电压信号,判断输入交流电网侧的大小控制功率因数校正电路中继电器的闭合状态和开关管的开通和关断状态,使得功率因数校正电路工作在单相模式或者三相模式实现不同等级的直流电压输出,通过输出不同的控制信号控制功率因数校正电路内部的开关管的开通和关断的延迟时间实现软开关。
进一步地,功率因数校正电路包括三相磁集成电感、开关模块、继电器模块和直流侧滤波电路;所述三相磁集成电感的一端连接单相或三相交流电网侧的输入,另一端连接开关模块,开关模块的输出端连接直流侧滤波电路输出直流;所述继电器模块与三相磁集成电感并联,所述数字信号处理电路与继电器模块和开关模块连接,通过控制继电器的闭合状态来选择单相模式或者三相模式,通过输出不同的控制信号控制开关模块的开通和关断的延迟时间实现软开关。
进一步地,三相磁集成电感为三相耦合电感,包括两个E型磁芯和功率因数校正升压电感L1、L2以及L3,集成电感的线圈采用铜线、铝线或其他金属材料进行绕制,磁芯采用铁氧体材料制作;电感L1和L2的一端分别连接交流电网侧的第一相和第二相,电感L3的一端连接交流电网侧的第三相或者零线,电感L1、L2和L3的另一端连接所述开关模块;所述继电器模块与所述电感L3并联,当继电器模块导通时电感L3被短路,电路接入零线,此时通过控制开关模块的开通和关断状态使得第一相和第二相接入电路中,交错并联控制模式下,第一相和第二相的控制信号交错开来,相位相差180°,使得功率因数校正电路工作在单相工作模式中;当继电器断开时,电感L3接入第三相,此时通过控制开关模块的开通和关断状态使得第一相和第二相接入电路中,功率因数校正电路进入三相工作模式。
进一步地,开关模块包括相互并联的三组开关组件,每组开关组件包括两个MOSFET开关管;所述电感L1、L2和L3的输出端分别连接一组开关组件的输入端,每组开关组件的输出端连接所述数字信号处理电路。
进一步,数字信号处理电路包括电压检测模块和控制信号发生装置,所述电压检测模块的输入端连接单相或者三相交流电网侧的输入,用于判断输入电源的类型,输出端与继电器模块的输出端和控制信号发生装置连接;所述控制信号发生装置与开关模块连接,用于控制开关模块中的开关管的开通和关断状态。
如图2所示,所述控制信号发生装置包括输入信号采样电路ADC1、ADC2、ADC3、三相占空比实时计算模块和单相占空比实时计算模块、判断选择模块、PWM控制模块、6个PWM模块;所述输入信号采样电路ADC1的输入端与单相或者三相交流电网侧的输入连接,用于采集输入的电压信号,其输出端与三相工作控制模块和单相工作控制模块连接;输入信号采样电路ADC2的输入端连接三相磁集成电感的输出端,用于采集输入的电流信号,其输出端与三相工作控制模块和单相工作控制模块连接;输入信号采样电路ADC3的输入端连接直流输出端,其输出端与三相工作控制模块和单相工作控制模块连接;所述三相工作控制模块和单相工作控制模块与所述电压检测模块连接,通过电压检测模块判断的输入电源类型来控制所述功率因数校正电路为单相工作模式或者三相工作模式。
如图5所示,单相交流电源输入时,A相、B相合并成一个端子L端子,C相定义为N端子,单相交流电分别从L端子和N端子输入;当三相交流电源输入时,如图6所示,三相交流电分别从A相、B相、C相输入。本实例中单相交流输入时,输出电压为400V,三相交流输入时,输出电压为600V,功率为10kW。
本发明采用的电感为三相耦合电感,如图9所示,不仅实现了独立电感的所有功能,还减少了器件数,减小了装置的体积,除此之外,耦合电感能更好地抑制电流纹波。所述三相耦合电感采用正向耦合的耦合方式,包括磁芯以及三个升压电感L1、L2、L3,磁芯中柱开有气隙。集成电感的线圈采用铜线、铝线或其他金属材料进行绕制,磁芯采用铁氧体材料制作。由于要满足输出功率为10kW,本实例中选取的电感值为150μH,互感系数为0.8。
本发明的具体控制原理为:电压输入时,经过电压检测模块,判断电压的性质,再根据单相或者三相交流电源输入的不同,控制继电器模块开通和关断,并切换控制策略。如图3所示,在单相输入的时候,通过电压检测模块,判断电压类型,控制继电器开通,通过ADC3对输出电压的采样,将采样数据与参考电压作比较,比较后的电压差值经过一个PI控制器,再与ADC1采样得到的输入电压的信号作比较,经过一个PI控制器,再将ADC2采样得到的电感电流值与它比较得到一个误差信号,将此误差信号分别与交错180°的三角波进行比较输出占空比,输出的占空比经过判断模块的选择输出进入PWM控制模块,输出6路PWM信号,分别控制6个开关管;如图4所示,在三相输入的时候,通过电压检测模块,判断电压类型,控制继电器开通,ADC1、ADC2、ADC3采集到的输入电压,输入电流、输出电流信号等交流分量先转化为dq坐标下的直流分量,实现解耦,参考电压和输出电压的采样信号经过比较后通过PI调节和0参考量分别与dq直流分量比较,再经过PI调节和空间矢量调制后得到三组占空比信号,然后输出到判断选择模块进行输出,通过PWM控制模块生成6路PWM信号,进行开关管的控制。本实例设置的开关频率为100kHz。
本发明所述的单相工作模式下的控制策略和三相工作模式下的控制策略基于图9所示的耦合电感的漏感和MOSFET的寄生电容谐振,通过延迟开关管的开通时间实现开关管的ZVS(零电压导通)。因为本发明设计的PFC电路为图腾柱式无桥拓扑结构,输入电压正负半周期工作模式相同,所以选取正半周期进行具体工作模式的分析。因为本发明提出的PFC电路为对称的电路结构,所以以其中一相为例进行具体工作过程的叙述。由附图7和图8可知在一个开关周期有6种电路模态,分别是[t0~t1],[t1~t2],[t2~t3]。[t3~t4],[t4~t5],[t5~t6]。以下内容分为开关模态具体分析和软开关实现条件具体分析两个部分。
下面对各开关模态的工作情况进行具体分析,在分析之前,假设所有器件均为理想器件。因为单相和三相工作情况下均为对称结构,所以选取其中一相,如图7和图8所示进行工作状态分析:
[t0~t1]:t0时刻,S2关断,电感Lk和电容Cs1、Cs2发生谐振,电容Cs1电压开始下降,同时Cs2电压开始上升。
[t1~t2]:t1时刻,Cs1两端电压为零,开关管S1反向导通,电感Leq中的电流线性下降,直至电感电流下降为零。
[t2~t3]:t2时刻,开关管S1在驱动信号控制下开通,电感中的电流降至零后继续反向增大。
[t3~t4]:t3时刻,开关管S1在驱动信号控制下关断,电感Lk与电容Cs1、Cs2谐振,电容Cs1的电压上升至输入电压,电容Cs2的电压减少至零。
[t4~t5]:t4时刻,开关管S2两端电压为零,电感Leq的电流经由开关管S2续流。
[t5~t6]:t5时刻,开关管S2两端的电压始终为零,驱动信号控制开关管S2导通,实现ZVS(零电压开通)。
下面对于软开关的实现条件进行分析,如图10和图11所示,为开关管电压及电感电流波形图和A相暂态分析电路等效图。
[t0~t1]:开关管S2截止,L与开关管S1、S2的寄生电容Cs1、Cs2谐振,因为此时间段谐振时间较短,所以忽略电感电流的变化,近似i(0)=i(1)=Ipeak。
可以得到开关管S1的开通延迟为
[t2~t3]:t2时,开关管S1已经完全导通,电感L已经从放电状态过度到了充电状态,通过耦合电感将电压箝位至Vin,但是开关管S2仍为Vo,此时Lk两端将承受幅值为Vo的反向电压,电感电流继续下降,其下降速率可以表示为di/dt=-Vo/Lk,所以,电感下降至零所需的时间为tr2=t2-t1=Lk((i(t2)-[(1-D)Ts/2+tr1])(Vo-Vin)/Leq)/Vo
其中D为占空比,Leq为耦合电感的输入等效电感,Ts为开关周期
如图12所示,[t3~t4]:t3时,电感电流已经下降到零,开关管S1上寄生电容的电荷通过回路逐渐释放,同时开关管S2的寄生电容也对其今生充电,共同与Lk发生谐振,使得开关管S2的电压逐渐下降到零,此时段结束。因为寄生电容与Lk的谐振过程无外加激励源,可以视为二阶电路零输入相应,可以得到:u1=Vo(ω0/ω1)e-δt sin(ω1t+θ)
其中:δ=Req/(2Lk);ω0=sqrt(2LkCs);ω1=sqrt(ω0 2-δ2);θ=arctan(ω1/δ)
求解上式在t>0区间的第一个零点,可以得到S2两端电压下降至零的时间t4。
[t4~t5]:t4时,开关管两端的电压已经谐振到零,电感电流反流,电流值逐渐上升到零,这段时间为软开关的裕量时间,这个阶段开关管S2一直保持两端电压为零,可以实现ZVS(零电压开通)。所以,可以得到软开关裕量时间为:
[t5~t6]:t5时,开关管S2实现零电压开通,电感电压线性增加。T6时,驱动信号消失,开关管S2截止,一个高频工作周期结束。
根据以上可以得到一个若想实现零电压开通的开关管的开通延迟为tr1,开关管的关断延迟区间为[t4-t3,t4-t3+tzvs],只要关断延迟在这个区间内,就可以实现软开关,本实例中关断延迟取100ns为关断延迟,所以通过控制开关管的开通和关断的延迟即可实现软开关。通过实现开关管的软开关,可以减少导通损耗,使得开关管能够在更高的频率下工作。
图13-16为设计实例分别在单相和三相不同交流输入电源下,从轻载到满载的功率因数和THD的曲线图,说明设计实例在整个负载中都有较高的功率因数和较低的THD值。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式,不应看作是对其他实施例的排除,而可用于各种其他组合、修改和环境,并能够在本文所述构想范围内,通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围,则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。
Claims (7)
1.一种兼容单相和三相交流输入的PFC电路,其特征在于:它包括功率因数校正电路和数字信号处理电路,所述功率因数校正电路的输入端连接单相或者三相交流电网侧的输入,然后输出直流,通过内部的继电器选择单相模式或者三相模式;所述数字信号处理电路与功率因数校正电路连接,并连接单相或者三相交流电网侧的输入,通过采集输入的交流电网侧电压信号、功率因数校正电路输入到数字信号处理电路的电流信号以及输出的直流电压信号,判断输入交流电网侧的电压大小控制功率因数校正电路中继电器的闭合状态和开关管的开通和关断状态,使得功率因数校正电路工作在单相模式或者三相模式实现不同等级的直流电压输出,通过输出不同的控制信号控制功率因数校正电路内部的开关管的开通和关断的延迟时间实现软开关。
2.根据权利要求1所述的一种兼容单相和三相交流输入的PFC电路,其特征在于:所述功率因数校正电路包括三相磁集成电感、开关模块、继电器模块和直流侧滤波电路;所述三相磁集成电感的一端连接单相或三相交流电网侧的输入,另一端连接开关模块,开关模块的输出端连接直流侧滤波电路输出直流;所述继电器模块与三相磁集成电感并联,所述数字信号处理电路与继电器模块和开关模块连接,通过控制继电器的闭合状态来选择单相模式或者三相模式,通过输出不同的控制信号控制开关模块的开通和关断的延迟时间实现软开关。
3.根据权利要求2所述的一种兼容单相和三相交流输入的PFC电路,其特征在于:所述三相磁集成电感包括两个E型磁芯和功率因数校正升压电感L1、L2以及L3;电感L1和L2的一端分别连接交流电网侧的第一相和第二相,电感L3的一端连接交流电网侧的第三相或者零线,电感L1、L2和L3的另一端连接所述开关模块;所述继电器模块与所述电感L3并联,当继电器模块导通时电感L3被短路,电路接入零线,此时通过控制开关模块的开通和关断状态使得第一相和第二相接入电路中,交错并联控制模式下,第一相和第二相的控制信号交错开来,相位相差180°,使得功率因数校正电路工作在单相工作模式中;当继电器断开时,电感L3接入第三相,此时通过控制开关模块的开通和关断状态使得第一相和第二相接入电路中,功率因数校正电路进入三相工作模式。
4.根据权利要求3所述的一种兼容单相和三相交流输入的PFC电路,其特征在于:所述开关模块包括相互并联的三组开关组件,每组开关组件包括两个MOSFET开关管;所述电感L1、L2和L3的输出端分别连接一组开关组件的输入端,每组开关组件的输出端连接所述数字信号处理电路。
5.根据权利要求2所述的一种兼容单相和三相交流输入的PFC电路,其特征在于:所述数字信号处理电路包括电压检测模块和控制信号发生装置,所述电压检测模块的输入端连接单相或者三相交流电网侧的输入,用于判断输入电源的类型,输出端与继电器模块的输出端和控制信号发生装置连接;所述控制信号发生装置与开关模块连接,用于控制开关模块中的开关管的开通和关断状态。
6.根据权利要求5所述的一种兼容单相和三相交流输入的PFC电路,其特征在于:所述控制信号发生装置包括输入信号采样电路ADC1、ADC2、ADC3、三相占空比实时计算模块和单相占空比实时计算模块、判断选择模块、PWM控制模块、多个PWM模块;所述输入信号采样电路ADC1的输入端与单相或者三相交流电网侧的输入连接,用于采集输入的电压信号,其输出端与三相工作控制模块和单相工作控制模块连接;输入信号采样电路ADC2的输入端连接三相磁集成电感的输出端,用于采集输入的电流信号,其输出端与三相工作控制模块和单相工作控制模块连接;输入信号采样电路ADC3的输入端连接直流输出端,其输出端与三相工作控制模块和单相工作控制模块连接;所述三相工作控制模块和单相工作控制模块与所述电压检测模块连接,通过电压检测模块判断的输入电源类型来控制所述功率因数校正电路为单相工作模式或者三相工作模式。
7.一种兼容单相和三相交流输入的PFC电路的控制方法,其特征在于:所述控制方法包括:
电压检测模块判断交流电网侧输入的电压大小,当电压满足第一阈值时判定交流电网侧输入的为单相交流电,当电压满足第二阈值时判定交流电网侧输入的为三相交流电;
当输入的为单相交流电时,单相控制模块控制继电器模块导通,零线接入电路,并控制开关模块中开关管的开通和关断使得第一相和第二相接入电路,交错并联控制模式下,第一相和第二相的控制信号交错开来,相位相差180°,使得功率因数校正电路工作在单相工作模式中;
当输入的为三相交流电时,三相控制模块控制继电器模块断开,第三相接入电路,并控制开关模块中开关管的开通和关断使得第一相和第二相接入电路,使得功率因数校正电路工作在三相工作模式中;
最后将交流电转换为直流电输出。
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