CN213094079U - 一种大功率高频开关电源模块及装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型的一种大功率高频开关电源模块及装置，包括交流输入端口、整流桥模块、功率因数校正电路、LC滤波电路、至少一个高频DC/DC变换模块、输出滤波电容、输出电流传感器、直流输出端口、控制模块；所述高频DC/DC变换模块由高频逆变桥、谐振电感、谐振电容、高频变压器、高频整流电路、高频滤波电容、电流互感器组成，N个高频DC/DC变换模块的输入端并联在一起，输出端串联或并联在一起。本实用新型整体结构简单，可实现大功率、低纹波、低负载效应输出，可解决一些设备供电电源难以同时满足高功率、高效率、高功率因数、高功率密度、低输出纹波且容易更换和维护的技术问题。
Description
技术领域
本实用新型涉及电源技术领域，具体涉及一种大功率高频开关电源模块及装置。
背景技术
一些设备对其供电的电源存在诸多限制。电源必须同时满足高功率、高效率、低纹波、低负载效应、高功率因数等技术参数要求。
如某些专用发射机系统就需要同时满足这些要求的大功率电源供电，并且还要求电源中开关器件的工作频率尽量高，这不仅是为了减小变压器和输出滤波器的体积，更是为了避免电源与特定系统中其它设备的工作频率相耦合而产生干扰。
实际上，开关损耗与开关频率成正比，在非常高的开关频率下(如100kHz)，为满足电源高效率要求，电源必须采取软开关技术，且必须采用特定的半导体开关器件。
另外，这类电源还必须满足质量和大小限制，即具有高功率密度，以便安装在特定的有限空间中，并方便单人操作，这就需要采用高频开关电源技术，通过提高开关频率来减小变压器和输出滤波器的体积，从而减小电源设备的体积。
常规的LLC谐振变换器输出电压范围窄，需要采用频率调制，调频控制复杂；常规的移相控制全桥变换器输出电压应力高，高频整流输出部分需要续流和滤波电感。
此外，这类电源还必须要满足模块化任意扩展需求，各电源模块可以任意互换，可冗余工作，以提高电源供电系统的安全可靠性。
实用新型内容
本实用新型提出的一种大功率高频开关电源模块及装置，其体积小、重量轻的大功率直流供电电源，其效率高、功率因数高、输出纹波低、负载效应低，从而实现某些专用设备需要大功率、高效率、高功率密度、高性能的供电电源需求。
为实现上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：
一种大功率高频开关电源模块由交流输入端口、整流桥模块、无源功率因数校正电路、LC滤波电路、至少一个高频DC/DC变换模块、输出滤波电容、输出电流传感器、直流输出端口、控制模块组成。
所述交流输入端口接三相交流电，三相交流电依次经过整流桥模块、功率因数校正电路、滤波电路、高频DC/DC变换模块、输出滤波电容后，变换成高性能的直流电，通过直流输出端口输出给负载供电。
所述整流桥模块为六只二极管组成三相桥式不可控整流电路，输入为三相交流电，输出为有较大脉动的直流电，输出端正负极之间并联连接功率因数校正电路。
所述功率因数校正电路由电容器和电阻器串联组成，串联后的一端连接整流桥模块输出的正极，另一端连接整流桥模块输出的负极，功率因数校正电路和高频DC/DC模块及其控制模块一起，可确保电源在额定负载下工作时电源功率因数高于0.95，功率因数校正电路的输出连接LC滤波电路。
所述LC滤波电路由一个滤波电感和两个滤波电容组成，其中第一滤波电容并联在功率因数校正电路输出的正、负极母排之间，第一滤波电容的输出正负母排上串联滤波电感，第二滤波电容并联在滤波电感输出的正负极母排之间，LC滤波电路的输出连接到高频DC/DC模块的输入。
所述高频DC/DC变换模块为N个，N为大于等于1的自然数，N个DC/DC 变换模块的输入端并联在一起，接到LC滤波电路的输出，N个DC/DC变换模块的输出端串联在一起，串联后的输出正负极之间并联连接输出滤波电容，在电源总的输出正极或负极母排上安装直流电流传感器，用于测量电源输出电流，输出滤波电容的两端连接到直流输出端口，通过直流输出端口输出稳定的直流给负载供电。
所述高频DC/DC变换模块由高频逆变桥、谐振电感、谐振电容、高频变压器、高频整流滤波电路、电流互感器组成。所述高频逆变桥由四只功率开关管及其反并联二极管和并联寄生电容组成，每个桥臂的两个功率开关管180°互补导通，两个桥臂的导通角相差一个相位，即移相角，通过调节移相角的大小即可调节输出电压；逆变桥的输出回路串联有谐振电感、高频变压器原边、谐振电容，同时在该回路中还安装有电流互感器，通过谐振电感、高频变压器原边漏感、谐振电容和开关管寄生电容之间的谐振和逆变桥的移相控制，使四只开关管都可工作在软开关状态，从而大大减少高频工作时的开关损耗，提高电源的工作效率；高频变压器副边的输出作为高频整流滤波电路的输入；所述高频整流滤波电路由四只二极管和一个高频滤波电容组成，四只二极管组成单相桥式不可控整流电路，输出的正负极之间并联连接高频滤波电容，滤波电容的输出即为所述高频DC/DC变换模块的输出。
所述高频DC/DC变换模块中高频逆变桥使用的功率开关管为碳化硅功率 MOSFET、高频整流滤波电路中使用的二极管为快恢复二极管，碳化硅半导体器件在耐压、温度和功率密度方面比传统的硅半导体器件都有很大提高，因而有利于提高电源的开关频率，大幅降低电源的整机体积。
所述控制模块由数字控制器和模拟控制器组成，数字控制器以微处理器及其外围电路为核心，通过通信端口接收上位机或远控系统的指令，实现电源的启停、输出电压的设定，同时通过ADC实时采集电源的输出电压、输出电流等运行参数，一旦发现运行参数异常，超出设定的保护阈值范围，将立即执行保护，并将采集的电源运行参数和电源运行状态通过通信端口实时上传到上位机或远控系统；模拟控制器由运算放大器、电阻、电容、二极管和集成控制芯片等模拟器件组成，模拟控制器可根据远控下发的电源输出电压设定值、电源输出电流测量值、电源输出电压测量值、各高频DC/DC变换模块中逆变桥输出电流测量值进行PID运算，调节移相角的大小，输出PWM脉冲信号控制各高频 DC/DC变化模块中逆变桥开关管的导通和关断，确保电源输出电压值跟踪输出电压设定值，同时通过检测逆变桥输出电流，实时调节逆变桥中功率开关管的移相角，确保电源输入端保持高的功率因数，并且在多个高频开关电源模块并联运行时实现各电源模块的均流。
另一方面，本实用新型还公开一种大功率高频开关电源装置，包括M个如上述的大功率高频开关电源模块，M为大于1的自然数；
M个大功率高频开关电源模块并联，所有大功率高频开关电源模块均具有相同的结构和接口。
进一步的，还包括监控模块和操作显示模块；
M个高频开关电源模块分别与监控模块通信连接，操作显示模块也与监控模块通信连接；
所述高频开关电源模块、监控模块和操作显示模块，组装后安装在电磁屏蔽机箱中作为一个整体即大功率高频开关电源柜。
进一步的，大功率高频开关电源柜设有总交流输入端口和总直流输出端口，M个高频开关电源模块的交流输入端口并联接到电源柜总交流输入端口，直流输出端口并联在一起接到电源柜总直流输出端口，在总直流输出母排上安装有总输出电流传感器，在电源柜体内安装有监控模块和操作显示模块；
所述监控模块供电为总交流输入中的任一相，监控模块与各高频开关电源模块内的控制模块通信，控制各电源模块的开启与关闭，设定各电源模块的输出电压、输出电流，采集各电源模块实时电压值、电流值，监控各电源模块的工作状态和告警信息，并对每个电源模块的输出电流和总输出电流传感器的输出电流进行比较，调节每个电源模块的输出电流动态平衡，实现均流，确保电源设备安全、可靠运行；
所述操作显示模块与监控模块通信，在操作显示模块上可对电源的工作参数进行设置，对电源的工作状态和运行信息进行显示；
所述监控模块还设置有光纤通信端口，可实现电源与上级控制柜或远程后台监控系统通信。
由上述技术方案可知，本实用新型的大功率高频开关电源模块具有以下有益效果：
(1)本实用新型通过简单结构的无源PFC校正装置和控制电路，实现了电源的高功率因数；
(2)本实用新型将移相控制全桥电路和LLC谐振电路相结合，既实现了开关管的软开关，又实现了恒频控制和宽输出电压范围，实现了电源的高效率和高功率变换；
(3)本实用新型可工作在很高的开关频率(100kHz及以上)，电源整体体积小、重量轻，具有很高的功率密度，可安装在有限空间中；
(4)本实用新型整体结构简单，可实现大功率、低纹波、低负载效应输出，从而实现某些专用设备需要大功率、高效率、高功率密度、高性能的供电电源需求。
附图说明
图1是本实用新型的多个高频DC/DC变换模块的输出端串联的电路原理图；
图2是本实用新型的控制模块原理框图；
图3是本实用新型多个高频DC/DC变换模块的输出端并联的电路原理图；
图4是本实用新型多个大功率高频开关电源模块并联工作时的原理框图。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例一：
参见图1和图2，一种大功率高频开关电源模块由交流输入端口1、整流桥模块2、功率因数校正电路3、LC滤波电路4、至少一个高频DC/DC变换模块5(本实施实例以三个高频DC/DC变换模块为例进行介绍)、输出滤波电容8、输出电流传感器9、直流输出端口10、控制模块11组成。
所述交流输入端口1接三相交流电，三相交流电依次经过整流桥模块2、功率因数校正电路3、滤波电路4、高频DC/DC变换模块5～7、输出滤波电容8后，变换成高性能的直流电，通过直流输出端口10输出给负载供电。
所述整流桥模块2为六只二极管组成三相桥式不可控整流电路，输入为三相交流电，输出为有较大脉动的直流电，输出端正负极之间并联连接功率因数校正电路2。
所述功率因数校正电路2由电容器和电阻器串联组成，串联后的一端连接整流桥模块2输出的正极，另一端连接整流桥模块2输出的负极，功率因数校正电路3和高频DC/DC变换模块5～7及其控制模块11一起，可确保电源在额定负载下工作时电源功率因数高于0.95，功率因数校正电路3的输出连接LC滤波电路 4。
所述LC滤波电路4由一个滤波电感和两个滤波电容组成，其中第一滤波电容41并联在功率因数校正电路3输出的正负极母排之间，第一滤波电容41的输出正负母排上串联滤波电感42，第二滤波电容43并联在滤波电感输42出的正负极母排之间，LC滤波电路4的输出连接到高频DC/DC模块5～7的输入。
所述高频DC/DC变换模块可以为N个，N为大于等于1的自然数，本实施实例以三个高频DC/DC变换模块为例进行介绍，第一DC/DC变换模块5、第二DC/DC变换模块6、第三DC/DC变换模块7的输入端并联在一起，接到LC滤波电路4的输出，三个DC/DC变换模块的输出端串联在一起，串联后的输出正负极之间并联连接输出滤波电容8，在电源总的输出正极或负极母排上安装直流电流传感器 9，用于测量电源输出电流，输出滤波电容8的两端连接到直流输出端口10，通过直流输出端口输出稳定的直流给负载供电。
所述高频DC/DC变换模块由高频逆变桥51、谐振电感52、谐振电容53、高频变压器54、高频整流电路56、高频滤波电容57、电流互感器55组成。所述高频逆变桥51由四只功率开关管及其反并联二极管和并联寄生电容组成，每个桥臂的两个功率开关管180°互补导通，两个桥臂的导通角相差一个相位，即移相角，通过调节移相角的大小即可调节输出电压；逆变桥51的输出回路串联有谐振电感52、谐振电容53、高频变压器54原边，同时在该回路中还安装有电流互感器55，通过谐振电感52、谐振电容53、高频变压器54原边漏感和开关管寄生电容之间的谐振和逆变桥的移相控制，使四只开关管都可工作在软开关状态，从而大大减少高频工作时的开关损耗，提高电源的工作效率；高频变压器 54副边的输出作为高频整流电路56的输入；所述高频整流电路56由四只二极管组成单相桥式不可控整流电路，输出的正负极之间并联连接高频滤波电容57，高频滤波电容57的输出即为所述高频DC/DC变换模块的输出。
所述高频DC/DC变换模块中高频逆变桥51使用的功率开关管为碳化硅功率MOSFET，高频整流电路56中使用的二极管为快恢复二极管，碳化硅半导体器件在耐压、温度和功率密度方面比传统的硅半导体器件都有很大提高，因而有利于提高电源的开关频率，大幅降低电源的整机体积。
参见图2，所述控制模块11由数字控制器12和模拟控制器13组成，数字控制器12以微处理器及其外围电路为核心，通过通信端口24接收上位机或远控系统的指令，实现电源的启停、输出电压的设定，同时通过内部集成的ADC数据采集端口23实时采集电源的输出电压、输出电流等运行参数，一旦发现运行参数异常，超出设定的保护阈值范围，将立即执行保护，并将采集的电源运行参数和电源运行状态通过通信端口24实时上传到上位机或远控系统；模拟控制器 13由运算放大器、电阻、电容、二极管和集成控制芯片等模拟器件组成，模拟控制器可根据上位机或远控下发的电源输出电压设定值14、电源输出电流测量值15、电源输出电压测量值16、各高频DC/DC变换模块中逆变桥输出电流测量值17～19进行PID运算，调节移相角的大小，输出PWM脉冲信号控制各高频 DC/DC变化模块中逆变桥开关管的导通和关断，确保电源输出电压值跟踪电压设定值，同时通过检测逆变桥输出电流，实时调节逆变桥中功率开关管的移相角，确保电源输入端保持高的功率因数，在多个高频开关电源模块并联运行时实现各电源模块的均流。
实施例二：
参见图3，本实施实例与实施实例一的不同之处在于：第一DC/DC变换模块 5、第二DC/DC变换模块6、第三DC/DC变换模块7的输出端并联在一起，并联后的输出正负极之间再并联连接输出滤波电容8，其它部分的电路拓扑结构和工作原理均与实施实例一相同。本实施实例的一种大功率高频开关电源模块可应用在需要更高效率，更大电流输出场合。
实施例三：
参见图4，本实用新型实施例还公开一种大功率高频开关电源装置，包括M 个大功率高频开关电源模块(M为大于1的自然数)，安装在电磁屏蔽机柜中作为一个整体，比如前三个大功率高频开关电源模块即为大功率高频开关电源模块31、32、33，大功率高频开关电源模块采用模块化设计，M个电源模块可任意并联实现更高功率的输出，所有模块均具有相同的结构和接口，多个电源模块可任意并联和互换，便于设备组合、派生、更换和冗余使用，M个高频开关电源模块和监控模块34、操作显示模块35一起，安装在一个柜体39中，组成大功率高频开关电源模块柜，满足更高功率负载供电需求。
参见图4，大功率高频开关电源模块柜设有总交流输入端口30和总直流输出端口38，第一高频开关电源模块31、第二高频开关电源模块32、第M高频开关电源模块33的交流输入端口1并联接到电源柜总交流输入端口30，直流输出端口10并联在一起接到电源柜总直流输出端口38，在总直流输出母排上安装有总输出电流传感器36，在电源柜体内安装有监控模块34和操作显示模块35；所述监控模块34供电为总交流输入中的任一相，监控模块34与各高频开关电源模块内的控制模块11通信，控制各电源模块的开启与关闭，设定各电源模块的输出电压、输出电流，采集各电源模块实时电压值、电流值，监控各电源模块的工作状态和告警信息，并对每个电源模块的输出电流和总输出电流传感器36的输出电流进行比较，调节每个电源模块的输出电流动态平衡，实现均流，确保电源设备安全、可靠运行；所述操作显示模块35与监控模块34通信，在操作显示模块35上可对电源的工作参数进行设置，对电源的工作状态和运行信息进行显示；所述监控模块34还设置有光纤通信端口37，可实现电源与上级控制柜或远程后台监控系统通信。
综上所述，本实用新型的大功率高频开关电源模块，不仅可以提供高效率、低输出纹波、大功率的直流输出，而且电源体积小、重量轻，输入功率因数高；大功率开关电源采用模块化设计，其电源模块可任意并联冗余工作，提供更高的功率输出，而且输出均流特性好，更换操作便捷，能安全可靠供电。
以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (9)
1.一种大功率高频开关电源模块，其特征在于：
包括交流输入端口(1)、整流桥模块(2)、功率因数校正电路(3)、LC滤波电路(4)、至少一个高频DC/DC变换模块(5)、输出滤波电容(8)、输出电流传感器(9)、直流输出端口(10)、控制模块(11)；
所述交流输入端口(1)接三相交流电，三相交流电依次经过整流桥模块(2)、功率因数校正电路(3)、LC滤波电路(4)、高频DC/DC变换模块(5)、输出滤波电容(8)，变换成高性能的直流电，通过直流输出端口(10)给负载供电，电源输出母排上安装有电流传感器(9)；
所述高频DC/DC变换模块(5)由高频逆变桥(51)、谐振电感(52)、谐振电容(53)、高频变压器(54)、高频整流电路(56)、高频滤波电容(57)、电流互感器(55)组成，所述高频逆变桥(51)由四只功率开关管及其反并联二极管和并联寄生电容组成，逆变桥(51)的输出回路串联有谐振电感(52)、谐振电容(53)、高频变压器(54)原边，同时在该回路中还安装有电流互感器(55)，高频变压器(54)副边的输出作为高频整流电路(56)的输入，高频整流电路(56)的输出正负极之间并联连接高频滤波电容(57)；
所述控制模块(11)由数字控制器(12)和模拟控制器(13)组成，数字控制器(12)以微处理器及其外围电路为核心，通过通信端口(24)接收上位机或远控系统的指令，通过数据采集端口(23)采集电源运行数据，通过模拟量输出端口下发电压设定值(14)给模拟控制器；
模拟控制器(13)由模拟元器件组成，根据电源输出电压设定值(14)、电源输出电流测量值(15)、电源输出电压测量值(16)、高频DC/DC变换模块中逆变桥输出电流测量值进行PID运算，调节移相角的大小，输出PWM脉冲信号控制高频DC/DC变化模块中逆变桥开关管的导通和关断，确保电源输出电压值跟踪电压设定值。
2.根据权利要求1所述的大功率高频开关电源模块，其特征在于：
所述高频DC/DC变换模块(5)为N个，N为大于等于1的自然数，N个高频DC/DC变换模块的输入端并联在一起，接到LC滤波电路(4)的输出，N个高频DC/DC变换模块的输出端串并联即串联或并联在一起，串并联后的输出正负极之间并联连接输出滤波电容(8)。
3.根据权利要求1所述的大功率高频开关电源模块，其特征在于：
所述整流桥模块(2)，为六只二极管组成三相桥式不可控整流电路，输入为三相交流电，输出为有较大脉动的直流电，输出端正负极之间并联连接功率因数校正电路(3)，功率因数校正电路(3)的输出连接LC滤波电路(4)；
所述功率因数校正电路(3)为无源功率因数校正电路，由电阻器和电容器串联组成，串联后的一端连接整流桥模块(2)输出的正极，另一端连接整流桥模块(2)输出的负极。
4.根据权利要求1所述的大功率高频开关电源模块，其特征在于：所述高频DC/DC变换模块的高频逆变桥(51)中四个功率开关管采用PWM移相控制，四只开关管均工作在软开关状态。
5.根据权利要求1所述的大功率高频开关电源模块，其特征在于：
所述高频DC/DC变换模块中高频逆变桥(51)使用的功率开关管采用碳化硅功率MOSFET，高频整流电路(56)中使用的二极管为快恢复二极管。
6.根据权利要求3所述的大功率高频开关电源模块，其特征在于：
所述LC滤波电路(4)由一个滤波电感和两个滤波电容组成，其中第一滤波电容并联在功率因数校正电路(3)输出的正、负极母排之间，第一滤波电容的输出正负母排上串联滤波电感，第二滤波电容并联在滤波电感输出的正负极母排之间，LC滤波电路(4)的输出连接到高频DC/DC变换模块(5)的输入。
7.一种大功率高频开关电源装置，其特征在于：
包括M个如权利要求2所述的大功率高频开关电源模块，M为大于1的自然数；
M个大功率高频开关电源模块并联，所有大功率高频开关电源模块均具有相同的结构和接口。
8.根据权利要求7所述的一种大功率高频开关电源装置，其特征在于：
还包括监控模块(34)和操作显示模块(35)；
M个高频开关电源模块分别与监控模块(34)通信连接，操作显示模块(35)也与监控模块(34)通信连接；
所述高频开关电源模块、监控模块(34)和操作显示模块(35)，组装后安装在电磁屏蔽机柜中作为一个整体即大功率高频开关电源柜。
9.根据权利要求8所述的一种大功率高频开关电源装置，其特征在于：
大功率高频开关电源柜设有总交流输入端口(30)和总直流输出端口(38)，M个高频开关电源模块的交流输入端口并联接到电源柜总交流输入端口(30)，直流输出端口(10)并联在一起接到电源柜总直流输出端口(38)，在总直流输出母排上安装有总输出电流传感器(36)，在电源柜体内安装有监控模块(34)和操作显示模块(35)；
所述监控模块(34)供电为总交流输入中的任一相，监控模块(34)与各高频开关电源模块内的控制模块(11)通信，控制各电源模块的开启与关闭，设定各电源模块的输出电压、输出电流，采集各电源模块实时电压值、电流值，监控各电源模块的工作状态和告警信息，并对每个电源模块的输出电流和总输出电流传感器(36)的输出电流进行比较，调节每个电源模块的输出电流动态平衡，实现均流，确保电源设备安全、可靠运行；
所述操作显示模块(35)与监控模块(34)通信，在操作显示模块(35)上可对电源的工作参数进行设置，对电源的工作状态和运行信息进行显示；
所述监控模块(34)还设置有光纤通信端口(37)，可实现电源与上级控制柜或远程后台监控系统通信。
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| CN202021207447.3U CN213094079U (zh) | 2020-06-24 | 2020-06-24 | 一种大功率高频开关电源模块及装置 |
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2020
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| CN117240125B (zh) * | 2023-11-15 | 2024-04-05 | 深圳市恒运昌真空技术股份有限公司 | 电源功率控制电路、控制方法、射频电源及电源系统 |
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Assignee: Anhui Xingtai Financial Leasing Co.,Ltd. Assignor: ANHUI JINYI POWER TECHNOLOGY CO.,LTD. Contract record no.: X2022980017806 Denomination of utility model: A high-power high-frequency switching power supply module and device Granted publication date: 20210430 License type: Exclusive License Record date: 20221010 |
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Denomination of utility model: A high-power high-frequency switching power supply module and device Effective date of registration: 20221011 Granted publication date: 20210430 Pledgee: Anhui Xingtai Financial Leasing Co.,Ltd. Pledgor: ANHUI JINYI POWER TECHNOLOGY CO.,LTD. Registration number: Y2022980017971 |
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Granted publication date: 20210430 Pledgee: Anhui Xingtai Financial Leasing Co.,Ltd. Pledgor: ANHUI JINYI POWER TECHNOLOGY CO.,LTD. Registration number: Y2022980017971 |
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Assignee: Anhui Xingtai Financial Leasing Co.,Ltd. Assignor: ANHUI JINYI POWER TECHNOLOGY CO.,LTD. Contract record no.: X2022980017806 Date of cancellation: 20240327 |
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