CN217904260U - 磁集成电感和双向dc-dc变换器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种磁集成电感以及包括该磁集成电感的双向DC‑DC变换器。所述磁集成电感，包括基板、第一磁柱、第二磁柱、第一磁片和第二磁片，所述第一磁片和所述第二磁片分别设置在所述基板的第一侧和第二侧且彼此平行，所述第一磁柱和所述第二磁柱平行设置在所述第一磁片和所述第二磁片之间。本实用新型通过将电感两两集成从而减少器件数量、缩小体积并提高功率密度。

Description

磁集成电感和双向DC-DC变换器

技术领域

本实用新型涉及变换器领域，更具体地说，涉及一种磁集成电感和双向 DC-DC变换器。

背景技术

双向DC-DC变换器是一种能实现电流转换的装置，它能让直流电能实现双向流动，在使用过程中所输出的电流可以是正的，也可以是负的，而产生的能量则可以实现双向流动，既可以从输入方流动的输出方，也可以从输出方流动的输入方。目前得益于交错并联技术的大幅降低系统输入/输出纹波、降低开关管的电流应力、提升变换器的瞬态响应速度等优势，在不间断电源、电动汽车系统、低压处理器VRM供电等双向DC-DC变换器单元中已得到广泛应用。

图1A示出现有技术的一种两相交错并联双向DC-DC变换器。图1B示出了现有技术的一种功率分散型两相交错并联双向DC-DC变换器。然而，如图 1A-1B所示，其采用的电感LA、LB、LA1、LB1、LA2、LB2均为独立电感，因此器件繁多、占用空间大、功率密度难以提高。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术的上述缺陷，提供一种磁集成电感和双向DC-DC变换器，通过将电感两两集成从而减少器件数量、缩小体积并提高功率密度。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种磁集成电感，包括基板、第一磁柱、第二磁柱、第一磁片和第二磁片，所述第一磁片和所述第二磁片分别设置在所述基板的第一侧和第二侧且彼此平行，所述第一磁柱和所述第二磁柱平行设置在所述第一磁片和所述第二磁片之间。

在本实用新型所述的磁集成电感中，所述第一磁柱包括第一磁芯和缠绕在所述第一磁芯上的第一绕组，所述第二磁柱包括第二磁芯和缠绕在所述第二磁芯上的第二绕组，所述第一绕组和所述第二绕组的缠绕方向相反或者所述第一绕组和所述第二绕组的缠绕方向相同。

在本实用新型所述的磁集成电感中，所述第一磁芯和所述第二磁芯包括圆柱形磁芯、椭圆形磁芯或方柱形磁芯，所述第一磁片和所述第二磁片包括跑道型磁片和方形磁片。

本实用新型解决其技术问题采用的另一技术方案是，构造一种磁集成电感，包括基板、第一磁柱、第二磁柱、第三磁柱、第四磁柱、第一磁片、第二磁片和第三磁片，所述第一磁片和所述第二磁片分别设置在所述基板的第一侧和第二侧，所述第三磁片设置在所述基板中部且与所述第一磁片和所述第二磁片平行，所述第一磁柱和所述第二磁柱平行设置在所述第一磁片和所述第三磁片之间，所述第三磁柱和所述第四磁柱平行设置在所述第二磁片和所述第三磁片之间。

在本实用新型所述的磁集成电感中，所述第一磁柱包括第一磁芯和缠绕在所述第一磁芯上的第一绕组，所述第二磁柱包括第二磁芯和缠绕在所述第二磁芯上的第二绕组，所述第一绕组和所述第二绕组的缠绕方向相反或者所述第一绕组和所述第二绕组的缠绕方向相同；

所述第三磁柱包括第三磁芯和缠绕在所述第三磁芯上的第三绕组，所述第四磁柱包括第四磁芯和缠绕在所述第四磁芯上的第四绕组，所述第三绕组和所述第四绕组的缠绕方向相反或者所述第三绕组和所述第四绕组的缠绕方向相同；

所述第一磁芯和所述第三磁芯合并，所述第二磁芯和所述第四磁芯合并，所述第三磁片上开气隙。

在本实用新型所述的磁集成电感中，所述第一磁芯、所述第二磁芯和所述第三磁芯包括圆柱形磁芯、椭圆形磁芯或方柱形磁芯，所述第一磁片、所述第二磁片和所述第三磁片包括跑道型磁片和方形磁片。

本实用新型解决其技术问题采用的另一技术方案是，构造一种双向 DC-DC变换器，包括第一电感、第二电感、第一开关模块、第二开关模块和输出模块，所述第一电感和所述第二电感为前述的磁集成电感。

本实用新型解决其技术问题采用的另一技术方案是，构造一种双向 DC-DC变换器，包括第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第一开关模块、第二开关模块和输出模块，所述第一电感、所述第二电感、所述第三电感和所述第四电感为前述的磁集成电感。

在本实用新型所述的双向DC-DC变换器中，所述第一电感和所述第二电感为相内电感，所述第三电感和所述第四电感为相内电感，所述第一电感和所述第二电感分别为所述第一磁柱和所述第三磁柱，所述第三电感和所述第四电感分别为所述第二磁柱和所述第四磁柱；

所述第一磁柱的第一绕组的缠绕方向与所述第三磁柱的第三绕组的缠绕方向相同，所述第二磁柱的第二绕组的缠绕方向与所述第四磁柱的第四绕组的缠绕方向相同；或所述第一磁柱的第一绕组的缠绕方向与所述第三磁柱的第三绕组的缠绕方向相反，所述第二磁柱的第二绕组的缠绕方向与所述第四磁柱的第四绕组的缠绕方向相反。

在本实用新型所述的双向DC-DC变换器中，所述第一电感和所述第二电感为相内电感，所述第三电感和所述第四电感为相内电感；

所述第一电感和所述第三电感分别为所述第一磁柱和所述第三磁柱，所述第二电感和所述第四电感分别为所述第二磁柱和所述第四磁柱；所述第一磁柱的第一绕组的缠绕方向与所述第三磁柱的第三绕组的缠绕方向相同，所述第二磁柱的第二绕组的缠绕方向与所述第四磁柱的第四绕组的缠绕方向相同；或所述第一磁柱的第一绕组的缠绕方向与所述第三磁柱的第三绕组的缠绕方向相反，所述第二磁柱的第二绕组的缠绕方向与所述第四磁柱的第四绕组的缠绕方向相反；或

所述第一电感和所述第四电感分别为所述第一磁柱和所述第三磁柱，所述第二电感和所述第三电感分别为所述第二磁柱和所述第四磁柱；所述第一磁柱的第一绕组的缠绕方向与所述第三磁柱的第三绕组的缠绕方向相同，所述第二磁柱的第二绕组的缠绕方向与所述第四磁柱的第四绕组的缠绕方向相同；或所述第一磁柱的第一绕组的缠绕方向与所述第三磁柱的第三绕组的缠绕方向相反，所述第二磁柱的第二绕组的缠绕方向与所述第四磁柱的第四绕组的缠绕方向相反。

实施本实用新型的磁集成电感，通过将电感两两集成从而减少器件数量、减少电感体积，增加感量，进而减小电流纹波，减小滤波电容体积，最终增加系统功率密度；而且可调节耦合系数，进而调节电感纹波电流与电流响应速度。并且合并磁芯后，优化出的空间也可增加磁路，绕制更多匝数，增加电感量，减少纹波。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1A示出现有技术的一种两相交错并联双向DC-DC变换器；

图1B示出了现有技术的一种功率分散型两相交错并联双向DC-DC变换器；

图2A是本实用新型的磁集成电感的优选实施例的立体图；

图2B是图2A所示的磁集成电感的侧视图；

图3A是本实用新型的磁集成电感的优选磁片的结构示意图；

图3B是本实用新型的磁集成电感的优选基板的结构示意图；

图4A是本实用新型的磁集成电感的又一优选实施例的立体图；

图4B是图4A所示的磁集成电感的侧视图；

图5A是本实用新型的双向DC-DC变换器的第一优选实施例的原理图；

图5B是本实用新型的双向DC-DC变换器的第二优选实施例的原理图；

图5C是本实用新型的双向DC-DC变换器的第三优选实施例的原理图；

图6是本实用新型的双向DC-DC变换器的等效电路图；

图7是本实用新型的双向DC-DC变换器的波形示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

图2A是本实用新型的磁集成电感的优选实施例的立体图。图2B是图2A 所示的磁集成电感的侧视图。如图2A-2B所示，本实用新型的磁集成电感，包括基板10、第一磁柱31、第二磁柱32、第一磁片21和第二磁片22，所述第一磁片21和所述第二磁片22分别设置在所述基板10的第一侧和第二侧且彼此平行，所述第一磁柱31和所述第二磁柱32平行设置在所述第一磁片21 和所述第二磁片22之间。如图2A所示，所述第一磁柱31包括第一磁芯和缠绕在所述第一磁芯上的第一绕组41，所述第二磁柱32包括第二磁芯和缠绕在所述第二磁芯上的第二绕组42。在本实用新型的一个优选实施例中，所述第一绕组41和所述第二绕组42的缠绕方向相反。在本实用新型的另一个优选实施例中，所述第一绕组41和所述第二绕组42的缠绕方向相同。在本实用新型的优选实施例中，所述第一磁芯和第二磁芯可以是圆柱形磁芯、椭圆形磁芯或方柱形磁芯，也可以采用其他任何适合的形状。所述第一磁片21和所述第二磁片22可以是跑道型磁片或方形磁片，或者其他任何适合的形状。

所述第一磁柱31、第二磁柱32、第一磁片21和第二磁片22优选通过胶水粘结在基板10上。图3A是本实用新型的磁集成电感的优选磁片的结构示意图。所述磁片21和22优选为跑道型磁片。图3B是本实用新型的磁集成电感的优选基板的结构示意图。如图3B所示，所述基板10优选为矩形塑料基板，其上设置供第一绕组41和第二绕组42穿过的开口或缝隙。

本实用新型的磁集成电感，通过将电感两两集成从而减少器件数量、缩小体积并提高功率密度。本优选实施例的磁集成电感优选可以适用于图1A中所示的两相交错并联双向DC-DC变换器。将图1A中的电感LA和电感LB采用图2A-3B所示的磁集成电感替代，可以有效减少电感器件数量、缩小电感体积和重量并提高功率密度。并且合并磁芯后，优化出的空间也可增加磁路，绕制更多匝数，增加电感量，减少纹波。当然，本实用新型的磁集成电感还可以适用于任何采用多个电感的电路，包括但不限于任何适合的双向DC-DC变换器，如图1B所示的功率分散型两相交错并联双向DC-DC变换器。

图4A是本实用新型的磁集成电感的又一优选实施例的立体图。图4B是图4A所示的磁集成电感的侧视图。如图4A-4B所示，所述磁集成电感，包括基板10、第一磁柱31、第二磁柱32、第三磁柱33、第四磁柱、第一磁片21、第二磁片22和第三磁片23，所述第一磁片21和所述第二磁片22分别设置在所述基板10的第一侧和第二侧，所述第三磁片23设置在所述基板10中部且与所述第一磁片21和所述第二磁片22平行，所述第一磁柱31和所述第二磁柱32平行设置在所述第一磁片21和所述第三磁片23之间，所述第三磁柱33 和所述第四磁柱平行设置在所述第二磁片22和所述第三磁片23之间。如前所述，所述第一磁柱31同样包括第一磁芯和缠绕在所述第一磁芯上的第一绕组，所述第二磁柱32包括第二磁芯和缠绕在所述第二磁芯上的第二绕组，所述第三磁柱33包括第三磁芯和缠绕在所述第三磁芯上的第三绕组，所述第四磁柱包括第四磁芯和缠绕在所述第四磁芯上的第四绕组。在本实用新型的一个优选实施例中，所述第一绕组和所述第二绕组的缠绕方向相反或者所述第一绕组和所述第二绕组的缠绕方向相同。在本实用新型的一个优选实施例中，所述第三绕组和所述第四绕组的缠绕方向相反或者所述第三绕组和所述第四绕组的缠绕方向相同。参见图4B所示可知，所述第一磁芯和所述第三磁芯可以合并成一根磁芯60，所述第二磁芯和所述第四磁芯可以合并成一根磁芯60，所述第三磁片23上可以设置供两个磁芯60穿过的缺口(气隙)，从而实现开气隙耦合。

结合图2A-3B所示的实施例可知，所述第一磁芯、所述第二磁芯和所述第三磁芯同样可以是圆柱形磁芯、椭圆形磁芯或方柱形磁芯，也可以采用其他任何适合的形状。所述第一磁片21、所述第二磁片22和所述第三磁片23同样可以是跑道型磁片或方形磁片，或者其他任何适合的形状。

在本优选实施例中，在一个基板上集成了四个电感，集成后两电感共用磁片，因此进一步减少器件数量、缩小体积并提高功率密度。本优选实施例的磁集成电感优选可以适用于1B所示的功率分散型两相交错并联双向DC-DC变换器。将图1B中的电感LA1、LB1、LA2、LB2替换成本实用新型的磁集成电感可以进一步有效减少电感器件数量、缩小电感体积和重量并提高功率密度。并且合并磁芯后，优化出的空间也可增加磁路，绕制更多匝数，增加电感量，减少纹波。当然，本实用新型的磁集成电感还可以适用于任何采用多个电感的电路，包括但不限于任何适合的双向DC-DC变换器。

图5A-5C示出了根据本实用新型的双向DC-DC变换器的几个优选实施例。下面进一步对其进行说明如下。如图5A-5C所示，所述双向DC-DC变换器包括电感LA1、LB1、LA2、LB2、第一开关模块100、第二开关模块200和输出模块300。所述电感LA1和LA2的同名端连接电源正极和电源负极、非同名端连接第一开关模块100的输入端。所述第一开关模块100的输出端连接输出模块300。所述电感LB1和LB2的同名端连接电源正极和电源负极、非同名端连接第二开关模块200的输入端。所述第二开关模块200的输出端连接输出模块300。所述第一开关模块100、第二开关模块200分别包括三个开关管。所述输出模块300包括输出电容C0，其输出电压V0。

在本优选实施例中，电感LA1、LB1、LA2、LB2可以采用图4A-4B所示的磁集成电感，具体实现方式如下。根据图5A-5C的电路可知，所述电感LA1 和所述电感LA2为相内电感，所述电感LB1和所述电感LB2为相内电感，即所述电感LA1与所述电感LB1和所述电感LB2为相外电感，所述电感LA2 与所述电感LB1和所述电感LB2为相外电感。

在图5A所述的优选实施例中，每一对相内电感进行集成，例如通过前述开气隙方式(即磁柱的磁芯合成并在磁片上设置对应缺口)。即如图5A所示所述电感LA1和所述电感LA2分别为所述第一磁柱31和所述第三磁柱33，所述电感LB1和所述电感LB2为所述第二磁柱32和所述第四磁柱34。

在图5A所示的优选实施例中，其磁通方向可以采用正耦合，即所述第一磁柱31的第一绕组的缠绕方向与所述第三磁柱32的第三绕组的缠绕方向相同，所述第二磁柱32的第二绕组的缠绕方向与所述第四磁柱34的第四绕组的缠绕方向相同。在图5A所示的优选实施例中，其磁通方向也可以采用反耦合，即所述第一磁柱31的第一绕组的缠绕方向与所述第三磁柱32的第三绕组的缠绕方向相反，所述第二磁柱32的第二绕组的缠绕方向与所述第四磁柱34的第四绕组的缠绕方向相反。

在图5B-5C所述的优选实施例中，将相间电感进行集成，其同样可以采用正耦合和反耦合。当然，由于控制方式交错，磁通方向多采用反耦合。

如图5B所示，所述电感LA1和所述电感LB1分别为所述第一磁柱31和所述第三磁柱33，所述电感LA2和所述电感LB2分别为所述第二磁柱32和所述第四磁柱34。类似的，可以采用正耦合，即所述第一磁柱31的第一绕组的缠绕方向与所述第三磁柱33的第三绕组的缠绕方向相同，所述第二磁柱32 的第二绕组的缠绕方向与所述第四磁柱34的第四绕组的缠绕方向相同。也可以采用反耦合，即所述第一磁柱31的第一绕组的缠绕方向与所述第三磁柱33 的第三绕组的缠绕方向相反，所述第二磁柱32的第二绕组的缠绕方向与所述第四磁柱34的第四绕组的缠绕方向相反。

如图5C所示，所述电感LA1和所述电感LB2分别为所述第一磁柱31和所述第三磁柱33，所述电感LA2和所述电感LB1分别为所述第二磁柱32和所述第四磁柱34。可以采用正耦合，即所述第一磁柱31的第一绕组的缠绕方向与所述第三磁柱33的第三绕组的缠绕方向相同，所述第二磁柱32的第二绕组的缠绕方向与所述第四磁柱34的第四绕组的缠绕方向相同。也可以采用反耦合，即所述第一磁柱31的第一绕组的缠绕方向与所述第三磁柱33的第三绕组的缠绕方向相反，所述第二磁柱32的第二绕组的缠绕方向与所述第四磁柱 34的第四绕组的缠绕方向相反。

图6示出了采用相间集成模式下的等效电路图。由图6可得：

v_L1＝L₁(di_L1/dt)-M(di_L2/dt)

v_L2＝L₂(di_L2/dt)-M(di_L1/dt)

其中v_uln:表示第n相电感两端电压，Ln表示第n相电感的电感值，M表示互感，di_Ln：t时间内电感电流变化量。

图7进一步示出了该等效电路的纹波电流，其中

反耦合电感电流峰峰值：ΔI＝V_o*D/L_eq4*f(这里根据D>0.5第IV模态)

独立电感电流峰峰值：ΔI_S＝V_o*D/L_S*f

ΔI表示电感电流变化量；D表示主开关管占空比，I表示电感电流；f表示开关管控制频率；Vo表示输出电压；I_S表示独立电感上电流，用作对比； L_S表示独立电感电的感量；Leq4表示模态IV中的等效电感量。

这里L_eq4(磁集成电感的等效电感)受互感影响，其数值大于独立电感的等效电感L_S，因此纹波更小，输出电流纹波也更小。

因此，采用本实用新型的磁集成电感，通过将电感进行磁集成，减少电感体积，增加感量，进而减小电流纹波，减小滤波电容体积，最终增加系统功率密度；而且可根据中央开气隙的体积调节耦合系数，进而调节电感纹波电流与电流响应速度。并且合并磁芯后，优化出的空间也可增加磁路，绕制更多匝数，增加电感量，减少纹波。

虽然本实用新型是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本实用新型范围的情况下，还可以对本实用新型进行各种变换及等同替代。另外，针对特定情形或材料，可以对本实用新型做各种修改，而不脱离本实用新型的范围。因此，本实用新型不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本实用新型权利要求范围内的全部实施方式。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种磁集成电感，其特征在于，包括基板、第一磁柱、第二磁柱、第一磁片和第二磁片，所述第一磁片和所述第二磁片分别设置在所述基板的第一侧和第二侧且彼此平行，所述第一磁柱和所述第二磁柱平行设置在所述第一磁片和所述第二磁片之间。

2.根据权利要求1所述的磁集成电感，其特征在于，所述第一磁柱包括第一磁芯和缠绕在所述第一磁芯上的第一绕组，所述第二磁柱包括第二磁芯和缠绕在所述第二磁芯上的第二绕组，所述第一绕组和所述第二绕组的缠绕方向相反或者所述第一绕组和所述第二绕组的缠绕方向相同。

3.根据权利要求2所述的磁集成电感，其特征在于，所述第一磁芯和所述第二磁芯包括圆柱形磁芯、椭圆形磁芯或方柱形磁芯，所述第一磁片和所述第二磁片包括跑道型磁片和方形磁片。

4.一种磁集成电感，其特征在于，包括基板、第一磁柱、第二磁柱、第三磁柱、第四磁柱、第一磁片、第二磁片和第三磁片，所述第一磁片和所述第二磁片分别设置在所述基板的第一侧和第二侧，所述第三磁片设置在所述基板中部且与所述第一磁片和所述第二磁片平行，所述第一磁柱和所述第二磁柱平行设置在所述第一磁片和所述第三磁片之间，所述第三磁柱和所述第四磁柱平行设置在所述第二磁片和所述第三磁片之间。

5.根据权利要求4所述的磁集成电感，其特征在于，所述第一磁柱包括第一磁芯和缠绕在所述第一磁芯上的第一绕组，所述第二磁柱包括第二磁芯和缠绕在所述第二磁芯上的第二绕组，所述第一绕组和所述第二绕组的缠绕方向相反或者所述第一绕组和所述第二绕组的缠绕方向相同；

所述第三磁柱包括第三磁芯和缠绕在所述第三磁芯上的第三绕组，所述第四磁柱包括第四磁芯和缠绕在所述第四磁芯上的第四绕组，所述第三绕组和所述第四绕组的缠绕方向相反或者所述第三绕组和所述第四绕组的缠绕方向相同；

所述第一磁芯和所述第三磁芯合并，所述第二磁芯和所述第四磁芯合并，所述第三磁片上开气隙。

6.根据权利要求5所述的磁集成电感，其特征在于，所述第一磁芯、所述第二磁芯和所述第三磁芯包括圆柱形磁芯、椭圆形磁芯或方柱形磁芯，所述第一磁片、所述第二磁片和所述第三磁片包括跑道型磁片和方形磁片。

7.一种双向DC-DC变换器，包括第一电感、第二电感、第一开关模块、第二开关模块和输出模块，其特征在于，所述第一电感和所述第二电感为根据权利要求1-3中任意一项所述的磁集成电感。

8.一种双向DC-DC变换器，包括第一电感、第二电感、第三电感、第四电感、第一开关模块、第二开关模块和输出模块，其特征在于，所述第一电感、所述第二电感、所述第三电感和所述第四电感为根据权利要求4-6中任意一项所述的磁集成电感。

9.根据权利要求8所述的双向DC-DC变换器，其特征在于，所述第一电感和所述第二电感为相内电感，所述第三电感和所述第四电感为相内电感，所述第一电感和所述第二电感分别为所述第一磁柱和所述第三磁柱，所述第三电感和所述第四电感分别为所述第二磁柱和所述第四磁柱；

所述第一磁柱的第一绕组的缠绕方向与所述第三磁柱的第三绕组的缠绕方向相同，所述第二磁柱的第二绕组的缠绕方向与所述第四磁柱的第四绕组的缠绕方向相同；或所述第一磁柱的第一绕组的缠绕方向与所述第三磁柱的第三绕组的缠绕方向相反，所述第二磁柱的第二绕组的缠绕方向与所述第四磁柱的第四绕组的缠绕方向相反。

10.根据权利要求8所述的双向DC-DC变换器，其特征在于，所述第一电感和所述第二电感为相内电感，所述第三电感和所述第四电感为相内电感；

所述第一电感和所述第三电感分别为所述第一磁柱和所述第三磁柱，所述第二电感和所述第四电感分别为所述第二磁柱和所述第四磁柱；所述第一磁柱的第一绕组的缠绕方向与所述第三磁柱的第三绕组的缠绕方向相同，所述第二磁柱的第二绕组的缠绕方向与所述第四磁柱的第四绕组的缠绕方向相同；或所述第一磁柱的第一绕组的缠绕方向与所述第三磁柱的第三绕组的缠绕方向相反，所述第二磁柱的第二绕组的缠绕方向与所述第四磁柱的第四绕组的缠绕方向相反；或

所述第一电感和所述第四电感分别为所述第一磁柱和所述第三磁柱，所述第二电感和所述第三电感分别为所述第二磁柱和所述第四磁柱；所述第一磁柱的第一绕组的缠绕方向与所述第三磁柱的第三绕组的缠绕方向相同，所述第二磁柱的第二绕组的缠绕方向与所述第四磁柱的第四绕组的缠绕方向相同；或所述第一磁柱的第一绕组的缠绕方向与所述第三磁柱的第三绕组的缠绕方向相反，所述第二磁柱的第二绕组的缠绕方向与所述第四磁柱的第四绕组的缠绕方向相反。

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