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Hintergrund
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<Gebiet der Erfindung>
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einschaltstrom-Unterdrückungsschaltung.
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<Beschreibung des Stands der Technik>
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Im Fall des Einschaltens einer Stromquelle einer Vorrichtung (Last) kann ein Strom mit hoher Stromstärke (Einschaltstrom), der einen stationären Strom übertrifft, von der Stromquelle zu der Last fließen. Da sich der Einschaltstrom negativ auf jeden Ort der Vorrichtung auswirken kann, ist eine Einschaltstrom-Unterdrückungsschaltung zum Unterdrücken des Einschaltstroms bekannt.
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Zum Beispiel offenbart das Patentdokument 1 eine Einschaltstrom-Unterdrückungsschaltung, die das Prinzip einer Abwärts-Zerhacker-Schaltung verwendet. Diese Einschaltstrom-Unterdrückungsschaltung ist eine Schaltung zum Ausgeben von elektrischer Leistung aus einem Paar von Ausgangsanschlüssen an eine Last, die eine Gleichstromquelle als Eingabe verwendet. Die Einschaltstrom-Unterdrückungsschaltung umfasst eine Reihenschaltung aus einer Spule und einem FET zwischen einer positiven Elektrode der Gleichstromquelle und einem Ausgangsanschluss. Der andere Ausgangsanschluss ist mit einer Masse der Gleichstromquelle verbunden und eine Rücklaufdiode ist mit der Spule antiparallel geschaltet. Zudem ist ein Kondensator zwischen einem Ausgangsanschluss und der Masse der Gleichstromquelle ausgebildet.
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In dieser Einschaltstrom-Unterdrückungsschaltung wird eine Steuerspannung von einer Ansteuerschaltung an ein Gate des FET entsprechend einem Hochfrequenzimpulssignal ausgegeben und ein Schaltvorgang des FET wird entsprechend dieser Steuerspannung durchgeführt. Wenn eine Eingangsspannung, die von dem FET geschaltet wird, an die Spule angelegt wird, fließt ein Strom nur für ein Ein-Intervall (Leitintervall) des FET durch den FET und der Kondensator wird geladen. Für ein Nicht-Leitintervall des FET wird das Aufladen des Kondensators gestoppt und ein Strom der Spule verringert, während er durch die Spule und die Diode zirkuliert. Der Kondensator wird bei jedem Hochfrequenzimpulssignal durch einen solchen Zyklus geladen. In diesem Fall wird ein Spitzenwert des Ladestroms allmählich kleiner und wird bei Beendigung des Ladens des Kondensators null.
[Patentdokument 1]
JP-A-8-275383 -
Gemäß dem Stand der Technik verwendet eine Technik, die in Patentdokument 1 offenbart wird, eine Spule als Induktor. In einer Vorrichtung, die eine große Stromstärke verwendet, wird ein elektrischer Draht mit großem Durchmesser verwendet und die Spule muss mit einem elektrischen Draht gewickelt sein. Als Ergebnis gibt es ein Problem mit dem Vergrößern der Schaltung. Zudem erfordert in dem Fall eines elektrischen Drahts mit großem Durchmesser die Wickelarbeit der Spule Zeit und Aufwand. Als Ergebnis gibt es ein Problem mit dem komplizierten Herstellungsvorgang.
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Zudem werden bei einer Einschaltstrom-Unterdrückungsschaltung Leistungsfestigkeitscharakteristiken eines Schaltelements unter der Prämisse eines Spitzenstromstärkewerts eines unterdrückten Einschaltstroms gewählt. Im Fall der Verwendung eines Schaltelements mit einer großen Leistungskapazität kann eine Spitze des unterdrückten Einschaltstroms in ausreichendem Maß zulässig sein. Andererseits kann, da ein Stromstärkewert dann, wenn der Einschaltstrom schwächer wird, ausreichend kleiner als der Spitzenstromstärkewert ist, eine große Differenz zwischen den beiden Stromstärkewerten verursacht werden. Als Ergebnis gibt es ein Problem damit, dass die Leistungskapazität des Schaltelements nicht ausreichend genutzt wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kann eine Einschaltstrom-Unterdrückungsschaltung einen Einschaltstrom angemessen unterdrücken und zugleich eine Leistungskapazität eines Schaltelements nutzen.
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Eine oder mehrere Ausführungsformen sehen eine Einschaltstrom-Unterdrückungsschaltung zum Unterdrücken eines Einschaltstroms, der zu einer Last fließt, vor, die einen Eingangskondensator und ein Paar von Ausgangsanschlüssen umfasst. Die Einschaltstrom-Unterdrückungsschaltung ist mit Folgendem versehen: einem Schaltelement, das mit der Stromquelle verbunden ist und ein/aus-gesteuert ist, einem ersten Induktor, der zwischen dem Schaltelement und einem Verbindungspunkt zwischen dem einen Ausgangsanschluss und einer Elektrode des Eingangskondensators angeschlossen ist, einer Diode, deren Kathode mit einem Verbindungspunkt zwischen dem Schaltelement und dem ersten Induktor verbunden ist, einem zweiten Induktor, der zwischen einer Anode der Diode und einem Verbindungspunkt zwischen der anderen Elektrode des Eingangskondensators und dem anderen Ausgangsanschluss angeschlossen ist, und einem Steuerteil zum Steuern des Schaltelements. Das Paar der Ausgangsanschlüsse ist mit einer Stromquelle verbunden. Das Paar der Ausgangsanschlüsse ist mit dem Eingangskondensator parallel geschaltet und gibt einen Eingangsstrom aus der Stromquelle aus. Der erste Induktor und der zweite Induktor sind jeweils aus einer ringförmigen magnetischen Substanz mit einer vorgegebenen Länge entlang einer axialen Richtung aufgebaut, um einen Umfang eines elektrischen Drahts, der ein Strompfad ist, abzudecken. Der Steuerteil steuert das Schaltelement, um eine Differenz zwischen einer elektrischen Leistung, die auf das Schaltelement dann angewendet wird, wenn der Einschaltstrom auftritt, und einer elektrischen Leistung, die auf das Schaltelement angewendet wird, wenn sich der Einschaltstrom abschwächt, zu verringern.
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In der Einschaltstrom-Unterdrückungsschaltung von einer oder mehreren Ausführungsformen kann der Steuerteil das Schaltelement gemäß einem vorgegebenen Schaltintervall steuern und ein anschließender Strom kann überwacht werden, wenn das Schaltelement eingeschaltet wird, und das Schaltelement kann bis zu dem nächsten Schaltintervall ausgeschaltet werden, wenn die Stromstärke einen vorgegebenen Grenzwert erreicht.
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In der Einschaltstrom-Verhinderungsschaltung von einer oder mehreren Ausführungsformen kann der Steuerteil die Ein-Aus-Steuerung des Schaltelements durch Vergleichen einer Spannung eines Trägers, die periodisch variiert, mit einer Ende-zu-Ende-Spannung des Eingangskondensators ausführen.
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Gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen kann verhindert werden, dass eine große Differenz zwischen der elektrischen Leistung, die auf das Schaltelement dann angewendet wird, wenn der Einschaltstrom auftritt, und der elektrischen Leistung, die auf das Schaltelement angewendet wird, wenn sich der Einschaltstrom abschwächt, verursacht wird. Als Ergebnis kann der Einschaltstrom angemessen unterdrückt werden und zugleich eine Leistungskapazität des Schaltelements effektiv genutzt werden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist ein Schaltdiagramm, das eine Anordnung einer Einschaltstrom-Unterdrückungsschaltung gemäß einer ersten Ausführungsform konzeptuell zeigt.
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2 ist eine erklärende Darstellung, die eine Anordnung eines ersten und eines zweiten Induktors schematisch zeigt.
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3A und 3B sind erklärende Darstellungen, die ein Funktionsprinzip der Einschaltstrom-Unterdrückungsschaltung schematisch zeigen.
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4A und 4B sind erklärende Darstellungen, die den Übergang einer Stromstärken-Wellenform und einer Spannungs-Wellenform zeigen.
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5A und 5B sind erklärende Darstellungen, die experimentelle Ergebnisse beim Verwenden der Einschaltstrom-Unterdrückungsschaltung zeigen.
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6 ist eine erklärende Darstellung, die einen Übergang einer Einschaltstromstärke zeigt.
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7 ist eine erklärende Darstellung, die einen Betrieb der Einschaltstrom-Unterdrückungsschaltung gemäß der ersten Ausführungsform zeigt.
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8 ist ein Schaltdiagramm, das eine Anordnung einer Einschaltstrom-Unterdrückungsschaltung gemäß einer zweiten Ausführungsform zeigt.
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9 ist eine erklärende Darstellung, die einen Betrieb der Einschaltstrom-Unterdrückungsschaltung gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt.
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Genaue Beschreibung
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(Erste Ausführungsform)
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1 ist ein Schaltdiagramm, das eine Anordnung einer Einschaltstrom-Unterdrückungsschaltung 2 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt. Die Einschaltstrom-Unterdrückungsschaltung 2 gemäß der Ausführungsform ist eine Schaltung, die elektrische Leistung an eine Last ausgibt, indem sie eine Gleichstromquelle 1 als Eingabe verwendet und verhindert, dass ein Einschaltstrom von der Gleichstromquelle 1 (wie beispielsweise einer Batterie) zu der Last fließt. Die Einschaltstrom-Unterdrückungsschaltung 2 umfasst hauptsächlich einen FET 5, eine Steuereinheit 6, einen ersten und einen zweiten Induktor 8 und eine Rücklaufdiode 9.
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Zudem umfasst die Last einen Eingangskondensator 10 und ein Paar von Ausgangsanschlüssen 3, 4 und beispielsweise trifft ein Wechselrichter auf die Last zu.
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Der Eingangskondensator 10 ist mit der Gleichstromquelle 1 durch die Einschaltstrom-Unterdrückungsschaltung 2 verbunden und ist auf der Eingangsseite des Paars von Ausgangsanschlüssen 3, 4 angeordnet.
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Das Paar von Ausgangsanschlüssen 3, 4 ist mit dem Eingangskondensator 10 parallel geschaltet und gibt einen Eingangsstrom aus der Gleichstromquelle 1 aus. Ein Lastelement (nicht gezeigt) ist zwischen diesen Ausgangsanschlüssen 3, 4 angeschlossen. Ein Ausgangsanschluss 3 entspricht der positiven Elektrodenseite der Gleichstromquelle 1 und der andere Ausgangsanschluss 4 entspricht der Masseseite der Gleichstromquelle 1.
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Der FET 5 ist ein mit der Gleichstromquelle 1 verbundenes Schaltelement und eine Ein-Aus-Steuerung des Schaltelements wird durchgeführt. Konkret ist ein Drain des FET 5 mit der positiven Elektrodenseite der Gleichstromquelle 1 verbunden und eine Source des FET 5 mit einem Ausgangsanschluss 3 durch den ersten Induktor 8 verbunden. Zudem ist ein Gate des FET 5 mit der Steuereinheit 6 verbunden. Wenn ein Gate-Signal in das Gate des FET 5 eingegeben wird, wird der FET 5 eingeschaltet (Leitung) und zudem wird dann, wenn das Gate-Signal nicht in das Gate des FET 5 eingegeben wird, der FET 5 ausgeschaltet (Nicht-Leitung). Daneben können als das Schaltelement andere Schaltelemente als der FET (Feldeffekttransistor) verwendet werden.
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Die Steuereinheit 6 ist eine Einheit zum Steuern der Einschaltstrom-Unterdrückungsschaltung 2 und umfasst einen Gate-Ansteuerteil 6a, einen Steuerteil 6b und einen Stromstärke-Detektionsteil 6c. Der Gate-Ansteuerteil 6a wird durch den Steuerteil 6b gesteuert und gibt ein Gate-Signal an das Gate des FET 5 aus. Wenn das Gate-Signal aus dem Gate-Ansteuerteil 6a eingegeben wird, wird eine vorbestimmte Steuerspannung an das Gate des FET 5 angelegt und der FET 5 wird eingeschaltet. Der Steuerteil 6b steuert den Gate-Ansteuerteil 6a basierend auf einem Stromstärkewert, der von dem Stromstärke-Detektionsteil 6c detektiert wird. Der Stromstärke-Detektionsteil 6c ist eine Einrichtung zum Detektieren einer Stromstärke (einer Einschaltstromstärke), die aus der Gleichstromquelle 1 zu der Last fließt, und zwar konkret der Stromstärke, die durch den FET 5 fließt. Die Einzelheiten eines Verfahrens zum Steuern der Einschaltstrom-Unterdrückungsschaltung 2 durch die Steuereinheit 5 werden nachfolgend beschrieben.
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Der erste Induktor 8 ist auf der positiven Elektrodenseite der Gleichstromquelle 1 ausgebildet. Konkret ist der erste Induktor 8 zwischen der Source des FET 5 und einem Verbindungspunkt zwischen einem Ausgangsanschluss 3 und einer Elektrode des Eingangskondensators 10 angeschlossen. Zudem ist der zweite Induktor 8 auf der Masseseite der Gleichstromquelle 1 ausgebildet und ist zwischen einer Anode der Rücklaufdiode 9 und einem Verbindungspunkt zwischen dem anderen Ausgangsanschluss 4 und der anderen Elektrode des Eingangskondensators 10 angeschlossen. Die Induktivitätswerte des ersten und des zweiten Induktors 8 sind auf den gleichen Wert eingestellt.
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Eine Kathode der Rücklaufdiode 9 ist mit einem Verbindungspunkt zwischen dem FET 5 und dem ersten Induktor 8 verbunden. Die Anode dieser Rücklaufdiode 9 ist aus Sicht des zweiten Induktors 8 mit der Seite gegenüber dem Verbindungspunkt zwischen dem anderen Ausgangsanschluss 4 und der anderen Elektrode des Eingangskondensators 10 verbunden.
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2 ist eine erläuternde Darstellung, die eine Anordnung des ersten und des zweiten Induktors 8 schematisch zeigt. In der Ausführungsform sind der erste und der zweiten Induktor 8 (beide nachfolgend kollektiv als ”Induktoren 8” bezeichnet) aus magnetischen Substanzen 20 ausgebildet. Diese magnetische Substanz 20 ist ein ringförmiges Element mit einer bestimmten Länge in einer axialen Richtung und ist aus einem magnetischen Material geformt. In der magnetischen Substanz 20 ist eine radiale Länge des ringförmigen Abschnitts, d. h. die Länge von einem Innendurchmesserteil, der in einem elektrischen Draht L einbeschrieben ist, zu einem Außendurchmesser, ”a” und eine axiale Länge ist ”H”. Der elektrische Draht L, der ein Strompfad ist, ist in den Innendurchmesserteil dieser magnetischen Substanz 20 eingeführt und der Induktor 8 ist dazu ausgelegt, den Umfang des elektrischen Drahts L mit der magnetischen Substanz 20 abzudecken.
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Die Auswahl des magnetischen Materials, das als magnetische Substanz 20 verwendet wird, hängt von einer Stromstärke, die durch den elektrischen Draht L geleitet wird, ab. Beispielsweise wird im Fall des Leitens einer großen Stromstärke (bis zu etwa 300 A) bevorzugt ein magnetisches Material mit einer hohen magnetischen Sättigungsflussdichte wie etwa Permendur oder elektromagnetisches Weicheisen gewählt.
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3A und 3B sind erläuternde Darstellungen, die ein Funktionsprinzip der Einschaltstrom-Unterdrückungsschaltung 2 gemäß der Ausführungsform schematisch zeigen, und 3A zeigt einen Zustand, in dem der FET 5 eingeschaltet ist, und 3B zeigt einen Zustand, in dem der FET 5 ausgeschaltet ist. 4A und 4B sind erläuternde Diagramme, die einen Übergang einer Stromstärken-Wellenform und einer Spannungs-Wellenform eines jeweiligen Teils zeigen, und 4A zeigt einen Modus mit diskontinuierlichem Strom, in dem ein Induktorstrom diskontinuierlich wird, und 4B zeigt einen Modus mit kontinuierlichem Strom, in dem der Induktorstrom kontinuierlich wird.
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Zunächst soll betrachtet werden, dass eine Ein-Aus-Steuerung des FET 5 mit einer vorbestimmten Schaltfrequenz und einem vorbestimmten Tastgrad als Betrieb der Einschaltstrom-Unterdrückungsschaltung 2 durchgeführt wird. Wenn der FET 5 eingeschaltet ist, ist eine Spannung (0 V in 4A und 4B) durch einen Spannungsabfall gemäß einem Durchlasswiderstand des FET 5 zwischen dem Drain und der Source des FET 5 angelegt. In 4A und 4B ist ”Vds” eine Spannung zwischen dem Drain und der Source. Andererseits ist dann, wenn der FET 5 ausgeschaltet ist, eine Stromquellenspannung Vbat zwischen dem Drain und der Source des FET 5 angelegt.
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Wenn der FET 5 eingeschaltet wird, wird der Eingangskondensator 10 geladen, und zwar mit dem Ergebnis, dass tendenziell eine große Stromstärke als eine Drain-Stromstärke Id fließt. Jedoch wird die Drain-Stromstärke Id wie in 4A und 4B gezeigt durch eine gegenelektromotorische Spannung der Induktoren 8 mit einer bestimmten Steigung erhöht. Diese Steigung hängt von den Induktivitätswerten der Induktoren 8 ab. Zudem kann ein Spitzenwert der Stromstärke durch die Einschaltzeit oder die Induktivitätswerte gesteuert werden. Wenn der FET 5 ausgeschaltet wird, fließt der Drain-Strom Id nicht.
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Wenn der FET 5 eingeschaltet ist, fließt kein Diodenstrom Idio. Wenn andererseits der FET 5 ausgeschaltet ist, leiten die Induktoren 8 weiterhin den Strom, mit dem Ergebnis, dass der Strom in einem in 3B gezeigten Pf ad fließt. Da jedoch der Strom nicht von der Gleichstromquelle 1 zugeführt wird, sinkt dieser Strom allmählich mit einer bestimmten Steigung. Diese Steigung hängt von den Induktivitätswerten der Induktoren 8 ab. Ebenso kann durch Ändern dieser Steigung oder einer Ausschaltzeit ein Betriebsmodus in den Modus mit kontinuierlichem Strom (4A) oder den Modus mit diskontinuierlichem Strom (4B) geschaltet werden.
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Wenn der FET 5 eingeschaltet ist, fließt der Drain-Strom Id in einem Induktorstrom IL. Wenn andererseits der FET 5 ausgeschaltet ist, fließt der Diodenstrom Idio in dem Induktorstrom IL. In dem Modus mit diskontinuierlichem Strom fällt der Spitzenwert tendenziell allmählich, während der Eingangskondensator 10 aufgeladen wird. Während der Eingangskondensator 10 in dem Modus mit kontinuierlichem Strom geladen wird, steigt der Spitzenwert andererseits bis zu einer gewissen Zeit, aber sinkt dann, und wenn der Eingangskondensator 10 vollständig geladen ist, nimmt der Spitzenwert tendenziell einen konstanten Wert an. Darüber hinaus sind, da ein Zustand, der in 4A und 4B gezeigt ist, einen Anfangszustand zeigt, der einem Einschaltstrom entspricht, alle Tendenzen, wie sie oben beschrieben sind, nicht repräsentiert.
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Der Einschaltstrom kann durch Wiederholen des obigen Vorgangs bis zur Beendigung des Ladens des Eingangskondensators 10 unterdrückt werden. Zu dem Zeitpunkt des Entwurfs kann jeder der oben beschriebenen Parameter durch Bedingungen einer Betriebsfrequenz, eines Tastgrads, eines Induktivitätswerts, eines Schaltelements (maximaler Grenzwert), einer Diode (maximaler Grenzwert), einer Vorladezeit usw. bestimmt werden.
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5A und 5B sind erläuternde Diagramme, die Versuchsergebnisse bei Verwendung der Einschaltstrom-Unterdrückungsschaltung 2, in der vorbestimmte Parameter eingestellt sind, zeigen. 5A und 5B sind erläuternde Diagramme, die einen Übergang der Induktorstromstärke IL und einer Spannung Vcon über dem Eingangskondensator 10 zeigen. 5A und 5B zeigen einen Zustand, in dem der Einschaltstrom (Induktorstrom IL) in dem Modus mit diskontinuierlichem Strom unterdrückt wird. Darüber hinaus ist die Spannung (eine periodische Spannung in Form von nach oben zeigenden konvexen Spitzen, die in 5A und 5B gezeigt ist), die über dem Eingangskondensator 10 zu der Zeit des Einschaltens des FET 5 angelegt ist, eine Spannung, die auf dem äquivalenten Reihenwiderstand des Kondensators basiert.
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Im Übrigen hängt in der Einschaltstrom-Unterdrückungsschaltung 2 bei einem solchen Betrieb ein Stromstärkewert der Spitze des Einschaltstroms von der Einschaltzeit des FET 5 ab, die durch den Tastgrad und die Schaltfrequenz des FET 5 bestimmt wird. Andererseits hat eine Einhüllende der Stromstärke, die zu der Zeit gezeichnet wird, zu der sich der Einschaltstrom abschwächt, die Tendenz, die in 6 gezeigt ist. Wie aus 6 ersichtlich ist, wird eine Differenz (ΔI) zwischen einem Stromstärkewert (Stromstärkewert der Spitze) zu dem Zeitpunkt des Erzeugens der Einschaltstroms und einem Stromstärkewert zu dem Zeitpunkt, zu dem der Einschaltstrom abgeschwächt ist, verursacht und diese Differenz ΔI wird größer, da der Stromstärkewert zu dem Zeitpunkt des Erzeugens des Einschaltstroms größer ist. Zudem ist die elektrische Leistung, die auf den FET 5 angewendet wird, proportional zu dem Durchlasswiderstand (R) des FET 5 und dem Quadrat einer Stromstärke (I) (RI2). Das heißt, dass in dem Fall einer großen Stromstärkedifferenz ΔI auch eine große Differenz zwischen der elektrischen Leistung, die auf den FET 5 zu dem Zeitpunkt des Erzeugens des Einschaltstroms angewendet wird, und der elektrischen Leistung, die auf den FET 5 zu dem Zeitpunkt angewendet wird, zu dem sich der Einschaltstrom abschwächt, verursacht wird.
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Im Allgemeinen wird ein Element, das dem maximalen Wert der Stromstärke, d. h. einem Spitzenzustand des Einschaltstroms, standhalten kann, als der FET 5 ausgewählt. Auf der anderen Seite ist die elektrische Leistung, die auf den FET unmittelbar vor der Dämpfung des Einschaltstroms angewendet wird, wesentlich niedriger als die Leistungsfestigkeit des FET 5. Kurz gesagt gibt es die Möglichkeit, dass die Leistungsfestigkeit (Leistungskapazität) des FET 5 nicht ausreichend genutzt werden kann.
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Daher wird in der Ausführungsform der Einschaltstrom angemessen unterdrückt und zugleich die Leistungskapazität des FET 5 durch Betreiben der Einschaltstrom-Unterdrückungsschaltung 10 in einer nachstehend beschriebenen Steuerform ausreichend genutzt. Hierbei ist 7 ein erläuterndes Diagramm, das den Betrieb der Einschaltstrom-Unterdrückungsschaltung 2 gemäß der Ausführungsform beschreibt.
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Konkret führt der Steuerteil 6b eine Ein-Aus-Steuerung 15 des FET 5 aus, während er den Tastgrad mit einem vorbestimmten Schaltintervall ändert. Zuerst steuert der Steuerteil 6b den Gate-Ansteuerteil 6a und gibt ein Gate-Signal aus dem Gate-Ansteuerteil 6a aus. Dementsprechend wird eine Steuerspannung an ein Gate des FET 5 angelegt und der FET 5 wird eingeschaltet. Zudem überwacht der Steuerteil 6b eine Stromstärke (Einschaltstromstärke), die von dem Stromstärke-Detektionsteil 6c detektiert wird, und entscheidet, ob die detektierte Stromstärke eine voreingestellte Grenzstromstärke Ith erreicht oder nicht. Ein Stromstärkewert dieser Grenzstromstärke Ith wird unter Berücksichtigung einer Obergrenze der Leistungsfestigkeit des FET 5 definiert und die Grenzstromstärke Ith wird voreingestellt.
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Wenn der Steuerteil 6b entscheidet, dass die detektierte Stromstärke die Grenzstromstärke Ith erreicht, steuert der Steuerteil 6b den Gate-Ansteuerteil 6a und stoppt eine Ausgabe des Gate-Signals aus dem Gate-Ansteuerteil 6a. Dementsprechend wird die Steuerspannung nicht an das Gate des FET 5 angelegt und der FET 5 wird ausgeschaltet. Bis das nächste Schaltintervall auftritt, behält der Steuerteil 6b einen Stopp der Ausgabe des Gate-Signals bei und, nachdem das Schaltintervall aufgetreten ist, steuert der Steuerteil 6b den Gate-Ansteuerteil 6a und gibt wieder das Gate-Signal aus dem Gate-Ansteuerteil 6a aus. Dementsprechend wird die Steuerspannung an das Gate des FET 5 angelegt und der FET 5 wieder eingeschaltet.
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Darüber hinaus wird dann, wenn die detektierte Stromstärke die Grenzstromstärke Ith nicht erreicht, bis das Schaltintervall seit dem Einschalten des FET 5 abgelaufen ist, bei fortgesetztem Ein-Zustand zu dem nächsten Schaltintervall vorangeschritten und die oben beschriebene Entscheidung wird wiederholt. Der Steuerteil 6b wiederholt eine solche Steuerfolge, bis sich der Einschaltstrom abschwächt.
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Bei der Ausführungsform unterdrückt die Einschaltstrom-Unterdrückungsschaltung 2 somit den Einschaltstrom, der zu der Last fließt, und diese Last umfasst den Eingangskondensator 10, der mit der Gleichstromquelle 1 verbunden ist, und das Paar von Ausgangsanschlüssen 3, 4, das mit dem Eingangskondensator 10 parallel geschaltet ist und einen Eingangsstrom aus der Gleichstromquelle 1 ausgibt. Hierbei weist die Einschaltstrom-Unterdrückungsschaltung 2 Folgendes auf: den FET 5, der mit der Gleichstromquelle 1 verbunden ist und dessen Ein-Aus-Steuerung durchgeführt wird, den ersten Induktor 8, der zwischen dem FET 5 und einem Verbindungspunkt (Verbindungspunkt zwischen dem einen Ausgangsanschluss 3 und einer Elektrode des Eingangskondensators 10) angeschlossen ist, die Rücklaufdiode 9, deren Kathode mit einem Verbindungspunkt zwischen dem FET 5 und dem ersten Induktor 8 verbunden ist, und den zweiten Induktor 8, der zwischen der Anode der Diode und einem Verbindungspunkt (Verbindungspunkt zwischen der anderen Elektrode des Eingangskondensators 10 und dem anderen Ausgangsanschluss 4) angeschlossen ist. In diesem Fall sind der erste und der zweite Induktor 8 jeweils aus der magnetischen Substanz 20 aufgebaut, um den Umfang 15 des elektrischen Drahts L abzudecken, der der Strompfad ist.
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Hierbei wird nun der Fall betrachtet, in dem der FET 5 unter der Annahme, dass die Einschaltstrom-Unterdrückungsschaltung 2 keinen Induktor 8 aufweist, von einem Aus-Zustand in einen Ein-Zustand wechselt. Wenn eine Spannung der Gleichstromquelle 1 an die Einschaltstrom-Unterdrückungsschaltung angelegt wird, fließt ein großer Strom in einer kurzen Zeit, um den Eingangskondensator 10 zu laden. Dieser Strom (Einschaltstrom) verursacht das Problem, dass der FET 5 zerstört wird und ein Unterbrechungsvorgang nicht durchgeführt werden kann.
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Diesbezüglich kann gemäß der Ausführungsform durch Ausbilden der Induktoren 8 verhindert werden, dass ein großer Strom fließt. Dementsprechend kann das Problem, dass der FET 5 zerstört wird und der Unterbrechungsvorgang nicht durchgeführt werden kann, gelöst werden.
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Zudem ist es gemäß der Ausführungsform unnötig, den Induktor 8 durch Wickeln eines elektrischen Drahtes wie eine Spule zu bilden, indem die magnetische Substanz 20 als Induktor 8 verwendet wird. Als Ergebnis kann ein Vergrößern der Schaltung 5 durch Bilden der Spule unter Verwendung eines elektrischen Drahts mit großem Durchmesser verhindert werden. Zudem kann, da die Arbeit des Wickelns des elektrischen Drahts entfallen kann, die Herstellungsarbeit vereinfacht werden und ein Herstellungsprozess oder Herstellungskosten können reduziert werden.
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Da ferner verhindert werden kann, dass ein Gleichtaktrauschen zu einem Gegentaktrauschen geändert wird, indem ein Bias der Schaltung durch Verwendung von Induktoren 8 mit den gleichen Induktivitätswerten sowohl auf der positiven Elektrodenseite als auch auf der Masseseite reduziert wird, kann ein nachteiliger Einfluss auf den Betrieb verringert werden.
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Zudem steuert der Steuerteil 6b in der Ausführungsform den FET 5 gemäß einem vorgegebenen Schaltintervall und dann, wenn der FET 5 eingeschaltet wird, wird ein nachfolgender Strom (Einschaltstrom) überwacht und dann, wenn die Stromstärke die Stromstärkegrenze Ith (einen voreingestellten Grenzwert) erreicht, wird der FET 5 bis zu dem nächsten Schaltintervall abgeschaltet.
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Gemäß dieser Anordnung wird die Differenz (ΔI) zwischen dem Spitzenwert der Einschaltstromstärke und dem Stromstärkewert zu dem Zeitpunkt, zu dem sich der Einschaltstrom abschwächt, unterdrückt, indem eine Ein-Aus-Steuerung des FET 5 ausgeführt wird, um die Stromstärke wie in 7 gezeigt auf den Bereich der Stromstärkegrenze Ith zu beschränken. Dementsprechend kann verhindert werden, dass eine große Differenz zwischen der elektrischen Leistung, die auf den FET 5 zu dem Zeitpunkt des Erzeugens des Einschaltstromes angewendet wird, und der elektrischen Leistung, die auf den FET 5 zu dem Zeitpunkt angewendet wird, zu dem sich der Einschaltstrom abschwächt, verursacht wird. Folglich kann die Leistungskapazität des FET 5, der in der Schaltung verwendet wird, verringert werden, da es nicht notwendig ist, hohe Leistungsfestigkeitsmerkmale für den FET 5 festzulegen. Als Ergebnis kann der Einschaltstrom angemessen unterdrückt werden und zugleich die Leistungskapazität des FET 5 genutzt werden. Dementsprechend können die Kosten verringert werden und die Schaltung kann verkleinert werden, da der FET 5 mit einem kostengünstigen Element ersetzt werden kann oder die Anzahl der parallelen Komponenten verringert werden kann.
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Mit anderen Worten steuert der Steuerteil 6b den FET 5, um die Differenz zwischen der elektrischen Leistung, die auf den FET 5 zu dem Zeitpunkt des Erzeugens des Einschaltstromes angewendet wird, und der elektrischen Leistung, die auf den FET 5 zu dem Zeitpunkt angewendet wird, zu dem sich der Einschaltstrom abschwächt, zu verringern.
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(Zweite Ausführungsform)
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8 ist ein Schaltdiagramm, das eine Anordnung einer Einschaltstrom-Unterdrückungsschaltung 2 gemäß der vorliegenden Ausführungsform zeigt. Die Einschaltstrom-Unterdrückungsschaltung 2 gemäß einer zweiten Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform in einer Anordnung einer Steuereinheit 6 und ihrer Steuerform. Im Folgenden entfällt die Beschreibung der Inhalte, die mit denen der ersten Ausführungsform übereinstimmen, und es wird hauptsächlich ein Punkt des Unterschieds beschrieben.
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Die Steuereinheit 6 ist ähnlich wie in der ersten Ausführungsform eine Einheit zum Steuern der Einschaltstrom-Unterdrückungsschaltung 2 und umfasst einen Gate-Ansteuerteil 6a, einen Steuerteil 6b und einen Spannungs-Detektionsteil 6d. Der Gate-Ansteuerteil 6a wird durch den Steuerteil 6b gesteuert und gibt ein Gate-Signal an ein Gate eines FET 5 aus. Eine vorbestimmte Steuerspannung wird durch das Gate-Signal aus dem Gate-Ansteuerteil 6a an das Gate des FET 5 angelegt. Der Steuerteil 6b steuert den Gate-Ansteuerteil 6a basierend auf einer Spannung (detektierten Spannung), die von dem Spannungs-Detektionsteil 6d detektiert wird, und einer Spannung eines Trägers, die beispielsweise als Dreieckschwingung periodisch variiert. Der Spannungs-Detektionsteil 6d ist eine Einrichtung zum Detektieren einer Spannung über einem Eingangskondensator 10 einer Last.
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Als nächstes wird der konkrete Betrieb der Einschaltstrom-Unterdrückungsschaltung 2 gemäß der Ausführungsform beschrieben. Der Steuerteil 6b führt eine Ein-Aus-Steuerung des FET 5 durch, während er den Tastgrad mit einem vorbestimmten Schaltintervall ändert. Hierbei ist 9 ein erläuterndes Diagramm, das den Betrieb der Einschaltstrom-Unterdrückungsschaltung 2 gemäß der zweiten Ausführungsform beschreibt.
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Konkret führt der Steuerteil 6b die Ein-Aus-Steuerung des FET 5 durch eine PWM-Steuerung aus und vergleicht die detektierte Spannung, die von dem Spannungs-Detektionsteil 6d detektiert wird, mit der Spannung des Trägers, die die Dreiecksschwingung darstellt, wie sie in der Schwingung der Kondensatorspannung in 9 gezeigt ist. Wenn die detektierte Spannung 15 höher als die Spannung des Trägers ist, steuert der Steuerteil 6b den Gate-Ansteuerteil 6a und gibt ein Gate-Signal aus, und wenn die detektierte Spannung andererseits kleiner oder gleich der Spannung des Trägers ist, steuert der Steuerteil 6b den Gate-Ansteuerteil 6a und stoppt eine Ausgabe des Gate-Signals. Wenn das Gate-Signal von dem Gate-Ansteuerteil 6a ausgegeben wird, wird eine Steuerspannung an das Gate des FET 5 angelegt, mit dem Ergebnis, dass der FET 5 eingeschaltet wird. Wenn andererseits die Ausgabe des Gate-Signals aus dem Gate-Ansteuerteil 6a gestoppt wird, wird die Steuerspannung 25 nicht an dem Gate des FET 5 angelegt und der FET 5 wird ausgeschaltet. Dann wiederholt der Steuerteil 6b eine solche Steuerfolge, bis sich der Einschaltstrom abschwächt.
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Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann somit eine Differenz (ΔI) zwischen einem Spitzenwert eines Einschaltstroms 5 und einem Stromstärkewert zu der Zeit, zu der der Einschaltstrom abgeschwächt ist, durch Ausführen der PWM-Steuerung gemäß der Spannung des Eingangskondensators 10 wie in der Schwingung der Stromstärke von 9 gezeigt unterdrückt werden. Dementsprechend kann verhindert werden, dass eine große Differenz zwischen der elektrischen Leistung, die auf den FET 5 zu dem Zeitpunkt des Erzeugens des Einschaltstromes angewendet wird, und der elektrischen Leistung, die auf den FET 5 zu dem Zeitpunkt angewendet wird, zu dem sich der Einschaltstrom abschwächt, verursacht wird. Folglich kann eine Leistungskapazität des FET 5, der in der Schaltung verwendet wird, verringert werden, da es nicht notwendig ist, hohe Leistungsfestigkeitsmerkmale für den FET 5 festzulegen. Als Ergebnis kann der Einschaltstrom angemessen unterdrückt werden und zugleich die Leistungskapazität des FET 5 genutzt werden. Dementsprechend können die Kosten verringert werden und die Schaltung kann verkleinert werden, da der FET 5 mit einem kostengünstigen Element ersetzt werden kann oder die Anzahl der parallelen Komponenten verringert werden kann.
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Darüber hinaus müssen in jeder der oben beschrieben Ausführungsformen dann, wenn die magnetische Substanz 20 als Induktor 8 verwendet wird, viele Faktoren berücksichtigt werden, wie beispielsweise eine BH-Kurve der magnetischen Substanz, Frequenzeigenschaften, Abmessungen (a, h), ein Wert einer Stromstärke, die durch einen elektrischen Draht fließt, oder eine Betriebsfrequenz. Da der Stromstärkewert nicht konstant ist oder die magnetischen Substanzen variieren, ist es zudem schwierig, ein Magnetfeld in der magnetischen Substanz zu dem Zeitpunkt des Entwurfs gleichförmig festzulegen. Daher wird die magnetische Substanz vorzugsweise ausgebildet, indem sie in Ringe entlang einer axialen Richtung aufgeteilt wird, und die axiale Länge h wird variabel festgelegt, indem die Anzahl der aufgeteilten Ringkomponenten gewählt wird. Dementsprechend kann ein Fehler zu dem Zeitpunkt des Entwurfs aufgefangen werden, da die axiale Länge h zu dem Zeitpunkt der Herstellung leicht geändert werden kann.
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Die Einschaltstrom-Unterdrückungsschaltungen gemäß den Ausführungsformen sind oben beschrieben worden, aber die Erfindung ist nicht auf die Ausführungsformen beschränkt und verschiedene Änderungen können innerhalb des Umfangs der Erfindung vorgenommen werden. Zum Beispiel kann die ”Stromquelle” nicht nur wie betrachtet eine Stromquelle zum Ausgeben eines Gleichstroms wie beispielsweise eine Primärbatterie oder eine Sekundärbatterie sein, sondern auch eine Stromquelle zum Gleichrichten einer Ausgabe einer Wechselstromquelle durch einen Gleichrichter und Ausgeben eines Gleichstroms oder die Wechselstromquelle selbst. Zudem sind die Induktivitätswerte des ersten und des zweiten Induktors in den Ausführungsformen auf den gleichen Wert eingestellt, aber eine genaue Übereinstimmung zwischen den Induktivitätswerten ist nicht erforderlich und es kann eine Differenz zwischen den Induktivitätswerten geben, solange jeder der Induktoren eine äquivalente Funktion ausführt.
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Hier werden die Merkmale der Einschaltstrom-Unterdrückungsschaltung gemäß den Ausführungsformen kurz zusammengefasst und nachfolgend aufgelistet.
- [1] Einschaltstrom-Unterdrückungsschaltung zum Unterdrücken eines Einschaltstroms, der zu einer Last, die einen Eingangskondensator und ein Paar von Ausgangsanschlüssen umfasst, fließt, wobei die Einschaltstrom-Unterdrückungsschaltung mit Folgendem versehen ist:
einem Schaltelement, das mit der Stromquelle verbunden ist und ein/aus-gesteuert wind;
einem ersten Induktor, der zwischen dem Schaltelement und einem Verbindungspunkt zwischen dem einen Ausgangsanschluss und einer Elektrode des Eingangskondensators angeschlossen ist;
einer Diode, deren Kathode mit einem Verbindungspunkt zwischen dem Schaltelement und dem ersten Induktor verbunden ist;
einem zweiten Induktor, der zwischen einer Anode der Diode und einem Verbindungspunkt zwischen der anderen Elektrode des Eingangskondensators und dem anderen Ausgangsanschluss angeschlossen ist;
und einem Steuerteil zum Steuern des Schaltelements,
wobei der Eingangskondensator über die Einschaltstrom-Unterdrückungsschaltung mit der Stromquelle verbunden ist,
wobei das Paar von Ausgangsanschlüssen mit dem Eingangskondensator parallel geschaltet ist und einen Eingangsstrom aus der Stromquelle ausgibt,
wobei der erste Induktor und der zweite Induktor jeweils mit einer ringförmigen magnetischen Substanz versorgt sind, die eine vorgegebene Länge entlang einer axialen Richtung aufweist, um einen Umfang eines elektrischen Drahts, der ein Strompfad ist, abzudecken, und
wobei der Steuerteil das Schaltelement steuert, um eine Differenz zwischen einer elektrischen Leistung, die auf das Schaltelement dann angewendet wird, wenn der Einschaltstrom auftritt, und einer elektrischen Leistung, die auf das Schaltelement angewendet wird, wenn sich der Einschaltstrom abschwächt, zu verringern.
- [2] Einschaltstrom-Unterdrückungsschaltung nach [1],
wobei der Steuerteil das Schaltelement gemäß einem vorgegebenen Schaltintervall steuert,
wobei eine nachfolgende Stromstärke überwacht wird, wenn das Schaltelement eingeschaltet wird, und das Schaltelement bis zu dem nächsten Schaltintervall ausgeschaltet wird, wenn eine Stromstärke einen vorbestimmten begrenzten Wert erreicht.
- [3] Einschaltstrom-Unterdrückungsschaltung nach [1],
wobei der Steuerteil eine Ein-Aus-Steuerung des Schaltelements durchführt, indem eine Spannung eines Trägers, die periodisch variiert, mit einer Ende-zu-Ende-Spannung des Eingangskondensators verglichen wird.
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Gemäß [1] bis [3] kann verhindert werden, dass eine große Differenz zwischen der elektrischen Leistung, die auf das Schaltelement angewendet wird, wenn der Einschaltstrom auftritt, und der elektrischen Leistung, die auf das Schaltelement angewendet wird, wenn sich der Einschaltstrom abschwächt, verursacht wird. Infolgedessen kann der Einschaltstrom angemessen unterdrückt werden und zugleich eine Leistungskapazität des Schaltelements genutzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- GLEICHSTROMQUELLE
- 2
- EINSCHALTSTROM-UNTERDRÜCKUNGSSCHALTUNG
- 3
- AUSGANGSANSCHLUSS
- 4
- AUSGANGSANSCHLUSS
- 5
- FET
- 6
- STEUEREINHEIT
- 6a
- GATE-ANSTEUERTEIL
- 6b
- STEUERTEIL
- 6c
- STROMSTÄRKE-DETEKTIONSTEIL
- 6d
- SPANNUNGS-DETEKTIONSTEIL
- 8
- INDUKTOR
- 9
- DIODE
- 10
- KONDENSATOR
- 20
- MAGNETISCHE SUBSTANZ
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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