JP2011024355A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】生産性に優れるとともに、パワー端子とバスバー端子部との接合信頼性に優れた電力変換装置を提供すること。
【解決手段】複数の半導体モジュール２と、複数の半導体モジュール２を冷却するための複数の冷却管３とを積層配置してなると共に、複数の半導体モジュール２を外部と電気的に接続するためのバスバー４を備えた電力変換装置１。半導体モジュール２は、積層方向に直交する方向に突出したパワー端子２１を有する。パワー端子２１は、バスバー４に対して少なくとも先端部２１１を接触させた状態で接合されている。バスバー端子部４０は、積層方向に複数個、所定の間隔をもって形成されている。パワー端子２１とバスバー端子部４０との少なくとも一方は可撓性を有する。バスバー端子部４０は、パワー端子２１との対向面４１が半導体モジュール２の本体部２２側へ傾斜している。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換回路を構成するスイッチング素子を内蔵した複数の半導体モジュールと、該複数の半導体モジュールを冷却するための複数の冷却管とを積層配置してなると共に、上記複数の半導体モジュールを外部と電気的に接続するためのバスバーを備えた電力変換装置に関する。

インバータやコンバータ等の電力変換装置９として、図１４に示すごとく、スイッチング素子を内蔵した複数の半導体モジュール９２と、該複数の半導体モジュール９２を冷却するための複数の冷却管９３とを積層配置してなるものがある。そして、上記複数の半導体モジュール９２は、回転電機（モータージェネレーター）や電源などと、バスバー９４によって接続されている（特許文献１）。

上記半導体モジュール９２は、積層方向Ｘに直交する方向に突出したパワー端子９２１を有し、パワー端子９２１がバスバー９４に接合されている。そして、バスバー９４におけるパワー端子９２１が接続されるバスバー端子部９４０は、積層方向Ｘに複数個、所定の間隔をもって形成されている。
このバスバー端子部９４０の配設ピッチは、複数のパワー端子９２１の配置に合わせてある。

特許第４０５２２４１号公報

しかしながら、パワー端子９２１のピッチは、必ずしも設計通りにはならず、製造誤差が生じることがある。特に複数の半導体モジュール９２と複数の冷却管９３とを積層したときには、各半導体モジュール９２及び各冷却管９３の寸法誤差が累積して、設計通りの位置にパワー端子９２１を配置することができない場合もある。

この場合、予め配設ピッチを固定したバスバー端子部９４０に、すべてのパワー端子９２１を接合する際、部分的に、図１５に示すようにパワー端子９２１とバスバー端子部９４０との間が離れてしまったり、図１６に示すごとく、逆に近づきすぎてしまってパワー端子９２１が湾曲し、その先端部９２２がバスバー端子部９４０から離れてしまったりすることがある。

このような場合には、接合時において、パワー端子９２１を強制的に変形させてバスバー端子部９４０に接触させる必要が生じる。すなわち、例えば、半導体モジュール９２と冷却管９３とを積層した状態において、パワー端子９２１とバスバー端子部９４０とを溶接する際、パワー端子９２１とバスバー端子部９４０とを両側から治具によって挟み込んで、両者を密着させる必要がある。
そのため、組み立て時の作業効率において不利であり、上記電力変換装置９は、生産性に優れたものとは言い難い。

また、上記のごとく、治具によってパワー端子９２１とバスバー端子部９４０とを挟み込んで溶接するため、溶接後の状態においては、パワー端子９２１とバスバー端子部９４０とが互いに離れる方向に付勢された状態となることもある。この場合、耐久後に、パワー端子９２１とバスバー端子部９４０との接合信頼性が低下するおそれもある。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、生産性に優れるとともに、パワー端子とバスバー端子部との接合信頼性に優れた電力変換装置を提供しようとするものである。

本発明は、電力変換回路を構成するスイッチング素子を内蔵した複数の半導体モジュールと、該複数の半導体モジュールを冷却するための複数の冷却管とを積層配置してなると共に、上記複数の半導体モジュールを外部と電気的に接続するためのバスバーを備えた電力変換装置であって、
上記半導体モジュールは、積層方向に直交する方向に突出したパワー端子を有し、
該パワー端子は、上記バスバーに対して少なくとも先端部を接触させた状態で接合されており、
上記バスバーにおける上記パワー端子が接続されるバスバー端子部は、積層方向に複数個、所定の間隔をもって形成されており、
上記パワー端子と上記バスバー端子部との少なくとも一方は可撓性を有し、
上記バスバー端子部は、上記パワー端子との対向面が上記半導体モジュールの本体部側へ傾斜していることを特徴とする電力変換装置にある（請求項１）。

上記電力変換装置において、上記バスバー端子部は、上記対向面が上記半導体モジュールの本体部側へ傾斜している。そのため、上記パワー端子の位置が設計通りの位置に対して積層方向に多少ずれていても、パワー端子とバスバー端子部とを互いに密着させやすくすることができる。

すなわち、上記バスバー端子部の対向面が上記のように傾斜していることにより、パワー端子とバスバー端子部との少なくとも一方が弾性変形することで、パワー端子の位置ずれを吸収して両者を密着させることができる。例えば、パワー端子の位置が設計通りの位置に対してバスバー端子部から遠ざかる位置に配された場合には、パワー端子の先端部付近のみがバスバー端子部に密着する。一方、パワー端子の位置が設計通りの位置に対してバスバー端子部に近づく位置に配された場合には、パワー端子又はバスバー端子部が比較的大きく変形し、比較的広い範囲でパワー端子とバスバー端子部とが密着することとなる。

これにより、半導体モジュールと冷却管とを積層した状態において、パワー端子とバスバー端子部とを接合する際、パワー端子とバスバー端子部とを両側から治具によって挟み込むなどの操作を行わなくても、両者を密着させることができる。そのため、組み立て時の作業効率を向上させ、上記電力変換装置の生産性を向上させることができる。

また、接合後の状態においても、パワー端子とバスバー端子部とが互いに押圧する力が働いた状態とすることができるため、パワー端子とバスバー端子部との優れた接合信頼性を確保することができる。

以上のごとく、本発明によれば、生産性に優れるとともに、パワー端子とバスバー端子部との接合信頼性に優れた電力変換装置を提供することができる。

実施例１における、電力変換装置の側面図。 実施例１における、バスバーを省略した電力変換装置の平面図。 実施例１における、バスバーと半導体モジュールとの平面図。 実施例１における、バスバーを接合した半導体モジュールの斜視図。 実施例１における、バスバーのアッセンブリと積層体とを接続する前の状態を示す側面図。 実施例１における、設計通りの位置に配されたパワー端子とバスバー端子部との接合部の説明図。 実施例１における、設計通りの位置に対してバスバー端子部から遠ざかる位置に配されたパワー端子とバスバー端子部との接合部の説明図。 実施例１における、設計通りの位置に対してバスバー端子部に近づく位置に配されたパワー端子とバスバー端子部との接合部の説明図。 実施例１における、積層方向の両端の半導体モジュールの間の距離が設計値よりも大きい場合の電力変換装置の側面図。 実施例１における、積層方向の両端の半導体モジュールの間の距離が設計値よりも小さい場合の電力変換装置の側面図。 実施例２における、パワー端子とバスバー端子部との接合部の説明図。 実施例２における、パワー端子とバスバー端子部とを接合する前の状態の説明図。 実施例３における、パワー端子とバスバー端子部との接合部の説明図。 従来の電力変換装置の側面図。 パワー端子がバスバー端子部から離れた状態の側面図。 パワー端子がバスバー端子部に近づきすぎた状態の側面図。

本発明において、上記バスバーとしては、例えば、電力変換装置に被制御電力を供給する電源の正極又は負極に接続されるものや、電力変換装置の出力側に接続される回転電機等の負荷に接続されるものなどがある。

また、上記バスバー端子部は、上記パワー端子よりも剛性が高いことが好ましい（請求項２）。
この場合には、上記パワー端子が上記バスバー端子部の対向面に追従するように変形して、バスバー端子部に密着する。そのため、予め所定の間隔をもって形成されたバスバー端子部は動かない。それゆえ、パワー端子の先端部においてバスバー端子部と接合する際に、その作業効率を向上させることができる。すなわち、接合位置が変動しないため、例えば、溶接ロボット等によって溶接することが容易となる。

また、上記パワー端子は、該パワー端子の先端部が上記バスバー端子部を押圧するように付勢されていることが好ましい（請求項３）。
この場合には、パワー端子がバスバー端子部を押圧した状態で接合されているため、パワー端子とバスバー端子部との一層優れた接合信頼性を確保することができる。

また、上記パワー端子の突出方向から見たとき、上記複数の半導体モジュールにおける上記パワー端子の付根部は、その積層方向位置が、上記バスバー端子部の上記対向面の範囲内にあることが好ましい（請求項４）。
この場合には、上記パワー端子の先端部を、より確実にバスバー端子部に接触させることができる。

（実施例１）
本発明の実施例にかかる電力変換装置につき、図１〜図１０を用いて説明する。
本例の電力変換装置１は、図１、図２に示すごとく、電力変換回路を構成するスイッチング素子を内蔵した複数の半導体モジュール２と、該複数の半導体モジュール２を冷却するための複数の冷却管３とを積層配置してなると共に、複数の半導体モジュール２を外部と電気的に接続するためのバスバー４を備えている。

半導体モジュール２は、図１、図４に示すごとく、積層方向Ｘに直交する方向に突出したパワー端子２１を有する。パワー端子２１は、バスバー４に対して少なくとも先端部２１１を接触させた状態で接合されている。
図１〜図３に示すごとく、バスバー４におけるパワー端子２１が接続されるバスバー端子部４０は、積層方向Ｘに複数個、所定の間隔をもって形成されている。
パワー端子２１は可撓性を有する。
バスバー端子部４０は、図１、図４に示すごとく、パワー端子２１との対向面４１が半導体モジュール２の本体部２２側へ傾斜している。

バスバー端子部４０は、パワー端子２１よりも剛性が高い。そして、図１、図４に示すごとく、パワー端子２１が接触した状態においては、パワー端子２１がバスバー端子部４０の対向面４１に追従するように変形し、バスバー端子部４０は変形しない。
また、パワー端子２１は、該パワー端子２１の先端部２１１がバスバー端子部４０を押圧するように付勢されている。すなわち、パワー端子２１としては、例えば銅もしくは銅合金等からなる薄板状または板バネ状のものを採用することができる。
一方、バスバー４は、例えば銅もしくは銅合金等からなり、厚板状で充分な剛性を有する。

また、パワー端子２１の突出方向（図１の矢印Ｚ）から見たとき、複数の半導体モジュール２におけるパワー端子２１の付根部２１２は、その積層方向Ｘの位置が、バスバー端子部４０の対向面４１の範囲内にある。

本例の電力変換装置１は、半導体モジュール２と冷却管３とを交互に積層してなり、半導体モジュール２の両主面に冷却管３が接触配置されている。各冷却管３は、内部に水などの冷却媒体を流通させる冷媒流路を設けてなる。また、図２に示すごとく、複数の冷却管３は、その長手方向の両端において、互いに連結管３１によって連結されている。また、積層方向の一端に配された冷却管３には、冷却媒体を導入するための冷媒導入口３２１と、冷却媒体を排出するための冷媒排出口３２２とが設けてある。

これにより、冷媒導入口３２１から導入された冷却媒体が、複数の冷却管３の冷媒流路を流れる。このとき、冷却媒体は半導体モジュール２との間で熱交換を行い、半導体モジュール２を冷却する。そして、熱交換を行った後の冷却媒体は、冷却管３の他端から連結管３１を介して冷媒排出口３２２へ排出される。

隣り合う一対の冷却管３の間には、２個の半導体モジュール２が、冷却管３の長手方向に並んで配設されている。この２個の半導体モジュール２のうち、一方が電極の正極側に接続されるハイサイド側の半導体モジュール２であり、他方が電極の負極側に接続されるローサイド側の半導体モジュール２である。
図４に示すごとく、半導体モジュール２は、スイッチング素子を内蔵した本体部２２の一方の端面から２本のパワー端子２１を突出形成してなる。また、本体部２２の他方の端面からは、制御回路基板に接続される複数の制御端子２３が突出形成されている。

ハイサイド側の半導体モジュール２においては、一方のパワー端子２１が電極の正極側に接続される正極側のバスバー（図示略）に接続され、他方のパワー端子２１が回転電機に接続される出力用のバスバー４に接続されている（図３）。
ローサイド側の半導体モジュール２においては、一方のパワー端子２１が電極の負極側に接続される負極側のバスバー（図示略）に接続され、他方のパワー端子２１が回転電機に接続される出力用のバスバー４に接続されている（図３）。

半導体モジュール２の本体部２２には、スイッチング素子の他に、該スイッチング素子と逆並列接続されたダイオードが内蔵されている。スイッチング素子としては、例えばＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を用いることができ、ダイオードとしては、例えばフライホイールダイオードを用いることができる。

出力用のバスバー４としては、図３に示すごとく、独立した３本のバスバー（４ｕ、４ｖ、４ｗ）があり、それぞれ三相交流の回転電機のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各電極に接続される。３本のバスバー４ｕ、４ｖ、４ｗは、部分的にモールド樹脂１２０内にモールドされて、一体化されている。
各バスバー４は、ハイサイド側の半導体モジュール２における一方のパワー端子２１とローサイド側の半導体モジュール２における一方のパワー端子２１とに、直列的に接続されている。また、各バスバー４は、ハイサイド側の３つの半導体モジュール２を互いに並列接続すると共に、ローサイド側の３つの半導体モジュール２を互いに並列接続している。
このようにして、３つのバスバー４は、パワー端子２１と接続される複数のバスバー端子部４０を有し、これらすべてのバスバー端子部４０の位置関係は、互いに固定されている。

本例の電力変換装置１を組み立てる際、上記のごとく一体化された３本の出力用のバスバー４のサブアッセンブリ１２を作製する。このとき、複数のバスバー端子部４０を所定の相対位置となるようにする。
一方、バスバー４のアッセンブリ１２とは別に、図３、図５に示すごとく、複数の半導体モジュール２と複数の冷却管３とを積層するとともにとともに、この積層体１１を積層方向Ｘに圧縮して、冷却管３と半導体モジュール２とを密着させる。

具体的には、まず、上述のごとく複数の冷却管３をそれぞれの長手方向の両端において連結管３１にて連結すると共に、冷媒導入口３２１及び冷媒排出口３２２を設けた冷却器を作製しておく。そして、該冷却器における隣り合う冷却管３の間のスペースのそれぞれに、半導体モジュール２を２個ずつ挿入配置する。連結管３１は、隣り合う冷却管３の間のスペースが縮むことができるよう変形可能に構成してある。そして、この状態から、冷却器を積層方向Ｘから加圧して、半導体モジュール２と冷却管３とを密着させる。

このように組み立てた複数の半導体モジュール２と複数の冷却管３との積層体１１と、上記バスバー４のアッセンブリ１２とを、図５、図１に示すように接合する。すなわち、バスバー４のアッセンブリ１２を、積層体１１における一方の面から突出した半導体モジュール２のパワー端子２１側に配置し（図５）、各バスバー端子部４０の対向面４１を、各パワー端子２１に接触させる（図１）。そして、バスバー端子部４０における半導体モジュール２の本体部２２から遠い側の端部４２と、パワー端子２１の先端部２１１とを揃える。

このとき、バスバー端子部４０とパワー端子２１との位置関係によっては、図４、図６、図８に示すごとく、パワー端子２１が弾性変形して、バスバー端子部４０の対向面４１に追従する。
次いで、バスバー端子部４２の端部４２とパワー端子２１の先端部２１１とを溶接する。図１等における符号１３の部分が溶接部である。溶接は、例えばアーク溶接によって行うことができる。

なお、上述した正極側のバスバー及び負極側のバスバーも、図示は省略するが、それぞれ所定のパワー端子２１に接合する。ここで、これらのバスバーについても、出力用のバスバー４と同様に、対向面を半導体モジュール２の本体部２２側へ傾斜させた構成とすることもできる。
以上により、電力変換装置１を得ることができる。

次に、本例の作用効果につき説明する。
上記電力変換装置１において、バスバー端子部４０は、対向面４１が半導体モジュール２の本体部２２側へ傾斜している。そのため、パワー端子２１の位置が設計通りの位置に対して積層方向に多少ずれていても、パワー端子２１とバスバー端子部４０とを互いに密着させやすくすることができる。

すなわち、バスバー端子部４０の対向面４１が上記のように傾斜していることにより、図４、図６、図８に示すごとく、パワー端子２１が弾性変形することで、パワー端子２１の位置ずれを吸収して両者を密着させることができる。

例えば、パワー端子２１の位置が設計通りの位置に配されたときに、図６に示すごとく、バスバー端子部４０の約半分の領域にパワー端子２１が密着する状態となるようにしたとする。この場合、パワー端子２１の位置が設計通りの位置に対してバスバー端子部４０から遠ざかる位置に配された場合には、図７に示すごとく、両者の密着面積は小さくなり、場合によってはパワー端子２１がほとんど変形せずに、パワー端子２１の先端部２１１付近のみがバスバー端子部４０に密着する。

一方、パワー端子２１の位置が設計通りの位置に対してバスバー端子部４０に近づく位置に配された場合には、図８に示すごとく、パワー端子２１が比較的大きく変形し、比較的広い範囲でパワー端子２１とバスバー端子部４０とが密着することとなり、場合によってはバスバー端子部４０の対向面４１の略全体にパワー端子２１が密着する。

これにより、半導体モジュール２と冷却管３とを積層した状態において、パワー端子２１とバスバー端子部４０とを接合する際、パワー端子２１とバスバー端子部４０とを両側から治具によって挟み込むなどの操作を行わなくても、両者を密着させることができる。そのため、組み立て時の作業効率を向上させ、電力変換装置１の生産性を向上させることができる。

上記のようなパワー端子２１の積層方向Ｘの位置の設計通りの位置からのずれは、半導体モジュール２と冷却管３とを積層してなる電力変換装置１においては防ぎ難い。すなわち、複数の半導体モジュール２と複数の冷却管３とを積層した積層体１１を積層方向Ｘに加圧した状態で最終的な各半導体モジュール２の位置、すなわちパワー端子２１の位置が決まるが、このとき、半導体モジュール２や冷却管３の厚み（積層方向寸法）にばらつきがあると、積層方向Ｘの両端に配される半導体モジュール２のパワー端子２１の間の距離が、設計値からずれることが考えられる。
すなわち、複数の半導体モジュール２と複数の冷却管３とを積層したとき、半導体モジュール２や冷却管３の厚みの公差が累積して、積層方向Ｘの両端の半導体モジュール２のパワー端子２１の間の距離のずれが大きくなることが考えられる。

そして、図１、図９、図１０に示すごとく、積層体１１とバスバー４のアッセンブリ１２とを組み立てる際、例えば、積層方向Ｘの一端（図では左端）に配置される半導体モジュール２のパワー端子２１を基準にして、このパワー端子２１の付根部２１２にバスバー端子部４０の対向面４１の中心が位置するように、バスバー４を配置する。

このとき、積層方向の両端の半導体モジュール２の間の距離が設計値よりも大きくなることもあるが、本発明によれば、図９に示すごとく、他端（図では右端）の半導体モジュール２のパワー端子２１が大きく変形しながらバスバー端子部４０の対向面４１に密着する。一方、積層方向Ｘの両端の半導体モジュール２の間の距離が設計値よりも小さくなることもあるが、本発明によれば、図１０に示すごとく、他端（図では右端）の半導体モジュール２のパワー端子２１の変形量が小さくなりながら、その先端部２１１付近においてバスバー端子部４０の対向面４１に密着する。
このようにして、積層方向に半導体モジュール２の位置がずれることがあっても、すべての半導体モジュール２のパワー端子２１を少なくともその先端部２１１においてバスバー端子部４０に密着させることができ、その状態で接合することができる。

また、接合後の状態においても、パワー端子２１とバスバー端子部４０とが互いに押圧する力が働いた状態とすることができるため、パワー端子２１とバスバー端子部４０との優れた接合信頼性を確保することができる。

また、バスバー端子部４０は、パワー端子２１よりも剛性が高いため、パワー端子２１がバスバー端子部４０の対向面４１に追従するように変形して、バスバー端子部４０に密着する。そのため、予め所定の間隔をもって形成されたバスバー端子部４０は動かない。それゆえ、パワー端子２１の先端部２１１においてバスバー端子部４０と接合する際に、その作業効率を向上させることができる。すなわち、接合位置が変動しないため、例えば、溶接ロボット等によって溶接することが容易となる。

また、パワー端子２１は、該パワー端子２１の先端部２１１がバスバー端子部４０を押圧するように付勢されている。それゆえ、パワー端子２１がバスバー端子部４０を押圧した状態で接合されているため、パワー端子２１とバスバー端子部４０との一層優れた接合信頼性を確保することができる。

また、パワー端子２１の突出方向Ｚから見たとき、複数の半導体モジュール２におけるパワー端子２１の付根部２１２は、その積層方向Ｘの位置が、バスバー端子部４０の対向面４１の範囲内にある。そのため、パワー端子２１の先端部２１１を、より確実にバスバー端子部４０に接触させることができる。

以上のごとく、本例によれば、生産性に優れるとともに、パワー端子とバスバー端子部との接合信頼性に優れた電力変換装置を提供することができる。

（実施例２）
本例は、図１１、図１２に示すごとく、バスバー端子部４０の剛性を、パワー端子２１よりも低くし、バスバー端子部４０を変形させてパワー端子２１に追従させて、パワー端子２１とバスバー端子部４０とを接合した電力変換装置１の例である。
すなわち、例えば、バスバー端子部４０を薄板状または板バネ状のものによって構成し、パワー端子２１を剛性の高い金属板によって構成する。

本例の電力変換装置１を組み立てる際には、図１２に示すごとく、バスバー端子部４０の対向面４１を半導体モジュール２の本体部２２側に傾斜させておき、バスバー端子部４０の対向面４１をパワー端子２１に接触させると共にバスバー端子部４０を、図１１に示すごとく変形させる。
なお、バスバー４のうち、バスバー端子部４０の部分のみについて剛性を低くしてもよい。
その他は、実施例１と同様の構成を有し、同様の作用効果を奏する。

（実施例３）
本例は、図１３に示すごとく、パワー端子２１とバスバー端子部４０との双方を変形させて接触させた電力変換装置１の例である。
例えば、パワー端子２１とバスバー端子部４０との剛性を略同等としておくと共に、両者に可撓性を持たせておく。これにより、パワー端子２１とバスバー端子部４０との双方が弾性変形しながら部分的に密着する。
その他は、実施例１と同様の構成を有し、同様の作用効果を奏する。

上記実施例においては、出力用のバスバー４とパワー端子２１との接合部において本発明を適用する例を示したが、電源の正極又は負極に接続される正極側又は負極側のバスバーとパワー端子２１との接合部においても、本発明を適用することは可能である。
また、パワー端子２１とバスバー４との接合は、溶接の他、例えば、はんだ付けなどを用いることもできる。

１ 電力変換装置
２ 半導体モジュール
２１ パワー端子
２１１ 先端部
２２ 本体部
３ 冷却管
４ バスバー
４０ バスバー端子部
４１ 対向面

Claims (4)

1. 電力変換回路を構成するスイッチング素子を内蔵した複数の半導体モジュールと、該複数の半導体モジュールを冷却するための複数の冷却管とを積層配置してなると共に、上記複数の半導体モジュールを外部と電気的に接続するためのバスバーを備えた電力変換装置であって、
   上記半導体モジュールは、積層方向に直交する方向に突出したパワー端子を有し、
   該パワー端子は、上記バスバーに対して少なくとも先端部を接触させた状態で接合されており、
   上記バスバーにおける上記パワー端子が接続されるバスバー端子部は、積層方向に複数個、所定の間隔をもって形成されており、
   上記パワー端子と上記バスバー端子部との少なくとも一方は可撓性を有し、
   上記バスバー端子部は、上記パワー端子との対向面が上記半導体モジュールの本体部側へ傾斜していることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１において、上記バスバー端子部は、上記パワー端子よりも剛性が高いことを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項２において、上記パワー端子は、該パワー端子の先端部が上記バスバー端子部を押圧するように付勢されていることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１〜３のいずれか一項において、上記パワー端子の突出方向から見たとき、上記複数の半導体モジュールにおける上記パワー端子の付根部は、その積層方向位置が、上記バスバー端子部の上記対向面の範囲内にあることを特徴とする電力変換装置。

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