JP2013240151A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】冷却能力を確保しつつ、配線インダクタンス更なる低減を可能とする電力変換装置を得ること。
【解決手段】第一のレグを構成する第一および第三のスイッチ素子（１，３）は、第一のブスバー５および第二のブスバー６との間に挟まれる空間内で、第一のブスバー５における素子搭載面の直交方向に並ぶように配置すると共に、第二のレグを構成する第二および第四のスイッチ素子（２，４）は、第一のブスバー５と第三のブスバー７とに挟まれる空間内で、第一のブスバー５における素子搭載面の直交方向に並ぶように配置する。
【選択図】図４

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

電力変換装置は、直流電力を交流電力に変換してモーターを駆動したり、太陽電池システムのように直流電力供給源である太陽電池にて発電した直流電力を商用電力の交流に変換したりする装置である。

この種の電力変換装置として、例えば下記特許文献１に記載の電力変換装置では、電力変換回路（インバータ回路）を構成するＩＧＢＴやＭＯＳ−ＦＥＴなどのスイッチ素子を平面に展開して配置すると共に、直流電圧源とインバータ回路とを繋ぐ導通線をブスバーにて構成し、このブスバーを平行平板に配置して、その空間を近づけることで配線ループの面積を小さくし、インバータ回路の配線インダクタンスを小さくしている。

特開２００６−２８０１９１号公報

上述のように、従来の電力変換装置では、配線ループが作る面積を小さくするために、正極側と負極側の導体板をできるだけ近接させているが、スイッチ素子における冷却の問題から、スイッチ素子を収納しているモジュールケースの面積や、スイッチ素子自体の面積分は残り、その分が配線インダクタンス成分となっていた。その結果、スイッチング毎に当該インダクタンス成分に起因するサージ電圧がスイッチ素子に印加されることとなり、スイッチ素子がブレークダウンすることを防止するため、スイッチ素子保護用のスナバ回路を用いるなどの対策を行っていた。

つまり、従来の電力変換装置では、ブスバーを平行平板に配置して、その空間を近づけることで配線ループの面積を小さくしようとしているが、ブスバーを近接して配置するためにスイッチ素子を平面に配置したことが、スイッチ素子における冷却の問題とも関係して、配線インダクタンスの増加、あるいは限界値になっており、冷却の問題と絡めた配線インダクタンスの問題に改善の余地が残されていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、冷却能力を確保しつつ、配線インダクタンスの更なる低減を可能とする電力変換装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、正側アームを成す第一および第二のスイッチ素子と、負側アームを成す第三および第四のスイッチ素子とを有するインバータ回路を備えた電力変換装置において、平板状に形成され、前記第一および第二のスイッチ素子を搭載し、前記インバータ回路に直流電圧を印加する直流電源の正極と前記インバータ回路との間を電気的に接続する第一のブスバーと、平板状に形成されて前記第三のスイッチ素子を搭載し、前記インバータ回路における一方の交流端子を成す第二のブスバーと、平板状に形成されて前記第四のスイッチ素子を搭載し、前記インバータ回路における他方の交流端子を成す第三のブスバーと、前記直流電源の負極と前記インバータ回路との間を電気的に接続する第四のブスバーと、が設けられ、前記インバータ回路における第一のレグを構成する第一および第三のスイッチ素子は、前記第一のブスバーと前記第二のブスバーとの間に挟まれる空間内で、前記第一のブスバーにおける素子搭載面の直交方向に並ぶように配置され、前記インバータ回路における第二のレグを構成する第二および第四のスイッチ素子は、前記第一のブスバーと前記第三のブスバーとに挟まれる空間内で、前記第一のブスバーにおける素子搭載面の直交方向に並ぶように配置されることを特徴とする。

本発明によれば、冷却能力を確保しつつ、配線インダクタンスの更なる低減が可能になる、という効果を奏する。

図１は、本実施の形態１に係る電力変換装置の回路構成を示す図である。 図２は、本実施の形態１に係る電力変換装置の配置および接続構造を示す上面図である。 図３は、図２におけるＸ−Ｘ線矢視断面図である。 図４は、図２におけるＹ−Ｙ線矢視一部断面図である。 図５は、図３におけるＡ−Ａ線矢視図である。 図６は、図５におけるＢ−Ｂ線断面図である。

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る電力変換装置について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の回路構成を示す図であり、図１では、直流電源としてのコンデンサ１０から供給された直流電圧をスイッチング制御により所望の交流電圧に変換して交流端子２８，３０から出力する電力変換装置としてのインバータ回路１２を一例として示している。

直流電源であるコンデンサ１０とインバータ回路１２とは、正極（以下必要に応じ「Ｐ」と表記）側の直流母線を成す正極配線１１Ａおよび負極（以下必要に応じ「Ｎ」と表記）側の直流母線を成す負極配線１１Ｂによって接続される。

インバータ回路１２は、正側アームを成す第一のスイッチ素子１と負側アームを成す第三のスイッチ素子３とが直列に接続された直列回路（第一のレグ）と、正側アームを成す第二のスイッチ素子２と負側アームを成す第四のスイッチ素子４とが直列に接続された直列回路（第二のレグ）とが並列に接続されて構成される。すなわち、インバータ回路１２には、二組（Ｕ相分、Ｖ相分）のレグを有する単相ブリッジ回路が構成される。なお、図１では、二組のレグを有する単相ブリッジ回路を例示しているが、さらに一組のレグをこれら二組のレグに並列に接続することにより、三組（Ｕ相分、Ｖ相分、Ｗ相分）のレグを有する三相ブリッジ回路が構成されることは言うまでもない。

これら第一のスイッチ素子１〜第四のスイッチ素子４は、ＦＥＴ、ＩＧＢＴなどのトランジスタ素子とダイオードとが逆並列に接続されて構成される。具体的に、例えばＵ相正側アームを成す第一のスイッチ素子１では、トランジスタ素子１ａとダイオード１ｂとが逆並列に接続されて構成される。第二のスイッチ素子２〜第四のスイッチ素子４についても同様である。

上記のように構成されるインバータ回路１２では、Ｕ相正側アームを成す第一のスイッチ素子１のドレイン端子Ｄ１（第一端子に相当する）およびＶ相正側アームを成す第二のスイッチ素子２のドレイン端子Ｄ２が正極配線１１Ａに接続され、Ｕ相負側アームを成す第三のスイッチ素子３のソース端子Ｓ３（第二端子に相当する）およびＶ相負側アームを成す第四のスイッチ素子４のソース端子Ｓ４が負極配線１１Ｂに接続される。また、第一のスイッチ素子１のソース端子Ｓ１と第三のスイッチ素子３のドレイン端子Ｄ３との接続端が交流端子２８として引き出され、第二のスイッチ素子２のソース端子Ｓ２と第四のスイッチ素子４のドレイン端子Ｄ４との接続端が交流端子３０として引き出される。

図１では、実施の形態１に係る電力変換装置の回路構成について説明したが、つぎに、実施の形態１に係る電力変換装置の物理的な構造について、図１〜図６の図面を参照して説明する。図２は、実施の形態１に係る電力変換装置の配置および接続構造を示す上面図であり、図３は、図２におけるＸ−Ｘ線矢視断面図であり、図４は、図２におけるＹ−Ｙ線矢視一部断面図であり、図５は、図３におけるＡ−Ａ線矢視図であり、図６は、図５におけるＢ−Ｂ線断面図である。

まず、電力変換装置を構成する４つのスイッチ素子のうち、正側アームを成す第一のスイッチ素子１および第二のスイッチ素子２は上部側に配置され、負側アームを成す第三のスイッチ素子３および第四のスイッチ素子４は下部側に配置される（図４参照）。

第一のスイッチ素子１の上部には、第一のスイッチ素子１の形状に合わせて平板状に形成されたドレイン端子２１（Ｄ１）が形成される。このドレイン端子２１は、電気的および熱的に接触するように第一のブスバー５に接続される（図３および図４参照）。第二のスイッチ素子２も同様であり、第二のスイッチ素子２の上部に平板状に形成されたドレイン端子２２（Ｄ２）が電気的および熱的に接触するように平板状に形成された第一のブスバー５に接続される。

上述した第一のブスバー５は、図１に示す正極配線１１Ａとして機能する構成部である。一方、図１に示す負極配線１１Ｂとして機能する構成部が、第四のブスバー８である。第四のブスバー８は、平板状に形成され、断面がクランク形状に折り曲げられ（図３および図６参照）、第三のスイッチ素子３のソース端子３３（Ｓ３）に電気的に接続される（図５および図６参照）。第四のブスバー８は、第四のスイッチ素子４のソース端子３４（Ｓ４）にも電気的に接続される（図５参照）。これらの構成により、直流電源とインバータ回路との間の電気的接続がとられる。

第一のスイッチ素子１と第三のスイッチ素子３との間には、第一の絶縁板９が設けられる（図３および図４参照）。この第一の絶縁板９は、正側アームを成すスイッチ素子の配列方向（「第一の方向Ｚ１」とする）および、第一のブスバー５における素子搭載面に平行で、且つ、この第一の方向Ｚ１に直交する方向（「第二の方向Ｚ２」とする）の双方に延設される。すなわち、第一の絶縁板９は、第一のスイッチ素子１および第二のスイッチ素子２の下部空間と、第三のスイッチ素子３および第四のスイッチ素子４の上部空間を覆うと共に、各レグの配列方向の双方に直交する方向に延設されるように配置される。

第一のスイッチ素子１と第三のスイッチ素子３との間にある第一の絶縁板９における第二の方向Ｚ２の延設部分の上部には第一のゲート回路１５が配置され、下部には第三のゲート回路１７が配置される（図３および図４参照）。第一のゲート回路１５は、第一のスイッチ素子１のゲート端子（第一および第二端子の導通、非導通を制御する制御端子に相当する）に所望のゲート信号を印加するための回路であり、第一のゲート回路１５と第一のスイッチ素子１のゲート端子４１（Ｇ１）とは、第一の接続線２５を用いて電気的に接続される（図２参照）。図示を省略しているが、第三のゲート回路１７も同様の接続線を用いて第三のスイッチ素子３のゲート端子に電気的に接続される。

第二のスイッチ素子２と第四のスイッチ素子４との間にある第一の絶縁板９における第二の方向Ｚ２の延設部分の上部には第二のゲート回路１６が配置され、下部には第四のゲート回路１８が配置される（図４参照）。第一のゲート回路１５と同様に、第二のゲート回路１６と第二のスイッチ素子２のゲート端子４２（Ｇ２）との間は、第二の接続線２６を用いて電気的に接続される（図２参照）。図示を省略しているが、第四のゲート回路１８も同様の接続線を用いて第四のスイッチ素子４のゲート端子に電気的に接続される。

なお、実施の形態１では、第一〜第四のゲート回路（１５〜１８）は、各スイッチ素子の直下部もしくは直上部を避けて配置しているが、絶縁が問題とならない範囲でこれらの部位もしくは近傍位置に配置してもよい。

また、第三のスイッチ素子３の下部には、第三のスイッチ素子３の形状に合わせて平板状に形成されたドレイン端子２３（Ｄ３）が形成される。このドレイン端子２３は、電気的および熱的に接触するように第二のブスバー６に接続される（図３および図４参照）。第四のスイッチ素子４も同様であり、第四のスイッチ素子４の下部に平板状に形成されたドレイン端子２４（Ｄ４）が電気的および熱的に接触するように第三のブスバー７に接続される。なお、図２〜図６では図示しない交流端子２８は、第二のブスバー６に電気的に接続される端子として所望の位置に設けられ、同じく、図２〜図６では図示しない交流端子３０は、第三のブスバー７に電気的に接続される端子として所望の位置に設けられる。

また、第一のスイッチ素子１のソース端子３１（Ｓ１）は、断面がＬ字形状に折り曲げられ、第四のブスバー８に設けられた切り欠き凹部４５を通じて第二のブスバー６に電気的に接続される（図３〜図５参照）。この接続により、第一のスイッチ素子１のソース端子３１（Ｓ１）と第三のスイッチ素子３のドレイン端子２３（Ｄ３）とが接続され、第一のスイッチ素子１と第三のスイッチ素子３とによる１組のレグが構成される。第二のスイッチ素子２と第四のスイッチ素子４との間も同様であり、第二のスイッチ素子２のソース端子３２（Ｓ２）が、第四のブスバー８に設けられた切り欠き凹部４６を通じて第三のブスバー７に電気的に接続されることにより（図４および図５参照）、第二のスイッチ素子２のソース端子３２と第四のスイッチ素子４のドレイン端子２４（Ｄ４）とが接続され、第二のスイッチ素子２と第四のスイッチ素子４とによるもう１組のレグが構成される。

以上の構成により、図１に示す回路構成を立体的に展開して配置したインバータ回路が構成される。

つぎに、実施の形態１に係る電力変換装置の動作について説明する。まず、第一のスイッチ素子１と第四のスイッチ素子４とが導通するときには、直流電源の正極（コンデンサ１０の一端）からの電流は、第一のブスバー５→第一のスイッチ素子１のドレイン端子２１（Ｄ１）→第一のスイッチ素子１のソース端子３１（Ｓ１）→第二のブスバー６→交流端子２８という経路で交流端子２８に接続される図示しない負荷に電流が流れ、この負荷からの戻り電流は、交流端子３０→第三のブスバー７→第四のスイッチ素子４のドレイン端子２４（Ｄ４）→図２〜図４では図示を省略した第四のスイッチ素子４のソース端子→第四のブスバー８という経路で直流電源の負極（コンデンサ１０の他端）に戻る。

また、第二のスイッチ素子２と第三のスイッチ素子３とが導通するときには、直流電源の正極（コンデンサ１０の一端）からの電流は、第一のブスバー５→第二のスイッチ素子２のドレイン端子２２（Ｄ２）→第二のスイッチ素子２のソース端子３２（Ｓ２）→第三のブスバー７→交流端子３０という経路で交流端子３０に接続される図示しない負荷に電流が流れ、この負荷からの戻り電流は、交流端子２８→第二のブスバー６→第三のスイッチ素子３のドレイン端子２３（Ｄ３）→第三のスイッチ素子３のソース端子３３（Ｓ３）→第四のブスバー８という経路で直流電源の負極（コンデンサ１０の他端）に戻る。

ここで、第一〜第四のスイッチ素子（１〜４）の厚さや構造について補足する。まず、第四のブスバー８の厚さは電流を流すことによりジュール熱による損失を軽減するための厚さであればよい。したがって、第四のブスバー８の厚さは、第一〜第三のブスバー（５〜７）の厚さに比して、図３に示すように薄くしてもよい。

また、図２では、第一のブスバー５の面積が第二のブスバー６と第三のブスバー７の合計面積と同等であるように図示しているが、これに限られるものではない。すなわち、第一のブスバー５の面積は、第二のブスバー６および第三のブスバー７の合計面積よりも大きくても小さくてもよい。第四のブスバー８と、第二のブスバー５および第三のブスバー６との関係においても同様であり、第四のブスバー８の面積が第二のブスバー６と第三のブスバー７の合計面積よりも大きくても小さくても構わない。

以上説明したように、実施の形態１に係る電力変換装置では、インバータ回路における第一のレグを構成する第一および第三のスイッチ素子は、第一のスイッチ素子を搭載する第一のブスバーおよび第三のスイッチ素子を搭載する第二のブスバーとの間に挟まれる空間内で、第一のブスバーにおける素子搭載面の直交方向に並ぶように配置すると共に、インバータ回路における第二のレグを構成する第二および第四のスイッチ素子は、第一のブスバーと第四のスイッチ素子を搭載する第三のブスバーとに挟まれる空間内で、第一のブスバーにおける素子搭載面の直交方向に並ぶように配置する構造を採用するようにして、第一〜第四のスイッチ素子を立体的に展開しているので、直流電源とスイッチ素子との間の配線導体で作られる配線ループ長や配線ループが作る面積を、例えば上記特許文献１に示される従来のインバータ回路に比して、より小さくすることが可能となる。その結果、配線ループが作るインダクタンスを低減することが可能となる。

また、実施の形態１に係る電力変換装置では、上記のように配線インダクタンスを低減できるので、スイッチング毎の電圧サージの発生を軽減でき、電圧の立ち上がり立下りが早いスイッチング制御を行ってもスイッチ素子に対する負担を軽減することができる。これにより、スイッチ素子保護用のスナバ回路も小さくすることができ、また、用途によっては省略することも可能となる。

つぎに、実施の形態１の電力変換装置で用いるスイッチ素子の素材について説明する。まず、第一〜第四のスイッチ素子（１〜４）がスイッチ動作を行い、これらの各スイッチ素子に電流が流れると発熱する。この場合、各スイッチ素子の耐熱温度を超えると素子破壊が起こる可能性が高くなり、また、素子破壊を起こさなくても温度上昇により、素子の導通損失の増大によって素子全体の損失も増加を余儀なくされていた。この場合、特に、半導体スイッチ素子の素材に珪素（Ｓｉ）を使用した場合が顕著であった。

このため、実施の形態１の電力変換装置としては、第一〜第四のスイッチ素子（１〜４）の素材に炭化珪素（ＳｉＣ）を使用することが好ましい。ＳｉＣを使用したスイッチ素子（以下「ＳｉＣ−ＳＷ」と称する）は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、スイッチ素子自体の小型化が可能であり、これら小型化されたスイッチ素子を用いることにより、スイッチ素子を組み込んだ回路モジュールの小型化が可能となる。

また、ＳｉＣ−ＳＷは、耐熱性も高いため、ヒートシンク等の冷却機構を必要とするスイッチ素子の場合、冷却機構の簡素化が可能となり冷却機構の小型化が期待できる。例えば、上述した第一〜第三のブスバー（５〜７）において、半導体スイッチ素子が配置される位置に近い領域（例えば、熱が発熱体から４５度の角度で放熱すると考えた場合）を厚くする（肉厚に形成する）ような放熱対策を行えばよい。また、この厚くした部分にヒートシンクのような放熱フィンを有する構造とすれば、放熱効果が更に高まる。このような放熱対策により、従来のＳｉ（珪素）を素材とするスイッチ素子（Ｓｉ−ＳＷ）からＳｉＣ−ＳＷの置換を行う際に冷却機構の簡素化、小型化が可能となる。

また、スイッチ素子として、使用環境温度領域がＳｉ−ＳＷよりも高いＳｉＣ−ＳＷを使用することにより冷却構造の簡易化が可能となるので、冷却機構のために大きくなっていた配線ループが作る面積を小さくすることができ、小型化に対する相乗効果を得ることが可能となる。

なお、ＳｉＣは、Ｓｉよりもバンドギャップが大きいという特性を捉えて、ワイドバンドギャップ半導体と称される半導体の一例である（これに対し、Ｓｉは、ナローバンドギャップ半導体と称される）。このＳｉＣ以外にも、例えば窒化ガリウム系材料または、ダイヤモンドを用いて形成される半導体もワイドバンドギャップ半導体に属しており、それらの特性も炭化珪素に類似した点が多い。したがって、炭化珪素以外の他のワイドバンドギャップ半導体を用いる構成も、本発明の要旨を成すものである。

実施の形態２．
本発明の実施の形態２に係る電力変換装置について説明する。実施の形態２に係る電力変換装置では、上述した実施の形態１に係る第一〜第四のスイッチ素子（１〜４）を備えたインバータ回路モジュールとして構成する際に、これら第一〜第四のスイッチ素子（１〜４）の周囲を覆うように流動性絶縁物を充填する。流動性絶縁物は、各スイッチ素子間の絶縁、各スイッチ素子における端子間の絶縁、各ブスバー間の絶縁の確保などに効果的であり、また、各スイッチ素子や各ゲート回路などの搭載強度を高めるのにも効果的である。したがって、実施の形態２に係る電力変換装置は、振動強度や絶縁耐力の要求が厳しい用途に有効である。

なお、以上の実施の形態１，２に示した構成は、本発明の内容の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。例えば、上記では、二組のレグが並列に接続される単相インバータを一例として説明したが、三組のレグを有する三相インバータ回路や、３レベルのインバータ回路に適用することも無論可能である。

以上のように、本発明は、冷却能力を確保しつつ、配線インダクタンスの更なる低減を可能とする電力変換装置として有用である。

１ 第一のスイッチ素子
１ａ トランジスタ素子
１ｂ ダイオード
２ 第二のスイッチ素子
３ 第三のスイッチ素子
４ 第四のスイッチ素子
５ 第一のブスバー
６ 第二のブスバー
７ 第三のブスバー
８ 第四のブスバー
９ 第一の絶縁板
１０ コンデンサ
１１Ａ 正極配線
１１Ｂ 負極配線
１２ インバータ回路
１５ 第一のゲート回路
１６ 第二のゲート回路
１７ 第三のゲート回路
１８ 第四のゲート回路
２１〜２４ ドレイン端子
２５ 第一の接続線
２６ 第二の接続線
２８，３０ 交流端子
３１〜３３ ソース端子
４１，４２ ゲート端子

Claims (10)

1. 正側アームを成す第一および第二のスイッチ素子と、負側アームを成す第三および第四のスイッチ素子とを有するインバータ回路を備えた電力変換装置において、
   平板状に形成されて前記第一および第二のスイッチ素子を搭載し、前記インバータ回路に直流電圧を印加する直流電源の正極と前記インバータ回路との間を電気的に接続する第一のブスバーと、
   平板状に形成されて前記第三のスイッチ素子を搭載し、前記インバータ回路における一方の交流端子を成す第二のブスバーと、
   平板状に形成されて前記第四のスイッチ素子を搭載し、前記インバータ回路における他方の交流端子を成す第三のブスバーと、
   前記直流電源の負極と前記インバータ回路との間を電気的に接続する第四のブスバーと、が設けられ、
   前記インバータ回路における第一のレグを構成する第一および第三のスイッチ素子は、前記第一のブスバーと前記第二のブスバーとの間に挟まれる空間内で、前記第一のブスバーにおける素子搭載面の直交方向に並ぶように配置され、前記インバータ回路における第二のレグを構成する第二および第四のスイッチ素子は、前記第一のブスバーと前記第三のブスバーとに挟まれる空間内で、前記第一のブスバーにおける素子搭載面の直交方向に並ぶように配置されることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記第一および第二のスイッチ素子の下部空間ならびに、前記第三および第四のスイッチ素子の上部空間を覆うと共に、各レグの配列方向に直交する方向に延設配置される絶縁板を設けると共に、前記絶縁板の上部に前記第一および第二のスイッチ素子の導通、非導通を制御する第一および第二のゲート回路を設け、前記絶縁板の下部に前記第三および第四のスイッチ素子の導通、非導通を制御する第三および第四のゲート回路を設ける
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記第四のブスバーは、前記第三のスイッチ素子のソース端子を延設した第一の延設部と、前記第四のスイッチ素子のソース端子を延設した第二の延設部と、で構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記第一および第二の延設部は、前記第一のブスバー側にクランク形状に折り曲げられて形成されていることを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記第四のブスバーの厚さは、前記第一乃至第三のブスバーよりも薄く形成されていることを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
6. 前記第一乃至第三のブスバーは、各スイッチ素子が配置される位置に近い部位が肉厚に形成されていることを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の電力変換装置。
7. 前記肉厚に形成されている部位に放熱フィンが設けられていることを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。
8. 前記インバータ回路をモジュールとして構成する際に、前記第一乃至第四のスイッチ素子の周囲を覆うように流動性絶縁物を充填して構成することを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の電力変換装置。
9. 前記第一乃至第四のスイッチ素子は、ワイドバンドギャップ半導体にて形成されることを特徴とする請求項１乃至８の何れか１項に記載の電力変換装置。
10. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化ケイ素、窒化ガリウム系材料または、ダイヤモンドを用いた半導体であることを特徴とする請求項９に記載の電力変換装置。

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