JP2019022349A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】電力変換装置の小型化、低コスト化を図る技術を提供する。【解決手段】スイッチング素子を封止したパワーカードと、パワーカードを冷却する冷却器とが交互に積層された電力変換装置を提供する。各パワーカードが、スイッチング素子と導通するとともにパワーカードの一方の側面に設けられるパワー端子と、スイッチング素子と導通するとともにパワーカードにおいて一方の側面と反対側の他方の側面に設けられる出力端子と、パワーカードの他方の側面に設けられる信号端子を備える。電力変換装置が、各パワーカードの他方の側面と対向する位置に配置され信号端子が接続される制御基板と、制御基板に設けられ各パワーカードの出力端子が挿通される貫通孔と、制御基板において貫通孔に近接して設けられた電流センサと、を備える。【選択図】図2
Description
本発明は、電力変換装置に関する。
従来から、電力変換用のスイッチング素子を含むパワーカードと、このパワーカードを冷却する冷却器とが交互に積層されたいわゆる積層冷却タイプの電力変換装置が知られている。この電力変換装置は、一般的に、モータ等の負荷に対して電力を供給する出力端子と、出力端子に流れる電流を測定する電流センサと、スイッチング素子を制御する制御基板と、を備えている。電流センサから出力された信号は制御基板に入力されるとともに、制御基板から電流センサに電力が供給される。
例えば、特許文献1には、出力端子に接続されたバスバに流れる電流を測定する電流センサと、バスバを支持する端子台とを備え、電流センサが端子台に設けられた電力変換装置が開示されている。引用文献1の電力変換装置では、電流センサから出力された信号が端子台から制御基板に入力されるとともに、制御基板から端子台に電流センサ用の電力が供給される。また、特許文献2には、出力端子に流れる電流を測定する電流センサと、電流センサの信号線を保持する接続枝板と、接続枝板と制御基板に接続される中継基板とを備えた電力変換装置が開示されている。特許文献2の電力変換装置では、電流センサから出力される信号が接続枝板および中継基板を経由して制御基板に入力するとともに、制御基板から供給される電流センサ用の電力が中継基板および接続枝板を経由して電流センサに供給される。引用文献3には、出力端子に流れる電流を測定する電流センサと、電流センサを制御基板に接続する信号端子とを備え、電流センサから出力される信号が信号端子を介して制御基板に入力される電力変換装置が開示されている。
しかしながら、特許文献1〜3の技術は、電力変換装置の小型化、低コスト化を図るという観点においては十分な技術とはいえなかった。例えば、特許文献1の電力変換装置では、電流センサからの信号の入力や電流センサへの電力の供給のために、端子台と制御基板とを接続する信号線が必要となる。そのため、電流センサの数を増やすと、この信号線によって電力変換装置がさらに大型化するおそれがあった。また、特許文献2、3の技術においても、電流センサと制御基板との間に電流センサ用の信号線を設ける必要があるため、電流センサの数を増やすと、同様に、電力変換装置がさらに大型化するおそれがあった。このように、電力変換装置の小型化、低コスト化に関する技術については、なお改善の余地があった。
本発明は、上述した課題を解決するためになされたものであり、電力変換装置の小型化、低コスト化を図る技術の提供を目的とする。
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態として実現することが可能である。
本発明の一形態によれば、スイッチング素子を封止したパワーカードと、前記パワーカードを冷却する冷却器とが交互に積層された電力変換装置が提供される。この電力変換装置の前記各パワーカードは、前記スイッチング素子と導通し、直流電源に接続されるパワー端子であって、前記パワーカードの一方の側面に設けられるパワー端子と、前記スイッチング素子と導通し、負荷に対して電力を供給する出力端子であって、前記パワーカードにおいて、前記一方の側面と反対側の他方の側面に設けられる出力端子と、前記パワーカードの前記他方の側面に設けられる信号端子と、を備える。前記電力変換装置は、前記各パワーカードの前記他方の側面と対向する位置に配置され、前記信号端子が接続される制御基板と、前記制御基板に設けられ、前記各パワーカードの前記出力端子が挿通される貫通孔と、前記各パワーカードの前記出力端子に流れる電流を検出する電流センサであって、前記制御基板において、前記貫通孔に近接して設けられた電流センサと、を備える。
この構成によれば、電流センサを制御基板上に設けることができるため、電流センサと制御基板との間に信号線をわたす必要がない。これにより、電力変換装置の小型化、低コスト化を図ることができる。
なお、本発明は、種々の態様で実現することが可能であり、例えば、電力変換装置を備える車両、電力変換装置用の制御基板、電力変換装置の製造方法などの形態で実現することができる。
<第1実施形態>
図1〜5を参照して本実施形態の電力変換装置について説明する。図1〜3及び5には、XYZ座標系が示されており、適宜、XYZ座標系を用いて電力変換装置の構成を説明する。図1は、電力変換装置1の平面図であり、上方側(Z軸正方向側)から見た電力変換装置1が示されている。図2は、電力変換装置1における図1のX−X断面図であり、横方向側(Y軸負方向側)から見た電力変換装置1の断面構成が示されている。図3は、電力変換装置1の底面図であり、下方側(Z軸負方向側)から見た電力変換装置1が示されている。
図1〜5を参照して本実施形態の電力変換装置について説明する。図1〜3及び5には、XYZ座標系が示されており、適宜、XYZ座標系を用いて電力変換装置の構成を説明する。図1は、電力変換装置1の平面図であり、上方側(Z軸正方向側)から見た電力変換装置1が示されている。図2は、電力変換装置1における図1のX−X断面図であり、横方向側(Y軸負方向側)から見た電力変換装置1の断面構成が示されている。図3は、電力変換装置1の底面図であり、下方側(Z軸負方向側)から見た電力変換装置1が示されている。
電力変換装置1は、電動車両(例えば、ハイブリッド車)に搭載され、車載バッテリの直流電力を走行用モータの駆動に適した交流電力に変換する。電力変換装置1は、車載バッテリの電圧を昇圧するコンバータ回路と、昇圧後の直流電力を交流電力に変換するためのインバータ回路とを備えている。電力変換装置1は、いわゆる積層冷却型の電力変換装置であり、3つのパワーカード2(2a、2b、2c)と、積層冷却器3と、入力側保持部4と、出力側保持部5と、制御基板6(図2、図3)と、3つの電流センサ7(図2、図3)と、を備えている。なお、電力変換装置1は、パワーカード2や積層冷却器3を収納するケースを備えていてもよいが、ここでは省略する。
3つのパワーカード2(2a、2b、2c)は、それぞれ、平板状の外形を有しておりY軸方向に等間隔に並んで配置されている。互いに近接する2つのパワーカード2の主面部は、後述の冷却器31を介して互いに対向している。各パワーカード2の上方側の側面(Z軸正方向側の側面)には、2つのパワー端子21、22が配置されており、各パワーカード2の下方側の側面(Z軸負方向側の側面)には、出力端子23(図2)と、信号端子26、27(図2)が配置されている。各パワーカード2は、2つのスイッチング素子としての半導体素子24、25(図2)を封止している。図4は、各パワーカード2の内部回路を示す回路図である。図4に示すように、半導体素子24はスイッチング素子24aとダイオード24bを備えており、半導体素子25はスイッチング素子25aとダイオード25bを備えている。スイッチング素子24aのエミッタとスイッチング素子25aのコレクタが接続されている。言い換えれば、各パワーカード2は、2つのスイッチング素子24a、25aの直列回路を内蔵している。スイッチング素子24aには、ダイオード24bが逆並列に接続されている。スイッチング素子25aには、ダイオード25bが逆並列に接続されている。
図1、2に示すように、パワー端子21は、先端側がパワーカード2の上方側(Z軸正方向側)に向けて突出している。パワー端子21の基端側は、図4に示すように、パワーカード2に内蔵されている直列回路の低電位側の端点と接続されている。すなわち、パワー端子21は、2つの半導体素子のうちの低電位側の一方(ここでは半導体素子25)のエミッタ電極と導通するN(負極)端子である。このパワー端子21は、後述する直流入力端子43を介して、直流電源としての車載バッテリの低電位側に電気的に接続される。図1、2に示すように、パワー端子22は、パワー端子21と同様に先端側がパワーカード2の上方側(Z軸正方向側)に向けて突出している。図4に示すように、パワー端子22の基端側がパワーカード2に内蔵されている直列回路の高電位側の端点と接続されている。すなわち、パワー端子22は、2つの半導体素子のうちの高電位側の他方(ここでは半導体素子24)のコレクタ電極と導通するP(正極)端子である。このパワー端子22は、後述する直流入力端子44を介して、車載バッテリの高電位側に電気的に接続される。
出力端子23(図2)は、先端側がパワーカード2の下方側(Z軸負方向側)に向けて突出している。図4に示すように、出力端子23の基端側がパワーカード2に内蔵されている2つの半導体素子24、25の接続点と導通するO端子である。3つのパワーカード2の各出力端子23は、後述する交流出力端子51〜53のいずれかを介して負荷としての走行用モータに接続される。具体的には、図3に示すように、パワーカード2aの出力端子23aは、交流出力端子51を介して走行用モータに接続され、走行用モータに3相交流のU相を出力する。パワーカード2bの出力端子23bは、交流出力端子52を介して走行用モータに接続され、走行用モータに3相交流のV相を出力する。パワーカード2cの出力端子23cは、交流出力端子53を介して、3相交流のW相が出力する。
信号端子26(図2)は、4本の信号線によって構成され、先端側がパワーカード2の下方側(Z軸負方向側)に向けて突出し、パワーカード2の下方側に配置された制御基板6に接続されている。4本の信号線のうちの1つの信号線の後端側は、半導体素子24のゲート電極に接続されており、半導体素子24のオンオフを制御するためのPWM信号が制御基板6から入力される。4本の信号線のうち他の2つの信号線の後端側は、半導体素子24の短絡を検知する短絡検知センサ(不図示)に接続され、残りの1つの信号線の後端側は、半導体素子24の温度を検出する温度センサ(不図示)の出力端子に接続されている。
信号端子27(図2)は、3本の信号線によって構成され、信号端子26と同様に先端側がパワーカード2の下方側(Z軸負方向側)に向けて突出し、制御基板6に接続されている。3本の信号線のうちの1つの信号線の後端側は、半導体素子25のゲート電極に接続されており、半導体素子25のオンオフを制御するためのPWM信号が制御基板6から入力される。残りの2つの信号線の後端側は、半導体素子25の短絡を検知する短絡検知センサ(不図示)に接続されている。スイッチング素子24a、25aは、トランジスタであり、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)であるが、例えば、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)など他のトランジスタであってもよい。
積層冷却器3は、パワーカード2を冷却するための装置であり、平板状の4つの冷却器31と、冷媒供給管33と、冷媒排出管34(図2)と、を備えている。4つの冷却器31は、近接する2つの冷却器31の主面部が互いに対向するようにして、Y軸方向に等間隔に並んで配置されている。隣接する2つの冷却器31の間には、パワーカード2が配置される。すなわち、パワーカード2は、両側に冷却器31が配置されており、両側の冷却器31によって冷却される。このように、電力変換装置1は、3つのパワーカード2と、4つの冷却器31とが交互に積層された構成を有している。なお、各冷却器31とパワーカード2との間には、絶縁板が挟まれている。4つの冷却器31は、それぞれ、冷媒供給管33および冷媒排出管34(図2)に接続されており、冷媒供給管33から供給された冷媒を内部に流通させることによって、パワーカード2から発生する熱を冷媒に吸収させる。冷却器31を流通した冷媒は、冷却器31から冷媒排出管34に排出される。
入力側保持部4(図1)は、本体部40と、3つのバスバ41(41a、41b、41c)と、3つのバスバ42(42a、42b、42c)と、直流入力端子43、44と、を備えている。本体部40は、長尺状の外形を有しており、3つのパワーカード2の右上方側(X軸正方向Z軸正方向側)に配置されている。入力側保持部4は、内部にコンバータ回路を含んでいる。コンバータ回路は、2つの半導体素子(スイッチング素子)の直列回路と、一端がこの直列回路の中点に接続され、他端が入力側の高電位端子(直流入力端子44)に接続されているリアクトルと、入力側の高電位端子(直流入力端子44)と低電位端子(直流入力端子43)の間に接続されるフィルタコンデンサと、各半導体素子(スイッチング素子)に逆並列に接続されているダイオードを含んでいる。
3つのバスバ41(41a、41b、41c)は、導電性の長尺状の部材であり、それぞれ、基端部が本体部40によって支持されるとともに、先端部が左方向側(X軸負方向側)に向けて突出している。3つのバスバ41は、それぞれ、コンバータ回路の直列回路の低電位側の端点と接続され、コンバータ回路の低電位側の出力端として構成されている。3つのバスバ41の各先端部は、3つのパワーカード2のいずれかのパワー端子21に接続されている。具体的には、バスバ41aの先端部は、パワーカード2aのパワー端子21に接続され、バスバ41bの先端部は、パワーカード2bのパワー端子21に接続され、バスバ41cの先端部は、パワーカード2cのパワー端子21に接続される。すなわち、コンバータ回路の低電位側の出力端には、3つのインバータ回路のそれぞれの直列回路の低電位側が接続される。
3つのバスバ42(42a、42b、42c)は、バスバ41と同様に導電性の長尺状の部材であり、それぞれ、基端部が本体部40によって支持されるとともに、先端部が左方向側(X軸負方向側)に向けて突出している。3つのバスバ42は、それぞれ、コンバータ回路の直列回路の高電位側の端点と接続され、コンバータ回路の高電位側の出力端として構成されている。3つのバスバ42の各先端部は、3つのパワーカード2のいずれかのパワー端子22に接続されている。具体的には、バスバ42aの先端部は、パワーカード2aのパワー端子22に接続され、バスバ42bの先端部は、パワーカード2bのパワー端子22に接続され、バスバ42cの先端部は、パワーカード2cのパワー端子22に接続される。すなわち、コンバータ回路の高電位側の出力端には、3つのインバータ回路のそれぞれの直列回路の高電位側が接続される。3つのバスバ41と3つのバスバ42によって、3つのインバータ回路のそれぞれの直列回路は、並列に接続された構成となっている。
直流入力端子43は、本体部40の前方側(Y軸正方向側)の端部に設けられ、車載バッテリの低電位側から延びるケーブルが接続される。直流入力端子44は、本体部40において直流入力端子43に近接した位置に設けられ、車載バッテリの高電位側から延びるケーブルが接続される。
出力側保持部5(図1〜図3)は、本体部50と、交流出力端子51、52、53(図1、図3)と、3つのバスバ54(54a、54b、54c)(図3)と、を備えている。本体部50は、長尺状の外形を有しており、3つのパワーカード2の右下方側(X軸正方向Z軸負方向側)に配置されている。交流出力端子51〜53は、本体部50の右側(X軸正方向)の側面部に設けられており、走行用モータから延びるケール部が接続される。具体的には、交流出力端子51には、走行用モータのU相用のケーブルが接続される。交流出力端子52には、走行用モータのV相用のケーブルが接続される。交流出力端子53には、走行用モータのW相用のケーブルが接続される。
3つのバスバ54(54a、54b、54c)は、導電性の長尺状の部材であり、それぞれ、基端部が本体部50によって支持されるとともに、先端部が左方向側(X軸負方向側)に向けて突出している。各バスバ54の基端部は、それぞれ、交流出力端子51〜53のいずれかと接続されている。3つのバスバ54の各先端部は、3つのパワーカード2のいずれかの出力端子23に接続されている。具体的には、バスバ54aの先端部は、パワーカード2aの出力端子23aに接続され、バスバ54bの先端部は、パワーカード2bの出力端子23bに接続され、バスバ54cの先端部は、パワーカード2cの出力端子23cに接続される。すなわち、3つのバスバ54によって、パワーカード2aの出力端子23aが交流出力端子51と接続され、パワーカード2bの出力端子23bが交流出力端子52と接続され、パワーカード2cの出力端子23cが交流出力端子53と接続される。
制御基板6(図2、図3)は、平板状の外形を有しており、3つのパワーカード2の下方側(Z軸負方向側)に配置されている。制御基板6の上面側(Z軸正方向側の面)は、3つのパワーカード2の下方側の側面(Z軸負方向側の側面)と対向している。パワーカード2の下方側の側面から下方側に延びる信号端子26と信号端子27のそれぞれの先端部が、制御基板6を貫通している。制御基板6は、各パワーカード2の出力端子23(23a、23b、23c)が挿通される3つの貫通孔61(図3)を備えている。3つの貫通孔61は、それぞれ、出力端子23の断面よりも大きい略矩形形状の開口部であり、Y軸方向に並んで形成されている。貫通孔61と出力端子23とは接触しておらず、一定の隙間が形成されている。制御基板6の下面側(Z軸負方向側の面)において、3つの貫通孔61の各外周部には、それぞれ、電流センサ7が設けられている。
3つの電流センサ7(図3)は、それぞれ、環形状を有しており、貫通孔61を囲むように設けられている。3つの電流センサ7は、それぞれ、貫通孔61に挿通された出力端子23を流れる電流の大きさを測定する。具体的には、電流センサ7は、ホール素子を含んでおり、出力端子23を流れる電流に起因して生じる磁界の大きさを計測する。出力端子23を流れる電流の大きさと生じる磁界の大きさは比例関係にあり、磁界の大きさから出力端子23を流れる電流の大きさを特定することができる。電流センサ7は、計測した電流の大きさ(計測値)を示す信号(計測信号)を制御基板6に出力する。制御基板6は、電流センサから入力される計測信号を処理する信号処理回路を備えており、電流センサ7の計測値を用いて、出力端子23を流れる電流が目標電流となるようにフィードバック制御をおこなう。
図5は、制御基板6の底面図であり、下方側(Z軸負方向側)から見た制御基板6が示されている。図5には、電流センサ7(図3)が図示されておらず、電流センサ7が設置される設置範囲PAが破線で示されている。制御基板6は、センサ電源配線62と、センサ信号配線63と、制御信号配線64、65と、センサ放熱用ランド66と、を備えている。配線62〜65は、制御基板6の下面上に形成された銅薄膜の細いパターンである。
センサ電源配線62は、電流センサ7に電力を供給するための配線であり、正極用と負極用の2本の配線を含んでいる。センサ電源配線62の先端側には電流センサ7の電源端子(不図示)と電気的に接続される電源端子用ランド621が形成されている。電源端子用ランド621は、制御基板6の下面上において一定の領域を持った銅薄膜のパターンであり、電流センサ7の電源用端子がはんだ接合される。電源端子用ランド621の中心付近には、電流センサ7の電源用端子が挿通される貫通孔622が形成されている。電源端子用ランド621と貫通孔622は、貫通孔61の外周部、ここでは、電流センサ7の設置範囲PAの内側に設けられている。
センサ信号配線63は、電流センサ7から出力された計測信号を制御基板6の信号処理回路に供給するための配線である。センサ信号配線63の先端側には電流センサ7の信号端子(不図示)と電気的に接続される信号端子用ランド631が形成されている。信号端子用ランド631は、制御基板6の下面上において一定の領域を持った銅薄膜のパターンであり、電流センサ7の信号用端子がはんだ接合される。信号端子用ランド631には、電流センサ7の信号用端子が挿通される貫通孔632が形成されている。信号端子用ランド631と貫通孔632は、貫通孔61の外周部、ここでは、電流センサ7の設置範囲PAの内側に設けられている。本実施形態の信号端子用ランド631は、電流センサ7の信号用端子から伝わってきた電流センサ7の熱を拡散させ、電流センサ7の加熱を防ぐためのベタパターン633と一体的に形成されている。
制御信号配線64は、パワーカード2の信号端子26(図2)の4本の信号線にそれぞれ対応する4本の配線を含んでいる。すなわち、制御信号配線64は、半導体素子24に入力されるPWM信号用の配線と、半導体素子24の短絡を検知する短絡検知センサから出力される信号用の配線と、半導体素子24の温度を検出する温度センサから出力される信号用の配線とを含んでいる。制御信号配線64の先端側には、信号端子26と電気的に接続される信号端子用ランド641が形成されている。信号端子用ランド641は、制御基板6の下面上の銅薄膜のパターンであり、信号端子26がはんだ接合される。信号端子用ランド641の中心付近には、信号端子26が挿通される貫通孔642が形成されている。
制御信号配線65は、パワーカード2の信号端子27(図2)の3本の信号線にそれぞれ対応する3本の配線を含んでいる。すなわち、制御信号配線65は、半導体素子25に入力されるPWM信号用の配線と、半導体素子25の短絡を検知する短絡検知センサから出力される信号用の配線とを含んでいる。制御信号配線65の先端側には、信号端子27と電気的に接続される信号端子用ランド651が形成されている。信号端子用ランド651は、制御基板6の下面上の銅薄膜のパターンであり、信号端子27がはんだ接合される。信号端子用ランド651の中心付近には、信号端子27が挿通される貫通孔652が形成されている。
センサ放熱用ランド66は、制御基板6の下面上において一定の領域を持った銅薄膜のパターンであり、電流センサ7の放熱用端子(不図示)がはんだ接合される。センサ放熱用ランド66の中心付近には、電流センサ7の放熱用端子が挿通される貫通孔662が形成されている。センサ放熱用ランド66は、電流センサ7の放熱用端子から伝わってきた電流センサ7の熱を拡散させる。
以上説明した、本実施形態の電力変換装置1によれば、出力端子23の電流を検出する電流センサ7が制御基板6上に設けられているため、電流センサ7と制御基板6との間をつなぐ信号線や電源供給用の配線を省略することができる。これにより、電流センサの数を増やした場合であっても、電流センサと制御基板との間の信号線等によって電力変換装置が大型化することが抑制され、電力変換装置の小型化、低コスト化を図ることができる。本実施形態の電力変換装置1は、出力端子23が信号端子26、27と同じ方向に突出しており、制御基板6の貫通孔61に出力端子23が挿通された構成となっている。これにより、制御基板6の貫通孔61に近接した位置に設けられた電流センサ7は、貫通孔61に挿通され出力端子23の電流を検出することが可能となっている。
以上、実施形態を詳細に説明したが、これらは例示にすぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、上述した実施形態を様々に変形、変更したものが含まれる。また、本明細書または図面において説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載した組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面において説明した技術は、複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
1:電力変換装置
2:パワーカード
3:積層冷却器
4:入力側保持部
5:出力側保持部
6:制御基板
7:電流センサ
21、22:パワー端子
23:出力端子
24、25:半導体素子
26、27:信号端子
31:冷却器
61:貫通孔
2:パワーカード
3:積層冷却器
4:入力側保持部
5:出力側保持部
6:制御基板
7:電流センサ
21、22:パワー端子
23:出力端子
24、25:半導体素子
26、27:信号端子
31:冷却器
61:貫通孔
Claims (1)
- スイッチング素子を封止したパワーカードと、前記パワーカードを冷却する冷却器とが交互に積層された電力変換装置であって、
前記各パワーカードが、
前記スイッチング素子と導通し、直流電源に接続されるパワー端子であって、前記パワーカードの一方の側面に設けられるパワー端子と、
前記スイッチング素子と導通し、負荷に対して電力を供給する出力端子であって、前記パワーカードにおいて、前記一方の側面と反対側の他方の側面に設けられる出力端子と、
前記パワーカードの前記他方の側面に設けられる信号端子と、を備え、
前記電力変換装置が、
前記各パワーカードの前記他方の側面と対向する位置に配置され、前記信号端子が接続される制御基板と、
前記制御基板に設けられ、前記各パワーカードの前記出力端子が挿通される貫通孔と、
前記各パワーカードの前記出力端子に流れる電流を検出する電流センサであって、前記制御基板において、前記貫通孔に近接して設けられた電流センサと、を備えていることを特徴とする電力変換装置。
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JP2012100457A (ja) * | 2010-11-04 | 2012-05-24 | Denso Corp | 電力変換装置 |
JP2014057485A (ja) * | 2012-09-14 | 2014-03-27 | Hitachi Automotive Systems Ltd | 電力変換装置 |
JP2014090659A (ja) * | 2012-10-02 | 2014-05-15 | Denso Corp | 電力変換装置 |
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