JP4608716B2 - 制御されたdi/dtを有するパワー・スイッチ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は電力調整の分野に関する。産業用機器および家庭用機器の動作を制御するために、スイッチ・モードで動作する半導体パワー部品がしばしば使用される。いわゆる導通角(または、位相角)の制御が行われ、パワー・スイッチは、電源電圧の全ての各半波の継続時間の一部でだけターンオンする。そのような装置は、現在、家庭の照明の分野で照明を薄暗くするために使用され、他の多くの用途でパワー・バリエータを形成するために使用されている。
【0002】
【従来の技術】
位相角パワー調節には、比較的高い電圧がスイッチの両端間に掛かっている間にスイッチが閉じることによって、電源に向かって高調波を発生するというよく知られている欠点がある。この高調波は電磁的な外乱を引き起こし、重大な問題である。製造業者にそのような外乱を発生しないように要求する様々な標準がつくられた。高調波を電源に向かって再注入しないようにする簡単な方法は、高調波をフィルタにかけることである。しかし、バリエータに受動的なフィルタを追加することは、大きさ、重さおよびコストの点から非常に不利な条件である。このフィルタをなくすために、スイッチング時の電流変化速度(di/dt)を制御することで、根本から問題に取り組むことも考案された。サイリスタとトライアックは、その頑丈さ、破壊電圧、スイッチングが簡単なこと、およびオン状態の消費電力が少ないことから、バリエータを製造するのに理想的な部品であるが、残念ながら、どちらもこのdi/dtの制御を可能にすることができない。
【0003】
このようにして、当技術分野では、パワー部品1と2を並列に含む図1に概略を示すようなタイプのシステムを使用することが示された。部品1は、ターンオン時の電源電流の変動が制御電圧の変動に関連づけられるような部品、例えば、パワーMOSトランジスタ、または絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ(IGBT)である。部品2は、いったんオンするとオン状態電流降下が非常に小さいという利点があり、さらに流れる電流が実質的にゼロになる時に自動的にターンオフするという利点があるサイリスタまたはトライアックのようなタイプの部品である。このようにして、部品1のようなタイプの部品でスイッチを閉じ、一方で部品2のようなタイプの部品でオン段階の大部分とターンオフを保証するスイッチを作ることが試みられた。したがって、MOSまたはIGBTタイプの第1の部品がターンオンしたら、サイリスタ・タイプの第2の部品をターンオンするために、制御回路3が設けられる。
【0004】
MOS、またはIGBTタイプのパワー・トランジスタがマルチセル構造を有する部品である場合には、MOS部品の各セルにサイリスタ機能を有する構造を関連づけることが一般に試みられた。したがって、全体の構造はマルチセル・タイプである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、そのようなマルチセル・タイプの構造には様々な欠点があるという本発明者の認識に基づいている。第1の欠点は、一定の最大電流に対して、マルチセル・タイプのサイリスタの表面は必ずモノセルのサイリスタよりも大きいことである。他の欠点は、マルチセル部品の様々なセルの間の接続を行うのが、モノセル部品よりもしばしば非常に困難であり、そのためにメタライゼーションのレベルの数を増やす必要があるということである。
【0006】
したがって、本発明の1つの目的は、一定の最大電流に対して最小表面の部品を得るために、マルチセル・タイプのMOSまたはIGBTトランジスタにサイリスタ・タイプのモノセルのパワー部品を関連づける制御されたdi/dtを有するスイッチの回路および構造を提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記その他の目的を達成するために、本発明は、制御端子に印加される信号によりdi/dtを制御可能なモノリシック・パワー・スイッチにおいて、前記信号により制御されるIGBTと、該IGBTに並列接続されるサイリスタと、該サイリスタのゲートとカソードの間に接続され、前記IGBTの閉路段階中に前記サイリスタを抑止するMOSトランジスタとを有し、前記IGBTは垂直マルチセル構造を有し、前記サイリスタは垂直モノセル構造を有する、モノリシック・パワー・スイッチを提供する。
【0008】
本発明の実施例によると、本スイッチは、裏面に第2の導電型の領域を含む第1の導電型の基板中に形成され、上面側に、IGBTの第1のセル、IGBTの第2のセル、および、主サイリスタのカソード領域と補助サイリスタのカソード領域とを含む前記第2の導電型のカソード・ゲート・ウェルを含み、前記第2のセルの前記カソード領域が前記補助サイリスタのカソード領域とカソード−ゲート領域に接続され、前記主サイリスタのカソード領域とカソード−ゲート領域がカソード端子に接続され、前記主サイリスタと前記補助サイリスタのカソード領域の間に含まれるウェルの領域が絶縁ゲートで覆われる。
【0009】
本発明の実施例によると、本スイッチは、裏面に第2の導電型の領域を含む第1の導電型の基板中に形成され、上面側に、IGBTの第1のセル、およびIGBTの構造と垂直補助サイリスタ構造とを結合するいくつかの第2のセルを含み、これらの第2のセルが前記第2の導電型の領域中に形成され、前記第1の導電型の2つのリングを含み、前記第1のリングが第1の絶縁ゲートで前記第2のリングから分離され、メタライゼーションで前記領域の中心部に接続され、前記第2のリングが、前記第1のセルのゲートに接続された第2の絶縁ゲートで前記領域の周囲から分離される。
【0010】
本発明の実施例によると、本スイッチは、前記サイリスタのバイアスに対して逆方向にバイアスされた垂直タイプのダイオードをさらに含む。
【0012】
本発明の実施例によると、本スイッチは、前記MOSトランジスタの自己バイアス手段を含む。
【0013】
本発明の前記の目的、特徴および利点を、添付の図面に関連して特定の実施形態についての下記の非限定的な説明で詳細に議論する。
【0014】
【発明の実施の形態】
図2は、本発明による制御されたdi/dtを有するスイッチの回路の例を示す。このスイッチは、IGBTタイプのパワー・トランジスタ11(絶縁ゲート・バイポーラ・トランジスタ)およびパワー・サイリスタ12を含む。2つの部品をアノードAとカソードKの間に並列に接続する。サイリスタ12のアノードとIGBT11のアノードをアノードAに接続する。サイリスタ12のカソードとIGBT11のカソードをカソードKに接続する。この実施形態で、ダイオードDをサイリスタ12に対して逆並列に端子AとKの間に接続する。IGBT11のゲートG1を第1の制御端子に接続する。アノードがサイリスタ12のアノードに接続されカソードがサイリスタ12のゲートに接続されたパイロット・サイリスタ13を含む制御回路によって、部品11と12を相互に接続する。サイリスタ13のカソードをMOSトランジスタMを介してカソードKに接続する。MOSトランジスタMのゲートG2を第2の制御端子に接続する。サイリスタ13のゲートを第2のIGBT14を介してサイリスタ13のアノードに接続する。第2のIGBT14のゲートを端子G1に接続する。部品M、13および14は低パワー部品であり、したがって、部品11、12およびDに比べて小さな表面の部品である。
【0015】
図3は、図2の回路の別の説明図である。それは、ダイオードD、サイリスタ12、およびMOSトランジスタMを示す。IGBT11、IGBT14、およびパイロット・サイリスタ13のアセンブリを2つのカソードを有するIGBT21で置換え、その第1のカソードは前の図面と同様に接続し、第2のカソードはサイリスタ12のゲートに直接接続する。
【0016】
図2と図3の回路の動作を図4との関係で説明する。図4は、ゲートG2の電圧Vg2、ゲートG1の電圧Vg1、およびアノードAとカソードKの間の電流IAKを示す。端子AとKの間の電圧VAKの正の半波を考える。
【0017】
電源電圧の正の半波の始まりt0の僅かに後の時間t1に、トランジスタMのゲートG2を制御してトランジスタMをオンにする。その結果、サイリスタ12のゲートとカソードがショートし、このサイリスタはターンオンすることができない。時間t1の後の所望の導通角に従って選ばれた時間t2に、トランジスタ11のゲートG1に電圧ランプを加える。その電圧ランプの勾配を制御して、所望のdi/dtを得る。例えば、方形信号をRCフィルタに通すことで、このランプが得られる(それは制御信号であるから、低電力である)。端子G1の電圧が閾値Vthを超えると直ちに、電流IAKが次第に増加し始め完全導通に対応する値になる。次に、時間t3に、ゲートG2の信号を遮断してトランジスタMをターンオフし、IGBT14のカソード電流(または、IGBT21の補助カソードの電流)がサイリスタ13(または、12)をトリガする。一般に、サイリスタの電圧降下はMOSまたはIGBTパワー・トランジスタの電圧降下よりも小さいので、サイリスタ12がターンオンし、その導通がIGBT11または21の導通よりも優位になる。次に、時間t4に、ゲートG1の信号を遮断し、その結果、IGBT11および14は決定的にターンオフする。このようにして、電圧VAKが非常に小さくなる時に、半波の終わりの時間t5で、電流IAKは閾値Ihよりも小さくなり、サイリスタは再びターンオフする。ゲートG1の電圧は、IGBTが再びターンオンしないように、遮断する。
【0018】
図5は、カソード・ゲート・サイリスタではなくてアノード・ゲート・サイリスタを使用する本発明の他の可能な実施形態を示す。この回路は、逆方向のダイオードDを含む。主カソード・ゲート・サイリスタ12を主アノード・ゲート・サイリスタ32で置き換える。カソード・ゲート・パイロット・サイリスタ13をアノード・ゲート・サイリスタ33で置き換え、IGBT31を使用し、そのアノードをパイロット・サイリスタ33のアノード・ゲートとしても使用する。パイロット・サイリスタのカソード・ゲートをNチャネル・エンハンスメントMOSトランジスタMを介してそのカソードに接続する。
【0019】
本発明の利点によれば、一方では図2と図3で、他方では図5で説明する回路により、モノリシック部品の形での実現が可能になる。
【0020】
図6は、図2または図3の回路の可能な実現を示す。部品をN型シリコン・ウェーハN1に形成する。上面側で、このウェーハの周囲に完全に外側に面してN型リングN2を配置し、より内側でP型リングP2をカソードKに接続する。これは、従来の耐電圧装置である。裏の表面側で、領域N2とP2の前方に高密度ドープのP型層P1を形成する。
【0021】
ダイオードDは、前の表面側に形成された領域P3に対応し、その領域P3の前方の裏の表面側に高密度ドープN型領域N3を配置する。主サイリスタ12は、上面側でP型ウェルP4中に形成されたN型領域N4を含む。裏の表面側に、以下で述べる全ての部品の場合と同様に、P型領域P1がある。裏の表面の唯一のN型領域は、上記のダイオードDのカソード領域N3である。このようにして、主サイリスタN4−P4−N1−P1が形成された。補助サイリスタ13は垂直サイリスタであり、そのカソードは同じくウェルP4中に形成されたN型領域N5に対応する。したがって、補助サイリスタ13は、領域N5−P4−N1−P1を含む。領域N4とN5の間の少なくとも領域P4の一部を絶縁ゲートG2で覆い、領域N4−P4−N5がNチャネル・エンハンスメントMOSトランジスタMに対応する。IGBT14はマルチセル部品であり、そのそれぞれのセルが、従来と同様に、ウェルP6中に形成されたリング状ソース領域N6を含む。領域N6とウェルP6の外側の間のウェルP6の周囲を従来と同様にゲートG1で覆う。したがって、裏の表面がP型層P1で覆われている場合には、垂直IGBTが形成され、そのカソードが領域P6とN6の上に形成されたメタライゼーションに対応し、そのゲートがメタライゼーションG1に対応し、そのアノードが部品の裏側の表面に対応する。同様に、主IGBT11はセルを含み、そのそれぞれのセルが、ウェルP7にリング状ソース領域N7を含む。
【0022】
端子Kに接続された第1の上面メタライゼーションで領域P2、P3、N4、およびN7〜P7を覆う。また、メタライゼーションKで、ゲートG2の反対側のウェルP4の一部を覆う。外部供給源に接続されていない他の上面のメタライゼーションで、ウェルP6とソースN6と同様に領域N5およびゲートG2から遠く離れたウェルP4の一部も覆う。
【0023】
留意すべきことであるが、図2のIGBT11はウェルP7中に形成された多数のセルに対応し、IGBT14はウェルP6中に形成された少数のセルに対応するが、サイリスタ12と13、MOSMおよびダイオードDはモノセルの部品である。
【0024】
ゲートG1とG2がバイアスされる時間t2から始まる初期段階で、ウェルP7に対応するセルは導通している。ゲートG2をバイアスすることにより、領域N4とN5は互いに接続されると考えられるので、ウェルP6に対応するセルに関して、導通はアノードAからソースN6を覆うメタライゼーションに、領域N5に向かって、次に領域N4とカソードKに向かって起きる。この段階中にサイリスタの導通は抑止される。
【0025】
ゲートG2がもはやバイアスされていない時に、時間t3から始まって、電流はゲートG2の下に形成されたチャネルを介して領域N5からN4にもはや流れることはできないが、領域N4とN5の下の領域P4を通って閉じている。この電流は、引続いて、サイリスタN5−P4−N1−P1およびN4−P4−N1−P1をトリガする。この後者のサイリスタがターンオンする時間から、電流の大部分はそこを通って流れる。サイリスタのトリガを遅延したり、または抑止したりしないために、IGBTのオン状態の抵抗は小さすぎないことが必要である。
【0026】
図7は、図6の回路の実施形態の非常に簡略化された上面図である。同じ要素は、同じ参照で示されている。この図面は、基本的に、要素D、12、Mおよび13のモノセルの性質およびIGBT11と14のマルチセルの性質を示す働きをしている。IGBTのセルを非常に象徴的に黒い正方形で示す。ゲートG1は、これらのセルの間を延びる。逆に、ゲートG2を領域N4とN5の間を隔てる簡単な線の形で示す。
【0027】
図8は、図5の回路のモノリシックの実施形態を示す。部品の周囲、ダイオードD(P3−N1−N3)および主サイリスタN4−P4−N1−P1は図6と同じ構造である。同様に、セルP7〜N7の上表面側に形成された主IGBTは、図6のそれと全く同じである。しかし、IGBTからサイリスタまでの導通伝達の中間回路は異なっている。その中間回路は、ウェルP8中に形成され、このウェルに2つの連続したN型リングN8とN9を含む。領域N8とウェルP8の中心部分を外部端子に接続されていないメタライゼーションに接続し、一方で、領域N9をカソードKに接続する。外のリングN9の外側とウェルP8の外周の間の領域をゲートG1で覆う。リング領域N8とN9の間の間隔をゲートG2で覆う。ゲートG1とG2を、図4と図6に関係して説明したように制御する。
【0028】
ゲートG1とG2がバイアスされる時に、初期の状態で、前のように、セルN7〜P7に対応する主IGBTはオンであり、ウェルP8に対応するセルも導通している。ゲートG2に加えられた信号を遮断する時に、カソードN9とベースP8の間のショートがなくなり、補助サイリスタN8−P8−N1−P1がターンオンする。このサイリスタが主サイリスタに十分に近い場合には、接合P1〜N1のレベルの注入により、この場合にはアノードゲート・モードでトリガして、主サイリスタN4−P4−N1−P1をターンオンする結果になる。
【0029】
図9は、図8の構造に近いが、主サイリスタ制御がカソードゲート・タイプである構造を図示する。図9の構造は、ウェルP8が、多数のセルを形成する代わりに、ウェルP4の周辺の拡張を形成する構造の図面に変更したものである。ウェルP4に、別個の周辺領域N8とN9を形成し、領域N9が一番外の領域である。絶縁ゲートG1が領域N9の外側でウェルP4の周囲を覆う。領域N9をメタライゼーションKに接続する。ゲートG2が領域N8とN9の間に延びる。領域N4の側で、メタライゼーションで領域N8をウェルP4に接続する。
【0030】
ゲートG1とG2でオン状態になる時に、図9の構造の動作は図8のそれと似ている。ゲートG2の信号が遮断された時に、カソードN9とベースP4の間のショートが遮断され、結合サイリスタN9−P4−N1−P1がターンオンする。次に、ベースP4にキャリアが発生することで、主サイリスタN4−P4−N1−P1がターンオンするようになる。
【0031】
図10は、制御されたdi/dtを有する双方向スイッチを形成するために、本発明による2つの部品を端子A1とA2の間に逆向きで直列接続したものを示す。この場合に、逆方向ダイオードDを設けることの利点は明らかである。前に説明した部品と同じようにバイアスされている上の部品は、主IGBT1−1、主サイリスタ2−1、逆方向ダイオードD−1および前に述べた方法のどちらかで形成される制御回路3−1を含む。下の部品は対応する逆方向バイアスされた要素1−2、2−2、3−2およびD−2を含む。このようにして、端子A1が正の時に、導通はダイオードD−1を介して、次に下の部品を介して行われる。
端子A1が負の時には、接続はダイオードD−2を介して、次に上の部品を介して行われる。
【0032】
上記で、AC動作の場合に、それぞれが逆並列ダイオードを含む2つの部品の逆向きの直列結合を、図10に関係して説明した。IGBTトランジスタは、一般に、比較的高い逆方向電圧に耐えるのが困難であるから、このタイプの部品結合は現在好ましい。しかし、技術の進歩によって、十分な逆方向破壊電圧を有するIGBTトランジスタを適正なコストで製造することが可能になれば、本発明による2つの部品を、逆方向ダイオードDなしで逆並列に配置してAC電流制御装置を形成することが可能になるであろう。
【0033】
本発明の他の手段を図11に概略的に図示する。前記において、本発明によるスイッチは2つの制御端子G1とG2を含み、制御端子G1はスイッチの導通デューティ・サイクルを決定するために使用し、端子G2は各半波の始まりにサイリスタ・タイプの部品を遮断するためだけの機能端子である。本発明によるスイッチを形成するその他の部品を合体してモノリシック構造に容易に一体化できる部品で、端子G2の信号を自動的に供給することが示されるであろう。この機能を行う回路の簡単化された例を図11に示す。
【0034】
図11において、ダイオードDは図2、図3および図5のそれと同じであり、サイリスタThは図2のサイリスタ12と13、図3のサイリスタ12、または図5のサイリスタ32と33を象徴的に示す。IGBTブロックは図2の要素11と14、図3の要素21、または図5の要素31に対応する。図11の回路の独創性は、初期段階でサイリスタThが導通しないようにするために使用するMOSトランジスタMのゲート端子G2の接続方法である。本発明のこの他の手段によれば、端子AとKの間に加えられる各電圧半波の初期段階でトランジスタMをターンオンするための自己バイアス装置に、ゲートG2を接続する。この自動バイアス装置は、例えば図示されるように、端子AとKの間にデプレションMOSトランジスタM1とツェナー・ダイオードZの直列接続を含む。トランジスタM1のゲートを端子Kに接続する。このようにして、端子Kの電圧がゼロの値からスタートし、増加し始めて、トランジスタM1が導通し、トランジスタMのゲートを充電する。電圧VAKがトランジスタMの閾値電圧VthMよりも大きくなると直ちに、このトランジスタが導通し、サイリスタThのゲート−カソード接合をショートする。トランジスタMのこのターンオンよりも前にトリガされることがないようにするために、このサイリスタは敏感過ぎてはいけない。ツェナー・ダイオードZは保護機能を有し、ゲートMの電圧が所定の値を超えることが決してないようにする。次に、前に述べたように、制御電圧がゲートG1に加えられる時に、IGBTトランジスタがターンオンし、端子AとKの間の電圧は小さな値に落ち、その値は閾値電圧VthMよりも小さくなる。例として、VAKが1.5から2ボルト程度であるような飽和値になり、一方でVthMは3から4ボルト程度の値に選ぶ。次に、トランジスタMのゲート−ソース・コンデンサがMOSトランジスタM1の構造上の逆並列ダイオードd1を介して放電し、これによって、トランジスタMが遮断され、サイリスタThのゲートが給電されるようになり、先に述べたように、導通はIGBTではなくてサイリスタThによって保証される。もちろん、この構造には様々な代替物があるだろう。例えば、デプレション・トランジスタM1を非直線抵抗で置き換えてもよい。その時には、実際の逆並列ダイオードd1を取付けることが必要である。
【0035】
もちろん、本発明には、当業者に容易に思い浮かぶ様々な変更、修正、および改良があるであろう。特に、先に述べた伝導型を全て逆にし、それに応じてバイアスを修正してもよい。さらに、上記のものと同じ機能を保証するものであれば、先に述べたそれぞれの部品の代わりに様々な知られている代替物を使用してもよい。
【0036】
そのような変更、修正、および改良はこの開示の一部であるとの意図であり、本発明の精神と範囲内にあるとの意図である。従って、上記の説明は例としてだけのものであり、制限する意図ではない。本発明は、特許請求の範囲およびその均等に定義されるようにのみ限定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】制御されたdi/dtを有するスイッチの一般的な従来の略図を示す図である。
【図2】本発明が実施することを意図する回路を概略的に示す図である。
【図3】図2の回路の他の表現を示す図である。
【図4】本発明による部品の制御信号を示す図である。
【図5】本発明で実施することができる別の回路を示す図である。
【図6】図2と図3の回路を実現するモノリシック部品の実施形態の簡略化された断面を示す図である。
【図7】図6の部品の上面図の例を示す図である。
【図8】図5の回路を実施するモノリシック部品の実施形態の簡略化された断面を示す図である。
【図9】図2と図3の回路を実施するモノリシック部品の他の実施形態の簡略化された断面を示す図である。
【図10】本発明による2つのスイッチの逆向き直列アセンブリを示す図である。
【図11】本発明によるスイッチの他の制御を示す図である。
【符号の説明】
1 MOSまたはIGBTタイプの部品
2 サイリスタまたはトライアック・タイプの部品
3 制御回路
11 IGBTタイプのパワー・トランジスタ
12 パワー・サイリスタ
13 パイロット・サイリスタ
14 第2のIGBT
21 2つのカソードを有するIGBT
31 IGBT
32 主アノード・ゲート・サイリスタ
33 アノード・ゲート・サイリスタ
K カソード
A アノード
M MOSトランジスタ
D ダイオード
G1 ゲート
G2 ゲート
VAK アノード−カソード間の電圧
Z ツェナー・ダイオード
Th サイリスタ
Claims (5)
- 制御端子(G1)に印加される信号によりdi/dtを制御可能なモノリシック・パワー・スイッチにおいて、
前記信号により制御されるIGBT(11,21,31)と、
該IGBTに並列接続されるサイリスタ(12,32)と、
該サイリスタのゲートとカソードの間に接続され、前記IGBTの閉路段階中に前記サイリスタを抑止するMOSトランジスタ(M)とを有し、
前記IGBTは垂直マルチセル構造を有し、前記サイリスタは垂直モノセル構造を有する、モノリシック・パワー・スイッチ。 - 裏面に第2の導電型の領域(P1)を含む第1の導電型の基板(N1)中に形成され、上面側に、IGBTの第1のセル(N7、P7)、IGBTの第2のセル(N6、P6)、および主サイリスタのカソード領域(N4)と補助サイリスタのカソード領域とを含む前記第2の導電型のカソード・ゲート・ウェル(P4)を含み、前記第2のセルの前記カソード領域が前記補助サイリスタのカソード領域とカソード−ゲート領域に接続され、前記主サイリスタのカソード領域とカソード−ゲート領域がカソード端子(K)に接続され、前記主サイリスタと前記補助サイリスタのカソード領域の間に含まれるウェルの領域(P4)が絶縁ゲート(G2)で覆われる請求項1に記載のモノリシック・パワー・スイッチ。
- 裏面に第2の導電型の領域(P1)を含む第1の導電型の基板(N1)中に形成され、上面側に、IGBTの第1のセル(N7、P7)、およびIGBTの構造と垂直補助サイリスタ構造とを結合するいくつかの第2のセルを含み、これらの第2のセルが前記第2の導電型の領域(P8)中に形成され、前記第1の導電型の2つのリングを含み、前記第1のリング(N8)が第1の絶縁ゲート(G2)で前記第2のリングから分離され、メタライゼーションで前記領域の中心部に接続され、前記第2のリング(N9)が、前記第1のセルのゲートに接続された第2の絶縁ゲート(G1)で前記領域の周囲から分離される請求項1に記載のモノリシック・パワー・スイッチ。
- 前記サイリスタのバイアスに対して逆方向にバイアスされた垂直タイプのダイオード(D、P3−N1−N3)をさらに含む請求項2または3のひとつに記載のスイッチ。
- 前記MOSトランジスタの自己バイアス手段(M1、Z)を含む請求項4に記載のモノリシック・パワー・スイッチ。
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