KR100366787B1 - A zero voltage switching converter with low output ripple - Google Patents
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Abstract
본 발명은 저리플 영전압 스위칭 컨버터에 관한 것으로, 1차측은 직렬로 2차측은 병렬로 연결된 제 1 및 제 2 변압기(TRNS1, TRNS2)와; 상기 제 1 및 제 2 변압기(TRNS1, TRNS2)의 1차측 입력단에 연결되는 누설 인덕터(L3)와; 상기 직렬로 연결된 제 1 및 제 2 변압기(TRNS1, TRNS2)의 1차측에 전원이 인가되도록 스위칭하는 제 1 스위치소자(Q1)와; 상기 제 1 스위치소자(Q1)에 병렬로 연결되는 콘덴서(C1)와; 상기 제 1 스위치소자(Q1)와 병렬로 연결되고, 콘덴서(C2)와 직렬로 연결되는 제 2 스위치소자(Q2)와; 상기 제 2 스위치소자(Q2)와 직렬로 연결되고, 상기 제 1 스위치소자(Q1)에 병렬로 연결되는 콘덴서(C2); 및 제 1 스위치소자(Q1) 단락/개방시 제 1 변압기(TRNS1)/제 2 변압기(TRNS2)의 2차측에 유기된 전압을 출력 필터로 전달하는 제 3 스위치소자(Q3)/제 4 스위치소자(Q4);로 구성되며, 2개의 변압기를 사용하여 그 중 한 개는 인덕터로 작용하도록 하여 출력 리플을 감소시킬 수 있으며, 1차측 스위치는 영전압 스위칭이 가능하고 2차측 스위치는 소프트 스위칭이 가능하여 전력 손실을 최소화할 수 있으며, 스위치소자들이 모스펫으로 구현되기 때문에 전력변환 효율을 극대화할 수 있다.The present invention relates to a low ripple zero voltage switching converter, comprising: first and second transformers TRNS1 and TRNS2 connected in series with a primary side in parallel; A leakage inductor L3 connected to primary input terminals of the first and second transformers TRNS1 and TRNS2; A first switch element (Q1) for switching so that power is applied to the primary sides of the first and second transformers TRNS1 and TRNS2 connected in series; A capacitor C1 connected in parallel to the first switch element Q1; A second switch element Q2 connected in parallel with the first switch element Q1 and connected in series with the capacitor C2; A condenser (C2) connected in series with the second switch element (Q2) and connected in parallel with the first switch element (Q1); And a third switch element Q3 / fourth switch element which transfers the induced voltage to the output filter on the secondary side of the first transformer TRNS1 / second transformer TRNS2 when the first switch element Q1 is shorted / opened. (Q4); consists of two transformers, one of which can act as an inductor to reduce output ripple, with the primary switch capable of zero voltage switching and the secondary switch capable of soft switching. In this way, power loss can be minimized and power conversion efficiency can be maximized because switch devices are implemented with MOSFETs.
Description
본 발명은 저리플 영전압 스위칭 컨버터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 2개의 변압기를 1차측은 직렬로 2차측은 병렬로 연결하여, 주스위치의 단락 또는 개방시 2개의 변압기 중 한 개는 인덕터로 작용하도록 하여 출력 리플을 감소시키고 영전압 상태에서 스위칭이 가능하도록 하여 전력 손실을 최소화하는 저리플 영전압 스위칭 컨버터에 관한 것이다.The present invention relates to a low-ripple zero voltage switching converter. More specifically, two transformers are connected in series with the primary side and the secondary side in parallel, and one of the two transformers is connected to the inductor when the main switch is shorted or opened. The present invention relates to a low ripple zero voltage switching converter which minimizes power loss by reducing the output ripple and enabling switching in the zero voltage state.
최근, 능동 클램프 회로를 채택하여 영전압 상태에서 스위칭이 가능하며 결과적으로 고주파수에서의 동작이 가능하여 변압기와 출력 필터 인덕터의 크기를 줄일 수 있고, 전체 전력변환 효율을 향상시킬 수 있는 영전압스위칭 컨버터가 제안되었다.이 영전압스위칭 컨버터는 주스위치가 단락 또는 개방 시에 각각 변압기 2차측으로 에너지가 전달되므로 내부 손실이 감소하여 높은 전력변환 효율을 얻을 수 있다. 따라서, 이 영전압스위칭 컨버터는 낮은 출력전압, 높은 출력전류를 요구하는 DC/DC 전력변환에 적당하다.Recently, it is possible to switch in zero voltage state by adopting active clamp circuit, and as a result, it is possible to operate at high frequency to reduce the size of transformer and output filter inductor, and zero voltage switching converter which can improve the overall power conversion efficiency. This zero-voltage switching converter delivers energy to the secondary side of the transformer when the main switch is shorted or opened, respectively, which reduces internal losses, resulting in high power conversion efficiency. Therefore, this zero voltage switching converter is suitable for DC / DC power conversion requiring low output voltage and high output current.
상기의 영전압스위칭 컨버터는 2차측 회로가 배전류 방식인 경우, 변압기 1차측 전류 스트레스가 증가하여 변압기 철손과 코어 손실이 증가하였으며, 주스위치와 능동 클램프 회로에 사용된 보조 스위치의 도통 손실이 증가하는 단점이 있었다. 또한, 2차측 회로가 센터탭을 가지는 경우는 2차측의 높은 전류로 인해 작은 코어에 1차측과 2차측을 함께 감기가 어려운 단점이 있었다.In the above zero voltage switching converter, when the secondary circuit is a double current type, the transformer primary side current stress increases to increase the transformer loss and core loss, and the conduction loss of the auxiliary switch used in the main switch and the active clamp circuit increases. There was a disadvantage. In addition, when the secondary circuit has a center tap, it is difficult to wind the primary side and the secondary side together on a small core due to the high current on the secondary side.
또한, 종래의 영전압스위칭 컨버터에 적용된 2차측 정류회로는 그 정류회로를 구성하는 쇼트키 다이오드 자체의 높은 순방향 전압강하로 인해 큰 전력손실을 가져오므로 전력변환 효율이 감소하는 문제점이 있었다.In addition, the secondary rectifier circuit applied to the conventional zero-voltage switching converter has a problem that the power conversion efficiency is reduced because of the large power loss due to the high forward voltage drop of the Schottky diode itself constituting the rectifier circuit.
따라서, 본 발명의 목적은, 주스위치 단락 또는 개방시 2개의 변압기 중 하나가 인덕터로 작용하도록 하여 출력 리플을 감소시킬 수 있는 저리플 영전압 스위칭 컨버터를 제공하는 데 있다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide a low ripple zero voltage switching converter capable of reducing output ripple by allowing one of the two transformers to act as an inductor when the main switch is shorted or opened.
본 발명의 다른 목적은, 2차측에 센터탭을 가지는 컨버터의 장점을 그대로 가지는 저리플 영전압 스위칭 컨버터를 제공하는 데 있다.It is another object of the present invention to provide a low ripple zero voltage switching converter having the advantages of a converter having a center tap on the secondary side.
본 발명의 또다른 목적은, 1차측 스위치소자들은 영전압스위칭을 하며, 2차측 스위치소자들은 소프트 스위칭을 하도록 하여 스위칭 손실을 최소화하는 저리플 영전압 스위칭 컨버터를 제공하는 데 있다.It is still another object of the present invention to provide a low ripple zero voltage switching converter in which the primary side switch elements perform zero voltage switching and the secondary side switch elements perform soft switching to minimize switching losses.
도 1은 본 발명에 의한 저리플 영전압 컨버터이고,1 is a low ripple zero voltage converter according to the present invention,
도 2의 (a)-(f)는 본 발명에 의한 저리플 영전압 컨버터를 구성하는 각 요소에서 출력되는 파형이다.2 (a) to 2 (f) are waveforms output from the elements constituting the low ripple zero voltage converter according to the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for the main parts of the drawings
Q1: 제 1 스위치소자 Q2: 제 2 스위치소자Q1: first switch element Q2: second switch element
Q3: 제 3 스위치소자 Q4: 제 4 스위치소자Q3: third switch element Q4: fourth switch element
TRNS1, TRNS2: 제 1, 제 2 변압기 L3: 누설 인덕터TRNS1, TRNS2: first and second transformer L3: leakage inductor
D1, D2, D3, D4: 다이오드D1, D2, D3, D4: Diode
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 컨버터는, 1차측은 직렬로 2차측은 병렬로 연결된 제 1 및 제 2 변압기(TRNS1, TRNS2)와; 상기 제 1 및 제 2 변압기(TRNS1, TRNS2)의 1차측 입력단에 연결되는 누설 인덕터(L3)와; 상기 직렬로 연결된 제 1 및 제 2 변압기(TRNS1, TRNS2)의 1차측에 전원이 인가되도록 스위칭하는 제 1 스위치소자(Q1)와; 상기 제 1 스위치소자(Q1)에 병렬로 연결되는 콘덴서(C1)와; 상기 제 1 스위치소자(Q1)와 병렬로 연결되고, 콘덴서(C2)와 직렬로 연결되는 제 2 스위치소자(Q2)와; 상기 제 2 스위치소자(Q2)와 직렬로 연결되고, 상기 제 1 스위치소자(Q1)에 병렬로 연결되는 콘덴서(C2)와; 상기 제 1 스위치소자(Q1)의 단락/개방시, 제 1 변압기(TRNS1)/제 2 변압기(TRNS2)의 2차측에 유기된 전압을 출력 필터로 전달하는 제 3 스위치소자(Q3)/제 4 스위치소자(Q4);로 구성된다.The converter according to the present invention for achieving the above object, the first and second transformers (TRNS1, TRNS2) connected in series on the primary side in parallel; A leakage inductor L3 connected to primary input terminals of the first and second transformers TRNS1 and TRNS2; A first switch element (Q1) for switching so that power is applied to the primary sides of the first and second transformers TRNS1 and TRNS2 connected in series; A capacitor C1 connected in parallel to the first switch element Q1; A second switch element Q2 connected in parallel with the first switch element Q1 and connected in series with the capacitor C2; A capacitor C2 connected in series with the second switch element Q2 and connected in parallel with the first switch element Q1; When the first switch element Q1 is shorted / opened, the third switch element Q3 / four which transfers the induced voltage to the output filter on the secondary side of the first transformer TRNS1 / second transformer TRNS2 Switch element Q4.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 살펴보고자 한다.Hereinafter, a preferred embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 의한 저리플 영전압 스위칭 컨버터의 회로도이다.1 is a circuit diagram of a low ripple zero voltage switching converter according to the present invention.
도면에 도시된 바와 같이 제 1 및 제 2 변압기(TRNS1, TRNS2)는 동일한 자화 인덕턴스(L1)를 가지고 1차측은 직렬로 2차측은 병렬로 연결된다.누설인덕터(L3)는 상기 제 1 및 제 2 변압기(TRNS1, TRNS2)의 1차측 입력단에 연결된다.제 1 스위치소자(Q1)는 게이트에 입력되는 제어전압에 의해 영전압스위칭 하여 제 1 및 제 2 변압기(TRNS1, TRNS2)의 2차측으로 에너지가 전달되도록 한다.콘덴서(C2)는 제 1 스위치소자(Q1) 개방시, 제 1 스위치소자(Q1)에 걸리는 전압을 일정한 수준으로 유지시켜 준다.제 2 스위치소자(Q2)는 제 1 스위치소자(Q1) 개방시 제 1 및 제 2 변압기(TRNS2)의 1차측 자화인덕터(L1)와 콘덴서(C2)가 공진하도록 한다.콘덴서(C1)는 상기 제 2 스위치소자(Q2) 개방시 방전하여 제 1 스위치소자(Q1)가 영전압 상태에서 단락되도록 한다.제 3 스위치소자(Q3)는 제 1 스위치소자(Q1)의 단락시, 제 1 변압기(TRNS1)의 2차측에 유기된 전압을 출력 필터로 전달한다.제 4 스위치소자(Q4)는 제 1 스위치소자(Q1) 개방시, 제 2 변압기(TRNS2)의 2차측에 유기된 전압을 출력 필터로 전달한다.As shown in the figure, the first and second transformers TRNS1 and TRNS2 have the same magnetizing inductance L1 and the primary side is connected in series. The leakage inductor L3 is connected to the first and the second. 2 is connected to the primary input terminals of the transformers TRNS1 and TRNS2. The first switch element Q1 is zero-voltage-switched by a control voltage input to the gate to the secondary side of the first and second transformers TRNS1 and TRNS2. Energy is transferred. The capacitor C2 maintains the voltage applied to the first switch element Q1 at a constant level when the first switch element Q1 is opened. The second switch element Q2 is the first switch. The primary magnetization inductor L1 and the capacitor C2 of the first and second transformer TRNS2 resonate when the device Q1 is opened. The capacitor C1 discharges when the second switch device Q2 is opened. The first switch element Q1 is short-circuited in the zero voltage state. The third switch element Q3 is connected to the first switch element ( When the short circuit of Q1) occurs, the voltage induced on the secondary side of the first transformer TRNS1 is transmitted to the output filter. The fourth switch element Q4 opens the second switch TRNS2 when the first switch element Q1 is opened. The induced voltage is transferred to the output filter on the secondary side of the.
도 2(a)-(f)는 본 발명에 의한 저리플 영전압 컨버터를 구성하는 각 요소에서 출력되는 파형이다.2 (a)-(f) are waveforms outputted from the elements constituting the low ripple zero voltage converter according to the present invention.
제 1 스위치소자(Q1)를 구동시키기 위한 제어전압(VGS1)이 입력되면(도 2a 참조), 시간 T0-T1 구간에서 이 제어 전압(VGS1)에 의해 제 1 스위치소자(Q1)가 단락 되며, 제 1 스위치소자(Q1)를 흐르는 전류(iQ1)는 선형적으로 증가한다. 이때 제 2 변압기(TRNS2)는 인덕터로 작용하여 출력 리플을 감소시키는 역할을 한다.When the control voltage VGS1 for driving the first switch element Q1 is input (see FIG. 2A), the first switch element Q1 is short-circuited by the control voltage VGS1 in the time period T0-T1. The current iQ1 flowing through the first switch element Q1 increases linearly. In this case, the second transformer TRNS2 serves as an inductor to reduce output ripple.
시간 T1에서 제 1 스위치소자(Q1)가 개방되면, 도 2(c),(d)에 나타난 바와 같이 콘덴서(C1)는 거의 일정한 전류(iQ1)에 의해 입력전압(VS)까지 충전된다.When the first switch element Q1 is opened at time T1, as shown in Figs. 2C and 2D, the capacitor C1 is charged to the input voltage VS by a substantially constant current iQ1.
콘덴서(C1)의 전압(VC1)이 입력전압(VS)과 같아지면 1차측 누설 인덕터(L3)는 콘덴서(C1, C2) 및 변압기(TRNS1, TRNS2)의 2차측에서 1차측으로 환산된 콘덴서의 등가적인 콘덴서와 LC 공진회로를 구성하여 공진한다.도 2(d)에 도시된 바와 같이 제 1 스위치소자(Q1)의 드레인-소스간에 인가되는 전압(VC1)은 공진형태로 증가하게 된다. 이 구간에서 2차측의 제 3 스위치소자(Q3)에 흐르는 전류(iQ3)는 감소하기 시작하고, 제 4 스위치소자(Q4)의 전류(iQ4)는 증가하기 시작한다. 시간 T3에서, 두 전류(iQ3, iQ4)는 같아지게 된다.When the voltage VC1 of the capacitor C1 is equal to the input voltage VS, the primary leakage inductor L3 is a capacitor converted from the secondary side of the capacitors C1 and C2 and the transformers TRNS1 and TRNS2 to the primary side. An equivalent capacitor and an LC resonant circuit are configured to resonate. As shown in FIG. 2 (d), the voltage VC1 applied between the drain and the source of the first switch element Q1 increases in a resonant form. In this section, the current iQ3 flowing in the third switch element Q3 on the secondary side starts to decrease, and the current iQ4 of the fourth switch element Q4 starts to increase. At time T3, the two currents iQ3 and iQ4 become equal.
시간 T3-T4에서 제 3 스위치소자(Q3)에 흐르는 전류(iQ3)가 제 4 스위치소자(Q4)의 전류(iQ4)보다 작게 되고, 제 2 스위치소자(Q2) 내부에 형성되어 있는 다이오드(D2)가 도통하게 되고, 콘덴서(C2)에 흐르는 전류는 감소하게 된다.At time T3-T4, current iQ3 flowing in third switch element Q3 is smaller than current iQ4 of fourth switch element Q4, and diode D2 is formed inside second switch element Q2. ) Becomes conductive, and the current flowing through the capacitor C2 decreases.
시간 T4에서 2차측 제 4 스위치소자(Q4)는 완전히 단락되며, 1차측 클램프 회로의 콘덴서(C2)에 흐르는 전류(iC2)는 점점 감소하게 되고, T5에서 흐르는 방향이 바뀌게 된다. 제 2 스위치소자(Q2)가 영전압 상태에서 스위칭을 하기 위해서는 T4이후 짧은 시간 내에 제 2 스위치소자(Q2)의 게이트에 제어 신호(VGS2)가 인가되어야 한다. 이 구간에서 제 1 변압기(TRNS1)는 인덕터로 동작하여 출력 리플을 감소시키며, 제 2 변압기(TRNS2)는 2차측으로 에너지를 전달한다.At time T4, the secondary side fourth switch element Q4 is completely shorted, and the current iC2 flowing through the capacitor C2 of the primary side clamp circuit gradually decreases, and the direction flowing at T5 is changed. In order for the second switch element Q2 to switch in the zero voltage state, the control signal VGS2 should be applied to the gate of the second switch element Q2 within a short time after T4. In this section, the first transformer TRNS1 operates as an inductor to reduce output ripple, and the second transformer TRNS2 transfers energy to the secondary side.
시간 T6에서 제 2 스위치소자(Q2)는 개방되며, 제 1 스위치소자(Q1)의 드레인-소스간의 전압(VC1)은 선형적으로 감소한다. 시간 T6-T7에서 2차측 제 4스위치소자(Q4)에 흐르는 전류(iQ4)는 유지된다.At time T6, the second switch element Q2 is opened, and the drain-source voltage VC1 of the first switch element Q1 decreases linearly. At time T6-T7, the current iQ4 flowing in the secondary side fourth switch element Q4 is maintained.
시간 T7에서 제 3 스위치소자(Q3)의 전류(iQ3)는 증가하기 시작하며, 1차측 누설 인덕터(L3)는 등가 콘덴서와 공진하기 시작하고, 제 1 스위치소자(Q1)의 드레인-소스간 전압(VC1)은 감소하여 시간 T8에서 영전압으로 감소한다.At time T7 the current iQ3 of the third switch element Q3 begins to increase, the primary leakage inductor L3 starts to resonate with the equivalent capacitor, and the drain-source voltage of the first switch element Q1. VC1 decreases to zero voltage at time T8.
시간 T8에서, 제 1 스위치소자(Q1)의 드레인-소스간 전압(VC1)은 영전압이 되며, 다이오드(D1)가 도통되므로 공진에 의한 전류는 도 2(c)에 도시된 바와 같이 점점 증가하게 된다. 제 1 스위치소자(Q1)가 영전압 상태에서 스위칭을 하기 위해서는 T8이후 짧은 시간 내에 제 1 스위치소자(Q1)의 게이트에 제어 전압(VGS1)이 인가되어야 한다.At time T8, the drain-source voltage VC1 of the first switch element Q1 becomes a zero voltage, and since the diode D1 is conducted, the current due to resonance gradually increases as shown in Fig. 2 (c). Done. In order for the first switch element Q1 to switch in the zero voltage state, the control voltage VGS1 must be applied to the gate of the first switch element Q1 within a short time after T8.
시간 T9에서, 제 1 스위치소자(Q1)는 단락되어 있으며, 흐르는 전류(iQ1)는 점점 증가하고, 2차측의 제 4 스위치소자(Q4)는 완전히 개방되어 새로운 주기가 시작된다.At time T9, the first switch element Q1 is short-circuited, the flowing current iQ1 gradually increases, and the fourth switch element Q4 on the secondary side is fully opened to start a new cycle.
이상의 설명과 같이, 스위치소자(Q1∼Q4)들의 스위칭이 반복되면서 본 발명의 DC/DC 전력변환이 정상적으로 구현된다. 또한, 제 1 스위치소자(Q1)와 제 2 스위치소자(Q2)가 영전압 상태에서 스위칭할 수 있어 스위칭 손실을 최소화할 수 있으며, 그 결과 에너지 변환 효율을 극대화시킬 수 있으며, 고주파수로 동작시킬 수 있어 변압기(TRNS1, TRNS2)와 출력필터 인덕터(L4)의 크기를 줄일 수 있다.As described above, the DC / DC power conversion of the present invention is normally implemented while the switching of the switch elements Q1 to Q4 is repeated. In addition, since the first switch element Q1 and the second switch element Q2 can be switched in the zero voltage state, the switching loss can be minimized. As a result, the energy conversion efficiency can be maximized, and the high frequency operation can be performed. Therefore, the size of the transformers TRNS1 and TRNS2 and the output filter inductor L4 can be reduced.
1차측의 제 1 스위치소자(Q1)와 제 2 스위치소자(Q2)가 영전압 상태에서 스위칭할 수 있기 때문에, 2차측의 제 3 스위치소자(Q3)와 제 4 스위치소자(Q4)도 소프트 스위칭이 가능하며 결과적으로 효율 향상에 기여할 수 있다.Since the first switch element Q1 and the second switch element Q2 on the primary side can switch in a zero voltage state, the third switch element Q3 and the fourth switch element Q4 on the secondary side are also soft switched. This is possible and consequently can contribute to improved efficiency.
1차측의 제 1 스위치소자(Q1)와 제 2 스위치소자(Q2)를 구동하기 위해서는 별도의 제어회로가 필요하며, 2차측의 제 3 스위치소자(Q3)와 제 4 스위치소자(Q4)는 변압기(TRNS1, TRNS2)의 2차측에 유기된 전압에 의해 구동된다.In order to drive the first switch element Q1 and the second switch element Q2 on the primary side, a separate control circuit is required, and the third switch element Q3 and the fourth switch element Q4 on the secondary side are transformers. It is driven by the voltage induced on the secondary side of (TRNS1, TRNS2).
따라서, 본 발명에 의한 컨버터는 2개의 변압기를 사용하여 주스위치 단락 또는 개방시 둘 중 하나의 변압기는 인덕터로 작용하도록 하여 출력 리플을 감소시킬 수 있으며, 1차측 스위치는 영전압스위칭이 가능하고 2차측 스위치는 소프트 스위칭이 가능하여 전력 손실을 최소화할 수 있으며, 스위치소자들이 모스펫으로 구현되기 때문에 전력변환 효율을 극대화할 수 있다.또한, 2차측 스위치소자들을 구동하기 위한 별도의 제어회로가 필요없어 구성이 간단하고, 고주파수 동작이 가능하여 변압기와 출력 필터 인덕터의 크기를 줄일 수 있어 컨버터 전체의 크기를 줄일 수 있다.Therefore, the converter according to the present invention can reduce the output ripple by acting as an inductor of one of the two transformers when the main switch short-circuit or open using two transformers, the primary side switch is capable of zero voltage switching and 2 The secondary switch can be soft-switched to minimize power loss, and the switching elements are implemented in MOSFETs to maximize power conversion efficiency. Also, no separate control circuit is required to drive the secondary switch elements. The simple configuration and high frequency operation allow the transformer and output filter inductors to be reduced in size, reducing the overall size of the converter.
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KR19980031946A (en) * | 1996-10-29 | 1998-07-25 | 윤문수 | Circuit for Zero-Voltage / Zero-Current Switching of Full-Bridge DC / DC Converters with Ripple Reduction of Output Current |
-
2000
- 2000-07-04 KR KR10-2000-0038006A patent/KR100366787B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
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Also Published As
Publication number | Publication date |
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KR20020005077A (en) | 2002-01-17 |
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