KR100637286B1 - power supply apparatus for inverter - Google Patents
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Abstract
본 발명은 인버터 전원장치에 관한 것으로, 상용교류를 컨버팅하는 전원장치에 있어서; 상용의 교류전원을 공급하는 전원입력단과, 상기 전원입력단으로부터 공급받은 교류의 에너지 축적패스를 갖는 인덕터와, 상기 인덕터에 직렬로 접속된 트랜지스터(Q1,Q2)와, 상기 트랜지스터(Q1,Q2)에 병렬로 접속되어 교류를 직류로 컨버팅하는 트랜지스터(Q3,Q4)와, 상기 트랜지스터(Q1,Q2)와 트랜지스터(Q3,Q4)사이에 병렬로 접속되어 트랜지스터(Q1~Q4)의 스위칭 동작에 따라 직류전압을 충전하는 배터리와, 상기 배터리에 병렬로 접속되어 직류의 리플전압을 감소시키는 평활 캐패시터와, 상기 트랜지스터(Q3,Q4)에 병렬로 접속되어 직류를 교류로 컨버팅하는 트랜지스터(Q5,Q6)와, 상기 트랜지스터(Q5,Q6)에 일측이 접속되고 상기 인덕터에 타측이 접속된 트랜스와, 상기 전원입력단의 전원전압과 전원전류 변화에 따라 상기 트랜지스터(Q1~Q6)의 게이트단자에 스위칭신호를 출력하는 제어부를 포함하여 구성되어 있으며, 역률 보상 모드와 인버터 모드가 서로 상쇄하는 방향으로 동작되어 전류에 의한 도통 손실 및 스위칭 손실을 저감시킴으로서 전력효율을 높이고 역률을 보상한다.The present invention relates to an inverter power supply device, comprising: a power supply device for converting commercial AC; A power supply input terminal for supplying a commercial AC power source, an inductor having an AC energy storage path supplied from the power supply input terminal, transistors Q1 and Q2 connected in series with the inductor, and transistors Q1 and Q2. Transistors Q3 and Q4 connected in parallel and converting AC into direct current, and connected in parallel between the transistors Q1 and Q2 and Q3 and Q4 are connected in parallel to the switching operation of transistors Q1 to Q4. A battery charging a voltage, a smoothing capacitor connected in parallel to the battery to reduce the ripple voltage of the direct current, and transistors Q5 and Q6 connected in parallel to the transistors Q3 and Q4 and converting the direct current into alternating current; And a transformer having one side connected to the transistors Q5 and Q6 and the other side connected to the inductor, and a gate terminal of the transistors Q1 to Q6 according to a change in power voltage and power current of the power input terminal. Is constituted by a control unit which outputs a signal referred to, and the power factor correction mode, the inverter mode is operated in a direction to cancel each other to enhance the reduction in conduction loss and switching loss caused by the current sikimeuroseo power efficiency a power factor compensation.
인버터, 전원, 역률 보상, 고효율Inverter, power, power factor correction, high efficiency
Description
도 1은 종래의 전원공급장치를 도시한 도면,1 is a view showing a conventional power supply,
도 2는 종래의 IGBT에 의한 정류회로방식을 도시한 도면,2 is a view showing a rectifier circuit method using a conventional IGBT;
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 인버터 전원장치의 블록 구성도,3 is a block diagram of an inverter power supply apparatus according to an embodiment of the present invention;
도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 인버터 전원장치의 상세 회로도,4 is a detailed circuit diagram of an inverter power supply apparatus according to an embodiment of the present invention;
도 5는 본 발명에 의한 인버터 전원장치의 전류흐름도,5 is a current flow diagram of the inverter power supply apparatus according to the present invention,
도 6은 본 발명에 적용되는 전압감지부의 제어 알고리즘.6 is a control algorithm of the voltage sensing unit applied to the present invention.
도 7은 본 발명에 적용되는 인버터 제어 블록선도.7 is an inverter control block diagram applied to the present invention.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 * Explanation of symbols on the main parts of the drawings
10 : 전원입력단 20 : 전압감지부10: power input terminal 20: voltage detection unit
30 : 전류감지부 40 : 제어부30: current sensing unit 40: control unit
50 : 역률보상부 60 : 인버터50: power factor correction unit 60: inverter
70 : 부하70: load
본 발명은 인버터에 사용되는 전원장치에 관한 것으로, 특히 역률 보상 모드 와 인버터 모드가 서로 상쇄하는 방향으로 동작되어 전류에 의한 도통 손실 및 스위칭 손실을 저감시키는 인버터 전원장치에 관한 것이다.The present invention relates to a power supply device used in an inverter, and more particularly, to an inverter power supply device which operates in a direction in which the power factor correction mode and the inverter mode cancel each other to reduce conduction loss and switching loss caused by current.
일반적으로, 전원공급장치는 도 1에 도시한 바와 같이, 정류회로(100)와, 전기적 장치인 부하(400) 사이에 출력 전압의 역률(power factor)을 보상하는 역률보상(Power Factor Correction: PFC)회로(200)와, 펄스폭 변조(Pulse Width Modulation: PWM)회로(300)를 구비하고 있다.In general, as shown in FIG. 1, a power supply device has a power factor correction (PFC) that compensates for a power factor of an output voltage between the
상기 정류회로(100)는 브리지 다이오드로 구성되며, 90~260V의 AC전원전압을 맥류 파형의 직류전압으로 변환한다.The
상기 PFC회로(200)는 PFC컨트롤러(220)와 스위칭 트랜지스터(TR), 스위칭 트랜지스터(TR)의 온/오프에 따라 정류회로(100)의 출력전압을 승압시키는 부스터 트랜스포머(T)로 구성되며, 상기 부스터 트랜스포머(T) 1차 권선의 유도전압을 정류하는 다이오드(D)와 평활용 캐패시터(C) 및 PFC회로(200)의 출력 전압을 레귤레이팅하는 분압기(R1,R2)를 포함하고 있다.The
따라서, 상기 전원공급장치의 정류회로(100)로부터 제공되는 직류전압에 의해 PFC회로(200)가 동작되고, 이때 PFC회로(200)의 스위칭 트랜지스터(TR) 온/오프 동작에 따라 DC출력전압은 약 400V정도가 된다. 이 출력전압에 의해 PWM제어회로(300)의 전원전압이 공급되어 주 전원공급회로(도시 안됨)가 정상적으로 동작된다.Therefore, the
그런데, 이와 같은 종래의 전원공급장치는 스위칭 트랜지스터(TR)의 온/오프에 따른 스위칭손실이 발생되어 역률이 저하되고, 역률이 나쁜 경우 스위칭 트랜지 스터(TR), 다이오드(D) 및 캐패시터(C) 등의 부품에 상당한 무효전력성분의 전력소비를 발생시켜 전력효율이 떨어진다는 문제점이 있었다.However, such a conventional power supply device has a power factor lowered due to switching loss caused by switching on / off of the switching transistor TR, and when the power factor is bad, the switching transistor TR, the diode D, and the capacitor ( There was a problem that the power efficiency is lowered by generating a significant power consumption of reactive power components to the components such as C).
이와 같은 문제점을 해결하기 위해, 종래에는 도 2에 도시한 바와 같이, IGBT(Q11~Q14)에 의한 정류회로방식을 이용하여 역률을 보정하였는데, 이 방식은 거의 1에 가까운 역률(0.99)을 얻을 수 있으나 복잡한 제어회로와 높은 스위칭 주파수로 인해 신뢰성에 문제를 일으킬 수 있고, 그 자체가 노이즈원이 되어 이를 해결하기 위한 노이즈 필터 설계의 어려움 및 재료비 상승 등이 수반되는 문제점이 있었다.In order to solve such a problem, conventionally, as shown in FIG. 2, the power factor is corrected by using the rectification circuit method using the IGBTs Q11 to Q14. This method obtains a power factor close to 1 (0.99). However, due to complex control circuits and high switching frequency, it may cause a problem in reliability, and as a noise source itself, there is a problem in that it is difficult to design a noise filter and a material cost increase to solve this problem.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것으로서, 본 발명의 목적은 역률 보상 모드와 인버터 모드가 서로 상쇄하는 방향으로 동작되어 전류에 의한 도통 손실 및 스위칭 손실을 저감시킴으로서 전력효율을 높이고 역률을 보상하는 인버터 전원장치를 제공하는데 있다. Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned conventional problems, and an object of the present invention is to operate in a direction in which the power factor correction mode and the inverter mode cancel each other to reduce the conduction loss and switching loss caused by current, thereby reducing power efficiency. To provide an inverter power supply that increases the power factor and compensates for the power factor.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 의한 인버터 전원장치는, 상용교류를 컨버팅하는 전원장치에 있어서; 상용의 교류전원을 공급하는 전원입력단과, 상기 전원입력단으로부터 공급받은 교류의 에너지 축적패스를 갖는 트랜스와, 상기 트랜스에 직렬로 접속된 트랜지스터(Q1,Q2)와, 상기 트랜지스터(Q1,Q2)에 병렬로 접속되어 교류를 직류로 컨버팅하는 트랜지스터(Q3,Q4)와, 상기 트랜지스터(Q1,Q2)와 트랜지스터(Q3,Q4)사이에 병렬로 접속되어 트랜지스터(Q1~Q4)의 스위칭 동작에 따라 직류전압을 충전하는 배터리와, 상기 배터리에 병렬로 접속되어 직류의 리플전압을 감소시키는 평활 캐패시터와, 상기 트랜지스터(Q3,Q4)에 병렬로 접속되어 직류를 교류로 컨버팅하는 트랜지스터(Q5,Q6)와, 상기 트랜지스터(Q5,Q6)에 일측이 접속되고 상기 트랜스에 타측이 접속된 트랜스와, 상기 전원입력단의 전원전압과 전원전류 변화에 따라 상기 트랜지스터(Q1~Q6)의 게이트단자에 스위칭신호를 출력하는 제어부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.In order to achieve the above object, an inverter power supply device according to the present invention comprises: a power supply device for converting commercial AC; A power input terminal for supplying a commercial AC power source, a transformer having an energy accumulation path of AC supplied from the power input terminal, transistors Q1 and Q2 connected in series to the transformer, and the transistors Q1 and Q2. Transistors Q3 and Q4 connected in parallel and converting AC into direct current, and connected in parallel between the transistors Q1 and Q2 and Q3 and Q4 are connected in parallel to the switching operation of transistors Q1 to Q4. A battery charging a voltage, a smoothing capacitor connected in parallel to the battery to reduce the ripple voltage of the direct current, and transistors Q5 and Q6 connected in parallel to the transistors Q3 and Q4 and converting the direct current into alternating current; And a transformer having one side connected to the transistors Q5 and Q6 and the other side connected to the transformer, and a gate terminal of the transistors Q1 to Q6 according to a change in power voltage and power current of the power input terminal. Characterized in that configured by a control unit which outputs a signal referred to.
상기 트랜스와 트랜스 사이에는 상용의 교류를 출력단으로 바로 바이패스시키는 트라이악이 접속되어 있고, 상기 트랜스와 트랜스에는 노이즈성분을 필터링하는 평활 캐패시터가 병렬로 접속되어 있으며, 상기 트랜지스터(Q3,Q4)는 상기 제어부의 스위칭신호에 따라 역률 보상 충전모드와 인버터 모드를 서로 상쇄하는 방향으로 동작되는 것을 특징으로 한다.A triac is connected directly between the transformer and the transformer to an output terminal. A smoothing capacitor for filtering noise components is connected in parallel. The transistors Q3 and Q4 are connected to each other. The power factor compensation charging mode and the inverter mode are operated in a direction to cancel each other according to the switching signal of the controller.
이하, 본 발명의 일실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 인버터 전원장치의 블록 구성도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 의한 인버터 전원장치의 상세 회로도이다.3 is a block diagram of an inverter power supply apparatus according to an embodiment of the present invention, Figure 4 is a detailed circuit diagram of the inverter power supply apparatus according to an embodiment of the present invention.
도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 본 발명에 의한 인버터 전원장치는, 전원입력단(10)과 전압감지부(20), 전류감지부(30), 제어부(40), 역률보상부(50) 및 인버터(60)로 구성된다.3 and 4, the inverter power supply apparatus according to the present invention, the
상기 전원입력단(10)은 90~260V의 AC입력전원을 공급하는 메인 전원단이고, 상기 전압감지부(20)는 전원입력단(10)으로부터 공급되는 AC입력전원의 전원전압을 감지하며, 상기 전류감지부(30)는 AC입력전원의 전원전류를 감지한다.The
상기 제어부(40)는 전원입력단(10)으로부터 입력되는 AC입력전원의 영전위점에 동기하여 AC전원전류의 파형이 정현파에 가까운 형태로 되도록 펄스폭변조(PWM)의 스위칭신호를 출력함은 물론, 내부에 기억된 시스템 제어 프로그램에 따라 부하(70)의 운전주파수를 결정하여 인버터 구동신호를 출력하는 마이컴으로서, 부하(70)의 운전주파수에 해당하는 스위칭소자의 기본제어값(턴온시간)을 롬테이블상에 저장하고 있다.The
상기 역률보상부(50)는 전원입력단(10)으로부터 공급되는 AC입력전원을 DC전원으로 변환시키는 충전회로로서, 상기 전원입력단(10)으로부터 입력되는 AC입력전원에 포함된 노이즈성분을 필터링하는 평활 캐패시터(C2)와, 상기 평활 캐패시터(C2)에 병렬 접속되어 양(+)의 전압이 걸리면 전류를 축적하였다가 음(-)의 전압이 걸리면 축적된 양만큼 전류가 계속 동일 방향으로 흐르도록 하여 전류의 위상을 지연시켜 에너지 축적패스를 갖는 전압 부스터용 트랜스(T1)와, 상기 트랜스(T1)에 접속되어 트랜스(T1)에 전류가 흐르도록 상기 제어부(40)로부터 15KHz의 고주파 스위칭신호(PWM 스위칭)에 따라 스위칭되는 트랜지스터(Q1,Q2)와, 상기 트랜지스터(Q1,Q2)에 병렬 접속되고 상기 제어부(40)로부터 60Hz 저주파 스위칭신호에 따라 스위칭되는 트랜지스터(Q3,Q4)와, 상기 트랜지스터(Q1~Q4)에 각각 병렬 접속된 보호용 다이오드(D1~D4)와, 상기 트랜지스터(Q1,Q2)와 트랜지스터(Q3,Q4)사이에 병렬 접속되어 트랜지스터(Q1~Q4)의 스위칭 동작에 따라 DC전압을 충전하는 충전용 배터리(BT)와, 상기 배터리(BT)에 병렬 접속되어 DC의 리플전압을 감소시키는 평활 캐패시터(C1)로 구성되어 있다.The power
상기 인버터(60)는 상기 역률보상부(50)에서 변환된 DC전원을 AC전원으로 변환시키는 것으로, 상기 역률보상부(50)의 트랜지스터(Q3,Q4)에 병렬 접속되고 상기 제어부(40)로부터 PWM신호를 입력받아 상기 트랜지스터(Q3,Q4)와 연동하여 FULL Bridge PWM 컨버터를 구현하도록 스위칭되는 트랜지스터(Q5,Q6)와, 상기 트랜지스터(Q5,Q6)에 각각 병렬 접속된 보호용 다이오드(D5,D6)와, 일측이 상기 트랜지스터(Q5,Q6)에 접속되고 타측이 상기 트랜스(T1)에 접속된 트랜스(T2)와, 일측이 상기 평활 캐패시터(C2)에 접속되고 타측이 평활 캐패시터(C3)에 접속되어 상기 제어부(40)의 스위칭신호에 따라 온되어 입력전원을 바로 출력전원으로 바이패스시키는 바이패스용 트라이악(TRIAC)과, 상기 트랜스(T2)의 2차측에 병렬 접속되어 노이즈성분을 필터링하는 평활 캐패시터(C3)로 구성되어 있다.The
이하, 상기와 같이 구성된 인버터 전원장치의 작용효과를 설명한다.Hereinafter, the effect of the inverter power supply device configured as described above will be described.
전원입력단(10)으로부터 공급되는 AC입력전원이 역률보상부(50)의 평활 캐패시터(C2)를 거쳐 전압 부스터용 트랜스(T1)의 1차측에 걸리면, 상기 전원입력단(10)으로부터 공급되는 AC입력전원의 전원전압을 도 6에 도시한 제어알고리즘에 따라 전압감지부(20)에서 감지하고, AC입력전원의 전원전류를 전류감지부(30)에서 감지한다.When AC input power supplied from the
상기 전압감지부(20)에 의해 감지된 전원전압과 전류감지부(30)에 의해 감지된 전원전류를 제어부(40)에서 입력받아 트랜스(T1)에 흐르는 입력전류의 위상이 입력전압의 위상에 가까워지도록 15KHz의 고주파 스위칭신호(PWM 스위칭)를 트랜지스터(Q1,Q2)의 게이트단자에 출력하고, 60Hz의 저주파 스위칭신호를 트랜지스터(Q3,Q4)의 게이트단자에 출력한다.The phase of the input current flowing through the transformer T1 by receiving the power supply voltage sensed by the
따라서, 상기 제어부(40)로부터 출력되는 15KHz의 고주파 스위칭신호(PWM신호)에 따라 트랜지스터(Q1,Q2)가 턴온되고, 제어부(40)로부터 출력되는 라인전압상의 60Hz 저주파 스위칭신호에 따라 트랜지스터(Q3,Q4)가 턴온된다.Accordingly, the transistors Q1 and Q2 are turned on in response to the 15 KHz high frequency switching signal (PWM signal) output from the
상기 트랜지스터(Q2,Q4)가 턴온되면, 트랜스(T1)가 싱크(sink)로 작용하여 전류가 도 5에 도시한 바와 같이, 트랜지스터(Q2), 다이오드(D4)를 거쳐 트랜스로 흐르고 이 전류는 트랜스(T1)에 축적된다.When the transistors Q2 and Q4 are turned on, the transformer T1 acts as a sink so that the current flows through the transistor Q2 and the diode D4 to the transformer as shown in FIG. Accumulate in the transformer T1.
상기 트랜지스터(Q1,Q4)가 턴온되면, DC링크전압이 트랜스(T1) 앞단의 전압보다 작아지면서 전원입력단(10)으로부터의 전류는 유입되지 않고 상기 트랜스(T1)에 축적되어 있던 전류가 트랜지스터(Q4), 배터리(BT), 트랜지스터(Q1)를 거쳐 흐르기 때문에 이 전류는 배터리(BT)에 충전되어 AC전원이 DC전원으로 변환된다.When the transistors Q1 and Q4 are turned on, the DC link voltage becomes smaller than the voltage in front of the transformer T1, and current from the
한편, 상기 트랜지스터(Q1,Q3)가 턴온되면, 전류가 도 5에 도시한 바와 같이, 다이오드(D1), 트랜지스터(Q3)를 거쳐 트랜스(T1)로 흐르고 이 전류는 트랜스(T1)에 축적된다.On the other hand, when the transistors Q1 and Q3 are turned on, current flows through the diode D1 and the transistor Q3 to the transformer T1 as shown in FIG. 5, and this current is accumulated in the transformer T1. .
상기 트랜지스터(Q2,Q3)가 턴온되면, 트랜스(T1)에 축적되어 있던 전류가 트랜지스터(Q2), 배터리(BT), 트랜지스터(Q3)를 거쳐 흐르기 때문에 이 전류는 배터리(BT)에 충전되어 AC전원이 DC전원으로 변환된다.When the transistors Q2 and Q3 are turned on, since the current accumulated in the transformer T1 flows through the transistor Q2, the battery BT, and the transistor Q3, the current is charged in the battery BT and the AC Power is converted to DC power.
이후, 상기 제어부(40)로부터의 PWM신호에 따라 트랜지스터(Q4,Q5)가 턴온되면, 트랜지스터(Q3~Q6)가 FULL Bridge회로를 형성하여 트랜지스터(Q4,Q5)와 트랜지스터(Q3,Q6)가 교번으로 턴온 또는 턴오프동작되면서 상기 배터리(BT)에 충전된 DC전원을 AC전원으로 변환시킨다.Thereafter, when the transistors Q4 and Q5 are turned on according to the PWM signal from the
상기 트랜지스터(Q3~Q6)의 스위칭 동작에 따라 변환된 AC전원이 트랜스(T2)의 1차측에 인가되어 부스터 트랜스(T2)의 권선비만큼 승압되어 2차측으로 유기되고, 2차측에 유기된 AC전원은 평활 캐패시터(C3)를 거쳐 부하(70)에 공급된다.AC power converted according to the switching operations of the transistors Q3 to Q6 is applied to the primary side of the transformer T2, stepped up by the winding ratio of the booster transformer T2, and induced to the secondary side, and AC power supplied to the secondary side. Is supplied to the
이때, 부하(70)의 크기에 따라 변화하는 전원전압과 전원전류의 변화를 전압감지부(20)와 전류감지부(30)에서 감지하여 과부하라고 감지되면, 제어부(40)에서는 도 7에 도시한 인버터 제어 블록선도에 따라 임펄스(impulse) 부하(70)시의 전류치를 제한하여 과부하시에도 안정된 인버터(60) 동작이 가능하도록 해준다.In this case, when the
그리고, 부하(70)의 크기가 작을 때에는 역률에 영향이 없기 때문에 상기 제어부(40)에서 역률보상부(50)의 평활 캐패시터(C2)에 일측이 접속되고 상기 인버터(60)의 평활 캐패시터(C3)에 타측이 접속된 트라이악(TRIAC)을 온시켜 입력전원을 바로 출력전원으로 바이패스시킴으로 인버터(60) 작동을 정지되고 역률보상부(50)의 충전회로만 작동할 수 있도록 구현하였다.When the size of the
이와 같이, 상기 트랜지스터(Q3,Q4)는 쓰리레그타입(3 Leg Type)의 스위칭제어회로에서 공통 레그(Common Leg)방식의 스위칭구조를 구현함으로서 역률 보상 충전모드와 인버터 모드에서 서로 상쇄하는 방향으로 동작되어 전류에 의한 도통손실 및 스위칭손실을 줄일 수 있기 때문에 거의 1에 가까운 역률(0.99이상)을 얻을 수 있으면서도 전체 효율이 93%이상(정상 효율 90%)인 고효율의 인버터(60) 전원회로를 구현할 수 있게 되었다.As described above, the transistors Q3 and Q4 implement a common leg switching structure in a three-leg type switching control circuit to cancel each other in the power factor compensation charging mode and the inverter mode. It can be operated to reduce the conduction loss and switching loss caused by the current. Therefore, it is possible to obtain a power factor circuit of
한편,상기 인버터(60)의 출력단에는 부하(70) 이외에도 UPS나 태양전지 등의 정류회로나 모터 등 일정 AC전원을 필요로 하는 어떠한 장치도 연결 가능하다.On the other hand, the output terminal of the
상기의 설명에서와 같이, 본 발명에 의한 인버터 전원장치에 의하면, 쓰리 레그타입(3 Leg Type)의 스위칭제어로 역률 보상 모드와 인버터 모드가 서로 상쇄하는 방향으로 동작되어 전류에 의한 도통 손실 및 스위칭 손실을 저감시킴으로서 전력효율을 높이고 역률을 거의 1에 가깝게 보상할 수 있다는 효과가 있다. As described above, according to the inverter power supply apparatus according to the present invention, the power factor compensation mode and the inverter mode are operated in a direction in which the power factor compensation mode and the inverter mode cancel each other by three-leg type switching control, so that the conduction loss and the switching caused by the current are reduced. By reducing the loss, the power efficiency can be increased and the power factor can be compensated almost to one.
상기에서 설명한 것은 본 발명에 의한 인버터 전원장치를 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과한 것으로, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다.What has been described above is only one embodiment for implementing the inverter power supply apparatus according to the present invention, the present invention is not limited to the above-described embodiment, and having ordinary knowledge in the art within the technical idea of the present invention Of course, various modifications are possible by the user.
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