TWI729585B - 雙模式主動箝制返馳式轉換器 - Google Patents

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Abstract

一種雙模式主動箝制返馳式轉換器，包括變壓器電路、箝位儲能電路以及一主開關電路。變壓器電路耦接負載，且變壓器電路包括輔助繞組。箝位儲能電路耦接變壓器電路，當負載為重載時，箝位儲能電路導通；當負載為輕載時，箝位儲能電路關斷。主開關電路耦接變壓器電路，當主開關電路導通時，輔助繞組釋能至變壓器電路的初級側繞組。

Description

雙模式主動箝制返馳式轉換器
本發明係有關一種主動箝制返馳式轉換器，尤指一種可對應重載或輕載而自動切換最佳化效率之操作模式的雙模式主動箝制返馳式轉換器。
傳統的返馳式轉換器因電路架構簡單，因此廣泛地應用在中低功率的電源轉換系統，且具有電氣隔離與可藉由匝數比調整輸出昇降壓等優點。但因有變壓器漏感的存在，當開關導通初級磁化電感儲能時，漏感也會隨之儲能，開關截止磁化電感開始對次級釋能時，漏感的能量若無釋放的路徑，將會對功率開關電容釋放能量，使得輸出電壓急遽上升而出現一個相當高的電壓突波(spike)，造成功率開關的損壞。近年來，為了改善上述的問題，主動箝制(active clamping)技術已相繼提出。
然而，傳統主動箝制返馳式轉換器操作在低壓重載條件下，具有較高轉換效率，但是操作在高壓輕載時，其轉換效率明顯遠遜於被動式無損失減震器返馳式轉換器。進一步而言，傳統的具漏感能量回收繞組 之返馳式轉換器雖然在高壓輕載條件下，具有較高轉換效率，但是操作在低壓重載時，其轉換效率明顯遠遜於主動箝制返馳式轉換器。
為此，如何設計出一種雙模式主動箝制返馳式轉換器，特別是解決轉換效率難以提升的技術問題，乃為本案發明人所研究的重要課題。
本發明之目的在於提供一種雙模式主動箝制返馳式轉換器，可對應重載或輕載而自動切換最佳化效率之操作模式以解決轉換效率難以提升的技術問題，達到方便操作、提升轉換效率以及節約功耗成本之目的。
為了達到前述目的，本發明所提出的雙模式主動箝制返馳式轉換器包括變壓器電路、箝位儲能電路以及主開關電路；其中，變壓器電路耦接負載，且包括輔助繞組；箝位儲能電路耦接變壓器電路，當負載為重載時，箝位儲能電路導通後關斷，當負載為輕載時，箝位儲能電路保持關斷；主開關電路耦接變壓器電路，當主開關電路導通時，輔助繞組釋能至變壓器電路的初級側繞組；其中，在箝位儲能電路導通後關斷之後，主開關電路進入零電壓切換模式。
進一步而言，所述之變壓器電路輸入定電壓的條件下，依據負載於變壓器電路的轉換效率比例獲得轉換效率轉折點；當實際輸出功率的數值小於轉換效率轉折點對應的輸出功率的數值時，負載為輕載；當實 際轉換效率比例的數值大於轉換效率轉折點對應的輸出功率的數值時，負載為重載。
進一步而言，所述之變壓器電路更包括耦接負載的次級側繞組；初級側繞組並聯耦接變壓器電路的激磁電感，且通過變壓器電路的漏電感耦接輸入電壓。
進一步而言，所述之箝位儲能電路包括彼此耦接的輔助開關、箝位電容以及二極體；輔助開關耦接輸入電壓以及漏電感；箝位電容耦接激磁電感、初級側繞組以及主開關電路；二極體耦接輔助繞組。
進一步而言，所述之主開關電路包括主開關，主開關的一端耦接初級側繞組、激磁電感以及箝位電容，主開關的另一端耦接輔助繞組以及輸入電壓。
進一步而言，當輔助開關關斷且主開關導通時，輸入電壓、漏電感、初級側繞組以及主開關構成第一迴路；輸入電壓、漏電感、初級側繞組、箝位電容、二極體以及輔助繞組構成第二迴路；若箝位電容已暫存來自漏電感的能量，則箝位電容、主開關、輔助繞組以及二極體構成第三迴路；在第一迴路中，漏電感進行儲能，且激磁電感進行激磁；在第二迴路中，激磁電感進行激磁；在第三迴路中，箝位電容通過輔助繞組釋能至初級側繞組。
進一步而言，當輔助開關關斷且主開關關斷時，漏電感、初級側繞組、箝位電容以及寄生於輔助開關的背接二極體構成第四迴路，在第四迴路中，漏電感進行釋能，且激磁電感進行去磁。
進一步而言，若負載為重載，在構成第四迴路之後，輔助開關導通且主開關關斷，漏電感、初級側繞組、箝位電容以及輔助開關構成第五迴路，在第五迴路中，漏電感儲能，且激磁電感去磁。
進一步而言，若負載為重載，在構成第五迴路之後，輔助開關關斷且主開關關斷，輸入電壓、漏電感、初級側繞組以及寄生於主開關的背接二極體構成第六迴路，在第六迴路中，漏電感釋能。
進一步而言，若負載為重載，在構成第六迴路之後，輔助開關關斷且主開關導通，繼而構成第二迴路以及第三迴路。
進一步而言，若負載為輕載，在構成第四迴路之後，輔助開關關斷且主開關關斷，繼而構成第一迴路以及第三迴路。
在使用本發明所述之雙模式主動箝制返馳式轉換器時，若負載為輕載，箝位儲能電路保持關斷，使輕載運作於單純的能量回收動作，即輔助繞組釋能至變壓器電路的初級側繞組，可降低主開關電路運作於谷值切換(valley voltage switching,VVS)時的切換頻率(即固定頻率調變模式，fixed frequency modulation mode,FFM mode)而獲致輕載運作的最佳效率；若負載為重載，箝位儲能電路進入順向主動鉗位(active clamp forward,ACF)模式，即箝位儲能電路可導通後關斷，使主開關電路運作於零電壓切換(zero voltage switching,ZVS)而獲致重載運作的最佳效率。為此，本發明所述之雙模式主動箝制返馳式轉換器可對應重載或輕載而自動切換最佳化效率之操作模式以解決轉換效率難以提升的技術問題，達到方便操作、提升轉換效率以及節約功耗成本之目的。
為了能更進一步瞭解本發明為達成預定目的所採取之技術、手段及功效，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，相信本發明特徵與特點，當可由此得一深入且具體之瞭解，然而所附圖式僅提供參考與說明用，並非用來對本發明加以限制者。
10:變壓器電路
20:箝位儲能電路
30:主開關電路
40:負載
Vin:輸入電壓
Saux:輔助開關
Smain:主開關
Dreg:二極體
Cclamp:箝位電容
Lk:漏電感
Lm:激磁電感
N1:輔助繞組
Np:初級側繞組
Ns:次級側繞組
Daux、Dmain:背接二極體
Caux、Cmain:寄生電容
Do:輸出二極體
Co:輸出電容
E1、E2:曲線
P:轉換效率轉折點
Ln1:第一迴路
Ln2:第二迴路
Ln3:第三迴路
Ln4:第四迴路
Ln5:第五迴路
Ln6:第六迴路
圖1為本發明雙模式主動箝制返馳式轉換器的電路示意圖；圖2為本發明雙模式主動箝制返馳式轉換器的轉換效率示意圖；圖3為本發明雙模式主動箝制返馳式轉換器運作於重載的第一狀態圖；圖4為本發明雙模式主動箝制返馳式轉換器運作於重載的第二狀態圖；圖5為本發明雙模式主動箝制返馳式轉換器運作於重載的第三狀態圖；圖6為本發明雙模式主動箝制返馳式轉換器運作於重載的第四狀態圖；圖7為本發明雙模式主動箝制返馳式轉換器運作於重載的第五狀態圖；圖8為本發明雙模式主動箝制返馳式轉換器運作於重載的第六狀態圖； 圖9為本發明雙模式主動箝制返馳式轉換器運作於重載的第七狀態圖；圖10為本發明雙模式主動箝制返馳式轉換器運作於輕載的第一狀態圖；圖11為本發明雙模式主動箝制返馳式轉換器運作於輕載的第二狀態圖；圖12為本發明雙模式主動箝制返馳式轉換器運作於輕載的第三狀態圖；圖13為本發明雙模式主動箝制返馳式轉換器運作於輕載的第四狀態圖；以及圖14為本發明雙模式主動箝制返馳式轉換器運作於輕載的第五狀態圖。
以下係藉由特定的具體實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技術之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點及功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實例加以施行或應用，本發明說明書中的各項細節亦可基於不同觀點與應用在不悖離本發明之精神下進行各種修飾與變更。
須知，本說明書所附圖式繪示之結構、比例、大小、元件數量等，均僅用以配合說明書所揭示之內容，以供熟悉此技術之人士瞭解與閱讀，並非用以限定本發明可實施之限定條件，故不具技術上之實質意義， 任何結構之修飾、比例關係之改變或大小之調整，在不影響本發明所能產生之功效及所能達成之目的下，均應落在本發明所揭示之技術內容得能涵蓋之範圍內。
茲有關本發明之技術內容及詳細說明，配合圖式說明如下。
請參閱圖1所示，為本發明雙模式主動箝制返馳式轉換器的電路圖。本發明所述的雙模式主動箝制返馳式轉換器包括變壓器電路10、箝位儲能電路20以及主開關電路30。其中，變壓器電路10耦接負載40，且包括輔助繞組N1以及耦接負載40的次級側繞組Ns。初級側繞組Np並聯耦接變壓器電路10的激磁電感Lm，且通過變壓器電路10的漏電感Lk耦接輸入電壓Vin。在本發明中，負載40耦接輸出二極體Do以及輸出電容Co。
箝位儲能電路20耦接變壓器電路10，當負載40為重載時，箝位儲能電路20導通後關斷，當負載40為輕載時，箝位儲能電路20保持關斷。進一步而言，箝位儲能電路20包括彼此耦接的輔助開關Saux、箝位電容Cclamp以及二極體Dreg。其中，輔助開關Saux耦接輸入電壓Vin以及漏電感Lk。箝位電容Cclamp耦接激磁電感Lm、初級側繞組Np以及主開關電路30。二極體Dreg耦接輔助繞組N1。
主開關電路30耦接變壓器電路10，當主開關電路30導通時，輔助繞組N1釋能至變壓器電路10的初級側繞組Np。其中，在箝位儲能電路20導通後關斷之後，主開關電路30進入零電壓切換(ZVS)模式。其中，主開關電路30包括主開關Smain，主開關Smain的一端耦接初級側繞組Np、激磁電感Lm以及箝位電容Cclamp，主開關Smain的另一端耦接輔助繞組N1以及輸入電壓Vin。
請參閱圖1及圖2所示，圖2為本發明雙模式主動箝制返馳式轉換器的轉換效率示意圖。所述變壓器電路10在輸入定電壓(例如Vin)的條件下，依據負載40於變壓器電路10的轉換效率比例獲得一轉換效率轉折點P，即是，負載40運行於輕載模式所獲轉換效率與輸出功率(單位為瓦特，watt)的關係曲線E1，負載40運行於重載模式所獲轉換效率與輸出功率的關係曲線E2，將曲線E1與曲線E2彼此交疊產生的交越點為轉換效率轉折點P。當實際輸出功率的數值小於轉換效率轉折點P對應的輸出功率的數值時，定義負載40為輕載，本發明雙模式主動箝制返馳式轉換器運作於輕載。當實際轉換效率比例的數值大於轉換效率轉折點P對應的輸出功率的數值時，定義負載40為重載，本發明雙模式主動箝制返馳式轉換器運作於重載。本發明雙模式主動箝制返馳式轉換器切換重載或輕載時，僅操作於如圖2所示之曲線E1與曲線E2的實線部分。
請參閱圖3至圖9所示，為本發明雙模式主動箝制返馳式轉換器運作於重載的第一狀態圖至第七狀態圖。
如圖3所示，雙模式主動箝制返馳式轉換器於重載的第一狀態時，輔助開關Saux關斷且主開關Smain導通。輸入電壓Vin、漏電感Lk、初級側繞組Np以及主開關Smain構成第一迴路Ln1。在第一迴路Ln1中，隨著流經初級側繞組Np的電流增加，漏電感Lk進行儲能，且激磁電感Lm進行激磁。
如圖4所示，雙模式主動箝制返馳式轉換器於重載的第二狀態時，輔助開關Saux關斷且主開關Smain關斷。漏電感Lk、初級側繞組Np、箝位電容Cclamp以及寄生於輔助開關Saux的背接二極體Daux構成第四迴路 Ln4。在第四迴路Ln4中，隨著漏電感Lk的電流流經箝位電容Cclamp以及背接二極體Daux，漏電感Lk進行釋能，且激磁電感Lm進行去磁。由於輔助開關Saux的背接二極體Daux已導通，寄生於輔助開關Saux的寄生電容Caux放電，此時若將輔助開關Saux導通，可實現輔助開關Saux的零電壓切換(ZVS)。
如圖5所示，雙模式主動箝制返馳式轉換器於重載的第三狀態時，與前述重載的第二狀態大致相同，輔助開關Saux關斷且主開關Smain關斷。漏電感Lk、初級側繞組Np、箝位電容Cclamp以及寄生於輔助開關Saux的背接二極體Daux構成第四迴路Ln4。惟，激磁電感Lm的能量開始釋能至次級側繞組Ns。此時，因能量已轉移至次級側繞組Ns，使得輸出二極體Do導通，且輸出電容Co儲能。
如圖6所示，雙模式主動箝制返馳式轉換器於重載的第四狀態時，與前述重載的第三狀態大致相同，輔助開關Saux關斷且主開關Smain關斷。惟，漏電感Lk釋能完畢，激磁電感Lm的能量繼續釋能至次級側繞組Ns。
如圖7所示，雙模式主動箝制返馳式轉換器於重載的第五狀態時，是在構成第四迴路Ln4之後，輔助開關Saux導通且主開關Smain關斷。漏電感Lk、初級側繞組Np、箝位電容Cclamp以及輔助開關Saux構成第五迴路Ln5，在第五迴路Ln5中，漏電感Lk儲能，且激磁電感Lm去磁。此時，箝位電容Cclamp將能量傳回漏電感Lk，且流經漏電感Lk的電流為負值。
如圖8所示，雙模式主動箝制返馳式轉換器於重載的第六狀態時，是在構成第五迴路Ln5之後，輔助開關Saux關斷且主開關Smain關斷。輸入電壓Vin、漏電感Lk、初級側繞組Np以及寄生於主開關Smain的背接二 極體Dmain構成第六迴路Ln6。在第六迴路Ln6中，漏電感Lk釋能。此時，漏電感Lk的電流為負值，漏電感Lk以串聯諧振方式釋能至寄生於主開關Smain的寄生電容Cmain，且寄生電容Cmain的電壓開始下降，直到漏電感Lk的電流截止後，寄生電容Cmain以LC串聯諧振方式釋能至漏電感Lk以及激磁電感Lm，繼而使寄生電容Cmain的電壓下降至零為止，即達到可使主開關Smain進行零電壓切換(ZVS)的條件。
如圖9所示，雙模式主動箝制返馳式轉換器於重載的第七狀態時，是在構成第六迴路Ln6之後，輔助開關Saux關斷且主開關Smain導通，輸入電壓Vin、漏電感Lk、初級側繞組Np、箝位電容Cclamp、二極體Dreg以及輔助繞組N1構成第二迴路Ln2。若箝位電容Cclamp已暫存來自漏電感Lk的能量，則箝位電容Cclamp、主開關Smain、輔助繞組N1以及二極體Dreg構成第三迴路Ln3。在第二迴路Ln2中，激磁電感Lm進行激磁。在第三迴路Ln3中，箝位電容Cclamp通過輔助繞組N1釋能至初級側繞組Np，即是將暫存於箝位電容Cclamp內的漏電感Lk的能量傳回到變壓器電路10的輸入端。
請參閱圖10至圖14所示，為本發明雙模式主動箝制返馳式轉換器運作於輕載的第一狀態圖至第五狀態圖。
如圖10所示，雙模式主動箝制返馳式轉換器於輕載的第一狀態時，輔助開關Saux關斷且主開關Smain導通，輸入電壓Vin、漏電感Lk、初級側繞組Np以及主開關Smain構成第一迴路Ln1。在第一迴路Ln1中，隨著流經初級側繞組Np的電流增加，漏電感Lk進行儲能，且激磁電感Lm進行激磁。
如圖11所示，雙模式主動箝制返馳式轉換器於輕載的第二狀態時，輔助開關Saux關斷且主開關Smain關斷，漏電感Lk、初級側繞組Np、箝位電容Cclamp以及寄生於輔助開關Saux的背接二極體Daux構成第四迴路Ln4。在第四迴路Ln4中，隨著漏電感Lk的電流流經箝位電容Cclamp以及背接二極體Daux，漏電感Lk進行釋能，且激磁電感Lm進行去磁。由於輔助開關Saux的背接二極體Daux已導通，寄生於輔助開關Saux的寄生電容Caux放電，此時若將輔助開關Saux導通，可實現輔助開關Saux的零電壓切換(ZVS)。
如圖12所示，雙模式主動箝制返馳式轉換器於輕載的第三狀態時，與前述輕載的第二狀態大致相同，輔助開關Saux關斷且主開關Smain關斷，漏電感Lk、初級側繞組Np、箝位電容Cclamp以及寄生於輔助開關Saux的背接二極體Daux構成第四迴路Ln4。惟，激磁電感Lm的能量開始釋能至次級側繞組Ns。此時，因能量已轉移至次級側繞組Ns，使得輸出二極體Do導通，且輸出電容Co儲能。
如圖13所示，雙模式主動箝制返馳式轉換器於輕載的第四狀態時，與前述輕載的第三狀態大致相同，輔助開關Saux關斷且主開關Smain關斷。惟，漏電感Lk釋能完畢，激磁電感Lm的能量繼續釋能至次級側繞組Ns。
如圖14所示，雙模式主動箝制返馳式轉換器於輕載的第五狀態時，是在構成第四迴路Ln4之後，輔助開關Saux關斷且主開關Smain關斷，繼而構成第一迴路Ln1以及第三迴路Ln3。輸入電壓Vin、漏電感Lk、初級側繞組Np以及主開關Smain構成第一迴路Ln1。若箝位電容Cclamp已暫存來自漏電感Lk的能量，則箝位電容Cclamp、主開關Smain、輔助繞組N1以及二極體 Dreg構成第三迴路Ln3。在第一迴路Ln1中，激磁電感Lm進行激磁。在第三迴路Ln3中，箝位電容Cclamp通過輔助繞組N1釋能至初級側繞組Np，即是將暫存於箝位電容Cclamp內的漏電感Lk的能量傳回到變壓器電路10的輸入端。
在使用本發明所述之雙模式主動箝制返馳式轉換器時，若負載40為輕載，箝位儲能電路20的輔助開關Saux保持關斷，使輕載運作於單純的能量回收動作，即箝位電容Cclamp內的漏電感Lk的能量通過輔助繞組N1釋能至變壓器電路10的初級側繞組Np，可降低主開關電路運作於谷值切換(VVS)時的切換頻率(即固定頻率調變模式FFM mode)而獲致輕載運作的最佳效率。若負載40為重載，箝位儲能電路20進入順向主動鉗位(ACF)模式，即箝位儲能電路20的輔助開關Saux可導通後關斷，使主開關電路30的主開關Smain運作於零電壓切換(ZVS)而獲致重載運作的最佳效率。為此，本發明所述之雙模式主動箝制返馳式轉換器可對應重載或輕載而自動切換最佳化效率之操作模式以解決轉換效率難以提升的技術問題，達到方便操作、提升轉換效率以及節約功耗成本之目的。
以上所述，僅為本發明較佳具體實施例之詳細說明與圖式，惟本發明之特徵並不侷限於此，並非用以限制本發明，本發明之所有範圍應以下述之申請專利範圍為準，凡合於本發明申請專利範圍之精神與其類似變化之實施例，皆應包括於本發明之範疇中，任何熟悉該項技藝者在本發明之領域內，可輕易思及之變化或修飾皆可涵蓋在以下本案之專利範圍。
10:變壓器電路
20:箝位儲能電路
30:主開關電路
40:負載
Vin:輸入電壓
Saux:輔助開關
Smain:主開關
Dreg:二極體
Cclamp:箝位電容
Lk:漏電感
Lm:激磁電感
N1:輔助繞組
Np:初級側繞組
Ns:次級側繞組
Daux、Dmain:背接二極體
Caux、Cmain:寄生電容
Do:輸出二極體
Co:輸出電容

Claims (9)

  1. 一種雙模式主動箝制返馳式轉換器，包括：一變壓器電路，耦接一負載，且包括一輔助繞組；一箝位儲能電路，耦接該變壓器電路，當負載為重載時，該箝位儲能電路導通後關斷；當該負載為輕載時，該箝位儲能電路保持關斷；以及一主開關電路，耦接該變壓器電路，當該主開關電路導通時，該輔助繞組釋能至該變壓器電路的一初級側繞組；其中，當該箝位儲能電路導通後關斷之後，該主開關電路進入零電壓切換；其中，該變壓器電路輸入一定電壓的條件下，依據該負載於該變壓器電路的轉換效率比例獲得一轉換效率轉折點；當實際輸出功率的數值小於該轉換效率轉折點對應的輸出功率的數值時，該負載為輕載；當實際轉換效率比例的數值大於該轉換效率轉折點對應的輸出功率的數值時，該負載為重載。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之雙模式主動箝制返馳式轉換器，其中，該變壓器電路更包括耦接該負載的一次級側繞組；該初級側繞組並聯耦接該變壓器電路的一激磁電感，且通過該變壓器電路的一漏電感耦接一輸入電壓。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之雙模式主動箝制返馳式轉換器，其中，該箝位儲能電路包括彼此耦接的一輔助開關、一箝位電容以及一二極體；該輔助開關耦接該輸入電壓以及該漏電感；該箝位電容耦接該激磁電感、該初級側繞組以及該主開關電路；該二極體耦接該輔助繞組。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之雙模式主動箝制返馳式轉換器，其中，該主開關電路包括一主開關，該主開關的一端耦接該初級側繞組、該激磁電感以及該箝位電容，該主開關的另一端耦接該輔助繞組以及該輸入電壓。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之雙模式主動箝制返馳式轉換器，其中，當該輔助開關關斷且該主開關導通時，該輸入電壓、該漏電感、該初級側繞組以及該主開關構成一第一迴路；該輸入電壓、該漏電感、該初級側繞組、該箝位電容、該二極體以及該輔助繞組構成一第二迴路；若該箝位電容已暫存來自該漏電感的能量，則該箝位電容、該主開關、該輔助繞組以及該二極體構成一第三迴路；在該第一迴路中，該漏電感進行儲能，且該激磁電感進行激磁；在該第二迴路中，該激磁電感進行激磁；在該第三迴路中，該箝位電容通過該輔助繞組釋能至該初級側繞組；當該輔助開關關斷且該主開關關斷時，該漏電感、該初級側繞組、該箝位電容以及寄生於該輔助開關的一背接二極體構成一第四迴路，在該第四迴路中，該漏電感進行釋能，且該激磁電感進行去磁。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之雙模式主動箝制返馳式轉換器，其中，若該負載為重載，在構成該第四迴路之後，該輔助開關導通且該主開關關斷，該漏電感、該初級側繞組、該箝位電容以及該輔助開關構成一第五迴路，在該第五迴路中，該漏電感儲能，且該激磁電感去磁。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之雙模式主動箝制返馳式轉換器，其中，若該負載為重載，在構成該第五迴路之後，該輔助開關關斷且該主 開關關斷，該輸入電壓、該漏電感、該初級側繞組以及寄生於該主開關的一背接二極體構成一第六迴路，在該第六迴路中，該漏電感釋能。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之雙模式主動箝制返馳式轉換器，其中，若該負載為重載，在構成該第六迴路之後，該輔助開關關斷且該主開關導通，繼而構成該第二迴路以及該第三迴路。
  9. 如申請專利範圍第5項所述之雙模式主動箝制返馳式轉換器，其中，若該負載為輕載，在構成該第四迴路之後，該輔助開關關斷且該主開關關斷，繼而構成該第一迴路以及該第三迴路。
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