TWI407677B - Power conversion device - Google Patents
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Description
本發明是有關於一種轉換裝置,特別是指一種用來驅動發光二極體模組的電源轉換裝置。
目前為達到電子產品小型輕量化要求,一些執行電源轉換的驅動裝置則以提高切換頻率來減少磁性元件(如:電感、電容、變壓器)體積,但是提高切換頻率容易導致更高的切換損失,因此如何同時達到高頻和高效率是目前研究方向。
如圖1所示,於文獻「陳文富,「200WLED路燈電源供應器研製」,民國九十九年一月」中,提出一種具有高頻和高效率的習知電源轉換裝置,適用於將來自一交流電源的輸入電壓VAC進行轉換,以產生一直流輸出電壓Vo,dc來驅動一作為負載的發光二極體模組LED,且該電源轉換裝置包含:一濾波電路10、一整流電路11、一功因修正電路12,和一半橋諧振轉換電路2。
濾波電路10電連接於該交流電源以接收輸入電壓VAC,且將輸入電壓VAC進行濾波以輸出一濾波電壓。
整流電路11電連接於該濾波電路10以接收該濾波電壓及一輸入電流iin,並將該濾波電壓進行整流以輸出一整流電壓。
功因修正電路12電連接於該整流電路11以接收該整流電壓,且該功因修正電路12為一具有第一開關M1和一第一電感L1的升壓型轉換器,且該第一開關M1受控制進行切換而使第一電感L1進行儲能或釋能,使功因修正電路12將該整流電壓進行升壓轉換而產生一中間電壓,並使來自該交流電源的該輸入電流iin與該輸入電壓VAC實質上同相位,以提高功率因數與降低電流總諧波失真。
半橋諧振轉換電路2電連接於該功因修正電路12,包括一半橋開關單元21,該半橋開關單元21受控制進行切換而使半橋諧振轉換電路2將來自該功因修正電路12的中間電壓降壓成該直流輸出電壓Vo,dc,且藉由使用零電壓切換(zero voltage switching,ZVS)技術來控制該半橋開關單元21,而使半橋諧振轉換電路2達到兼具高頻切換和低切換損失的目的。
又該濾波電路10以電感L和電容C實現並更用於濾除該第一開關M1切換時所產生的電磁干擾(electromagnetic interference,EMI),以避免影響其他連接到交流電源的裝置(圖未示)。
習知發光二極體驅動裝置的缺點為:
1.第一開關M1需要較高的耐壓而增加導通阻抗,而功因修正電路12的第一電感L1所產生的電流漣波較大而相對地增加功率消耗。
2.又第一電感L1所產生的電流漣波較大更使第一電感L1、濾波電路10的電感L體積也需增大。
3.功因修正電路12與半橋諧振轉換電路2共使用三個開關,數目較多。
4.所使用的半橋諧振轉換電路2,其ZVS條件與負載有關,若負載過輕將導致其所產生的諧振電流過小,無法消除半橋開關單元21上儲存於寄生電容之能量,而無法達到ZVS。
因此,本發明之目的,即在提供一種減少體積、共用開關和降低消耗功率的電源轉換裝置。
該電源轉換裝置,適用於將來自一交流電源的輸入電壓進行轉換,以產生一直流輸出電壓,且包含:一濾波電路,適用於電連接到該交流電源,用以自該交流電源接收該輸入電壓及一輸入電流,並濾除該輸入電流中的高頻雜訊,以及產生一濾波電壓;一整流電路,電連接到該濾波電路,用以接收該濾波電壓,並將該濾波電壓進行整流以得到一呈脈動的整流電壓;一半橋開關電路,包括第一及第二開關,每一開關可操作在一導通狀態及一不導通狀態,該二開關分別受二個控制信號控制而交錯地在該導通及不導通狀態之間切換;一升壓轉換電路,電連接於該整流電路和該半橋開關電路之間,以接收該整流電壓,並具有分別與該第一及第二開關對應的二儲釋能路徑,且配合該半橋開關電路的切換,而使該二儲釋能路徑進行交錯地儲釋能,以將該整流電壓進行升壓而得到一中間電壓,同時調整該輸入電壓與該輸入電流的相位以修正功率因數;及一降壓轉換電路,電連接於該半橋開關電路和該升壓轉換電路,且配合該半橋開關電路的切換,以將來自該升壓轉換電路的中間電壓降壓成該直流輸出電壓;該濾波電路更濾除該半橋開關電路切換時對該輸入電流所產生的干擾。
有關本發明之前述及其他技術內容、特點與功效,在以下配合參考圖式之一個較佳實施例的詳細說明中,將可清楚的呈現。
如圖2所示,本發明電源轉換裝置之較佳實施例,適用於將來自一交流電源的輸入電壓VAC進行轉換,以產生一直流輸出電壓Vo,dc來驅動一作為負載的發光二極體模組LED,且該電源轉換裝置包含:一濾波電路3、一整流電路4、一升壓轉換電路5、一半橋開關電路6、一降壓轉換電路7及一控制電路8。
濾波電路3電連接到該交流電源,用以自該交流電源接收一輸入電壓VAC及一輸入電流iin,並濾除該輸入電壓VAC與電流iin中的高頻雜訊以及產生一濾波電壓。
整流電路4電連接到該濾波電路3,用以接收該濾波電壓,並將該濾波電壓進行整流以得到一呈脈動的整流電壓。
半橋開關電路6包括第一及第二開關M1、M2,每一開關可操作在一導通狀態及一不導通狀態,該二開關M1、M2分別受二個控制信號控制而交錯地在該導通及不導通狀態之間切換。
升壓轉換電路5電連接於該整流電路4和該半橋開關電路6之間,以接收該整流電壓,並具有分別與該第一及第二開關M1、M2對應的二儲釋能路徑,且配合該半橋開關電路6的切換,而使該二儲釋能路徑進行交錯地儲釋能,以將該整流電壓進行升壓而得到一中間電壓,同時產生一合成電流iL以追隨來自交流電源的輸入電壓VAC相位,以調整該輸入電壓VAC與該輸入電流iin的相位以修正功率因數,而使來自該交流電源的該輸入電流iin與該輸入電壓VAC實質上同相位,而達到高功因的目的。
其中,該合成電流iL由二個不同相位的電感電流iL1、iL2所組成,因此該二電感電流漣波只有先前技術中升壓電感所產生的電流漣波的一半,根據公式P=I2
×R,有助於減少功率消耗。
又濾波電路3更濾除該半橋開關電路6切換時對該輸入電流iin所產生的干擾,例如,濾除該半橋開關電路6切換時所產生的電磁干擾(electromagnetic interference,EMI),以避免影響其他連接到交流電源的裝置(圖未示)。
控制電路8電連接於該半橋開關電路6以提供該二控制信號給該半橋開關電路6,該二控制信號分別是一第一控制信號Vgs1和一第二控制信號Vgs2。
以下將介紹上述電路應用於本實施例中的細部元件,但不限於下文所述。
濾波電路3包括一輸入電感Lf和一輸入電容Cf。串接的輸入電感Lf和輸入電容Cf電連接於該交流電源的正負端之間,以接收該輸入電壓VAC及該輸入電流iin。該輸入電容Cf的兩端提供該濾波電壓。
該整流電路4是一全橋整流電路,且包括電連接於該濾波電路3以接收該濾波電壓的第一及第二輸入端i1、i2,以及電連接於該升壓轉換電路5以輸出該整流電壓的第一及第二輸出端o1、o2。又該全橋整流電路更包括四個呈橋式連接的二極體D。
升壓轉換電路5包括一第一電容C1、一第二電容C2、一第一二極體D1、一第二二極體D2、一第一電感L1、一第二電感L2。串接的一第一電容C1和一第二電容C2電連接於該整流電路3的第一、二輸出端o1、o2之間。第一二極體D1具有一電連接於該整流電路3之第一輸出端o1的陽極和一陰極。第二二極體D2具有一電連接於該整流電路4之第二輸出端o2的陰極和一陽極。第一電感L1具有一電連接於該第一二極體D1之陰極的第一端和一第二端。第二電感L2具有一電連接於該第二二極體D2之陽極的第一端和一接地的第二端。該第一二極體D1及該第一電感L1位於該二儲釋能路徑的一者中,該第二二極體D2及該第二電感L2位於該二儲釋能路徑的另一者中,並由該第一、二電感L1、L2的第二端提供該中間電壓。
又串聯的該第一及第二開關M1、M2電連接在該第一電感L1的第二端及該第二電感L2的第二端之間,且該第一及第二開關M1、M2的共同接點電連接到該第一及第二電容C1、C2的共同接點。該第一開關M1受該第一控制信號Vgs1控制,該第二開關M2受該第二控制信號Vgs2控制。當該第一開關M1處於該導通狀態時,該第二開關M2處於該不導通狀態,而當該第二開關M2處於該導通狀態時,該第一開關M1處於該不導通狀態,時序上相鄰的該第一開關M1處於該導通狀態的期間與該第二開關M2處於該導通狀態的期間間隔一預定時間(見圖3)。該第一及第二開關M1、M2以金屬氧化物半導體場效電晶體實現(MOSFET)。
降壓轉換電路7採用諧振架構,並包括一直流鏈電容CB、一諧振電容Cr、一諧振電感Lr、一激磁電感Lm、一變壓器T、一第三二極體D3、一第四二極體D4、一輸出電容Co。
直流鏈電容CB電連接於該第一電感L1的第二端與該第二電感L2的第二端之間,用於儲存該中間電壓。
串接的諧振電容Cr、諧振電感Lr和激磁電感Lm電連接於該第二開關M2的兩端之間。
變壓器T具有一並聯於該激磁電感Lm的一次側繞組n1和一個二次側繞組n2。該一次側繞組n1具有一第一端和一第二端。該二次側繞組n2具有一第一端、一第二端及一位於該第一、第二端之間的中間抽頭。該二次側繞組n2於該第一端及該中間抽頭之間的匝數小於該一次側繞組n1的匝數,且該二次側繞組n2於該中間抽頭及該第二端之間的匝數小於該一次側繞組n1的匝數。其中,該一、二次側繞組n1、n2的第一、二端分別是極性點端和非極性點端。
第三二極體D3具有一電連接於該二次側繞組n2之第一端的陽極和一陰極。
第四二極體D4具有一電連接於該二次側繞組n2之第二端的陽極和一電連接於該第三二極體D3之陰極的陰極。
輸出電容Co電連接於該第三二極體D3的陰極和該二次側繞組n2的中間抽頭之間,用以提供該直流輸出電壓Vo,dc。
如圖3所示,參數Vgs1、Vgs2分別表示第一控制信號、第二控制信號,參數Vds1、Vds2分別表示第一、二開關兩端的跨壓,參數iL1、iL2、iLr、iLm、iD3、iD4分別表示流經該第一、二電感L1、L2的電流、流經諧振電感Lr的電流、流經激磁電感Lm的電流、流經第三、四二極體D3、D4的電流。
以下就輸入電壓VAC經整流後的操作以12個模式討論,且以下為了方便說明,在圖4至圖15中,濾波電路3、整流電路4、控制電路8省略不畫出,而以參數Vrec1、Vrec2,分別表示第一、二電容C1、C2上的第一整流電壓、第二整流電壓(第一及第二整流電壓的和即為該整流電壓),且導通的元件以實線畫出,不導通的元件以虛線畫出,且相較於圖2更畫出該二開關M1、M2的本質二極體和寄生電容。
模式一(t0~t1):
如圖3及圖4所示,當第一開關M1兩端的跨壓Vds1下降至零時,將第一開關M1導通而具有零電壓切換,此時第一整流電壓Vrec1釋放能量,經由導通的第一二極體D1,而對第一電感L1進行儲能,使第一電感電流iL1呈線性上升。
而第二電感L2經由第二二極體D2、第一開關M1的本質二極體釋放能量,使直流鏈電容CB進行儲能。
由於諧振電感電流iLr為負,此時諧振電感電流iLr對諧振電容Cr放電,並流經第一開關M1的本質二極體將能量傳送至直流鏈電容CB。
同時,激磁電感電流iLm釋能至該諧振電感Lr,使諧振電感上的電流iLr開始上升,且激磁電感Lm也提供部分能量經由變壓器T、第三二極體D3釋放至該輸出電容Co和該發光二極體模組LED。當諧振電感電流iLr上升至零時,進入模式二。
模式二(t1~t2):
如圖3及圖5所示,第一整流電壓Vrec1持續釋放能量,使第一電感L1持續儲能,而使第一電感電流iL1持續線性上升。
激磁電感Lm持續釋能至變壓器T,同時,直流鏈電容CB釋放能量至諧振電容Cr、諧振電感Lr和變壓器T的一次側繞組L1,再經由二次側繞組n2、導通的第三二極體D3放電至該輸出電容Co和該發光二極體模組LED。
而第二電感L2則持續釋能,當第二電感電流iL2趨近於零時,則進到模式三。
模式三(t2~t3):
如圖3及圖6所示,與模式二的差別為:第二電感L2不再釋能。
電容CB釋放能量到激磁電感Lm,同時,激磁電感Lm則經由變壓器T、第三二極體D3提供能量至該輸出電容Co和發光二極體模組LED,直到激磁電感電流iLm等於零時,進到模式四。
模式四(t3~t4):
如圖3及圖7所示,與模式三的差別為:激磁電感Lm不再釋能,而諧振電感電流的一部分更用於經變壓器T、第三二極體D3供電至該電容Co和該發光二極體模組LED,直到諧振電感電流降至等於激磁電感電流相等iLm,進到模式五。
模式五(t4~t5):
如圖3及圖8所示,與模式四的差別為:此時諧振電感電流iLr與激磁電感電流iLm相等,故無電流流至變壓器T,因此第三二極體D3與第四二極體D4不導通,轉由輸出電容Co釋能至發光二極體模組LED。當第一開關M1不導通時,模式五結束。
模式六(t5~t6):
如圖3及圖9所示,第一電感L1轉為釋放能量,使第一電感電流iL1線性下降。
又當第一開關M1關閉的瞬間時,直流鏈電容CB開始提供能量至諧振電感Lr、激磁電感Lm、第一開關M1的寄生電容CS1以及諧振電容Cr。
同時,第二開關M2的寄生電容CS2放電,導致第二開關M2兩端的電壓Vds2下降,當電壓Vds2下降至零時,使第二開關M2導通而具有零電壓切換,且進到模式七。
模式七(t6~t7):
如圖3及圖10所示,第二整流電壓Vrec2經由第二開關M2、第二二極體D2釋放能量到第二電感L2,使第二電感電流iL2呈線性上升。此時第一電感L1持續釋放能量經由第二開關M2的本質二極體使直流鏈電容CB儲能。
激磁電感Lm經由變壓器T、第四二極體D4提供部分能量至發光二極體模組LED,使激磁電感電流iLm開始下降。
由於諧振電感Lr釋放能量,諧振電感電流iLr流經第二開關M2的本質二極體放電至諧振電容Cr和激磁電感Lm,且於諧振電感電流iLr為零時進到模式八。
模式八(t7~t8):
如圖3及圖11所示,第二整流電壓Vrec2依舊釋放能量,使第二電感L2儲能,此時第二電感電流iL2依舊線性上升。
變壓器的一次側繞組n1的極性轉為上負下正,激磁電感Lm持續經由變壓器T、第四二極體D4釋放能量,使激磁電感電流iLm線性下降。
而第一電感L1持續釋能,當第一電感電流iL1下降至零,進到模式九。
模式九(t8~t9):
如圖3及圖12所示,第二整流電壓Vrec2與激磁電感Lm分別持續釋放能量,直到激磁電感電流iLm下降至零時,進到模式十。
模式十(t9~t10):
如圖3及圖13所示,第二整流電壓Vrec2持續釋放能量,當諧振電感電流iLr降至與激磁電感電流iLm相等時,進到模式十一。
模式十一(t10~t11):
如圖3及圖14所示,因為諧振電感電流iLr降至與激磁電感電流iLm相等,故無電流流至變壓器T,導致第三二極體D3與第四二極體D4關閉,轉由輸出電容Co釋能到發光二極體模組LED。當第二開關M2不導通時,進到模式十二。
模式十二(t11~t12):
如圖3及圖15所示,因為第二開關M2不導通而使第二電感L2轉為釋放能量,使第二電感電流iL2線性下降。
當第二開關M2一瞬間關閉時,諧振電感Lr及激磁電感Lm開始釋能,且對直流鏈電容CB、第二開關M2的寄生電容CS2和諧振電容Cr充電,而使M1的寄生電容CS1放電,導致第一開關M1兩端的電壓Vds1下降,當電壓Vds1下降至零時,模式十二結束,此時,使第一開關M1導通而具有零電壓切換,且回到模式一重新開始新的一個週期。
綜上所述,將本發明之較佳實施例應用於驅動發光二極體模組,具有以下優點:
1.相較於先前技術使用三個開關,本發明只使用二個開關,能減少開關數目。
2.利用第一、二開關M1、M2交錯導通,而使分別流經該第一、二電感L1、L2的電流漣波較先前技術小,且該二開關M1、M2耐壓也較低而具有較低的導通阻抗,因此能減少功率消耗,又因為較小的漣波電流而可使用較小體積的第一、二電感L1、L2和輸入電感Lf。
3.與先前技術之SRC換流器相比,本發明之電路可容許在較大的負載變動範圍內,適當地設計該第一、二開關M1、M2在導通前,電流皆先流經各自開關的本質二極體,使各自開關的跨壓先降至零後,再讓開關觸發導通,確保第一、二開關M1、M2皆能操作於ZVS。
惟以上所述者,僅為本發明之較佳實施例而已,當不能以此限定本發明實施之範圍,即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾,皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
10...濾波電路
L...電感
C...電容
11...整流電路
12...功因修正電路
2...半橋諧振轉換電路
21...半橋開關單元
3...濾波電路
Lf...輸入電感
Cf...輸入電容
4...整流電路
i1...第一輸入端
i2...第二輸入端
o1...第一輸出端
o2...第二輸出端
D...二極體
5...升壓轉換電路
D1...第一二極體
D2...第二二極體
L1...第一電感
L2...第二電感
C1...第一電容
C2...第二電容
6...開關電路
M1...第一開關
M2...第二開關
7...降壓轉換電路
CB...直流鏈電容
Cr...諧振電容
Lr...諧振電感
Lm...激磁電感
T...變壓器
n1...一次側繞組
n2...二次側繞組
D3...第三二極體
D4...第四二極體
Co...輸出電容
LED...發光二極體模組
8...控制電路
CS1、2...寄生電容
圖1是一種習知電源轉換裝置的電路圖;
圖2是本發明電源轉換裝置之較佳實施例的電路圖;
圖3是該較佳實施例的時序圖;
圖4是該較佳實施例操作於模式一的電路圖;
圖5是該較佳實施例操作於模式二的電路圖;
圖6是該較佳實施例操作於模式三的電路圖;
圖7是該較佳實施例操作於模式四的電路圖;
圖8是該較佳實施例操作於模式五的電路圖;
圖9是該較佳實施例操作於模式六的電路圖;
圖10是該較佳實施例操作於模式七的電路圖;
圖11是該較佳實施例操作於模式八的電路圖;
圖12是該較佳實施例操作於模式九的電路圖;
圖13是該較佳實施例操作於模式十的電路圖;
圖14是該較佳實施例操作於模式十一的電路圖;及
圖15是該較佳實施例操作於模式十二的電路圖。
3...濾波電路
Lf...輸入電感
Cf...輸入電容
4...整流電路
i1...第一輸入端
i2...第二輸入端
o1...第一輸出端
o2...第二輸出端
D...二極體
5...升壓轉換電路
D1...第一二極體
D2...第二二極體
L1...第一電感
L2...第二電感
C1...第一電容
C2...第二電容
6...開關電路
M1...第一開關
M2...第二開關
7...降壓轉換電路
CB...直流鏈電容
Cr...諧振電容
Lr...諧振電感
Lm...激磁電感
T...變壓器
n1...一次側繞組
n2...二次側繞組
D3...第三二極體
D4...第四二極體
Co...輸出電容
LED...發光二極體模組
8...控制電路
Claims (9)
- 一種電源轉換裝置,適用於將來自一交流電源的輸入電壓進行轉換,以產生一直流輸出電壓,且包含:一濾波電路,適用於電連接到該交流電源,用以自該交流電源接收該輸入電壓及一輸入電流,並濾除該輸入電壓與該輸入電流中的高頻雜訊,以及產生一濾波電壓;一整流電路,電連接到該濾波電路,用以接收該濾波電壓,並將該濾波電壓進行整流以得到一呈脈動的整流電壓;一半橋開關電路,包括第一及第二開關,每一開關可操作在一導通狀態及一不導通狀態,該二開關分別受二個控制信號控制而交錯地在該導通及不導通狀態之間切換;一升壓轉換電路,電連接於該整流電路和該半橋開關電路之間,以接收該整流電壓,並具有分別與該第一及第二開關對應的二儲釋能路徑,且配合該半橋開關電路的切換,而使該二儲釋能路徑進行交錯地儲釋能,以將該整流電壓進行升壓而得到一中間電壓,同時調整該輸入電壓與該輸入電流的相位以修正功率因數;及一降壓轉換電路,電連接於該半橋開關電路和該升壓轉換電路,且配合該半橋開關電路的切換,以將來自該升壓轉換電路的中間電壓降壓成該直流輸出電壓;該濾波電路更濾除該半橋開關電路切換時對該輸入電流所產生的干擾。
- 依據申請專利範圍第1項所述之電源轉換裝置,其中,該濾波電路包括:串接的一輸入電感和一輸入電容,電連接於該交流電源的正負端之間,以接收該輸入電壓及該輸入電流,該輸入電容的兩端提供該濾波電壓。
- 依據申請專利範圍第1項所述之電源轉換裝置,其中,該整流電路是一全橋整流電路,且包括電連接於該濾波電路以接收該濾波電壓的第一及第二輸入端,以及電連接於該升壓轉換電路以輸出該整流電壓的第一及第二輸出端。
- 依據申請專利範圍第3項所述之電源轉換裝置,其中,該升壓轉換電路包括:串接的一第一電容和一第二電容,電連接於該整流電路的第一、二輸出端之間;一第一二極體,具有一電連接於該整流電路之第一輸出端的陽極和一陰極;一第二二極體,具有一電連接於該整流電路之第二輸出端的陰極和一陽極;一第一電感,具有一電連接於該第一二極體之陰極的第一端和一第二端;及一第二電感,具有一電連接於該第二二極體之陽極的第一端和一接地的第二端;該第一二極體及該第一電感位於該二儲釋能路徑的一者中,該第二二極體及該第二電感位於該二儲釋能路徑的另一者中,並由該第一、二電感的第二端提供該中間電壓。
- 依據申請專利範圍第4項所述之電源轉換裝置,其中,串聯的該第一及第二開關電連接在該第一電感的第二端及該第二電感的第二端之間,且該第一及第二開關的共同接點電連接到該第一及第二電容的共同接點。
- 依據申請專利範圍第5項所述之電源轉換裝置,其中:當該第一開關處於該導通狀態時,該第二開關處於該不導通狀態,而當該第二開關處於該導通狀態時,該第一開關處於該不導通狀態,時序上相鄰的該第一開關處於該導通狀態的期間與該第二開關處於該導通狀態的期間間隔一預定時間。
- 依據申請專利範圍第6項所述之電源轉換裝置,其中,該降壓轉換電路採用諧振架構。
- 依據申請專利範圍第7項所述之電源轉換裝置,其中,該降壓轉換電路包括:一直流鏈電容,電連接於該第一電感的第二端與該第二電感的第二端之間,用於儲存該中間電壓;串接的一諧振電容、一諧振電感和一激磁電感,電連接於該第二開關的兩端之間;一變壓器,具有一並聯於該激磁電感的一次側繞組和一個二次側繞組,該一次側繞組具有一第一端和一第二端,該二次側繞組具有一第一端、一第二端及一位於該第一、第二端之間的中間抽頭,該二次側繞組於該第一端及該中間抽頭之間的匝數小於該一次側繞組的匝數,該二次側繞組於該中間抽頭及該第二端之間的匝數小於該一次側繞組的匝數;一第三二極體,具有一電連接於該二次側繞組之第一端的陽極和一陰極;一第四二極體,具有一電連接於該二次側繞組之第二端的陽極和一電連接於該第三二極體之陰極的陰極;及一輸出電容,電連接於該第三二極體的陰極和該二次側繞組的中間抽頭之間,用以提供該直流輸出電壓。
- 依據申請專利範圍第1項所述之電源轉換裝置,更包含:一控制電路,電連接於該半橋開關電路,用以提供該二控制信號給該半橋開關電路。
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