DE102022201511B4 - Method for controlling power semiconductors of an inverter, computer program, device for data processing, inverter, electric drive and vehicle - Google Patents
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Abstract
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Ansteuerung von Leistungshalbleitern eines Inverters mit mindestens einer Phase, aufweisend jeweils mindestens einen Highside Schalter und einen Lowside Schalter je Phase, dadurch gekennzeichnet, dass in der Totzeit beim Umschalten zwischen zwei Schaltern einer Phase die sich einstellende Spannung erfasst wird, und wenn die erfasste Spannung einer vorgegebenen Zielspannung entspricht, beide Schalter ausgeschaltet bleiben.What is proposed is a method for controlling power semiconductors of an inverter with at least one phase, each having at least one high-side switch and one low-side switch per phase, characterized in that the resulting voltage is detected during the dead time when switching between two switches of a phase, and If the detected voltage corresponds to a specified target voltage, both switches remain switched off.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Elektromobilität, insbesondere der Elektronikmodule für einen Elektroantrieb.The present invention relates to the field of electromobility, in particular to electronic modules for an electric drive.
Die Verwendung von Elektronikmodulen, etwa Leistungselektronikmodulen, bei Kraftfahrzeugen hat in den vergangenen Jahrzehnten stark zugenommen. Dies ist einerseits auf die Notwendigkeit, die Kraftstoffeinsparung und die Fahrzeugleistung zu verbessern, und andererseits auf die Fortschritte in der Halbleitertechnologie zurückzuführen. Hauptbestandteil eines solchen Elektronikmoduls ist ein DC/AC-Wechselrichter (Inverter), der dazu dient, elektrische Maschinen wie Elektromotoren oder Generatoren mit einem mehrphasigen Wechselstrom (AC) zu bestromen. Dabei wird ein aus einem mittels einer DC-Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugter Gleichstrom in einen mehrphasigen Wechselstrom umgewandelt. Zu diesem Zweck umfassen die Inverter eine Vielzahl von Elektronikbauteilen, mit denen Brückenschaltungen (etwa Halbbrücken) realisiert werden, beispielsweise Halbleiterleistungsschalter, die auch als Leistungshalbleiter bezeichnet werden.The use of electronic modules, such as power electronics modules, in motor vehicles has increased significantly in recent decades. This is due on the one hand to the need to improve fuel economy and vehicle performance and on the other hand to advances in semiconductor technology. The main component of such an electronic module is a DC/AC inverter, which is used to power electrical machines such as electric motors or generators with multi-phase alternating current (AC). A direct current generated from a DC energy source, such as a battery, is converted into a multi-phase alternating current. For this purpose, the inverters include a variety of electronic components with which bridge circuits (such as half bridges) are implemented, for example semiconductor power switches, which are also referred to as power semiconductors.
Eine gängige Methode zur Leistungssteigerung von Invertern ist die Parallelschaltung von Leistungshalbleitern, z.B. SiC-MOSFET, IGBT und parallel geschaltete Freilaufdiode (auch als antiparallele Silizium-Diode bezeichnet). Bevor der leitende Schalter von der Highside zur Lowside oder Lowside zur Highside gewechselt werden kann, ist eine Zeit nötig, in welcher beide Schalter ausgeschaltet sind, die sogenannte Totzeit. Diese Zeit ist nötig, da der Halbleiter (das Halbleiterbauelement) eine gewisse Zeit benötigt, um in den sperrenden Zustand zu wechseln, und ist vom verwendeten Halbleiter abhängig. Erst nach der Totzeit kann der gegenüberliegende Schalter wieder eingeschaltet werden. Während dieser Totzeit wird der Strom durch die Motorwicklung eingeprägt.A common method for increasing the performance of inverters is to connect power semiconductors in parallel, e.g. SiC MOSFET, IGBT and parallel-connected freewheeling diode (also known as anti-parallel silicon diode). Before the conductive switch can be changed from the high side to the low side or low side to the high side, a time is required in which both switches are switched off, the so-called dead time. This time is necessary because the semiconductor (the semiconductor component) needs a certain time to switch to the off state and depends on the semiconductor used. Only after the dead time can the opposite switch be switched on again. During this dead time, the current is impressed through the motor winding.
In elektrischen Antriebssystemen werden Umrichter, insbesondere Pulswechselrichter, eingesetzt, um die Leistung und das Drehmoment einzustellen und zu regeln. In electrical drive systems, converters, especially pulse inverters, are used to adjust and regulate the power and torque.
Standardmäßig werden Modulationsverfahren wie trägerbasierte Pulsweitenmodulation (mit und ohne Einprägung einer dritten Harmonischen) oder Raumzeigermodulationsverfahren verwendet. Die EMV- und Wirkungsgrad-Eigenschaften werden in diesem Fall vorrangig von der Schaltfrequenz des Umrichters (auch Inverter genannt) bestimmt, die in typischen elektrischen Antriebssystemen zwischen 8kHz und 10kHz liegt.Modulation methods such as carrier-based pulse width modulation (with and without imprinting a third harmonic) or space vector modulation methods are used as standard. In this case, the EMC and efficiency properties are primarily determined by the switching frequency of the converter (also called inverter), which is between 8kHz and 10kHz in typical electrical drive systems.
In modernen elektrischen Antriebsystemen spielen die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und der Wirkungsgrad eine immer bedeutendere Rolle. So müssen bei Umrichter/Inverter gespeisten Antrieben stets strengere Anforderungen an EMV, Akustik und Effizienz eingehalten werden.In modern electric drive systems, electromagnetic compatibility (EMC) and efficiency are playing an increasingly important role. For drives powered by converters/inverters, increasingly strict requirements for EMC, acoustics and efficiency must be met.
Es wurden bereits einige Maßnahmen vorgeschlagen, die zu einer Verbesserung der oben genannten Eigenschaften beitragen. Beispielhaft seien genannt:
- - Änderung des Maschinendesigns: Das elektromagnetische Design wird dahingehend optimiert, dass mit weniger Strom gleiches Moment gestellt werden kann.
- - Änderungen der Software/Ansteuerung: Einsatz von Spread Spectrum Methoden. Durch geeignete Anpassung des Modulationsverfahrens werden die spektralen Anteile, die typischerweise bei Vielfachen der Schaltfrequenz maximal sind, reduziert. Durch diese Reduzierung wird das akustische und elektromagnetische Verhalten optimiert.
- - Einsatz von Filtern: Leitungsgebundene Störungen können durch Hardware-Filterkomponenten reduziert werden.
- - Gehäusedesign: Geeignetes Gehäusematerial und Gehäusedesign ermöglicht die Abschirmung von Störstrahlung oder reduziert akustische Auffälligkeiten.
- - Change in the machine design: The electromagnetic design is optimized so that the same torque can be achieved with less current.
- - Changes to the software/control: Use of spread spectrum methods. By appropriately adapting the modulation method, the spectral components, which are typically maximum at multiples of the switching frequency, are reduced. This reduction optimizes the acoustic and electromagnetic behavior.
- - Use of filters: Wired interference can be reduced using hardware filter components.
- - Housing design: Suitable housing material and housing design enables the shielding of interference radiation or reduces acoustic abnormalities.
Aus dem Stand der Technik sind Methoden zur Ansteuerung von Leistungshalbleitern bekannt. Aus der
Aufgrund der teilweise kostenrelevanten bzw. ressourcenintensiven Lösungsansätze können aber nicht alle wünschenswerten Maßnahmen umgesetzt werden.However, due to the cost-relevant or resource-intensive solution approaches, not all desirable measures can be implemented.
Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Ansteuerung von Leistungshalbleitern eines Inverters bereitzustellen, welches eine weitere Verbesserung bezüglich elektromagnetischer Verträglichkeit (EMV) und Schaltverlusten bereitstellt.The invention is therefore based on the object of providing a method for controlling power semiconductors of an inverter, which provides a further improvement in terms of electromagnetic compatibility (EMC) and switching losses.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This task is solved by the features of the independent claims. Advantageous refinements are the subject of the dependent claims.
Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Ansteuerung von Leistungshalbleitern eines Inverters mit mindestens einer Phase, aufweisend jeweils mindestens einen Highside Schalter und einen Lowside Schalter je Phase, dadurch gekennzeichnet, dass in der Totzeit beim Umschalten zwischen zwei Schaltern einer Phase die sich einstellende Spannung erfasst wird, und wenn die erfasste Spannung einer vorgegebenen Zielspannung entspricht, beide Schalter ausgeschaltet bleiben.What is proposed is a method for controlling power semiconductors of an inverter with at least one phase, each having at least one high-side switch and one low-side switch per phase, characterized in that the resulting voltage is detected during the dead time when switching between two switches of a phase, and If the detected voltage corresponds to a specified target voltage, both switches remain switched off.
Während der Totzeit sind beide Schalter einer Phase geschlossen. Wenn in dieser Zeit bereits die Zielspannung anliegt, können durch das Auslassen von Schaltvorgängen zwischen den Schaltern, die auf Basis des Stromvorzeichens eine vorgegebene Zielspannung ohne Einschalten des jeweils anderen Schalters ausgeben, Einschaltverluste und/oder EMV-Störsignale minimiert werden.During the dead time, both switches in a phase are closed. If the target voltage is already present during this time, switching-on losses and/or EMC interference signals can be minimized by omitting switching operations between the switches, which output a predetermined target voltage based on the current sign without switching on the other switch.
Ferner wird ein Computerprogramm vorgeschlagen, umfassend Befehle, die bei der Ausführung des Programms durch einen Computer diesen veranlassen, das beschriebene Verfahren auszuführen.Furthermore, a computer program is proposed, comprising commands which, when the program is executed by a computer, cause it to carry out the method described.
Ferner wird eine Vorrichtung zur Datenverarbeitung vorgeschlagen, umfassend Mittel zur Ausführung des beschriebenen Verfahrens.Furthermore, a device for data processing is proposed, comprising means for carrying out the method described.
Ferner wird ein Inverter mit mindestens einer Phase vorgeschlagen, aufweisend jeweils mindestens einen Highside Schalter und einen Lowside Schalter sowie die Vorrichtung zur Datenverarbeitung. In einer Ausführung weist der Inverter drei Phasen auf.Furthermore, an inverter with at least one phase is proposed, each having at least one high-side switch and one low-side switch as well as the device for data processing. In one embodiment, the inverter has three phases.
Ferner wird ein Elektroantrieb eines Fahrzeugs bereitgestellt, aufweisend ein Elektronikmodul zur Ansteuerung des Elektroantriebs, das einen beschriebenen Inverter. Außerdem wird ein Fahrzeug mit dem Elektroantrieb bereitgestellt.Furthermore, an electric drive of a vehicle is provided, comprising an electronic module for controlling the electric drive, which has an inverter as described. An electric drive vehicle will also be provided.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, anhand der Figuren der Zeichnung, die erfindungsgemäße Einzelheiten zeigt, und aus den Ansprüchen. Die einzelnen Merkmale können je einzeln für sich oder zu mehreren in beliebiger Kombination bei einer Variante der Erfindung verwirklicht sein.Further features and advantages of the invention result from the following description of exemplary embodiments of the invention, based on the figures of the drawing, which show details of the invention, and from the claims. The individual features can be implemented individually or in groups in any combination in a variant of the invention.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.
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1 zeigt eine für eine Drehfeldmaschine M benötigten Ansteuerschaltung gemäß dem Stand der Technik. -
2 zeigt ein Raumzeigerdiagramm mit Spannungsvektor zur Ansteuerung eines elektrischen Antriebs gemäß dem Stand der Technik. -
3 zeigt einen Umschaltvorgang von einem Lowside- zu einem Highside-Schalter in einer Phase gemäß dem Stand der Technik.
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1 shows a control circuit required for an induction machine M according to the prior art. -
2 shows a space vector diagram with a voltage vector for controlling an electric drive according to the prior art. -
3 shows a switching process from a lowside to a highside switch in a phase according to the prior art.
In den nachfolgenden Figurenbeschreibungen sind gleiche Elemente bzw. Funktionen mit gleichen Bezugszeichen versehen.In the following descriptions of the figures, the same elements or functions are given the same reference numbers.
Wie bereits eingangs erwähnt, ist ein Ziel der Ansteuerung von Leistungshalbleitern eines Inverters im Automobilbereich, die aktuellen Anforderungen an EMV, Akustik und Effizienz möglichst gut einzuhalten. Dies kann, wie bereits mit Bezug zum Stand der Technik erwähnt, durch unterschiedliche Maßnahmen wie Anpassung der Hardware und/oder Software zu einem gewissen Grad erreicht werden. Aber es ist weiteres Optimierungspotential vorhanden.As already mentioned at the beginning, one goal of controlling power semiconductors in an inverter in the automotive sector is to comply as closely as possible with the current requirements for EMC, acoustics and efficiency. As already mentioned with reference to the prior art, this can be achieved to a certain extent through various measures such as adapting the hardware and/or software. But there is further potential for optimization.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer Ausführung beschrieben, in welcher drei Phasen mit je einem Highside-Schalter 1 und einem Lowside-Schalter 2 vorhanden sind, da dies der häufigste Anwendungsfall ist. Es kann aber auch eine andere Anzahl an Phasen vorgesehen sein, da sich das Prinzip der Ansteuerung nicht ändert.The invention is described below using an embodiment in which there are three phases, each with a high-
Das Grundprinzip des vorgeschlagenen Verfahrens ist es, dass Schaltvorgänge zwischen den Schaltern 1 und 2 ausgelassen werden, die auf Basis des Stromvorzeichens eine vorgegebene Zielspannung ohne Einschalten des jeweils anderen Schalters 1 bzw. 2 ausgeben.The basic principle of the proposed method is that switching operations between
Die Schalter 1 und 2 können beispielsweise als IGBT gebildet sein, wobei auch andere Halbleiterschalter verwendet werden können, um das Verfahren zu implementieren.The
Während der Totzeit t_tot, die zwischen zwei Schaltvorgängen gegenüberliegender Schalter (Highside 1 und Lowside 2) eingehalten werden muss, wird der Strom durch die Motorwicklung eingeprägt und es stellt sich eine Spannung ein, welche entweder der Ursprungsspannung oder der Zielspannung entspricht, die durch das Umschalten erreicht werden soll. Wenn die Zielspannung bereits anliegt, ist es nicht mehr nötig, auf den anderen Schalter 1 bzw. 2 umzuschalten. Bei einem Umschalten könnten sogar noch negative Effekte wie Einschaltverluste oder EMV-Störsignale erzeugt werden.During the dead time t_tot, which must be maintained between two switching operations of opposite switches (
Deshalb werden erfindungsgemäß die Standard-Pulsmuster, die aus einem der oben genannten Modulationsverfahren (z.B. PWM oder Raumzeiger) erzeugt werden, so manipuliert, dass einzelne Schalthandlungen ausgelassen werden. Da nur diejenigen Schaltvorgänge ausgelassen werden, bei denen die Zielspannung sowieso bereits anliegt, wird die Regelung durch die Ansteuerung nicht negativ zu beeinflusst. Für die Anwendung sind ausschließlich Informationen zum aktuellen und zukünftigen Schaltzustand und das Vorzeichen des Stromes relevant. Auch kann das Verfahren im PWM-Treiber ausgeführt sein. Es ist hierfür vorteilhaft als Software implementiert.Therefore, according to the invention, the standard pulse patterns that are generated from one of the above-mentioned modulation methods (e.g. PWM or space vector) are manipulated so that individual Switching operations are omitted. Since only those switching processes are omitted where the target voltage is already present, the control is not negatively influenced by the control. Only information about the current and future switching status and the sign of the current are relevant for the application. The process can also be carried out in the PWM driver. It is advantageously implemented as software for this purpose.
Nachfolgend wird das Prinzip der Ansteuerung anhand der Figuren beschrieben. In
Befindet sich die Spannung (Vektor V), wie im Raumzeigerdiagramm in
Das resultierende Schaltmuster wäre im Standardfall also wie folgt: 000 -> 100 -> 110 -> 111 -> 110 -> 100 -> 000, wobei „000“ bedeutet, dass alle Lowside 2 Schalter der drei Phasen eingeschaltet und die zugehörigen Highside 1 Schalter ausgeschaltet sind, und „111“ bedeutet, dass alle Highside 1 Schalter der drei Phasen eingeschaltet und die zugehörigen Lowside 2 Schalter ausgeschaltet sind.In the standard case, the resulting switching pattern would be as follows: 000 -> 100 -> 110 -> 111 -> 110 -> 100 -> 000, where “000” means that all
Betrachtet man nun beispielhaft das Schaltverhalten in einer Phase und berücksichtigt das Vorzeichen des Phasenstromes, können einzelne Schaltpulse ausgelassen werden ohne die Spannungsausgabe und Regelung negativ zu beeinflussen.If you now look at the switching behavior in one phase as an example and take the sign of the phase current into account, individual switching pulses can be omitted without negatively influencing the voltage output and regulation.
- - Fall 1: Im Bereich der Totzeit t_tot (
1, 2 aus) liegt die Zielspannung an. Beispiel:beide Schalter 11x entspricht 111 - - Fall 2: Im Bereich der Totzeit t_tot (
1, 2 aus) liegt die Ursprungsspannung an. Beispiel:beide Schalter 11x entspricht 110
- - Case 1: The target voltage is present in the dead time range t_tot (both
1, 2 off). Example: 11x equals 111switches - - Case 2: The original voltage is present in the dead time range t_tot (both
1, 2 off). Example: 11x equals 110switches
Das beschriebene Verhalten kann nun dazu genutzt werden, gezielt diejenigen Schaltzustände/Schalthandlungen auszulassen, die auf Basis des Stromvorzeichens die Zielspannung ohne das Einschalten des jeweiligen Highside 1 bzw. Lowside 2 Schalters ausgeben. Dieses Auslassen einzelner Schalthandlung hat zur Folge, dass die effektive Schaltfrequenz des Systems reduziert wird und somit:
- - Einschaltverluste reduziert werden.
- - Die EMV Störaussendung aufgrund einer Reduzierung der Schaltflanken reduziert wird.
- - Switch-on losses are reduced.
- - The EMC interference emission is reduced due to a reduction in the switching edges.
Der Einsatz der Maßnahme ist im gesamten Aussteuerbereich des Inverters möglich. Aufgrund der Tatsache, dass die Zielspannung zu jeder Zeit eingestellt wird, ist keine Änderung am Regler notwendig. Die Änderung kann ausschließlich im PWM-Treiber umgesetzt werden.The measure can be used in the entire control range of the inverter. Due to the fact that the target voltage is set at any time, no change to the controller is necessary. The change can only be implemented in the PWM driver.
Das oben beschriebene Verfahren lässt sich mit weiteren Maßnahmen zur Verbesserung des Wirkungsgrads und der EMV Eigenschaften verknüpfen, die in Summe zu weiteren Verbesserungen führen können. Weitere Maßnahmen sind beispielsweise die Variation der Schaltfrequenz, eine zufällige Verschiebung der Schaltflanken oder auch Hardwaremaßnahmen.The process described above can be combined with further measures to improve the efficiency and EMC properties, which can lead to further improvements overall. Other measures include, for example, varying the switching frequency, randomly shifting the switching edges or hardware measures.
Durch das vorgeschlagene Ansteuerverfahren lässt sich ein hocheffizienter Inverter, der z.B. als Antriebsumrichter bzw. Traktionsumrichter verwendet wird, erreichen, bei dem die Schaltverluste beim Umschalten von einem aktiven Schalter auf einen anderen aktiven Schalter (High-Side auf Low-Side oder vice versa) verringert sowie EMV-Eigenschaften verbessert werden. Der Inverter kann in einem Elektronikmodul zur Ansteuerung des Elektroantriebs eines mit einem elektrischen Antrieb ausgestatteten Fahrzeugs verwendet werden. Auch können elektrifizierte Achsen durch den Elektroantrieb angetrieben werden.The proposed control method makes it possible to achieve a highly efficient inverter, which is used, for example, as a drive converter or traction converter, in which the switching losses when switching from one active switch to another active switch (high-side to low-side or vice versa) are reduced and EMC properties can be improved. The inverter can be used in an electronic module to control the electric drive of a vehicle equipped with an electric drive. Electrified axles can also be powered by the electric drive.
Ein Elektronikmodul im Rahmen dieser Erfindung dient zum Betreiben eines Elektroantriebs eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektrofahrzeugs und/oder eines Hybridfahrzeugs, und/oder elektrifizierter Achsen. Das Elektronikmodul umfasst einen DC/AC-Wechselrichter (Engl.: Inverter). Es kann außerdem einen AC/DC-Gleichrichter (Engl.: Rectifier), einen DC/DC-Wandler (Engl.: DC/DC Converter), Transformator (Engl.: Transformer) und/oder einen anderen elektrischen Wandler oder ein Teil eines solchen Wandlers umfassen oder ein Teil hiervon sein. Insbesondere dient das Elektronikmodul zum Bestromen einer E-Maschine, beispielsweise eines Elektromotors und/oder eines Generators. Ein DC/AC-Wechselrichter dient vorzugsweise dazu, aus einem mittels einer DC-Spannung einer Energiequelle, etwa einer Batterie, erzeugten Gleichstrom einen mehrphasigen Wechselstrom zu erzeugen.An electronic module within the scope of this invention is used to operate an electric drive of a vehicle, in particular an electric vehicle and/or a hybrid vehicle, and/or electrified axles. The electronic module includes a DC/AC inverter. It may also include an AC/DC rectifier, a DC/DC converter, a transformer, and/or another electrical converter or part of one include or be a part of such a converter. In particular, the electronic module is used to power an electric machine, for example an electric motor and/or a generator. A DC/AC inverter is preferably used to convert one using a DC voltage Energy source, such as a battery, produces direct current to produce a multi-phase alternating current.
Inverter für Elektroantriebe von Fahrzeugen, insbesondere PKW und NKW, sowie Bussen, sind für den Hochvoltbereich ausgelegt und sind insbesondere in einer Sperrspannungsklasse von ab ca. 650 Volt ausgelegt.Inverters for electric drives of vehicles, especially cars and commercial vehicles, as well as buses, are designed for the high-voltage range and are designed in particular in a reverse voltage class of approximately 650 volts.
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- Highside-SchalterHighside switch
- 22
- Lowside-SchalterLowside switch
- MM
- DrehfeldmaschineInduction machine
- U_DCU_DC
- VersorgungsspannungSupply voltage
- T_totT_dead
- Totzeitdead time
- Vv
- Vektorvector
Claims (8)
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102022201511.8A DE102022201511B4 (en) | 2022-02-14 | 2022-02-14 | Method for controlling power semiconductors of an inverter, computer program, device for data processing, inverter, electric drive and vehicle |
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| DE102022201511.8A DE102022201511B4 (en) | 2022-02-14 | 2022-02-14 | Method for controlling power semiconductors of an inverter, computer program, device for data processing, inverter, electric drive and vehicle |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE102022201511A1 DE102022201511A1 (en) | 2023-08-17 |
| DE102022201511B4 true DE102022201511B4 (en) | 2023-10-05 |
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Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
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-
2022
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