CN1551469A - 电力变换装置和太阳光发电*** - Google Patents

Abstract

提供一种电力变换装置和太阳光发电***。该电力变换装置，具有多个变压器，上述多个变压器中的每一个变压器都包括：第一极性的输入端子；第二极性的输入端子；用来把上述变压器的一次绕组的一端与上述第一极性的输入端子相连，把上述多个变压器的一次绕组的另一端与上述第二极性的输入端子相连的布线部；以及在上述布线部和上述另一端之间串联配置的、用来控制向上述各变压器的一次绕组施加电压的开关元件，且上述布线部的一部分配置成与上述一端或另一端相连，且包围被连接的上述变压器。

Description

电力变换装置和太阳光发电***

技术领域

本发明涉及电力变换装置和太阳光发电***。

背景技术

作为太阳光发电***的结构之一，有用DC/DC变换器把太阳能电池单元的输出升压，向***联结逆变器等的负载供给的结构。作为DC/DC变换器的电路的一例，有图9所示的推挽电路。

在此，由输入平滑电容器2接收太阳能电池单元1的输出，同时基于来自控制电路5的驱动信号交互地切换操作开关元件3a、3b，向变压器4的一次绕组(中心抽头)施加高频的交流电压。变压器4的二次绕组输出按一次绕组和二次绕组的匝数比升压的交流电压，被由二极管50a、50b、50c、50d构成的整流电路50变换成直流，用由输出平滑线圈60、输出平滑电容器61构成的输出滤波器62使输出平滑化，向负载7供给被升压的电压。尤其是以约50％的固定占空比驱动时，由于在整流电路50附近设置输出滤波器62的必要性不大，可以设置在DC/DC变换器本体的外部。

在太阳能电池单元的一边配置这样的电路结构的DC/DC变换器，进行电气连接和机械固定时，由于DC/DC变换器以与太阳能电池单元连接的状态设置、收取、搬运，最好是尽可能地小型薄型化。另外，为了有效地利用太阳能电池单元的发电电力，希望DC/DC变换器的电力转换效率尽可能地高。

如果作为DC/DC变换器中使用的变压器4采用薄型的变压器，由于电阻损失增加、铁心损耗增加、泄漏的磁力线增加等，会导致DC/DC变换器的电力转换效率的降低。另外，如果采用近似立方体形状的变压器，虽然能提高DC/DC变换器的电力转换效率，但牺牲了小型化和薄型化。这样，现有的DC/DC变换器难以兼顾小型薄型化和高电力转换效率这两者。

关于上述结构，有图10所示的电路结构的推挽电路。与图9不同点在于具有，开关元件3a、3b与变压器4a一组，开关元件3c、3d与变压器4b一组，两组推挽部。两组推挽部的输入侧并联连接，输出侧串联连接。这样，在具有多个变压器的推挽电路中，具有相对于使用一个立方体状的变压器的推挽电路可以小型薄型化、相对于使用一个薄型变压器的推挽电路可以提高电力转换效率的优点。

现有的该电路进行了图11所示的部件配置。与图10相同的标号表示相同的部件。在DC/DC变换器100中，两组推挽部在横向上并列配置，在图中下侧配置到两组推挽部的共用负侧的主电路布线部206，在图的左和上侧配置到两组推挽部的共用正侧的主电路布线部20a，构成为由主电路布线部20完全包围两组推挽部。

如图12所示，用连接部件1208连接图11所示的DC/DC变换器100的连接部10和太阳能电池单元1200。另外，图11的点线表示的部分是为了从太阳能电池单元输入电流而连接用的连接部10，具有正极端子11a和负极端子11b。

设置具有这样的太阳能电池单元1200和DC/DC变换器100的太阳光发电***时，为了提高单位设置面积的发电量即面积发光效率，而希望减少太阳能电池单元1200以外的空间，从太阳能电池单元1200向DC/DC变换器100伸出的宽度小的场合是优选的。

在上述的图11的DC/DC变换器100中，通过把正侧的主电路布线部20a配置在图11的上侧以长距离引出，容易增大布线电阻。由于该主电路布线部20a是来自太阳能电池单元1200的低压大电流流过的部分，在低损失的布线中正侧的主电路布线部20a必须宽到一定程度，从太阳能电池单元1200到DC/DC变换器100的伸出宽度增大。

如果减小DC/DC变换器100的伸出宽度而减小正侧的主电路布线部20a的宽度，则正侧的主电路布线部20a的布线电阻增加，DC/DC变换器100的电力转换效率降低。这样，难以兼顾DC/DC变换器的高电力转换效率和DC/DC变换器的小型薄型化这两者，或者难以兼顾DC/DC变换器的高电力转换效率和太阳光发电***的高面积发电效率这两者。

另外，由于正侧的主电路布线部20a长，两个变压器的到一次绕组中心抽头的各布线电阻不同，从而两组推挽部的动作条件不平衡，导致电力转换效率和动作的稳定性下降。

另外，图11的DC/DC变换器100在横方向上长，从控制电路5到被驱动的各开关元件3a、3b、3c、3d的距离长，各距离的差别大，所以各开关元件3的驱动条件有差别，操作的稳定性下降。

发明内容

本发明提供以太阳能电池作为输入电源，薄型、小型、宽度窄、电力转换效率高的电力变换装置。还提供的作稳定性高的电力变换装置。还提供薄型、小型、宽度窄、电力转换效率和面积发电效率高的太阳光发电***。

更具体地，本发明是一种电力变换装置，具有多个变压器，其特征在于：上述多个变压器中的每一个变压器都包括：第一极性的输入端子；第二极性的输入端子；用来把上述变压器的一次绕组的一端与上述第一极性的输入端子相连，把上述多个变压器的一次绕组的另一端与上述第二极性的输入端子相连的布线部；以及在上述布线部和上述另一端之间串联配置的、用来控制向上述各变压器的一次绕组施加电压的开关元件，且上述布线部的一部分配置成与上述一端或另一端相连，且包围被连接的上述变压器。

另外，本发明还提供一种特征在于具有太阳能电池单元和上述电力变换装置的太阳光发电***。

本发明的其它特征和优点从下面的结合附图的详述中可以更清楚地看出。在所有附图中，相似的标号表示相同或相似的部件。

附图说明

附图构成说明书的一部分，用来与详述一起说明本发明的实施方式，解释本发明的原理。

图1是展示与本发明的实施方式1对应的部件的配置结构的一例的图；

图2是展示与本发明的实施方式1对应的电路结构的一例的图；

图3是展示与本发明的实施方式1对应的其它的配置结构的一例的图；

图4是展示与本发明的实施方式3对应的配置结构的一例的图；

图5是展示与本发明的实施方式1对应的变压器的结构的一例的图；

图6是展示与本发明的实施方式1对应的变压器的俯视图的一例的图；

图7是展示与本发明的实施方式2对应的太阳光发电***的结构的一例的图。

图8是展示与本发明的实施方式2对应的太阳能电池单元的结构的一例的图。

图9是展示现有的电路结构的一例的图；

图10是展示现有的电路结构的一例的图；

图11是展示现有的DC/DC变换器的结构的一例的图；

图12是展示现有的太阳光发电***的一例的图；

图13是展示与本发明的实施方式3对应的电路结构的一例的图。

具体实施方式

下面，结合附图详述本发明的优选实施方式。

本发明的电力变换装置，具有输入太阳能电池单元的输出的输入端子、和至少两个变压器，且具有把上述多个变压器的一次绕组的一端与输入端子的一端相连，上述多个变压器的一次绕组的另一端与输入端子的另一端相连的主电路布线部，且对各变压器具有至少一个在上述主电路布线部之间串联***的、用来控制向上述各变压器的一次绕组施加电压的开关元件，且上述主电路布线部的一部分分别与各变压器的输入端子的一端相连，同时上述一部分主电路布线部配置成包围被连接的各变压器。

电力变换装置的电路方式可采用推挽电路、全桥电路、半桥电路、正向电路、回扫电路等。另外，在例如太阳能电池单元等的输入低压、大电流的场合下为了获得高的电力转换效率，推挽电路、全桥电路是合适的。

变压器中，对铁心材、铁心形状、缠绕方法等没有特别限定，但希望是薄型形状。例如，可以用图5的斜视图所示的变压器。该变压器是在线轴上缠绕一次绕组和二次绕组，从线轴的***孔的两侧***铁心的中脚而构成的薄型EE变压器的一例。一次绕组和二次绕组根据需要连结并固定在线轴的引线端子上。

另外，变压器的数量是2个以上即可，3个或4个等都可以，没有特别限定。优选地，一字绕组的两端的引出方向相对于变压器铁心是相反的方向(或对置方向)。尤其是，在推挽电路中，通过使构成两个一次绕组的中心抽头的绕组端部相对于变压器铁心向相同方向引出，可以缩短构成中心抽头的一次绕组的端部间的布线长度，所以可以减小布线电阻，是优选的。

两个变压器的配置希望是相对于连接太阳能电池单元和变压器的那一侧太阳能电池单元的边平行并列。变压器的绕组的引出方向相对于上述边是哪一个方向都可以，例如，也可以是引出方向相对于上述边平行或垂直地引出。

对开关元件没有特别限定，但对于来自太阳能电池单元的低压大电流，在电力转换效率这一点上MOSFET是合适的。

多个变压器的一次绕组和二次绕组分别并联或串联连接，但一次绕组并联连接的结构是优选的。二次绕组并联或串联都可以，但在升压比大时通过使二次绕组串联可以减小一个变压器的匝数比，具有提高电力转换效率和小型化的优点。

主电路布线部的材料只要是电阻低就没有特别限定，可使用铜、铝、银或以它们为基的合金等。从电阻低且廉价上看铜和铜合金是合适的。另外，主电路布线部除了由印刷基板上的导体构成以外，也可以是金属基的基板上的导体、或加工成板状或棒状的部件等的构成。

在推挽电路中，多个变压器各具有两个一次绕组，同一变压器中的各一次绕组的一端在主电路布线部上与输入端子的一端相连，同一变压器中的各一次绕组的另一端通过各开关元件在主电路布线部上与输入端子的另一端相连。

本发明的太阳光发电***中用的太阳能电池单元只要在至少一个位置上有正极的和负极即可，没有特别限定，但输出低压大电流的太阳能电池单元是优选的。作为太阳能电池单元的发电层，可使用晶体硅、薄膜硅、CIS、色素增敏剂等。另外，也可以使用把同种或不同种材质的发电层叠多层而成的层叠型太阳能电池。

另外，作为太阳能电池单元的基板，可以是玻璃基板、金属基板、薄膜基板等，没有特别的限定。对太阳能电池单元的串联数目也没有特别的限定，但串联数少电压低的太阳能电池单元是优选的。1-10的串联数是优选的，太阳能电池单元的串联数是1-4是更优选的。

另外，太阳能电池单元的串联数为1时，即使太阳能电池单元的一部分产生阴影，多个太阳能电池单元串联时也不会有因太阳能电池单元的电压-电流特性曲线不同导致的失配损失，所以是优选的。

对于对开关元件进行开/关控制的控制电路也没有特别限定，模拟、数字或它们的组合等公知公用的控制电路都可使用。另外，脉冲控制方式可使用PWM、PFM、PNM等的可变占空比、固定占空比或它们的组合等。

另外，向本发明的电力变换装置输入的电源不限于太阳能电池单元，可使用燃料电池、一次电池、二次电池等。

(实施方式1)

下面，参照附图说明本发明的实施方式的一例。

图2所示是本发明的电力变换装置即DC/DC变换器的电路结构的一例。与图10相同点很多，但在本实施方式中平滑电容器2分成2a和2b，对两组推挽部的各输入部分开配置。另外，由输出平滑线圈60、输出平滑电容器61构成的输出滤波器62在DC/DC变换器本体的外侧配置在负载侧。

另外，图1展示了与本实施方式对应的部件的配置结构的一例。图1中，通过添加字母相区别的相同标号表示相同的结构要素(下面对其它图也一样)。在DC/DC变换器100的中央配置控制电路5和整流电路50，把其它部件配置成左右对称。两个变压器4a、4b象图中那样并列配置成左右对称。

图6示出变压器4a的俯视图的一例。变压器4a在未图示的二次绕组的外侧构成两个一次绕组41a、42a。引出作为各一次绕组的中心抽头的一次绕组的端部45a、46a，与正侧的主电路布线部21a、21d连接。另外，作为一次绕组的另一端的43a、44a相对于铁心向与中心抽头侧45a、46a相反的方向引出，与各开关元件3a-3d连接。

二次绕组的引出部的一端47a连接在二极管50a和50b的中间部，另一端48a与另一个变压器4b的二次绕组的一端串联连接。变压器4b的二次绕组的另一端也同样地与二极管50c和50d的中间部相连。

另外，各开关元件与负侧的主电路布线部21b、2c相连，与来自控制电路5的驱动信号相应地，夹着变压器4a、4b的一次绕组的中心抽头的两端分别在负侧的主电路布线部21b、21c之间进行交互地通/断动作。通过在负侧的主电路布线部和夹着变压器4的一次绕组的中心抽头的两端部之间设置开关元件3，可以使用低损失的n沟道MOSFET。

负侧的主电路布线部21b、21c如图所示分别配置在图1的下侧。正侧的主电路布线部21a、21d分别配置在图1的上侧且沿图1的左右端以规定的宽度配置。在连到各推挽部的主电路布线部的负侧和正侧之间连接平滑电容器2a、2b。另外，用点线所示的部分表示作为向各推挽部输入来自太阳能电池单元的输出的输入端子的连接部10a、10b。连接部10a和10b分别具有正极的输入端子11a、11d、负极的输入端子11b、11c。

本发明的主电路布线部是连接图1的主电路布线部21a、21b(21d、21c)、图2所示的开关元件3a(3c)和变压器4a(4b)的一次绕组的端部的布线(图1中未示出)；以及连接图2所示的开关元件3b(3d)和变压器4a(4d)的一次绕组的端部的布线(图1中未示出)。图1中未示出的布线由于在本实施方式中非常短，所以在图1中未图示且省略说明。

正侧的主电路布线部和负侧的主电路布线部的宽度是使得相当于或小于现有的布线损失，例如是现有的宽度的0.6倍(例出，现有宽度为10mm时为6mm)。由此，可以抑制DC/DC变换器的电力转换效率的下降，减小图2所示的DC/DC变换器的图中的上下方向的宽度。

通过这样构成，可以使从两个变压器的太阳能电池单元到一次绕组的布线电阻相等，使供给到两个变压器的电力平衡均匀化，提高电力转换效率且稳定地工作。另外，通过尽力减少两个变压器的共用的布线路径，具有分离的布线路径，可以减少一个变换部的动作对另一个的影响，使动作稳定化。

另外，由于两个输入平滑电容器2a、2b的两端部和太阳能电池单元的正、负极之间的布线长度减短，一次侧电力变换电路的总布线长度减短，寄生电感减小，噪音低，工作稳定。

另外，通过使上述变压器的一次绕组的一端和另一端相对于铁心向相反的方向引出，而且构成一组一次绕组的中心抽头的一次绕组的一端相对于铁心向相同的方向引出，可以减短中心抽头间的连接布线长度，可以低电阻化，提高电力转换效率。

另外，通过在两个变压器的大致中心配置控制电路5，由于从控制电路5到各开关元件3的距离都是相近的值，所以驱动条件均等，动作稳定。另外，由于缩短了从控制电路5到各开关元件3的最大距离，可以降低寄生电感的影响，抑制噪音的影响。

另外，与现有的主电路布线部相比，本实施方式中的主电路布线部中，由于图1中的左右方向的长度被分离成多个短的长度，容易缓和因膨胀系数不同产生的热应力，具有抑制印刷基板的翘曲、提高可靠性的效果，DC/DC变换器在温度变化剧烈的屋外使用时效果更大。

另外，虽然主电路布线部的总宽度是现有的宽度的约0.6倍，但不仅限于此，可以根据对效率的重视、对宽度的重视等适当设计。还可以根据在主电路布线部流过的电流量改变各部分的宽度。

另外，在本实施方式中，虽然象图1所示那样配置部件，构成一次绕组的中心抽头的一次绕组的一端向图1的上侧引出，与主电路布线部21a连接，与向输入太阳能电池单元的连接部10a的正侧输入的一端连接，而一次绕组的另一端向图1的下侧引出，通过开关元件3ab、3b与主电路布线部21b相连，与向输入太阳能电池单元的连接部10a的负侧的一端连接，但并不仅限于此。例如，可以是如图3所示那样，构成一次绕组的中心抽头的一次绕组的一端向图3的下侧引出，通过开关元件3ab、3b与主电路布线部21b相连，与向输入太阳能电池单元的连接部10a的正侧11a的一端连接，而一次绕组的另一端向图3的上侧引出，与主电路布线部21a连接，与向输入太阳能电池单元的连接部10a的负侧11b输入的一端连接等的各种变形。

如上所述，本实施方式中，通过对每个变压器分别设置主电路布线部且配置成由各变压器用的主电路布线部包围变压器，可以降低主电路布线部的电流密度，降低主电路布线部的布线电阻损失。另外，可以减少与损失降低部分相应的主电路布线部的布线密度，可以使电力变换装置的宽度更窄。由此，获得了薄型、小型、宽度窄、电力转换效率高的电力变换装置。

另外，通过把形成变压器的一次绕组的中心抽头的一组一次绕组的一端相对于变压器铁心向同一方向引出，可以减短对中心抽头间的连接所必需的布线长度，所以布线是低电阻的。

另外，优选地，在多个变压器的大致中心配置对上述开关元件的开/关进行控制的控制电路。由于从控制电路到开关元件的距离大致相等，驱动条件均等，所以动作稳定。

(实施方式2)

下面，说明本发明的其它实施方式的一例。

图7展示了本发明的太阳光发电***的结构。该太阳光发电***由在实施方式1中说明的DC/DC变换器100、两个太阳能电池单元1200(1200a、1200b)构成。

参照图8说明该太阳能电池单元1200。图8表示太阳能电池单元的上表面(受光面)的一例，太阳能电池单元1200在具有导电性的基板1201上形成。在受光面上并列配置导电性高的多个第一电极1205，低损失地收集来自太阳能电池单元的发电层的电流。第1电极1205和图8的上侧的受光面侧的第二电极1207电连接，由具有更高导电性的第二电极1207低损失地收集来自各第一电极1205的电流。在第二电极1207和基板1201之间***用来防止太阳能电池单元短路的绝缘膜1204。另外，可以活用基板1201的导电性而将其作为太阳能电池单元的另一电极使用。

另外，虽然未图示，但为了更低损失地集电，在基板的一部分上设置比基板1201导电性更高的背面电极。太阳能电池单元1200的极性为，受光面侧是正，其背面侧是负。

具有这样的基本结构的两个太阳能电池单元1200如图7所示地配置。其中，受光面侧的第二电极1207不是对各太阳能电池单元1200分别地设置，而是由作为共用部件的第二电极1207a构成两个太阳能电池单元1200。

用具有导电性的四个连接部件1208把上述两个太阳能电池单元1200和DC/DC变换器100的连接部10电气连接。连接部件1208a的一端与太阳能电池单元1200的第二电极1207a电气连接，而另一端与图1的DC/DC变换器100的主电路布线部21a连接部10a电气连接。连接部件1208b的一端与太阳能电池单元1200的背面电极电气连接，而另一端与图1的DC/DC变换器100的主电路布线部21b的连接部10a电气连接。连接部件1208c的一端与太阳能电池单元1200的背面电极电气连接，而另一端与图1的DC/DC变换器100的主电路布线部21c的连接部10b电气连接。连接部件1208d的一端与太阳能电池单元1200的第二电极1207a电气连接，而另一端与图1的DC/DC变换器100的主电路布线部21d的连接部10b电气连接。

这样的太阳光发电***中，可以实现薄型化，一直维持DC/DC变换器100的高电力转换效率，减小DC/DC变换器100从太阳能电池单元1200的伸出宽度，减小设置面积的无用空间，提高面积发电效率。

另外，由于薄型且DC/DC变换器100从太阳能电池单元1200伸出宽度小，降低了DC/DC变换器100与物体接触划擦而受损伤的可能性，同时提高了设置、搬运的操作性。

另外，由于薄型，减小了太阳光发电***上下方向的宽度，所以减少了打包部件和输送用的空间，从而降低了打包和输送的成本。

(实施方式3)

下面，说明本发明的另一个其它实施方式。

本实施方式的DC/DC变换器100在具有三组推挽部这一点上与实施方式1不同。在变压器4a-c的一次绕组侧分别并联连接，变压器4a-c的二次绕组侧分别串联连接这一点上与实施方式1相同。图13是展示与本实施方式对应的电路结构的一例的图。

图4示出本实施方式的DC/DC变换器的配置结构。正侧的主电路布线部21a、21c、21e如图4所示配置成L字形状，与变压器4a、4b、4c的一次绕组的中心抽头侧相连。负侧的主电路布线部21b、21d、21f配置在图4的下侧，分别与开关元件3a和3b、3c和3d、3e和3f相连。

开关元件3a与变压器4a的夹着一次绕组的中心抽头的两端中的一端相连，开关元件3b与变压器的夹着一次绕组的中心端的两端中的另一端相连。开关元件3c和3d以及3e和3f也同样地与变压器4b和4c相连。控制电路5和整流电路50可以配置在例如图4所示位置的推挽部之间。

如上所述，在对各推挽部分别地设置主电路布线部21a-f，配置成包围各推挽部的各变压器4a-c的构成中，把来自太阳能电池单元的电流三分而分配到各推挽部上，所以如果与现有的宽度相同则可把电流密度降低到1/3。由此，可以减小主电路布线部21的宽度以把损失降到与现有同等或更低。

例如，是现有的0.5倍左右也可以。由此，可以维持或提高薄型的DC/DC变换器100的电力转换效率，减小图4的上下方向的宽度。

这样，在具有三个变压器的薄型的DC/DC变换器中，也可以把DC/DC变换器的宽度减小到与具有两个变压器的DC/DC变换器相同甚至更多。

如上所述，根据本发明获得了薄型、小型、宽度窄、电力转换效率高的电力变换装置。

另外，在具有太阳能电池单元和上述电力变换装置的太阳光发电***中，可以实现薄型化，一直维持电力变换装置的高电力转换效率，减小电力变换装置从太阳能电池单元伸出的宽度，且提高太阳光发电***的面积发电效率。

很显然，在不脱离本发明的精神和范围的前提下可以做出各种不同的实施方式，不难理解，本发明不限于这些具体的实施方式，其保护范围应由后附的权利要求书确定。

Claims (8)

1.一种电力变换装置(100)，具有多个变压器(4a、4b)，其特征在于：

上述多个变压器中的每一个变压器都包括：

第一极性的输入端子(11a、11d)；

第二极性的输入端子(11b、11c)；

用来把上述变压器的一次绕组的一端与上述第一极性的输入端子相连，把上述多个变压器的一次绕组的另一端与上述第二极性的输入端子相连的布线部(21a、21b、21c、21d)；以及

在上述布线部和上述另一端之间串联配置的、用来控制向上述各变压器的一次绕组施加电压的开关元件(3a、3b、3c、3d)，且

上述布线部的一部分配置成与上述一端或另一端相连，且包围被连接的上述变压器。

2.如权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于：

上述变压器的一次绕组的上述一端与上述另一端相对于上述变压器的铁心对置地配置；且

上述各变压器配置成上述一端比上述另一端更远离上述输入端子(图1、图4)。

3.如权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于：

上述变压器的一次绕组的上述一端与上述另一端相对于上述变压器的铁心对置地配置；且

上述各变压器配置成上述另一端比上述一端更远离上述输入端子(图3)。

4.如权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于还包括：在上述多个变压器中的任意两个之间配置的、用来控制上述开关元件的动作的控制电路(5)。

5.如权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于：

上述变压器是推挽变压器，且

上述一次绕组中的第一一次绕组的一端即与上述第一极性的输入端子相连的第一一端(45a)、和第二一次绕组的一端即与上述第一极性的输入端子相连的第二一端(46a)，借助于上述布线部的一部分与上述第一极性的输入端子相连接。

6.如权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于：

上述变压器是推挽变压器，且

上述一次绕组中的第一一次绕组的另一端即与上述第二极性的输入端子相连的第一另一端(43a)、和第二一次绕组的另一端即与上述第二极性的输入端子相连的第二另一端(44a)，借助于上述布线部的一部分与上述第二极性的输入端子相连接。

7.如权利要求1-6中任一项所述的电力变换装置，其特征在于：向上述输入端子输入来自太阳能电池单元(1、1200)的电力。

8.一种太阳光发电***，其特征在于具有：上述太阳能电池单元、和如权利要求1-6中任一项所述的电力变换装置。

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