JP2012010507A - 直流電源装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】低価格化かつ小型化が可能で、高力率で3相交流電源を直流電源へ変換できる直流電源装置を得ること。
【解決手段】3相交流電源を直流電源へ変換する際に3相の力率改善を同時に実施し負荷へ直流電源を供給する3相用力率改善回路は、3相交流電源の各相において、単相全波整流と力率改善とを同時に実施し負荷への直流電源を並列に形成する3台の単相用力率改善回路で構成される。3台の単相用力率改善回路は、それぞれ、スイッチング素子がONしている期間に該スイッチング素子を通して単相全波整流回路の負極出力端と出力コンデンサの負極端との接続ラインへ流れる電流が負荷側へ出力されるのを阻止する出力阻止ダイオードと、前記接続ラインにおいて、前記単相全波整流回路の負極出力端と前記出力阻止ダイオードとの間に挿入された第2のチョークコイルとを備える。
【選択図】 図1
【解決手段】3相交流電源を直流電源へ変換する際に3相の力率改善を同時に実施し負荷へ直流電源を供給する3相用力率改善回路は、3相交流電源の各相において、単相全波整流と力率改善とを同時に実施し負荷への直流電源を並列に形成する3台の単相用力率改善回路で構成される。3台の単相用力率改善回路は、それぞれ、スイッチング素子がONしている期間に該スイッチング素子を通して単相全波整流回路の負極出力端と出力コンデンサの負極端との接続ラインへ流れる電流が負荷側へ出力されるのを阻止する出力阻止ダイオードと、前記接続ラインにおいて、前記単相全波整流回路の負極出力端と前記出力阻止ダイオードとの間に挿入された第2のチョークコイルとを備える。
【選択図】 図1
Description
本発明は、交流電源を直流電源へ変換する直流電源装置に関し、特に3相交流電源を入力とする直流電源装置に関するものである。
3相交流電源を入力とする直流電源装置の利用分野として、例えば、艦船用または航空機用の電源システムでは、3相交流電源として、AC440Vrmsなど比較的大きな交流電圧を出力する3相発電機を一次電源とするが、一次電源を全波整流した際に発生する高調波リプル電流が、一次電源や該一次電源を共有する他の機器に悪影響を与えるのを防ぐために、極めて低い高調波リプルや高力率でAC/DC変換できる直流電源装置が要求されている。
ここで、艦船用または航空機用の電源システムで使用される従来の直流電源装置では、3相用の力率改善回路を、3相発電機にチョークコイルを介して接続される3相ブリッジ回路とこの3相ブリッジ回路を制御する3相力率制御回路とで構成したものが知られている。
3相ブリッジ回路は、ダイオードが逆並列に接続されたスイッチング素子の2個の直列回路の3組を並列に出力コンデンサの両端に接続し、各直列回路の直列接続端がチョークコイルを介して3相発電機の対応する相に接続されたスイッチング回路であり、6個のダイオードによる3相全波整流と、各相のチョークコイルと6個のスイッチング素子と6個のダイオードによる昇圧回路を利用した力率改善とを行う。
3相力率制御回路は、チョークコイルを介して3相ブリッジ回路に入力される交流電圧および交流電流を検出し、それをdq変換した後に、力率補償制御や電流制御を行うための演算と、3相ブリッジ回路から負荷(例えばDC/DCコンバータ)への出力電圧に基づく電圧制御を行うための演算とを同時に実施し、3相ブリッジ回路の各スイッチング素子のON/OFF比を決定するように構成される。
これによって、3相ブリッジ回路では、3相交流電圧に同期して制御されたON/OFF比によるスイッチング周波数で、直接3相交流電圧を高速スイッチングするので、入力電圧波形と同相の電流が正弦波状に流れるように制御され、3相全波整流と昇圧動作を利用した3相の力率改善とが同時に実施される。
なお、特許文献1では、ダイオードブリッジ構成の単相全波整流回路の出力側に複数個の同一仕様コンバータモジュールを並置し、力率改善、高調波リップル抑制、指定された電圧値の直流電圧の生成が行えるコンバータ装置が開示されている。
また、非特許文献1では、現在、広く使用されている単相交流の電源システムで使用する直流電源装置として、無効電力を低く抑えるために全波整流時に流れる交流電流を、入力電圧波形に同期させて正弦波状に流れるように制御する単相用力率改善回路を備え、力率を1に近づけるとともに、高調波リップルを抑制し、一次電源である単相電源を共有する他の機器にストレスが加わらないよう配慮された直流電源装置が示されている。
富士スイッチング電源制御用IC Application Note"力率改善用IC FA5500A/FA5501A"09−01 富士電機デバイスデクノロジー(株)
しかし、3相の力率改善および3相全波整流を一括して実施する構成では、3相力率制御回路は、非常に複雑な演算を行う必要があるため、独自に複雑な制御プログラムを開発してPLD(Programmable Logic Device)やFPGA(Field Programmable Gate Array)などに書き込んで構成する必要があり、コストアップの要因となっていた。
また、艦船用や航空機用の電源システムで使用される3相発電機の出力電圧は、例えばAC440Vrmsと高いために、3相ブリッジ回路の各スイッチング素子の耐電圧は1000V程度となり、それを高速スイッチングさせるので、放熱対策のために回路全体が大型化してしまうといった問題もあった。
そこで、特許文献1に示される例に倣って、3相交流電源の各相に、非特許文献1に示される単相用力率改善回路をそれぞれ適用して3相用力率改善回路を構成することが考えられる。この構成によれば、低価格化かつ小型化が可能である。しかし、3台の単相用力率改善回路は、共通の負荷に並列に直流電源を供給するので、3台の単相用力率改善回路の相互間で、或る相の単相用力率改善回路においてONしているスイッチング素子を流れる電流が、他の2相の単相用力率改善回路を経由して3相交流電源の対応する相に戻ってくるスイッチング制御できないリターン電流となるので、力率が悪くなってしまうという問題がある。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、低価格化かつ小型化が可能で、高力率で3相交流電源を直流電源へ変換できる直流電源装置を得ることを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、3相交流電源を直流電源へ変換する際に3相の力率改善を同時に実施し負荷へ直流電源を供給する3相用力率改善回路を備えた直流電源装置であって、前記3相用力率改善回路は、前記3相交流電源の各相において、単相全波整流と力率改善とを同時に実施し前記負荷への直流電源を並列に形成する3台の単相用力率改善回路で構成され、前記3台の単相用力率改善回路は、それぞれ前記3相交流電源の対応する相による単相電源を全波整流する単相全波整流回路と、第1のチョークコイル、スイッチング素子、出力ダイオードおよび出力コンデンサを備える昇圧回路と、前記単相全波整流回路の出力電圧波形に同期して前記スイッチング素子をON/OFF制御することで前記単相全波整流回路の正極出力端から出力され前記第1のチョークコイルを前記出力ダイオードに向かって流れる電流をスイッチング制御し、前記出力ダイオードを通して前記出力コンデンサに前記負荷へ供給する直流電圧を形成させる制御回路と、前記単相全波整流回路の負極出力端と前記出力コンデンサの負極端との接続ラインに挿入され、前記スイッチング素子がONしている期間に該スイッチング素子を通して前記接続ラインへ流れる電流が前記負荷側へ出力されるのを阻止する出力阻止ダイオードと、前記接続ラインにおいて、前記単相全波整流回路の負極出力端と前記出力阻止ダイオードとの間に挿入された第2のチョークコイルとを備えていることを特徴とする。
本発明によれば、3相用力率改善回路を相毎に設けた3台の単相用力率改善回路で構成する。そして、或る相の単相用力率改善回路においてONしているスイッチング素子を流れる電流が、他の2相の単相用力率改善回路を経由して3相交流電源の対応する相に戻ってくるリターン電流とならず、自単相用力率改善回路において直接第2のチョークコイルを通して単相全波整流回路の戻るようにしたので、自単相用力率改善回路において第1のチョークコイルを流れる電流も第2のチョークコイルを流れる電流も同じ正弦波状に制御できる。したがって、低価格化かつ小型化が可能で、高力率で3相交流電源を直流電源へ変換できる直流電源装置が得られるという効果を奏する。
以下に、本発明にかかる直流電源装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
図1は、本発明の一実施の形態による直流電源装置の構成を示すブロック図である。図2は、理解を容易にするために用いる比較例の直流電源装置の構成を示すブロック図である。図3は、動作を説明する波形図である。
図1において、3相交流電源1は、例えば、艦船用または航空機用の電源システムにおいて一次電源として使用されている3相発電機である。3相発電機1の出力電圧は、例えばAC440Vrmsである。
この実施の形態による直流電源装置は、3相用力率改善回路が、3相発電機1のU相、V相、W相の各相に配置した単相用力率改善回路2a,3a,4aによって構成されている。図1では、単相用力率改善回路2a,3a,4aの各出力は、共通負荷としてのDC/DCコンバータ5に並列に入力されるとしている。DC/DCコンバータ5は、単相用力率改善回路2a,3a,4aの各出力電圧を、搭載する電子機器の仕様に適合させた直流電圧へ変換し、後段回路へ供給する。
単相用力率改善回路2a,3a,4aは、それぞれ同一構成であって、単相全波整流回路10と、平滑コンデンサ11と、チョークコイル12、スイッチング素子13と、駆動回路14と,電流検出器15と、出力ダイオード16と、出力コンデンサ17と、制御回路18と、出力阻止ダイオード19と、チョークコイル20とを備えている。そのうち、チョークコイル12、スイッチング素子13、出力ダイオード16および出力コンデンサ17は、全体として昇圧回路を構成している。なお、チョークコイル12,20は、同じ巻線構造を有するものであり、1個のコア材に2つの巻き線を巻いて構成されたノーマルモードチョークコイルを用いることができる。
単相全波整流回路10は、4個のダイオードをブリッジ接続した構成である。単相全波整流回路10の一方の入力端は、単相用力率改善回路2aではチョークコイル21を介して3相発電機1のU相出力端に接続され、単相用力率改善回路3aではチョークコイル22を介して3相発電機1のV相出力端に接続され、単相用力率改善回路4aではチョークコイル23を介して3相発電機1のW相出力端に接続されている。単相全波整流回路10の他方の入力端は、単相用力率改善回路2a,3a,4aにおいて共通に、3相発電機1の中性点Nに接続されている。
単相全波整流回路10の正極出力端にチョークコイル12の一端が接続され、単相全波整流回路10の負極出力端にチョークコイル20の一端が接続され、両接続ラインの間に平滑コンデンサ11が接続されている。また、単相全波整流回路10の正極出力端および負極出力端は、制御回路18に接続されている。
チョークコイル12の他端は出力ダイオード16のアノード端子に接続され、出力ダイオード16のカソード端子は出力コンデンサ17の一端(正極端)とDC/DCコンバータ5の正極入力端とに接続されている。また、チョークコイル20の他端は出力阻止ダイオード18のカソード端子に接続され、出力阻止ダイオード18のアノード端子は出力コンデンサ17の他端(負極端)とDC/DCコンバータ5の負極入力端とに接続されている。
そして、チョークコイル12の他端と出力ダイオード16のアノード端子との接続ラインと、チョークコイル20の他端と出力阻止ダイオード18のカソード端子との接続ラインとの間に、スイッチング素子13と電流検出器15とが直列に配置されている。駆動回路14は、制御回路18からの駆動信号に従ってスイッチング素子13をON/OFF駆動する。電流検出器15は、スイッチング素子13のON動作時に流れる電流を検出して制御回路18に出力する。制御回路18には、出力コンデンサ17の端子電圧、つまりDC/DCコンバータ5への出力電圧も入力される。
単相用力率改善回路2a,3a,4aのそれぞれにおける昇圧回路(チョークコイル12、スイッチング素子13、出力ダイオード16および出力コンデンサ17)では、スイッチング素子13が平滑コンデンサ11に充電された直流電圧を高速スイッチングする。チョークコイル12では、スイッチング素子13がONしている期間に流れる電流26に比例した電磁エネルギーが蓄積され、スイッチング素子13がOFFしている期間に、電流を同方向に連続的に流す作用により、その蓄積されている電磁エネルギーによる電流27が出力ダイオード16を介して出力コンデンサ17に供給され、出力コンデンサ17に昇圧した出力電圧(直流電圧)が充電生成される。
また、単相用力率改善回路2a,3a,4aのそれぞれにおける制御回路18は、単相全波整流回路10から入力される出力電圧(交流入力の電圧)と、電流検出器15から入力される電流とを監視しながら、スイッチング素子13のON/OFFを制御するとともに、その交流入力の電圧波形と、単相全波整流回路10から入力される出力電流(交流入力の電流)とが同相となり、かつ出力コンデンサ17に充電生成される出力電圧が所定の電圧値となるように、スイッチング素子13のON/OFF比を制御することで、力率を1に近づけるとともに、出力電圧を安定化させることを実施する。
ここで、出力阻止ダイオード19およびチョークコイル20を備えた構成での動作については、理解を容易にするため、図2および図3も参照して説明する。図2では、図1に示した構成において、3相用力率改善回路を、単相用力率改善回路2a,3a,4aに代えて、単相用力率改善回路2b,3b,4bで構成した場合が示されている。その他の構成は、図1と同様である。
単相用力率改善回路2b,3b,4bは、それぞれ非特許文献1に示された単相用力率改善回路であって、単相用力率改善回路2a,3a,4aにおいて、出力阻止ダイオード19およびチョークコイル20を削除した構成である。
また、図3では、交流発電機1から出力される各相の電圧波形と、全波整流回路による電流波形とが示されている。各相の電圧波形のうち、U相電圧波形は実線で示し、V相電圧波形とW相電圧波形は点線で示してある。全波整流回路による電流波形は、電圧波形と対応付けるため、負の半周期では、極性を反転させず電圧波形と同じ変化をする波形として表し、U相電流波形、V相電流波形、W相電流波形と表記してある。U相電流波形は実線で示し、V相電流波形とW相電流波形は点線で示してある。
図3(ア)では、ダイオードブリッジ構成の単相全波整流回路のみを備える場合の、各相の入力電圧波形と、U相電流波形とが示されている。単相全波整流回路のみの場合は、電流波形が、発生する高調波リプル電流により、潰れた正弦波状になっていることが示されている。図3(イ)では、図2に示した構成での、各相の入力電圧波形と、U相電流波形とが示されている。図3(ウ)では、図1に示した構成での、各相の入力電圧波形と、各相の電流波形とが示されている。
さて、図2において、交流発電機1のU相を担当する単相用力率改善回路2bを用いて説明すると、交流発電機1のU相電圧が印加されている単相全波整流回路10は、U相電圧に同期した波形の高調波リプルを含んだ整流電圧(交流電圧)を正極出力端と負極出力端間に出力する。これによって、平滑コンデンサ11に充電が行われることで、交流発電機1のU相から流れ出たU相電流が、チョークコイル21にて電源ノイズが抑圧されて単相全波整流回路10に入力し、単相全波整流回路10の正極出力端からチョークコイル12に向けて出力され、平滑コンデンサ11に高調波リプルを含んだ直流電圧が充電生成される。
制御回路18は、スイッチング素子13のON時間幅を、入力電圧が低いときは狭くなり、入力電圧が高くなるに伴って徐々に広くなっていくようにする制御指令を駆動回路14に与え、スイッチング素子13に入力電圧に応じてON/OFF比を変化させたスイッチング動作を行わせる。
そうすると、単相全波整流回路10の正極出力端からチョークコイル12に向けて出力されたU相電流は、スイッチング素子13がONしている期間では、スイッチング素子13〜電流検出器15を介して、単相全波整流回路10の負極出力端とDC/DCコンバータ5の負極入力端と間の接続ラインへ流れる電流26となり、スイッチング素子13がOFFしている期間では、出力ダイオード16を介して出力コンデンサ17およびDC/DCコンバータ5の正極入力端へ向かう電流27となる。
この場合、チョークコイル12から出力ダイオード16に向けて流れる電流(U相電流)27は、スイッチング素子13にて、ON/OFF比が変化する態様でスイッチングされるので、正の半周期では図3(イ)に実線で示す鋸波状で流れる。制御回路18は、U相の入力電圧波形に同期させてスイッチング素子13のON/OFF比を制御し、鋸波状で流れる電流27を入力電圧と同じ正弦波状となるように制御する。正弦波状となった鋸波電流27は、出力ダイオード16から出力コンデンサ17に出力され、出力コンデンサ17に充電されて出力電圧となる。
一方、交流発電機1のU相から流れ出るU相電流は、チョークコイル21にてノイズ成分が抑圧されるので、制御回路18への入力電圧と同じ滑らかな正弦波状になる。その結果、高調波成分の少ない高力率な電力変換が行える。
しかし、スイッチング素子13がONしている期間に、単相全波整流回路10の負極出力端とDC/DCコンバータ5の負極入力端と間の接続ラインへ流れる電流26は、単相全波整流回路10の負極出力端に向かう電流29とDC/DCコンバータ5の負極入力端に向かう電流30とに分流する。そして、DC/DCコンバータ5の負極入力端に向かう電流30は、単相用力率改善回路3b,4bにおける、単相全波整流回路10の負極出力端とDC/DCコンバータ5の負極入力端と間の接続ラインへ流れる電流31,32となる。この電流31,32は、単相用力率改善回路2bでのスイッチング制御を受けないで交流発電機1のU相に戻るリターン電流となる。
図3(イ)に示す負の半周期のU相電流は、交流発電機1のU相へのリターン電流31,32によるものを示しているが、単相用力率改善回路2bでのスイッチング制御を受けていないので、図3(ア)に示したダイオードブリッジによる全波整流だけの場合と同じに、潰れた正弦波状の波形となってしまう。このように、単相用力率改善回路2bでは、リターン電流31,32を、スイッチング制御できないから、U相電流は、図3(イ)に示すように、正弦波状にならない部分を含み、力率が悪化してしまう。このことは、単相用力率改善回路3b,4bにおいても同様である。
これに対して、この実施の形態では、図1に示すように、単相用力率改善回路2a,3a,4aのそれぞれにおいて、単相全波整流回路10の負極出力端とDC/DCコンバータ5の負極入力端と間の接続ラインに、出力阻止ダイオード19とチョークコイル20とを介在させてある。
図1に示す構成によれば、単相用力率改善回路2aにおいて、スイッチング素子13がONしている期間に、単相全波整流回路10の負極出力端とDC/DCコンバータ5の負極入力端と間の接続ラインへ流れる電流26からDC/DCコンバータ5の負極入力端に向かう方向に分岐する電流が、出力阻止ダイオード19により、単相用力率改善回路3a,4a側へ流れ出すのが阻止されるので、電流26の全てがチョークコイル20を通って単相全波整流回路10の負極出力端の戻ることになる。
このとき、チョークコイル20に蓄積される電磁エネルギーは、スイッチング素子13がOFFしたときに、出力阻止ダイオード19をONさせ、出力コンデンサ17およびDC/DCコンバータ5の負極側から電流を引き出し、その引き出した電流を出力阻止ダイオード19からチョークコイル20〜単相全波整流回路10の負極出力端へ向かって流れるように付勢する作用を営む。
つまり、スイッチング素子13がOFFしている期間では、全波整流回路10の正極出力端から出力されるU相電流は、スイッチング素子13のON時にチョークコイル12に蓄えられた電磁エネルギーにより、出力ダイオード16を介して出力コンデンサ17とDC/DCコンバータ5に向かって流れる。同時に、スイッチング素子13の同じON時にチョークコイル20に蓄えられた電磁エネルギーにより、出力阻止ダイオード19を介して出力コンデンサ17およびDC/DCコンバータ5の負極側から引き出された電流が全波整流回路10の負極出力端に向かって流れることになる。
このように、単相用力率改善回路2aでは、U相電流がスイッチング制御を受けつつ環流する。したがって、U相電流は、図3(ウ)に示すように、正の半周期も負の半周期もスイッチング制御されていることを示す鋸波状で流れる。このことは、単相用力率改善回路3a,4aにおいても同様である。
チョークコイル12,20は、同じ巻き線構造であるので、チョークコイル12を流れた電流と同じ波形の電流がチョークコイル20にも流れることになる。したがって、制御回路18によって正弦波状に制御された電流は、正弦波状のまま3相発電機1に戻ることができ、力率を限りなく1に近づけることが可能となる。
以上のように、この実施の形態によれば、非常に高力率でAC/DC変換できる3相用力率改善回路を、単相用力率改善回路を3回路使用することで実現できるので、複雑な制御プログラムを開発することなく、低価格化が図れる。また、同じ回路構成の単相用力率改善回路を複数台製造することで3相用の高力率な直流電源装置を実現することが可能となるので、低価格で効率のよい生産ができるようになり、電源システム全体を低価格で実現することが可能となる。
ここで、3相交流電源が、艦船や航空機搭載されている3相発電機のように、高い電圧(例えばAC440Vrms)を出力する場合、スイッチング素子13には、1000V以上の耐圧が必要となり、加えて高速でスイッチングができてON時の抵抗が非常に小さいことが必要となる。また、出力段に挿入された出力ダイオード17および出力阻止ダイオード19には、高耐圧で逆回復特性の優れたダイオードが必要である。
この点については、この実施の形態では、スイッチング素子13に、現在広く使用されているスイッチング素子である絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT:Insulated Gate Bipolar Transistor)やSi(シリコン)MOSFETよりもオン抵抗が小さく高速スイッチングが可能なSiC(炭化ケイ素)のMOSFETを使用し、出力ダイオード17および出力阻止ダイオード19に、Siのショットキーバリアダイオード(Si−SBD)よりも高耐圧で逆回復特性の優れたSiC-SBDを使用することができるので、より一層小型で高効率な直流電源装置を得ることが可能となる。
以上のように、本発明にかかる直流電源装置は、低価格化かつ小型化が可能で、高力率で3相交流電源を直流電源へ変換できる直流電源装置として有用であり、特に、艦船用または航空機用の電源システムで使用する直流電源装置として好適である。
1 3相交流電源(3相発電機)
2a,3a,4a 単相用力率改善回路
5 DC/DCコンバータ(負荷)
10 単相全波整流回路
11 平滑コンデンサ
12 チョークコイル(第1のチョークコイル)
13 スイッチング素子
14 駆動回路
15 電流検出器
16 出力ダイオード
17 出力コンデンサ
18 制御回路
19 出力阻止ダイオード
20 チョークコイル(第2のチョークコイル)
2a,3a,4a 単相用力率改善回路
5 DC/DCコンバータ(負荷)
10 単相全波整流回路
11 平滑コンデンサ
12 チョークコイル(第1のチョークコイル)
13 スイッチング素子
14 駆動回路
15 電流検出器
16 出力ダイオード
17 出力コンデンサ
18 制御回路
19 出力阻止ダイオード
20 チョークコイル(第2のチョークコイル)
Claims (3)
- 3相交流電源を直流電源へ変換する際に3相の力率改善を同時に実施し負荷へ直流電源を供給する3相用力率改善回路を備えた直流電源装置であって、
前記3相用力率改善回路は、前記3相交流電源の各相において、単相全波整流と力率改善とを同時に実施し前記負荷への直流電源を並列に形成する3台の単相用力率改善回路で構成され、
前記3台の単相用力率改善回路は、それぞれ、
前記3相交流電源の対応する相による単相電源を全波整流する単相全波整流回路と、
第1のチョークコイル、スイッチング素子、出力ダイオードおよび出力コンデンサを備える昇圧回路と、
前記単相全波整流回路の出力電圧波形に同期して前記スイッチング素子をON/OFF制御することで前記単相全波整流回路の正極出力端から出力され前記第1のチョークコイルを前記出力ダイオードに向かって流れる電流をスイッチング制御し、前記出力ダイオードを通して前記出力コンデンサに前記負荷へ供給する直流電圧を形成させる制御回路と、
前記単相全波整流回路の負極出力端と前記出力コンデンサの負極端との接続ラインに挿入され、前記スイッチング素子がONしている期間に該スイッチング素子を通して前記接続ラインへ流れる電流が前記負荷側へ出力されるのを阻止する出力阻止ダイオードと、
前記接続ラインにおいて、前記単相全波整流回路の負極出力端と前記出力阻止ダイオードとの間に挿入された第2のチョークコイルと、
を備えていることを特徴とする直流電源装置。 - 前記スイッチング素子は、SiCのMOSFETであることを特徴とする請求項1に記載の直流電源装置。
- 前記出力ダイオードおよび前記出力阻止ダイオードは、それぞれSiCのショットキーバリアダイオードであることを特徴とする請求項1または2に記載の直流電源装置。
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Cited By (3)
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