JP2018074876A - スイッチング電源装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】瞬時停電などが起きたとき、後段の非安定型コンバータに過電流が流れるのを容易に防止できるスイッチング電源装置及びその制御方法を提供する。【解決手段】入力電源Eiの投入時及び遮断時にスイッチング制御部３０に指令を出し、第一及び第二スイッチング素子１８，２２のスイッチング動作の開始及び停止のシーケンスを制御するシーケンス制御部３６を備える。シーケンス制御部３６は、入力電源Eiが遮断されると、第一スイッチング素子１８のスイッチング動作を停止させ、その後、中間電圧Vo1が基準値Vr以下に低下したとき、第二スイッチング素子２２のスイッチング動作を停止させる。また、入力電源Eiが投入されて入力電圧Viが確立すると、第二スイッチング素子２２のスイッチング動作を開始させ、その後、第一スイッチング素子１８のスイッチング動作を開始させる。【選択図】図１

Description

本発明は、降圧チョッパ方式の安定型コンバータの後段に、ダブルエンド絶縁方式（ハーフブリッジ、フルブリッジ、又はプッシュプル方式）の非安定型コンバータが接続されたスイッチング電源装置及びその制御方法に関する。

従来、特許文献１に開示されているように、入力電圧を中間電圧に変換する降圧チョッパ方式の変圧回路と、中間電圧を出力電圧に変換するダブルエンド絶縁方式のハーフブリッジ回路とを備えたスイッチング電源装置があった。前段の変圧回路は、スイッチング素子のオンオフの時比率が可変制御される安定型コンバータであり、後段のハーフブリッジ回路は、２つのスイッチング素子のオンオフの時比率が約５０％に設定された非安定型のコンバータである。このスイッチング電源装置は、ハーフブリッジ回路のトランスが偏励磁しないように、２つのスイッチング素子のオンオフの時比率の差を制御する駆動回路が設けられているという特徴がある。

また、特許文献２の図２（Ｂ）に開示されているように、入力電圧を中間電圧に変換する非絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータと、中間電圧を出力電圧に変換する非安定絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ（ハーフブリッジ方式）とを備えた電源装置があった。前段の非安定絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータは、スイッチング素子のオンオフの時比率が可変制御され、後段の非安定型ＤＣ−ＤＣコンバータは、２つのスイッチのオンの時比率が約５０％に設定されている。この電源装置は、非安定絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータに異常が発生したとき、２つのスイッチング素子のオンオフの時比率を低下させて過電流を抑制する保護回路が設けられているという特徴がある。

特開２００３−８８１１３号公報 特開２００８−５４４７５号公報

特許文献１のスイッチング電源装置は、後段のハーフブリッジ回路に流れる電流を制限する手段を備えていないので、例えば、瞬時停電などが起きた時、ハーフブリッジ回路に過電流が流れるおそれがある。つまり、入力電源を遮断されてから（停電が発生してから）間もなく、中間電圧が高くて出力電圧が低い状態で入力電源が再投入されると（停電が復旧すると）、ハーフブリッジ回路に過電流が流れ、内部の回路素子が破損してしまう可能性がある。

特許文献２の電源装置の場合、保護回路が設けられているので、上記のような過電流は流れない。しかし、２つのスイッチング素子のオンオフの時比率を変化させる必要があるので、駆動パルスを生成する回路の構成が非常に複雑になってしまう。また、ハーフブリッジ等のダブルエンド絶縁方式は、スイッチング素子のオンオフの時比率を約５０％に固定することによって、出力平滑インダクタを小型化できる（又は省略できる）というメリットが得られる。しかし、保護回路が動作するとオンオフの時比率が低下するので、非安定絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータが正常に動作するためには、大型の出力平滑インダクタが必須となり、装置が大型化したりコストアップしたりするという問題がある。

本発明は、上記背景技術に鑑みて成されたものであり、瞬時停電などが起きたとき、後段の非安定型コンバータに過電流が流れるのを容易に防止できるスイッチング電源装置及びその制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、オンオフの時比率が可変制御される第一スイッチング素子のスイッチング動作により、入力電圧を中間電圧に変換する降圧チョッパ方式の安定型コンバータである第一のコンバータと、オンオフの時比率がほぼ５０％に設定された第二スイッチング素子のスイッチング動作により、前記中間電圧を出力電圧に変換するダブルエンド絶縁方式の非安定型コンバータである第二のコンバータと、前記第一及び第二スイッチング素子のオンオフ動作を制御する制御回路とを備え、
前記制御回路には、前記第一及び第二スイッチング素子がスイッチング動作を行うための駆動パルスを出力するスイッチング制御部と、入力電源の投入時及び遮断時に前記スイッチング制御部に指令を出し、前記第一及び第二スイッチング素子のスイッチング動作の開始及び停止のシーケンスを制御するシーケンス制御部とが設けられ、
前記シーケンス制御部は、入力電源が遮断されると、前記第一スイッチング素子のスイッチング動作を停止させ、その後、前記中間電圧が所定の基準値以下に低下したとき、前記第二スイッチング素子のスイッチング動作を停止させるとともに、入力電源が投入されて入力電圧が確立すると、前記第二スイッチング素子のスイッチング動作を開始させ、その後、前記第一スイッチング素子のスイッチング動作を開始させるスイッチング電源装置である。

前記制御回路に、前記中間電圧を検出する中間電圧検出部が設けられ、前記シーケンス制御部は、入力電源が投入されて入力電圧が確立し、さらに前記中間電圧部の検出結果から前記中間電圧が所定の基準値以下であることを検出すると、前記第二スイッチング素子のスイッチング動作を開始させ、その後、前記第一スイッチング素子のスイッチング動作を開始させるよう構成してもよい。

前記第二のコンバータの出力整流素子が同期整流ＦＥＴの場合、前記スイッチング制御部は、前記第一及び第二スイッチング素子をオンオフさせる駆動パルスとともに、前記同期整流ＦＥＴをオンオフさせる駆動パルスを出力し、前記シーケンス制御部は、入力電源の投入時及び遮断時に前記スイッチング制御部に指令を出し、前記第一スイッチング素子、前記第二スイッチング素子及び前記同期整流ＦＥＴのスイッチング動作の開始及び停止のシーケンスを制御するものであり、
前記シーケンス制御部は、入力電源が遮断されると、前記第一スイッチング素子のスイッチング動作を停止させ、その後、前記同期整流ＦＥＴのスイッチング動作を停止させ、その後、前記中間電圧が所定の基準値以下に低下したとき、前記第二スイッチング素子のスイッチング動作を停止させるとともに、入力電源が投入されて入力電圧が確立すると、前記第二スイッチング素子のスイッチング動作を開始させ、その後、前記第一スイッチング素子のスイッチング動作を開始させ、その後、前記同期整流ＦＥＴのスイッチング動作を開始させるよう構成する。

この場合、前記制御回路に、前記中間電圧を検出する中間電圧検出部が設けられ、前記シーケンス制御部は、入力電源が投入されて入力電圧が確立し、さらに前記中間電圧部の検出結果から前記中間電圧が所定の基準値以下であることを検出すると、前記第二スイッチング素子のスイッチング動作を開始させ、その後、前記第一スイッチング素子のスイッチング動作を開始させ、その後、前記同期整流ＦＥＴのスイッチング動作を開始させるよう構成してもよい。

また、前記制御回路は、前記第二のコンバータが出力側の電力を入力側に回生する回生動作を検出する回生動作検出部が設けられ、前記回生動作検出部は、前記第二のコンバータが前記回生動作行っていること又は前記回生動作を行う可能性があることを検出すると、前記シーケンス制御部に指令を出し、前記同期整流ＦＥＴのスイッチング動作を停止状態にさせるよう構成してもよい。前記回生検出部は、例えば、前記第一のコンバータの出力電流を観測し、この出力電流が所定の値以下のとき及び前記第二のコンバータから前記第一のコンバータに逆流しているとき、前記第二のコンバータが前記回生動作行っている又は前記回生動作を行う可能性があると判断するよう構成することができる。

また、本発明は、オンオフの時比率が可変制御される第一スイッチング素子のスイッチング動作により、入力電圧を中間電圧に変換する降圧チョッパ方式の安定型コンバータである第一のコンバータと、オンオフの時比率がほぼ５０％に設定された第二スイッチング素子のスイッチング動作により、前記中間電圧を出力電圧に変換するダブルエンド絶縁方式の非安定型コンバータである第二のコンバータとを備えたスイッチング電源装置の制御方法であって、
入力電源が遮断されると、前記第一スイッチング素子のスイッチング動作を停止させ、その後、前記中間電圧が所定の基準値以下に低下したとき、前記第二スイッチング素子のスイッチング動作を停止させるとともに、入力電源が投入されて入力電圧が確立すると、前記第二スイッチング素子のスイッチング動作を開始させ、その後、前記第一スイッチング素子のスイッチング動作を開始させるスイッチング電源装置の制御方法である。

入力電源が投入されて入力電圧が確立すると、前記中間電圧が所定の基準値以下であることを確認した後、前記第二スイッチング素子のスイッチング動作を開始させ、その後、前記第一スイッチング素子のスイッチング動作を開始させるよう構成してもよい。

前記第二のコンバータの出力整流素子が同期整流ＦＥＴで構成されている場合、入力電源が遮断されると、前記第一スイッチング素子のスイッチング動作を停止させ、その後、前記同期整流ＦＥＴのスイッチング動作を停止させ、その後、前記中間電圧が所定の基準値以下に低下したとき、前記第二スイッチング素子のスイッチング動作を停止させるとともに、入力電源が投入されて入力電圧が確立すると、前記第二スイッチング素子のスイッチング動作を開始させ、その後、前記第一スイッチング素子のスイッチング動作を開始させ、その後、前記同期整流ＦＥＴのスイッチング動作を開始させる。

この場合、入力電源が投入されて入力電圧が確立すると、前記中間電圧が所定の基準値以下であることを確認した後、前記第二スイッチング素子のスイッチング動作を開始させ、その後、前記第一スイッチング素子のスイッチング動作を開始させ、その後、前記同期整流ＦＥＴのスイッチング動作を開始させるよう構成することができる。

また、前記第二のコンバータが出力側の電力を入力側に回生する回生動作行っている、又は前記回生動作を行う可能性があると判断したとき、前記同期整流ＦＥＴのスイッチング動作を停止状態にさせるよう構成してもよい。例えば、前記第一のコンバータの出力電流を観測し、この出力電流が所定の値以下であること又は前記第二のコンバータから前記第一のコンバータに逆流していることを検出すると、前記第二のコンバータが前記回生動作行っていると判断するよう構成することができる。

本発明のスイッチング電源装置及びその制御方法によれば、入力電源の投入時及び遮断時、前段の第一のコンバータ（安定型コンバータ）と後段の第二のコンバータ（非安定型コンバータ）の各スイッチング動作の開始及び停止のシーケンスを適切に制御することによって、瞬時停電などが発生したときでも、第二のコンバータに過電流が発生するのを確実に防止することができる。しかも、第二のコンバータは、スイッチング素子のオンオフの時比率が約５０％から変化しないので、小型の出力平滑インダクタを使用しても（又は、出力平滑インダクタを省略しても）、第二のコンバータが正常に動作することができる。

また、この制御方法は、例えば、制御回路の機能をデジタルプロセッサによって構成することによって容易に実現することができ、インテリジェンス性が高く、シンプルな構造のスイッチング電源装置を容易に得ることができる。

本発明のスイッチング電源装置の第一の実施形態を示す回路図である。 第一の実施形態のスイッチング電源装置の、入力電源の遮断時の制御方法を示すフローチャートである。 第一の実施形態のスイッチング電源装置の、入力電源の投入時の制御方法を示すフローチャートである。 第一の実施形態のスイッチング電源装置の、瞬時停電が起きてから復旧するまでの動作を示すタイムチャートである（有負荷時）。 第一の実施形態のスイッチング電源装置の、瞬時停電が起きてから復旧するまでの動作を示すタイムチャートである（無負荷時）。 本発明のスイッチング電源装置の第二の実施形態を示す回路図である。 第二の実施形態のスイッチング電源装置の、入力電源の遮断時の制御方法を示すフローチャートである。 第二の実施形態のスイッチング電源装置の、入力電源の投入時の制御方法を示すフローチャートである。 第二の実施形態のスイッチング電源装置の、瞬時停電が起きてから復旧するまでの動作を示すタイムチャートである（有負荷時）。 第二の実施形態のスイッチング電源装置の、瞬時停電が起きてから復旧するまでの動作を示すタイムチャートである（無負荷時）。

以下、本発明のスイッチング電源装置及びその制御方法の第一の実施形態について、図１〜図５に基づいて説明する。この実施形態のスイッチング電源装置１０は、図１に示すように、第一及び第二のコンバータ１２，１４と制御回路１６とで構成されている。

第一のコンバータ１２は降圧チョッパ方式の安定型コンバータであり、第一スイッチング素子１８がスイッチング動作を行って、入力電源Eiから供給された入力電圧Viを中間電圧Vo1に変換する。第一スイッチング素子１８は、制御回路１６が出力する駆動パルスVg18によって駆動され、オンオフの時比率が可変制御される。出力平滑コンデンサ２０は両端に中間電圧Vo1を生成し、第二のコンバータ１４に向けて出力する。

第二のコンバータ１４はフルブリッジ方式の非安定型コンバータであり、４つの第二スイッチング素子２２がスイッチング動作を行って、中間電圧Vo1を出力電圧Vo2に変換する。第二スイッチング素子２２は、それぞれ制御回路１６が出力する駆動パルスVg22によって駆動され、オンオフの時比率はほぼ５０％に固定されている。トランス２４の出力巻線の電圧を整流する出力整流素子は、２つのダイオード２６である。ダイオード２６が整流した電圧を平滑する平滑回路は出力平滑コンデンサ２８であり、出力平滑インダクタは省略されている。出力平滑コンデンサ２８は両端に出力電圧Vo2を生成し、負荷Loに向けて出力する。

制御回路１６は、第一及び第二スイッチング素子１８，２２のスイッチング動作を制御する回路で、スイッチング制御部３０、入力電圧検出部３２、中間電圧検出部３４、及びシーケンス制御部３６を備えている。

スイッチング制御部３０は、第一及び第二スイッチング素子１８，２２がスイッチング動作を行うための駆動パルスVg18，Vg22を生成する。スイッチング制御部３０は、駆動パルスVg18のハイレベル／ローレベルの時比率を変化させることによって、中間電圧Vo1又は出力電圧Vo2を目標値に近づけるように、第一スイッチング素子１８のオンオフの時比率を可変制御する。駆動パルスVg22のハイレベル／ローレベルの時比率は、第二スイッチング素子２２のオンオフの時比率が約５０％になるように固定される。

入力電圧検出部３２は、入力電圧Viを検出し、検出結果をシーケンス制御部３６に向けて出力する。中間電圧検出部３４は、中間電圧Vo1を検出し、検出結果をシーケンス制御部３６に向けて出力する。

シーケンス制御部３６は、例えばデジタルプロセッサにより構成され、入力電源Eiの投入時及び遮断時に、入力電圧検出部３２及び出力電圧検出部３４の検出結果に基づいてスイッチング制御部３０に指令を出し、第一及び第二スイッチング素子１８，２２のスイッチング動作の開始及び停止のシーケンスを制御する処理を行う。具体的な処理内容については、後の動作説明の中で詳しく説明する。

また、図１では省略してあるが、入力電圧Viを降圧して直流電圧を生成する電源回路が設けられている。電源回路は、制御回路１６に動作用の電源電圧を供給する働きをする。

次に、スイッチング電源装置１０の動作を説明する。ここでは、通電中に入力電源Eiが遮断され、ごく短時間のうちに再投入されたという状況（すなわち、瞬時停電が起きたような状況）を想定するが、有負荷時と無負荷時で中間電圧Vo1及び出力電圧Vo2の挙動が少し異なるので、以下、有負荷時と無負荷時に分けて動作を説明する。なお、制御回路１６が実行する制御方法は、図２、図３のフローチャートに示した内容であり、有負荷時も無負荷時も同じである。

まず、有負荷時の動作を、図２、図３、図４に基づいて説明する。通電中に入力電源Eiが遮断されると、入力電圧Viが徐々に低下する。シーケンス制御部３６は、入力電圧検出部３２の検出結果から入力電源Eiが遮断されたことを検出し（ステップS11）、スイッチング制御部３０に向けて、第一スイッチング素子１８のオンオフを停止するよう指令を出す（ステップS12）。その結果、スイッチング制御部３０が駆動パルスVg18を出力するのを停止し、第一スイッチング素子１８がスイッチング動作を停止し、第一のコンバータ１２が第二のコンバータ１４に電力を供給しなくなる。

ステップS12が実施されると、第二スイッチング素子２２がスイッチング動作を継続しているので、両端に中間電圧Vo1が発生している平滑コンデンサ２０のエネルギーが負荷Loに向けて送り出され、中間電圧Vo1が速やかに低下する。また、両端に出力電圧Vo2が発生している出力平滑コンデンサ２８のエネルギーが負荷Loにより消費され、出力電圧Vo2も速やかに低下する。

そして、シーケンス制御部３６は、中間電圧検出部３４の検出結果から、中間電圧Vo1が基準値Vr1（非常に低い電圧）以下に低下したことを検出すると（ステップS13）、スイッチング制御部３０に向けて、第二スイッチング素子２２のオンオフを停止するよう指令を出す（ステップS14）。その結果、スイッチング制御部３０が駆動パルスVg22を出力するのを停止し、第二スイッチング素子２２もスイッチング動作を停止する。その後、さらに入力電圧Viが低下し、電源回路が制御回路１６に十分な電源電圧を供給できなくなり、制御回路１６がダウンする（ステップS15）。

ほどなく、入力電源Eiが投入されて入力電圧Viが上昇すると、制御回路１６の電源電圧が上昇して制御回路１６がスタンバイする（ステップS21）。そして、シーケンス制御部３６は、入力電圧検出部３２の検出結果から入力電圧Viが確立したことを検出し（ステップS22）、さらに、中間電圧検出部３４の検出結果から中間電圧Vo1が基準値Vr以下であることを検出すると（ステップS23）、スイッチング制御部３０に向けて、第二スイッチング素子２２のオンオフを開始するよう指令を出す（ステップS24）。その結果、スイッチング制御部３０が駆動パルスVg22を出力し始め、第二スイッチング素子２２がスイッチング動作を開始する。

ここで、ステップS24を実施した時、第二のコンバータ１４に過電流が発生するかどうかが問題になる。中間電圧Vo1と出力電圧Vo2は、ともに、ステップS12が実施された後ステップS13が実施される前まで間に、ほぼゼロボルトまで低下している。したがって、この状態で第二スイッチング素子２２がスイッチング動作を開始しても、第二のコンバータ１４には、入力側から出力側に流れる過電流も、出力側から入力側に流れる過電流も発生しない。

なお、ステップS23は、何らかの原因で中間電圧Vo1が基準値Vr以下に低下しなかった場合、ステップS24が実施されないようにするためのステップである。ステップS23は省略してもよいが、ステップS23を設けることによって、より確実に、第二のコンバータ１４に過電流が発生するのを防止することができるので、安全性がさらに向上する。

その後、シーケンス制御部３６が、スイッチング制御部３０に向けて、第一スイッチング素子１８のオンオフを開始するよう指令を出す（ステップS25）。その結果、スイッチング制御部３０が駆動パルスVg18を出力し始め、第一スイッチング素子１８がスイッチング動作を開始し、第一のコンバータ１２が第二のコンバータ１４に電力を供給し始める。そして、中間電圧Vo1と出力電圧Vo2は、Vo1≒(Np/Ns)・Vo2という関係を維持しながらそれぞれ上昇し、もとの状態に復帰する。ここで、Npはトランス２４の入力巻線の巻数、Nsはトランス２４の出力巻線の巻数である。

次に、無負荷時の動作を、図２、図３、図５に基づいて説明する。停電によって入力電源Eiが遮断されると、入力電圧Viが徐々に低下する。シーケンス制御部３６は、入力電圧検出部３２の検出結果から入力電源Eiが遮断されたことを検出し（ステップS11）、スイッチング制御部３０に向けて、第一スイッチング素子１８のオンオフを停止するよう指令を出す（ステップS12）。その結果、スイッチング制御部３０が駆動パルスVg18を出力するのを停止し、第一スイッチング素子１８がスイッチング動作を停止し、第一のコンバータ１２が第二のコンバータ１４に電力を供給しなくなる。

ステップS12が実施されると、第二スイッチング素子２２がスイッチング動作を継続しているので、両端に中間電圧Vo1が発生している平滑コンデンサ２０のエネルギーがトランス２４の鉄損として消費され、中間電圧Vo1が低下する。一方、両端に出力電圧Vo2が発生している出力平滑コンデンサ２８のエネルギーは、負荷Loでは消費されず（無負荷状態）、図示しない付属的な回路で僅かに消費されるだけなので、出力電圧Vo2は非常に緩やかに低下する。

そして、シーケンス制御部３６は、中間電圧検出部３４の検出結果から、中間電圧Vo1が基準値Vr1（非常に低い電圧）以下に低下したことを検出すると（ステップS13）、スイッチング制御部３０に向けて、第二スイッチング素子２２のオンオフを停止するよう指令を出す（ステップS14）。その結果、スイッチング制御部３０が駆動パルスVg22を出力するのを停止し、第二スイッチング素子２２もスイッチング動作を停止する。その後、さらに入力電圧Viが低下し、電源回路が制御回路１６に十分な電源電圧を供給できなくなり、制御回路１６がダウンする（ステップS15）。

ほどなく、入力電源Eiが投入されて入力電圧Viが上昇すると、制御回路１６の電源電圧が上昇して制御回路１６がスタンバイする（ステップS21）。そして、シーケンス制御部３６は、入力電圧検出部３２の検出結果から入力電圧Viが確立したことを検出し（ステップS22）、さらに、中間電圧検出部３４の検出結果から中間電圧Vo1が基準値Vr以下であることを検出すると（ステップS23）、スイッチング制御部３０に向けて、第二スイッチング素子２２のオンオフを開始するよう指令を出す（ステップS24）。その結果、スイッチング制御部３０が駆動パルスVg22を出力し始め、第二スイッチング素子２２がスイッチング動作を開始する。

ここで、ステップS24を実施した時、第二のコンバータ１４に過電流が発生するかどうかが問題になる。中間電圧Vo1は、ステップS12が実施された後ステップS13が実施される前まで間に、ほぼゼロボルトまで低下している。一方、出力電圧Vo2は、所定の高い電圧に保持されている。したがって、Vo1＜(Np/Ns)・Vo2という状態で第二スイッチング素子２２がスイッチング動作を開始するので、第二のコンバータ１４には、入力側から出力側に流れる過電流は発生しない。また、出力側から入力側の向きについても、出力整流素子であるダイオード２６によって阻止されるので、過電流は発生しない。

その後、シーケンス制御部３６が、スイッチング制御部３０に向けて、第一スイッチング素子１８のオンオフを開始するよう指令を出す（ステップS25）。その結果、スイッチング制御部３０が駆動パルスVg18を出力し始め、第一スイッチング素子１８がスイッチング動作を開始し、中間電圧Vo1が上昇する。そして、中間電圧Vo1が(Np/Ns)・Vo2に達した後、中間電圧Vo1と出力電圧Vo2は、Vo1≒(Np/Ns)・Vo2という関係を維持しながらそれぞれ上昇し、もとの状態に復帰する。

以上説明したように、スイッチング電源装置１０及びその制御方法によれば、入力電源Eiの投入時及び遮断時、第一のコンバータ１２と第二のコンバータ１４の各スイッチング動作の開始及び停止のシーケンスが適切に制御され、入力電源Eiの投入時、常にVo1≦(Np/Ns)・Vo2という状態で第二のコンバータ１４がスイッチング動作を開始するので、瞬時停電が発生したときでも、第二のコンバータ１４に過電流が発生するのを確実に防止することができる。しかも、第二スイッチング素子２２のオンオフの時比率が約５０％から変化しないので、出力平滑インダクタを省略しても、第二のコンバータ１４が正常に動作することができる。

また、この制御方法は、シーケンス制御部３６をデジタルプロセッサにより構成することによって容易に実現することができ、インテリジェンス性が高く、シンプルな構造のスイッチング電源装置１０を容易に得ることができる。

次に、本発明のスイッチング電源装置及びその制御方法の第二の実施形態について、図６〜図１０に基づいて説明する。ここで、上記実施形態と同様の構成は、同一の符号を付して説明を省略する。この実施形態のスイッチング電源装置３８は、図６に示すように、第一及び第二のコンバータ１２，１４と制御回路１６とで構成されている。

第一のコンバータ１２の構成は、上記スイッチング電源装置１０と同様である。第二のコンバータ１４は、出力整流素子としてＮチャネルのＭＯＳ型ＦＥＴである同期整流ＦＥＴ４０が使用されているという相違点があり、これ以外の構成は、上記スイッチング電源装置１０と同様である。

出力整流素子が同期整流ＦＥＴ４０の場合、Vo1＜(Np/Ns)・Vo2の状態で同期整流ＦＥＴ４０がスイッチング動作すると、出力側の電力を入力側に回生する回生動作が行われるという点が問題になる。したがって、上記スイッチング電源装置３８の場合、第二のコンバータ１４に過電流が発生しないようにするため、回生動作が行われないようにすることが必要となる。

制御回路１６は、第一及び第二スイッチング素子１８，２２と同期整流ＦＥＴ４０のオンオフ動作を制御する回路で、スイッチング制御部３０、入力電圧検出部３２、中間電圧検出部３４、回生動作検出部４２及びシーケンス制御部４４を備えている。

スイッチング制御部３０は、上記のように、第一及び第二スイッチング素子１８，２２がスイッチング動作を行うための駆動パルスVg18，Vg22を生成し、さらに、同期整流ＦＥＴ４０が第二スイッチング素子２２と同期してスイッチング動作を行うための駆動パルスVg40を生成する。

入力電圧検出部３２は、入力電圧Viを検出し、検出結果をシーケンス制御部４４に向けて出力する。中間電圧検出部３４は、中間電圧Vo1を検出し、検出結果をシーケンス制御部４４に向けて出力する。

回生動作検出部４２は、第二のコンバータ１４が回生動作行っていること又は回生動作を行う可能性があることを検出すると、シーケンス制御部４４に指令を出し、同期整流ＦＥＴ４０のスイッチング動作を停止状態にさせる制御を行うブロックである。ここでは、第一のコンバータ１２の出力電流Io1を観測し、出力電流Io1が所定の値以下のとき、及び第二のコンバータ１４から第一のコンバータ１２に逆流しているとき（出力電流Io1が図６に示す矢印と反対方向に流れているとき）、第二のコンバータ１４が回生動作を行っている又は回生動作を行う可能性があると判断するよう構成されている。

シーケンス制御部４４は、例えばデジタルプロセッサにより構成され、入力電源Viの投入時及び遮断時に、入力電圧検出部３２、出力電圧検出部３４及び回生動作検出部４２の検出結果に基づいてスイッチング制御部３０に指令を出し、第一及び第二スイッチング素子１８，２２と同期整流ＦＥＴ４０のスイッチング動作の開始及び停止のシーケンスを制御する処理を行う。具体的な処理内容については、後の動作説明の中で詳しく説明する。

次に、スイッチング電源装置３８の動作を説明する。ここでも、通電中に入力電源Eiが遮断され、ごく短時間のうちに再投入されたという状況（すなわち、瞬時停電が起きたような状況）を想定し、有負荷時と無負荷時に分けて動作を説明する。なお、制御回路１６が実行する制御方法は、図７、図８のフローチャートに示した内容であり、有負荷時も無負荷時も同じである。

まず、有負荷時の動作を、図７、図８、図９に基づいて説明する。通電中に入力電源Eiが遮断されると、入力電圧Viが徐々に低下する。シーケンス制御部４４は、入力電圧検出部３２の検出結果から入力電源Eiが遮断されたことを検出し（ステップS31）、スイッチング制御部３０に向けて、第一スイッチング素子１８のオンオフを停止するよう指令を出す（ステップS32）。その結果、スイッチング制御部３０が駆動パルスVg18を出力するのを停止し、第一スイッチング素子１８がスイッチング動作を停止し、第一のコンバータ１２が第二のコンバータ１４に電力を供給しなくなる。

ステップS32が実施されると、第二スイッチング素子２２及び同期整流ＦＥＴ４０がスイッチング動作を継続しているので、両端に中間電圧Vo1が発生している平滑コンデンサ２０のエネルギーが負荷Loに向けて送り出され、中間電圧Vo1が速やかに低下する。また、出力電圧Vo2が発生している出力平滑コンデンサ２８のエネルギーが負荷Loにより消費され、出力電圧Vo2も速やかに低下する。

中間電圧Vo1及び出力電圧Vo2が低下している途中、シーケンス制御部４４が、スイッチング制御部３０に向けて、同期整流ＦＥＴ４０のオンオフを停止するよう指令を出す（ステップS33）。その結果、スイッチング制御部３０が駆動パルスVg40を出力するのを停止し、同期整流ＦＥＴ４０がスイッチング動作を停止するが、同期整流ＦＥＴ４０の寄生ダイオードが出力整流素子の働きをするので、ステップS33を実施しても、中間電圧Vo1が低下する動きに大きな変化は現れない。

そして、シーケンス制御部４４は、中間電圧検出部３４の検出結果から、中間電圧Vo1が基準値Vr1（非常に低い電圧）以下に低下したことを検出すると（ステップS34）、スイッチング制御部３０に向けて、第二スイッチング素子２２のオンオフを停止するよう指令を出す（ステップS35）。その結果、スイッチング制御部３０が駆動パルスVg22を出力するのを停止し、第二スイッチング素子２２もスイッチング動作を停止する。その後、さらに入力電圧Viが低下し、電源回路が制御回路１６に十分な電源電圧を供給できなくなり、制御回路１６がダウンする（ステップS36）。

ほどなく、入力電源Eiが投入されて入力電圧Viが上昇すると、制御回路１６の電源電圧が上昇して制御回路１６がスタンバイする（ステップS41）。そして、シーケンス制御部４４は、入力電圧検出部３２の検出結果から入力電圧Viが確立したことを検出し（ステップS42）、さらに、中間電圧検出部３４の検出結果から中間電圧Vo1が基準値Vr以下であることを検出すると（ステップS43）、スイッチング制御部３０に向けて、第二スイッチング素子２２のオンオフを開始するよう指令を出す（ステップS44）。その結果、スイッチング制御部３０が駆動パルスVg22を出力し始め、第二スイッチング素子２２がスイッチング動作を開始する。

ここで、ステップS44を実施した時、第二のコンバータ１４に過電流が発生するかどうかが問題になる。中間電圧Vo1と出力電圧Vo2は、ともに、ステップS32が実施された後ステップS34が実施される前まで間に、ほぼゼロボルトまで低下している。したがって、この状態で第二スイッチング素子２２がスイッチング動作を開始しても、第二のコンバータ１４には、入力側から出力側に流れる過電流も、出力側から入力側に流れる過電流も発生しない。

なお、ステップS43は、何らかの原因で中間電圧Vo1が基準値Vr以下に低下しなかった場合、ステップS44が実施されないようにするためのステップである。ステップS43は省略してもよいが、ステップS43を設けることによって、より確実に、第二のコンバータ１４に過電流が発生するのを防止することができるので、安全性がさらに向上する。

その後、シーケンス制御部４４が、スイッチング制御部３０に向けて、第一スイッチング素子１８のオンオフを開始するよう指令を出す（ステップS45）。その結果、スイッチング制御部３０が駆動パルスVg18を出力し始め、第一スイッチング素子１８がスイッチング動作を開始し、第一のコンバータ１２が第二のコンバータ１４に電力を供給し始める。そして、中間電圧Vo1と出力電圧Vo2は、Vo1≒(Np/Ns)・Vo2という関係を維持しながらそれぞれ上昇する。出力電圧Vo2が上昇するのは、出力電流Io1が図６の矢印の方向に流れ始めるからであるが、出力電流Io1が所定の値に達するまでの間、回生動作検出部４２の指令により、同期整流ＦＥＴ４０はスイッチング動作を停止した状態となる。したがって、出力電圧Vo2が上昇し始めてからしばらくの間、同期整流ＦＥＴ４０の寄生ダイオードが出力整流素子の働きをする。

その後、出力電流Io1が所定の値を超えると、回生動作検出部４２がシーケンス制御部４４に向けて、同期整流ＦＥＴ４０の停止を解除する指令を出し、シーケンス制御部４４が、スイッチング制御部３０に向けて、同期整流ＦＥＴ４０のオンオフを開始するよう指令を出す（ステップS46）。その結果、スイッチング制御部３０が駆動パルスVg40を出力し始め、同期整流ＦＥＴ４０がスイッチング動作を開始する。そして、中間電圧Vo1及び出力電圧Vo2がさらに上昇し、もとの状態に復帰する。

図９の動作波形から分かるように、有負荷時はVo1＜(Np/Ns)・Vo2となる期間がないので、回生動作が行われる心配はない。したがって、第二のコンバータ１４に回生動作による過電流（出力側から入力側に流れる過電流）が流れることはない。

次に、無負荷時の動作を、図７、図８、図１０に基づいて説明する。停電によって入力電源Eiが遮断されると、入力電圧Viが徐々に低下する。シーケンス制御部４４は、入力電圧検出部３２の検出結果から入力電源Eiが遮断されたことを検出し（ステップS31）、スイッチング制御部３０に向けて、第一スイッチング素子１８のオンオフを停止するよう指令を出す（ステップS32）。その結果、スイッチング制御部３０が駆動パルスVg18を出力するのを停止し、第一スイッチング素子１８がスイッチング動作を停止し、第一のコンバータ１２が第二のコンバータ１４に電力を供給しなくなる。

ステップS32が実施されると、第二スイッチング素子２２がスイッチング動作を継続しているので、両端に中間電圧Vo1が発生している平滑コンデンサ２０のエネルギーがトランス２４の鉄損として消費され、中間電圧Vo1が低下する。一方、両端に出力電圧Vo2が発生している出力平滑コンデンサ２８のエネルギーは、負荷Loでは消費されず（無負荷状態）、図示しない付属的な回路で僅かに消費されるだけなので、出力電圧Vo2は非常に緩やかに低下する。

中間電圧Vo1及び出力電圧Vo2が低下している途中、シーケンス制御部４４が、スイッチング制御部３０に向けて、同期整流ＦＥＴ４０のオンオフを停止するよう指令を出す（ステップS33）。その結果、スイッチング制御部３０が駆動パルスVg40を出力するのを停止し、同期整流ＦＥＴ４０がスイッチング動作を停止するが、無負荷状態で同期整流ＦＥＴ４０にほとんど電流が流れていないので、ステップS33を実施しても、中間電圧Vo1が低下する動きに大きな変化は現れない。

そして、シーケンス制御部４４は、中間電圧検出部３４の検出結果から、中間電圧Vo1が基準値Vr1（非常に低い電圧）以下に低下したことを検出すると（ステップS34）、スイッチング制御部３０に向けて、第二スイッチング素子２２のオンオフを停止するよう指令を出す（ステップS35）。その結果、スイッチング制御部３０が駆動パルスVg22を出力するのを停止し、第二スイッチング素子２２もスイッチング動作を停止する。その後、さらに入力電圧Viが低下し、電源回路が制御回路１６に十分な電源電圧を供給できなくなり、制御回路１６がダウンする（ステップS36）。

ほどなく、入力電源Eiが投入されて入力電圧Viが上昇すると、制御回路１６の電源電圧が上昇して制御回路１６がスタンバイする（ステップS41）。そして、シーケンス制御部４４は、入力電圧検出部３２の検出結果から入力電圧Viが確立したことを検出し（ステップS42）、さらに、中間電圧検出部３４の検出結果から中間電圧Vo1が基準値Vr以下であることを検出すると（ステップS43）、スイッチング制御部３０に向けて、第二スイッチング素子２２のオンオフを開始するよう指令を出す（ステップS44）。その結果、スイッチング制御部３０が駆動パルスVg22を出力し始め、第二スイッチング素子２２がスイッチング動作を開始する。

ここで、ステップS44を実施した時、第二のコンバータ１４に過電流が発生するかどうかが問題になる。中間電圧Vo1は、ステップS32が実施された後ステップS34が実施される前まで間に、ほぼゼロボルトまで低下している。一方、出力電圧Vo2は、所定の高い電圧に保持されている。したがって、Vo1＜(Np/Ns)・Vo2という状態で第二スイッチング素子２２がスイッチング動作を開始するので、第二のコンバータ１４には、入力側から出力側に流れる過電流は発生しない。また、出力側から入力側の向きについては、同期整流ＦＥＴ４０がスイッチング動作を停止しており、ドレインソース間の寄生ダイオードによっても阻止されるので、過電流は発生しない。

その後、シーケンス制御部４４が、スイッチング制御部３０に向けて、第一スイッチング素子１８のオンオフを開始するよう指令を出す（ステップS45）。その結果、スイッチング制御部３０が駆動パルスVg18を出力し始め、第一スイッチング素子１８がスイッチング動作を開始するので、中間電圧Vo1が上昇する。そして、中間電圧Vo1が(Np/Ns)・Vo2に達した後、中間電圧Vo1と出力電圧Vo2が、Vo1≒(Np/Ns)・Vo2という関係を維持しながらそれぞれ上昇する。出力電圧Vo2が上昇するのは、出力電流Io1が図６の矢印の方向に流れ始めるからであるが、出力電流Io1が所定の値に達するまでの間、回生動作検出部４２の指令により、同期整流ＦＥＴ４０はスイッチング動作を停止した状態となる。したがって、出力電圧Vo2が上昇し始めてからしばらくの間、同期整流ＦＥＴ４０の寄生ダイオードが出力整流素子の働きをする。

その後、出力電流Io1が所定の値を超えると、回生動作検出部４２がシーケンス制御部４４に向けて、同期整流ＦＥＴ４０の停止を解除する指令を出し、シーケンス制御部４４が、スイッチング制御部３０に向けて、同期整流ＦＥＴ４０のオンオフを開始するよう指令を出す（ステップS46）。その結果、スイッチング制御部３０が駆動パルスVg40を出力し始め、同期整流ＦＥＴ４０がスイッチング動作を開始する。そして、中間電圧Vo1及び出力電圧Vo2がさらに上昇し、もとの状態に復帰する。

図１０の動作波形から分かるように、無負荷時はVo1＜(Np/Ns)・Vo2となる期間があるので、回生動作が行われる可能性がある。しかし、回生動作検出部４２が動作することによって、少なくともVo1＜(Np/Ns)・Vo2の期間は、同期整流ＦＥＴ４０が確実に停止状態になるので、第二のコンバータ１４に回生動作による過電流（出力側から入力側に流れる過電流）が流れることはない。

以上説明したように、スイッチング電源装置３８及びその制御方法によれば、上記スイッチング電源装置１０と同様の効果を得ることができる。また、第二のコンバータ１４の出力整流素子は、回生動作が発生するおそれがある同期整流ＦＥＴ４０であるが、独特の構成及び制御方法により、第二のコンバータ１４の回生動作による過電流についても、容易に防止することができる。

なお、本発明のスイッチング電源装置及びその制御方法は、上記実施形態に限定されるものではない。スイッチング電源装置１０は、図２に示すように、ステップS12を実施した後、中間電圧Vo1が基準値Vr以下に低下したかどうかを、中間電圧検出部３４の検出結果と基準値Vrとを比較することによって判定し（ステップS13）、ステップS14を実施するタイミングを決定しているが、ステップS14を実施するタイミングは他の方法で決定してもよい。例えば、中間電圧Vo1が確実に基準値Vr以下に低下するまでの所要時間をあらかじめ調査しておき、ステップS12を実施した後、その所要時間が経過したタイミングでステップS14を実施するようにしてもよい。これによって、中間電圧検出部３４を省略することが可能になる。同様に、スイッチング電源装置３８は、図７に示すように、ステップS32，S33を実施した後、中間電圧Vo1が基準値Vr以下に低下したかどうかを、中間電圧検出部３４の検出結果と基準値Vrとを比較することによって判定し（ステップS34）、ステップS35を実施するタイミングを決定しているが、例えば、中間電圧Vo1が確実に基準値Vr以下に低下するまでの所要時間をあらかじめ調査しておき、ステップS32を実施した後、その所要時間が経過したタイミングでステップS35を実施するようにしてもよい。これによって、中間電圧検出部３４を省略することが可能になる。

回生動作検出部及び回生動作検出部が行う制御方法は、上記スイッチング電源装置３８の構成に限定されない。回生動作はVo1＜(Np/Ns)・Vo2のときしか行われないことから、例えば、「回生動作を行っている又は回生動作を行う可能性がある」か否かを、中間電圧Vo1と出力電圧Vo2を観測し、Vo1＜(Np/Ns)・Vo2の関係を満たすかどうかによって判定する、という形態に変更してもよい。

また、回生動作検出部及び回生動作検出部が行う制御は、省略することができる。この場合、シーケンス制御部４４を、「入力電源の投入時、第一スイッチング素子１８のオンオフを開始させる指令を出した後、所定の時間が経過した時に、同期整流ＦＥＴ４０のオンオフを開始させる指令を出す」という構成にすることにより、回生動作が行われる可能性を低くすることができる。ただし、回生動作検出によって回生動作を防止する制御を行うことによって、第二のコンバータ１４に過電流が発生するのを確実に防止することができ、電源装置の安全性がさらに向上する。

第二のコンバータ１４はフルブリッジ方式であるが、他のダブルエンド絶縁方式であるハーフブリッジ方式やプッシュプル方式に変更してもよく、同様の作用効果を得ることができる。

１０，３８ スイッチング電源装置
１２ 第一のコンバータ
１４ 第二のコンバータ
１６ 制御回路
１８ 第一スイッチング素子
２２ 第二スイッチング素子
３０ スイッチング制御部
３４ 中間電圧検出部
３６，４４ シーケンス制御部
４０ 同期整流ＦＥＴ（出力整流素子）
４２ 回生動作検出部
Ei 入力電源
Io1 第一のコンバータの出力電流
Vi 入力電圧
Vo1 中間電圧
Vo2 出力電圧
Vr 基準値
Vg18，Vg22，Vg40 駆動パルス

Claims (12)

1. オンオフの時比率が可変制御される第一スイッチング素子のスイッチング動作により、入力電圧を中間電圧に変換する降圧チョッパ方式の安定型コンバータである第一のコンバータと、オンオフの時比率がほぼ５０％に設定された第二スイッチング素子のスイッチング動作により、前記中間電圧を出力電圧に変換するダブルエンド絶縁方式の非安定型コンバータである第二のコンバータと、前記第一及び第二スイッチング素子のオンオフ動作を制御する制御回路とを備え、
   前記制御回路には、前記第一及び第二スイッチング素子がスイッチング動作を行うための駆動パルスを出力するスイッチング制御部と、入力電源の投入時及び遮断時に前記スイッチング制御部に指令を出し、前記第一及び第二スイッチング素子のスイッチング動作の開始及び停止のシーケンスを制御するシーケンス制御部とが設けられ、
   前記シーケンス制御部は、入力電源が遮断されると、前記第一スイッチング素子のスイッチング動作を停止させ、その後、前記中間電圧が所定の基準値以下に低下したとき、前記第二スイッチング素子のスイッチング動作を停止させるとともに、入力電源が投入されて入力電圧が確立すると、前記第二スイッチング素子のスイッチング動作を開始させ、その後、前記第一スイッチング素子のスイッチング動作を開始させることを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 前記制御回路に、前記中間電圧を検出する中間電圧検出部が設けられ、
   前記シーケンス制御部は、入力電源が投入されて入力電圧が確立し、さらに前記中間電圧部の検出結果から前記中間電圧が所定の基準値以下であることを検出すると、前記第二スイッチング素子のスイッチング動作を開始させ、その後、前記第一スイッチング素子のスイッチング動作を開始させる請求項１記載のスイッチング電源装置。
3. 前記第二のコンバータは、出力整流素子が同期整流ＦＥＴであり、
   前記スイッチング制御部は、前記第一及び第二スイッチング素子をオンオフさせる駆動パルスとともに、前記同期整流ＦＥＴをオンオフさせる駆動パルスを出力し、
   前記シーケンス制御部は、入力電源の投入時及び遮断時に前記スイッチング制御部に指令を出し、前記第一スイッチング素子、前記第二スイッチング素子及び前記同期整流ＦＥＴのスイッチング動作の開始及び停止のシーケンスを制御するものであり、
   前記シーケンス制御部は、入力電源が遮断されると、前記第一スイッチング素子のスイッチング動作を停止させ、その後、前記同期整流ＦＥＴのスイッチング動作を停止させ、その後、前記中間電圧が所定の基準値以下に低下したとき、前記第二スイッチング素子のスイッチング動作を停止させるとともに、入力電源が投入されて入力電圧が確立すると、前記第二スイッチング素子のスイッチング動作を開始させ、その後、前記第一スイッチング素子のスイッチング動作を開始させ、その後、前記同期整流ＦＥＴのスイッチング動作を開始させる請求項１記載のスイッチング電源装置。
4. 前記制御回路に、前記中間電圧を検出する中間電圧検出部が設けられ、
   前記シーケンス制御部は、入力電源が投入されて入力電圧が確立し、さらに前記中間電圧部の検出結果から前記中間電圧が所定の基準値以下であることを検出すると、前記第二スイッチング素子のスイッチング動作を開始させ、その後、前記第一スイッチング素子のスイッチング動作を開始させ、その後、前記同期整流ＦＥＴのスイッチング動作を開始させる請求項３記載のスイッチング電源装置。
5. 前記制御回路は、前記第二のコンバータが出力側の電力を入力側に回生する回生動作を検出する回生動作検出部が設けられ、前記回生動作検出部は、前記第二のコンバータが前記回生動作行っていること又は前記回生動作を行う可能性があることを検出すると、前記シーケンス制御部に指令を出し、前記同期整流ＦＥＴのスイッチング動作を停止状態にさせる請求項３又は４記載のスイッチング電源装置。
6. 前記回生検出部は、前記第一のコンバータの出力電流を観測し、この出力電流が所定の値以下のとき及び前記第二のコンバータから前記第一のコンバータに逆流しているとき、前記第二のコンバータが前記回生動作行っている又は前記回生動作を行う可能性があると判断するよう構成されている請求項５記載のスイッチング電源装置。
7. オンオフの時比率が可変制御される第一スイッチング素子のスイッチング動作により、入力電圧を中間電圧に変換する降圧チョッパ方式の安定型コンバータである第一のコンバータと、オンオフの時比率がほぼ５０％に設定された第二スイッチング素子のスイッチング動作により、前記中間電圧を出力電圧に変換するダブルエンド絶縁方式の非安定型コンバータである第二のコンバータとを備えたスイッチング電源装置の制御方法であって、
   入力電源が遮断されると、前記第一スイッチング素子のスイッチング動作を停止させ、その後、前記中間電圧が所定の基準値以下に低下したとき、前記第二スイッチング素子のスイッチング動作を停止させるとともに、入力電源が投入されて入力電圧が確立すると、前記第二スイッチング素子のスイッチング動作を開始させ、その後、前記第一スイッチング素子のスイッチング動作を開始させることを特徴とするスイッチング電源装置の制御方法。
8. 入力電源が投入されて入力電圧が確立すると、前記中間電圧が所定の基準値以下であることを確認した後、前記第二スイッチング素子のスイッチング動作を開始させ、その後、前記第一スイッチング素子のスイッチング動作を開始させる請求項７記載のスイッチング電源装置の制御方法。
9. 前記第二のコンバータは、出力整流素子が同期整流ＦＥＴで構成され、
   入力電源が遮断されると、前記第一スイッチング素子のスイッチング動作を停止させ、その後、前記同期整流ＦＥＴのスイッチング動作を停止させ、その後、前記中間電圧が所定の基準値以下に低下したとき、前記第二スイッチング素子のスイッチング動作を停止させるとともに、入力電源が投入されて入力電圧が確立すると、前記第二スイッチング素子のスイッチング動作を開始させ、その後、前記第一スイッチング素子のスイッチング動作を開始させ、その後、前記同期整流ＦＥＴのスイッチング動作を開始させる請求項７記載のスイッチング電源装置の制御方法。
10. 入力電源が投入されて入力電圧が確立すると、前記中間電圧が所定の基準値以下であることを確認した後、前記第二スイッチング素子のスイッチング動作を開始させ、その後、前記第一スイッチング素子のスイッチング動作を開始させ、その後、前記同期整流ＦＥＴのスイッチング動作を開始させる請求項９記載のスイッチング電源装置の制御方法。
11. 前記第二のコンバータが出力側の電力を入力側に回生する回生動作行っている、又は前記回生動作を行う可能性があると判断したとき、前記同期整流ＦＥＴのスイッチング動作を停止状態にさせる請求項９又は１０記載のスイッチング電源装置の制御方法。
12. 前記第一のコンバータの出力電流を観測し、この出力電流が所定の値以下であること又は前記第二のコンバータから前記第一のコンバータに逆流していることを検出すると、前記第二のコンバータが前記回生動作行っていると判断する請求項１１記載のスイッチング電源装置の制御方法。

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