【導(dǎo)讀】EconoDUAL?3是一款經(jīng)典的IGBT模塊封裝，其上一代的1700V系列產(chǎn)品已經(jīng)廣泛應(yīng)用于級(jí)聯(lián)型中高壓變頻器、靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG）和風(fēng)電變流器，覆蓋了中功率和一部分大功率的應(yīng)用場(chǎng)合。隨著芯片技術(shù)的發(fā)展和市場(chǎng)對(duì)高功率密度IGBT模塊的需求增加，英飛凌已經(jīng)基于最新的1700V IGBT7技術(shù)開(kāi)發(fā)了新一代的EconoDUAL?3模塊，并率先推出了900A和750A兩款新產(chǎn)品。本文首先分析了上一代最大電流等級(jí)600A的產(chǎn)品FF600R17ME4[1]在MVD和SVG中的典型應(yīng)用，然后介紹了1700V IGBT7的芯片特性和EconoDULA?3模塊的性能優(yōu)化。通過(guò)與FF600R17ME4對(duì)比，分析了900A和750A的產(chǎn)品優(yōu)勢(shì)。最后，針對(duì)級(jí)聯(lián)高壓變頻器和靜止無(wú)功發(fā)生器的應(yīng)用場(chǎng)景，通過(guò)仿真對(duì)比，闡明了新一代IGBT產(chǎn)品在輸出能力和功率損耗等方面為系統(tǒng)帶來(lái)的價(jià)值。
級(jí)聯(lián)型H橋（Cascaded H-bridge, CHB）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，擴(kuò)展靈活，目前已經(jīng)在中高壓級(jí)聯(lián)型變頻器（以下簡(jiǎn)稱MVD）和靜止無(wú)功發(fā)生器（以下簡(jiǎn)稱SVG）中獲得了廣泛應(yīng)用，這兩種設(shè)備的功率單元拓?fù)鋱D如圖1所示。在工業(yè)應(yīng)用中，電機(jī)作為風(fēng)機(jī)、泵、壓縮機(jī)、皮帶機(jī)、提升機(jī)、破碎機(jī)和球磨機(jī)等各種機(jī)械設(shè)備的驅(qū)動(dòng)裝置，其耗電量約占中國(guó)整個(gè)工業(yè)電耗的60%以上。采用MVD與生產(chǎn)工藝相結(jié)合，可以顯著的降低電機(jī)能耗。SVG主要應(yīng)用于提升電網(wǎng)的輸電容量及穩(wěn)定暫態(tài)電壓，也可實(shí)現(xiàn)輸配電網(wǎng)、風(fēng)電和光伏、電弧爐/軋鋼機(jī)、礦山、石化、煤礦、港口等行業(yè)的功率因數(shù)控制、母線電壓閃變抑制及補(bǔ)償不平衡負(fù)荷、濾除負(fù)荷諧波電流，達(dá)到提高電能質(zhì)量，節(jié)約用電的目的。
英飛凌的上一代1700V EconoDUAL?3 IGBT4包含225A、300A、450A和600A 4個(gè)電流等級(jí)，如圖2所示，通過(guò)每相采用單個(gè)模塊和兩個(gè)模塊并聯(lián)，基本可以覆蓋6kV-10kV MVD的中等功率范圍和一部分大功率范圍、10kV-35kV SVG的中等容量范圍。對(duì)于大功率MVD和大容量SVG，現(xiàn)有的1700V IGBT有兩種解決方案，一種是增加EconoDUAL?3模塊的并聯(lián)數(shù)量，比如采用600A模塊FF600R17ME4 3并聯(lián)或者4并聯(lián)。另一種是采用其他封裝的大電流IGBT模塊，比如1000A模塊FF1000R17IE4或者1400A模塊FF1400R17IP4，這樣既可以增加系統(tǒng)的容量，又可以減少模塊的并聯(lián)數(shù)量，略有不足之處是增加了模塊的封裝種類，功率單元需要根據(jù)模塊的結(jié)構(gòu)重新調(diào)整，不利于產(chǎn)品的平臺(tái)化設(shè)計(jì)。
為了進(jìn)一步提升EconoDUAL?3模塊的性能，英飛凌開(kāi)發(fā)了新一代的1700V IGBT7芯片和EC7二極管芯片，已經(jīng)推出了750A FF750R17ME7D[2]和900A FF900R17ME7[3]兩款新產(chǎn)品，其電流密度分別比FF600R17ME4提升了25%和50%。其中900A是業(yè)內(nèi)1700V EconoDUAL?3已量產(chǎn)產(chǎn)品的最大電流等級(jí)。FF750R17ME7D對(duì)二極管性能進(jìn)行了增強(qiáng)，電流升級(jí)到了1200A，在負(fù)功率因數(shù)應(yīng)用中，比如雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)電機(jī)側(cè)變流器[4]，它可以降低二極管的結(jié)溫波動(dòng)，增加器件的功率循環(huán)壽命。
圖1.MVD和SVG的功率單元拓?fù)鋱D
圖2.EconoDUAL?3 IGBT模塊
1 FF600R17ME4在MVD和SVG中的應(yīng)用分析
在MVD和SVG應(yīng)用中，IGBT的開(kāi)關(guān)頻率比較低，所以IGBT的開(kāi)關(guān)損耗在器件總損耗中的占比也比較低。下面以表1中MVD和SVG風(fēng)冷功率單元的典型額定工作參數(shù)為例，用Plecs仿真軟件分析了FF600R17ME4的功率損耗和結(jié)溫，結(jié)果如圖3所示。MVD的功率因數(shù)接近1，IGBT的導(dǎo)通損耗和開(kāi)關(guān)損耗之和遠(yuǎn)高于二極管，所以IGBT的結(jié)溫最高，為122.3℃。此外，IGBT的導(dǎo)通損耗約占其總損耗（導(dǎo)通損耗+開(kāi)關(guān)損耗）的73%。SVG的功率因數(shù)為0，二極管的導(dǎo)通損耗和IGBT的導(dǎo)通損耗接近，占各自總損耗的60%和72%。二極管的開(kāi)關(guān)損耗比IGBT的低，所以二極管的總損耗比IGBT略低。由于二極管的結(jié)殼熱阻比IGBT高，所以二極管的結(jié)溫最高，為119.9℃。在MVD和SVG中，IGBT的導(dǎo)通損耗約占IGBT和二極管總損耗的56.5%和32.6%，所以采用具有更低飽和壓降的IGBT7可以降低器件的總損耗，提升器件的輸出能力。下文將進(jìn)一步研究1700V IGBT7在MVD和SVG中的應(yīng)用價(jià)值。對(duì)于MVD，主要對(duì)比FF600R17ME4和FF900R17ME7。對(duì)于SVG，分析FF600R17ME4，F(xiàn)F750R17ME7D和FF900R17ME7這三款產(chǎn)品。
圖3.FF600R17ME4的功率損耗和結(jié)溫-工作參數(shù)參考表1
表1.MVD和SVG功率單元的額定工況
2 1700V IGBT7 芯片技術(shù)
2.1 IGBT7芯片介紹
IGBT7芯片技術(shù)首先應(yīng)用于1200V的小功率IGBT，后來(lái)逐步擴(kuò)展到1200V的中功率和大功率IGBT，其主要應(yīng)用為電機(jī)控制類的變頻器，比如通用變頻器、伺服驅(qū)動(dòng)器和電動(dòng)汽車主驅(qū)逆變器。為了提升1700V IGBT模塊的電流密度，英飛凌專門開(kāi)發(fā)了1700V的IGBT7芯片[4]，并首先應(yīng)用于EconoDUAL?3封裝。IGBT7芯片技術(shù)采用了微溝槽（micro-pattern trench，簡(jiǎn)稱MPT）結(jié)構(gòu)，以解決芯片電流密度增加面臨的挑戰(zhàn)，MPT結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化示意圖如圖4所示。將臺(tái)面（mesa）的寬度降至亞微米級(jí)別，可以增加載流子限制，從而實(shí)現(xiàn)更低的飽和壓降。此外，通過(guò)調(diào)整柵極溝槽、發(fā)射極溝槽和有源溝槽的接觸方案，可以同時(shí)優(yōu)化芯片的開(kāi)關(guān)特性、開(kāi)關(guān)損耗和門極電荷。1700V的二極管芯片EC7（emitter controlled，發(fā)射極控制）融合了1200V EC4和1700V EC5二極管的設(shè)計(jì)理念，旨在實(shí)現(xiàn)更高的電流密度和更優(yōu)的性能折衷，并維持在不同應(yīng)用條件下運(yùn)行所需的魯棒性。
圖4.MPT單元，中心是有源溝道，左上是具有無(wú)源臺(tái)面（mesa）的柵極溝槽，左下是發(fā)射極溝槽
圖5是FF600R17ME4，F(xiàn)F750R17ME7D和FF900R17ME7在25℃和150℃結(jié)溫的輸出特性曲線。由于IGBT7采用了微溝槽結(jié)構(gòu)和載流子限制，它的飽和壓降顯著降低。以FF600R17ME4的標(biāo)稱電流600A為基準(zhǔn)，對(duì)比這三種器件在150℃的飽和壓降，F(xiàn)F600R17ME4為2.45V。FF750R17ME7D為1.81V，比FF600R17ME4低0.64V，大約26.1%。FF900R17ME7為1.65V，比FF600R17ME4低0.8V，大約32.6%。更公平合理的比較是基于器件各自的標(biāo)稱電流，此時(shí)FF750R17ME7D和FF900R17ME7D的飽和壓降均為2.05V，比FF600R17ME4低0.4V,大約16.3%。因此，IGBT7可以明顯的降低IGBT的導(dǎo)通損耗。
圖5.IGBT4和IGBT7的導(dǎo)通特性曲線，圖表上方的數(shù)值為三種器件的Vce值，條件為：Ic=600A，Vge=+15V,Tvj=150℃
圖6是三種器件二極管的正向特性曲線，結(jié)溫分別為25℃和150℃。當(dāng)電流為600A時(shí)，F(xiàn)F600R17ME4的正向壓降為1.95V。FF750R17ME7D為1.63V，比FF600R17ME4低0.32V，大約16.4%。FF900R17ME7為1.88V，比FF600R17ME4低0.07V，大約3.6%。因?yàn)镕F750R17ME7D的二極管電流為1200A，所以它比FF900R17ME7的壓降更低。當(dāng)基于器件各自的標(biāo)稱電流時(shí)，F(xiàn)F750R17ME7D的正向壓降為1.8V，比FF600R17ME4低0.15V，大約7.7%。FF900R17ME7為2.2V，比FF600R17ME4高0.25V，大約12.8%。當(dāng)電流大約超過(guò)300A時(shí)，F(xiàn)F600R17ME4二極管的壓降是正溫度系數(shù)，而FF750R17ME7D和FF900R17ME7二極管的壓降在全電流范圍均為負(fù)溫度系數(shù)。這樣設(shè)計(jì)的原因是為了優(yōu)化EC7二極管的反向恢復(fù)特性，降低反向恢復(fù)損耗，同時(shí)也可以降低IGBT的開(kāi)通損耗。在2-3kHz開(kāi)關(guān)頻率的整流或者逆變應(yīng)用中，由于IGBT的開(kāi)關(guān)損耗和二極管的反向恢復(fù)損耗占比較高[4]，EC7二極管有助于降低器件的總損耗。與FF600R17ME4相比，即便FF750R17ME7D無(wú)法明顯降低二極管的導(dǎo)通損耗，甚至FF900R17ME7二極管的導(dǎo)通損耗還略微增加，但是FF750R17ME7D和FF900R17ME7的總損耗比FF600R17ME4明顯降低，詳見(jiàn)SVG應(yīng)用仿真部分的分析。
圖6.EC4和EC7二極管的正向特性曲線，圖表上方的數(shù)值為三種器件的Vf值，條件為：Ic=600A，Tvj=150℃
3 IGBT7 EconoDUAL?3模塊的新特性
高電流密度的IGBT模塊除了需要高電流密度的芯片，還需要增強(qiáng)模塊設(shè)計(jì)，比如提升芯片的工作結(jié)溫、減小模塊內(nèi)部引線電阻發(fā)熱和降低功率端子溫升，以應(yīng)對(duì)系統(tǒng)高功率密度設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)。
3.1 175℃過(guò)載工作結(jié)溫
通過(guò)優(yōu)化EconoDUAL?3模塊設(shè)計(jì)，IGBT7增加了過(guò)載結(jié)溫定義，如圖7所示。IGBT7允許的過(guò)載結(jié)溫位于150℃和175℃之間，過(guò)載時(shí)間小于等于20%過(guò)載周期，比如當(dāng)過(guò)載周期T=300秒時(shí)，過(guò)載持續(xù)時(shí)間t1不能超過(guò)60秒。此外，60秒也是過(guò)載持續(xù)時(shí)間的最大值，比如如果過(guò)載周期T=600秒，則t1仍然不能超過(guò)60秒。在通用變頻器、中高壓MVD和SVG等有一分鐘及以內(nèi)過(guò)載工況的應(yīng)用中，與IGBT4相比，IGBT7額外的25℃過(guò)載工作結(jié)溫可以提升器件額定工況對(duì)應(yīng)的工作結(jié)溫，使過(guò)載結(jié)溫位于150℃到175℃之間，從而增加器件的輸出能力和系統(tǒng)的功率密度。
圖7.IGBT7和IGBT4允許的工作結(jié)溫，IGBT7過(guò)載結(jié)溫最高175℃，IGBT4最高結(jié)溫150℃
3.2 提升交直流功率端子載流能力
模塊的輸出電流會(huì)在交直流功率端子上產(chǎn)生與電流呈平方關(guān)系的歐姆損耗，這些損耗一部分通過(guò)模塊內(nèi)部的銅連接線傳導(dǎo)到DCB，然后通過(guò)模塊基板傳遞到散熱器。另一部分損耗傳遞到與功率端子連接的外部銅排，最終功率端子會(huì)達(dá)到熱平衡。如果EconoDUAL?3模塊輸出更大的電流，功率端子的溫升可能會(huì)成為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的瓶頸。為此，EconoDUAL?3 IGBT7對(duì)模塊內(nèi)部連接DCB和功率端子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。如圖8所示，IGBT7增加了模塊內(nèi)部功率端子側(cè)的銅片面積，以便于安裝更多的銅連接線，因而IGBT7比IGBT4的銅連接線數(shù)量增加了40%。熱測(cè)試對(duì)比表明，在相同工況（模塊輸出電流550Arms，IGBT開(kāi)關(guān)頻率1000Hz）下，1200V EconoDUAL?3 IGBT7的直流端子溫度比IGBT4低大約20℃[5]。因?yàn)?700V EconoDUAL?3 IGBT7的封裝與1200V EconoDUAL?3 IGBT7相同，所以1200V的測(cè)試結(jié)果也適用于1700V IGBT7。
a.直流功率端子
b.交流功率端子
圖8.EconoDUAL?3交直流功率端子與內(nèi)部DCB的連接圖，F(xiàn)F600R17ME4（左），F(xiàn)F900R17ME7（右）
3.3 減小內(nèi)部引線電阻
模塊內(nèi)部的綁定線、DCB上表面的覆銅層和芯片與DCB之間的焊接層共同組成了模塊內(nèi)部的引線電阻，其等效值為RCC’+EE’，如圖9所示。C是IGBT集電極功率端子，C′是IGBT發(fā)射極輔助端子，E是IGBT發(fā)射極功率端子，E′是IGBT發(fā)射極輔助端子。EconoDUAL?3為半橋拓?fù)洌瑑蓚€(gè)等效的IGBT和與其并聯(lián)的續(xù)流二極管。每個(gè)IGBT和續(xù)流二極管各包含一個(gè)RCC’+EE’。如表2所示，由于IGBT7優(yōu)化了模塊內(nèi)部設(shè)計(jì)，常溫下RCC’+EE’為0.8毫歐，比IGBT4的1.1毫歐降低了27.3%，因而可以較大的降低引線電阻的損耗，引線電阻的損耗計(jì)算方法可參考文獻(xiàn)6[6]。
圖9.EconoDUAL?3 IGBT功率端子和等效的內(nèi)部引線電阻示意圖
表2.EconoDUAL?3 IGBT4和IGBT7的內(nèi)部引線電阻
4 IGBT7和IGBT4仿真分析
4.1 MVD應(yīng)用仿真分析
如上文分析，在MVD應(yīng)用中，F(xiàn)F600R17ME4的IGBT導(dǎo)通損耗約占總損耗的56.5%（不包括引線電阻損耗）。因?yàn)镕F750R17ME7D和FF900R17ME7的IGBT飽和壓降均比FF600R17ME4明顯降低，所以在相同結(jié)溫下，F(xiàn)F900R17ME7的輸出能力最高，F(xiàn)F600R17ME4最低，F(xiàn)F750R17ME7D介于二者之間。為了簡(jiǎn)化分析，本部分的仿真主要對(duì)比FF900R17ME7和FF600R17ME4。仿真參數(shù)見(jiàn)表1，考慮風(fēng)冷和水冷兩種冷卻工況，散熱器的熱阻（針對(duì)半個(gè)EconoDUAL?3模塊）分別為0.15K/W和0.05K/W。對(duì)于MVD的過(guò)載工況，雖然110%額定電流1分鐘過(guò)載在風(fēng)機(jī)、水泵類負(fù)載中比較普遍，從更嚴(yán)苛的角度考慮，本文的過(guò)載工況定為120%額定電流1分鐘。
圖10為風(fēng)冷MVD的輸出電流和IGBT最高結(jié)溫的仿真結(jié)果，包括額定工況和過(guò)載工況。結(jié)溫為150℃時(shí)，兩種器件的額定輸出電流分別為350A和442A。FF900R17ME7比FF600R17ME4高92A，大約26.3%。過(guò)載時(shí)，考慮FF900R17ME7具有1分鐘的過(guò)載結(jié)溫，當(dāng)額定輸出仍為442A時(shí)，過(guò)載結(jié)溫大約為175℃，剛好充分利用了25℃過(guò)載結(jié)溫。為了使FF600R17ME4的過(guò)載結(jié)溫不超過(guò)150℃，其額定輸出電流需要降低到320A。所以，過(guò)載工況時(shí)FF900R17ME7的輸出比FF600R17ME4高122A，大約38.1%。
與風(fēng)冷工況類似，圖11總結(jié)了水冷MVD的仿真結(jié)果。結(jié)溫為150℃時(shí)，F(xiàn)F600R17ME4的額定輸出電流為570A，F(xiàn)F900R17ME7為721A，比FF600R17ME4高151A，大約26.5%。過(guò)載工況時(shí)，兩種器件的輸出電流分別為480A和672A，F(xiàn)F900R17ME7比FF600R17ME4高192A，大約40%。仿真結(jié)果表明IGBT7額外的25℃過(guò)載結(jié)溫可以進(jìn)一步提升FF900R17ME7相對(duì)于FF600R17ME4的輸出能力。
除了提升器件的輸出能力，IGBT7還可以降低器件的總損耗，增加系統(tǒng)的效率。如圖12所示，F(xiàn)F900R17ME7一個(gè)IGBT和反并聯(lián)續(xù)流二極管的總損耗為297W，比FF600R17ME4的402W低105W,大約26.1%。除了二極管的導(dǎo)通損耗有所增加，其他部分的損耗均有不同程度的降低，體現(xiàn)了IGBT7芯片和EconoDUAL?3封裝優(yōu)化的價(jià)值。其中，IGBT的導(dǎo)通損耗降低了51W，IGBT開(kāi)關(guān)損耗降低了26W，二極管開(kāi)關(guān)損耗降低了11W，引線電阻損耗降低了20W。
圖10.風(fēng)冷MVD的輸出電流和IGBT最高結(jié)溫-額定和120%過(guò)載1分鐘
圖11.水冷MVD的輸出電流和IGBT最高結(jié)溫-額定和120%過(guò)載1分鐘
圖12.風(fēng)冷MVD中FF600R17ME4和FF900R17ME7的損耗（一個(gè)IGBT和一個(gè)續(xù)流二極管），輸出電流300A
4.2 SVG應(yīng)用仿真分析
根據(jù)表1中的SVG工作參數(shù)，采用與MVD相同的仿真方法、散熱器熱阻和過(guò)載工況，對(duì)三種器件進(jìn)行了對(duì)比分析。
圖13為風(fēng)冷SVG的仿真結(jié)果。結(jié)溫為150℃時(shí)，F(xiàn)F600R17ME4，F(xiàn)F750R17ME7D和FF900R17ME7的額定輸出電流分別為367A，427A和417A。FF750R17ME7D比FF600R17ME4高60A，大約16.3%。FF900R17ME7高50A，大約13.6%。120%過(guò)載1分鐘時(shí)，F(xiàn)F600R17ME4的輸出電流為325A?？紤]IGBT7的過(guò)載結(jié)溫不能超過(guò)175℃，F(xiàn)F750R17ME7D輸出電流大約仍為427A，F(xiàn)F900R17ME7大約仍為417A。其分別比FF600R17ME4高102A和92A，大約31.4%和28.3%。
圖14為水冷SVG的仿真結(jié)果。結(jié)溫為150℃時(shí)，F(xiàn)F600R17ME4，F(xiàn)F750R17ME7D和FF900R17ME7的額定輸出電流分別為612A，715A和673A。FF750R17ME7D比FF600R17ME4高103A，大約16.8%。FF900R17ME7高61A，大約10%。FF600R17ME4 120%過(guò)載1分鐘的輸出電流為512A。FF750R17ME7D的輸出電流為675A，F(xiàn)F900R17ME7的輸出電流為645A。其分別比FF600R17ME4高163A和133A，大約31.8%和26%。分析結(jié)果表明，與FF600R17ME4相比，IGBT7 25℃的過(guò)載結(jié)溫為FF750R17ME7D和FF900R17ME7增加了大約15%的輸出能力。
如圖15所示，F(xiàn)F600R17ME4一個(gè)IGBT和續(xù)流二極管的總損耗為781W，F(xiàn)F750R17ME7D為608W，F(xiàn)F900R17ME7為607W，它們比FF600R17ME7低大約173W,大約為22.1%。FF750R17ME7D所有的損耗部分均比FF600R17ME4低。FF900R17ME7除了二極管的導(dǎo)通損耗比FF600R17ME4高5W，其它部分的損耗也均低于FF600R17ME4。這部分的分析結(jié)果再次驗(yàn)證了上文介紹的IGBT7芯片和EconoDUAL?3封裝優(yōu)化為SVG應(yīng)用帶來(lái)的價(jià)值。
圖13.風(fēng)冷SVG的輸出電流和二極管最高結(jié)溫-額定和120%過(guò)載1分鐘
圖14.水冷SVG的輸出電流和二極管最高結(jié)溫-額定和120%過(guò)載1分鐘
圖15.水冷SVG中FF600R17ME4，F(xiàn)F750R17ME7D和FF900R17ME7的損耗（一個(gè)IGBT和一個(gè)續(xù)流二極管），輸出電流500A
5 結(jié)論
本文介紹了英飛凌新一代1700V IGBT7和二極管EC7芯片的特性，并與上一代產(chǎn)品FF600R17ME4進(jìn)行了詳細(xì)的靜態(tài)特性對(duì)比。此外，1700V EconoDUAL?3 IGBT7模塊優(yōu)化了內(nèi)部設(shè)計(jì)，有助于MVD和SVG系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)更高的功率密度?；贛VD典型應(yīng)用工況的仿真結(jié)果表明， FF900R17ME7比FF600R17ME4的損耗更低，輸出能力更強(qiáng)，可以實(shí)現(xiàn)更高的電流密度。在SVG應(yīng)用中，F(xiàn)F750R17ME7D的損耗和FF900R17ME7相似，輸出能力略高于FF900R17ME7，這兩款新產(chǎn)品的損耗均比FF600R17ME4低很多，因而可以實(shí)現(xiàn)更高的輸出能力。本文的仿真結(jié)果均基于理想工況，IGBT模塊在實(shí)際系統(tǒng)中的損耗和輸出能力應(yīng)以實(shí)際評(píng)估為準(zhǔn)。
參考文獻(xiàn)
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[6] Heng Wang, Xin Ma, Yong Yang. A benchmark study of the AC voltage in 3L converter for high power offshore wind turbines. PCIM Asia, Shanghai, China, 2022.
來(lái)源：Infineon
作者：馬新、王恒
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