arcal 2315

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arcal 2315

FICHE PRODUIT PROTECTIONS & ACCESSOIRES
POUR LES ASSEMBLAGES DE PUISSANCE
ARCAL 2315 FR V2.1
ARCAL 2315
Double Driver pour IGBTs et MOSFETs
"SCALE TECHNOLOGY"
La carte ARCAL2315 permet de piloter deux IGBTs ou MOSFETs.
Toutes les fonctionnalités nécessaires à la conception de convertisseurs de puissance sont
regroupées sur une seule carte électronique de dimensions réduites et entièrement
configurable.










Haute isolation et immunité en dv/dt
3W / ±15A par sortie
Protection en cas de court-circuit
Protection contre les surtensions
(Active Clamping)
Détection des défauts d'alimentation
Signal de défaut en logique positive ou
négative
Entrées compatibles CMOS/HCMOS
Temps morts réglables
Attaque de grille en ±15V ou 0/+15V
Réglage du Turn On et du Turn Off
Toutes les informations présentes sur ce document sont la propriété d'ARCEL ou de leurs auteurs respectifs. A ce titre, toute
reproduction, représentation, utilisation, adaptation, modification, incorporation, traduction, commercialisation, partielles ou
intégrales par quelque procédé et sur quelque support que ce soit (papier, numérique, ...) sont interdites, sans l'autorisation écrite
préalable d'ARCEL ou de leurs auteurs respectifs.
ARCEL - ZI du Tronchon - 2, rue des Aulnes - 69544 CHAMPAGNE AU MONT D’OR Cedex - France
Tél. 33 (0)4 78 35 02 21 - Fax 33 (0)4 78 35 69 54 – www.arcel.fr
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ARCAL 2315 FR V2.1
Table des matières
1.
Caractéristiques Electriques Maximales................................................................................... 3
2.
Caractéristiques Electriques .................................................................................................... 3
2.1.
Alimentations .................................................................................................................... 3
2.2.
Etage d'entrée .................................................................................................................. 4
2.3.
Etage de sortie.................................................................................................................. 4
3.
Schema de Principe ................................................................................................................. 5
4.
Caractéristiques Mécaniques ................................................................................................... 6
5.
Présentation Générale ............................................................................................................. 6
6.
Description Technique Détaillée............................................................................................... 7
6.1.
Alimentation du driver ....................................................................................................... 7
6.2.
Blindage (K6) .................................................................................................................... 8
6.3.
Modes de Fonctionnement (K8 et K15) ............................................................................. 8
6.4.
Entrées Logiques (K5) .................................................................................................... 12
6.5.
Signal de défaut (K7) ...................................................................................................... 12
6.6.
Commande de Grille (K13, K14, RON, ROFF) .................................................................. 14
6.7.
Surveillance des Courts-circuits (K9, K10, K11, K12) ...................................................... 15
6.8.
Surveillance des Alimentations Auxiliaires ...................................................................... 16
7.
Configuration : tableau récapitulatif ........................................................................................ 16
8.
NOTES .................................................................................................................................. 17
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ARCAL 2315 FR V2.1
1. CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES MAXIMALES
Données à 25°C sauf spécification contraire.
Symbole
VDD
VI
IG
PG
VISO
VOP
dv/dt
TA
TS
VOC
IOC
Paramètre
Tension d'alimentation (référencée à la masse)i
Entrée de commande
Courant de grille pic
Puissance moyenne par sortieii
Tension de test d'isolation (AC / 50Hz /1min)
Tension d'utilisation permanenteiii
Immunité en dv/dt à V=1000V
Température d'utilisation
Température de stockage
Tension max. du collecteur ouvert de défaut
Courant max. du collecteur ouvert de défaut
Min.
0
0
-15
100
-40
-40
Max.
16
VDD
+15
3
4000
1200
+85
+90
40
10
Unité
VDC
VDC
A
W
Veff
VDC
KV/µs
°C
°C
V
mA
2. CARACTERISTIQUES ELECTRIQUES
Données à 25°C sauf spécification contraire.
2.1.
Symbole
VDD
IDD0
IDC0
IDD

VTH0
H
Alimentations
Paramètre
Tension d'alimentation nominale
Courant total d'alimentation à videiv
Courant d'entrée du convertisseur DC/DC à vide
Courant total d'alimentation maximalv
Rendement du convertisseur DC/DC
Seuil de déclenchement du défautvi
Hystérésis sur défaut d'alimentationvi
Min.
14.5
Typ.
15
90
30
531
85
11.5
0.7
Max.
15.5
Unité
VDC
mA
mA
mA
%
V
V
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2.2.
Symbole
VIM
VIT+
VITFSW

RIN
TDT
2.3.
Symbole
IG
VG+
VGTR
TF
TPD+
TPDTB
TER
TTH
VTHX
Etage d'entrée
Paramètre
Tension maximale sur les entrées logiquesi
Seuil de passage au niveau haut (5V/15V)
Seuil de passage au niveau bas (5V/15V)
Fréquence de commutationvii
Rapport cyclique de commande
Résistance d'entréeviii
Temps mort standardix
Min.
0
Typ.
3.4/10
1.7/5
0
0
10
15
5
Max.
VDD
Unité
VDC
V
V
>100 KHz
100 %
K
µs
Etage de sortie
Paramètre
Min.
Courant de grille maximal
-15
Tension de mise en conduction
Tension de blocage
Temps de montéex
Temps de descentex
Temps de propagation entrée/sortie à la mise en
conduction
Temps de propagation entrée/sortie au blocage
Temps de blocage des sorties après disparition du
défaut
Durée de signalisation des défautsxi
4
Délai de détection sur VCEix
Seuils de déclenchement sur VCExii
Typ.
+15
-15/0
100/160
80/130
300
Max.
+15
Unité
A
V
V
ns
ns
ns
350
1
ns
s
6
10.4
8.2/6.6
ms
µs
V
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3. SCHEMA DE PRINCIPE
K15
1-2: Direct/Ina-Inb
2-3: Top-Bot
Ouvert : 0/5V
Fermé : 0/15V
K16
X3 : 14-DIN41651
X1,X2 : MOLEX 41791
X4 : Phoenix Contact NPT0.5/2-2.54 (bornier à vis)xiii
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4. CARACTERISTIQUES MECANIQUES
Hauteur max. : 30 mm.
5. PRESENTATION GENERALE
Le driver ARCAL2315 est basé sur un module SCALE (Scalable, Compact, All purpose, Low
cost and Easy to use), drivers reconnue comme "meilleur projet en électronique de puissance"
par ABB Suisse en 1998.
Toutes les fonctionnalités nécessaires au pilotage d'interrupteurs de puissance (IGBTs ou
MOSFETs) en toute sécurité sont regroupées sur une seule et même carte. Chaque
paramètre susceptible de dépendre de l'application peut être configuré très simplement.
Principales Caractéristiques



Le driver ARCAL2315 permet de piloter deux IGBTs ou MOSFETs dans une structure
demi-pont ou de manière indépendante. Ce driver convient aux IGBTs jusqu'à 1700V
dans sa version standard.
Si l'une des sorties n'est pas utilisée, il convient de relier la broche C à la broche E
pour inhiber la sécurité sur court-circuit.
Les IGBTs (MOSFETs) sont commandée en ±15V ou 0/+15V, au choix de l'utilisateur.
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







La protection des IGBTs (MOSFETs) est assurée par surveillance du VCEsat (VDSon)
et des tensions d'alimentation.
Une seule alimentation continue VDD de 15V ±0.5V est nécessaire. Les alimentations
isolées nécessaires du côté puissance sont générées en interne.
Les entrées logiques sont équipées de trigger de Schmitt.
Le niveau logique de ces entrées peut être sélectionné à 5V (compatibilité HCMOS que
pour certaines configurations) ou à 15V (compatibilité CMOS, valeur par défaut).
La valeur des temps morts de chaque voie peut être ajustée par l'utilisateur.
Le signal de défaut, de type collecteur ouvert, peut être activé soit par le driver luimême (court-circuit ou défaut d'alimentation), soit par un signal externe (contact sec).
Les connecteurs ont été sélectionnés pour leur fiabilité et pour simplifier l'implantation
du driver dans des applications existantes.
Une protection en tension ‘Active Clamping’ est assurée par la surveillance de la
tension collecteur.
6. DESCRIPTION TECHNIQUE DETAILLEE
6.1.
Alimentation du driver
Le driver ARCAL2315 nécessite une alimentation régulée de +15V ±0.5V. La puissance
maximale consommée dans des conditions normales d'utilisation est d'environ 8W.
Le courant consommé à l'entrée peut être approché par la formule suivante :
I DD  A 
avec :
PGT W 
 0.060
0.85  15
PGT = puissance totale fournie par le driver aux IGBTs.
Remarque :
La nature fortement impulsionnelle des applications auxquelles ce produit est dédié ne permet
pas une protection efficace du convertisseur DC/DC contre les surcharges. Cependant, la
ligne d'alimentation de la carte est équipée d'un fusible dont le but est de limiter les risques de
surcharge de longue durée, risquant d'endommager les systèmes amonts.
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6.2.
Blindage (K6)
Il est possible d'utiliser de la nappe blindée pour relier la carte à l'unité de contrôle. On peut
relier la masse de la carte au brin n°1 de la nappe (généralement le blindage) en courtcircuitant les bornes du Strapp K6.
6.3.
Modes de Fonctionnement (K8 et K15)
Le driver ARCAL2315 peut fonctionner selon deux modes :


Le mode "DIRECT" permet un pilotage indépendant des deux sorties.
Le mode "HB" (half-bridge) est dédié aux systèmes de type "demi-pont".
Mode Direct
Dans ce mode, les sorties sont pilotées indépendamment l'une de l'autre par les entrées In A et
InB. Les différentes sécurités arrêtent cependant les deux sorties et activent le signal de défaut
unique. Un niveau logique haut sur une entrée InX correspond à la mise en conduction de
l'IGBT correspondant.
Les deux voies étant considérées comme indépendantes, aucun temps mort n'est généré par
le driver. Il est donc tout à fait possible d'activer les deux sorties en même temps.
La configuration du driver en mode DIRECT se fait en reliant les bornes 1 et 2 de K8 et K15
ainsi qu'en court-circuitant K2 et K4.
Figure 1 : Mode direct
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Attention :
Dans cette configuration, le driver peut être compatible avec des signaux d'entrée TTL
en court-circuitant K5 (voir §8.1).
Un mauvais fonctionnement peut survenir si K2 et K4 ne sont pas court-circuités en
mode DIRECT !
Mode HB et Temps Morts (K1 à K4)
Le mode "DEMI-PONT" ou "HB" est dédié aux applications basées sur une structure de type
"BRAS" où l'on retrouve deux interrupteurs en série, commandés de manière complémentaire.
Dans ce cas, les deux sorties ne sont plus indépendantes; l'entrée InA permet de contrôler
l'état du bras et l'entrée InB sert de signal d'inhibition des sorties.
Un niveau logique bas sur InB force les deux sorties au niveau bas, quel que soit l'état de InA.
Lorsque l'entrée InB est au niveau logique haut, l'état des sorties dépend de l'entrée InA.
Les deux interrupteurs étant connectés en série, à chaque changement d'état du bras, le driver
s'assure qu'aucun court-circuit transitoire n'intervient dans le bras en maintenant les deux
sorties au niveau bas pendant une durée fixe appelée temps mort.
L'utilisateur peut intervenir sur la valeur du temps mort de la sortie 1 grâce aux plots K1/K2
(RRC1/Crc1), et de la sortie 2 avec K3/K4 (RRC2/Crc2). Par défaut, la valeur des temps morts
est fixée à environ 5µs.
Pour commander le driver en demi-pont, deux configurations sont possibles:
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Signaux PWM INA/INB
Figure 2 : Mode HB (Demi-Pont) INA/INB
Dans cette configuration, le client doit envoyer un
1 permanent sur InB et les ordres sur InA
(fonctionnement du driver).
Signaux PWM TOP/BOT:
Dans cette configuration, le client doit envoyer 2
ordres complémentaires sans retard. La carte
ARCAL adapte ces signaux au fonctionnement du
driver.
Figure 3 : Mode HB (Demi-Pont) INA/INB
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ARCAL 2315 FR V2.1
La figure suivante permet de déterminer la résistance Rp à ajouter en K1 et/ou K3 en fonction
du temps mort souhaité dans deux cas : sans ajout de condensateur ou en ajoutant un
condensateur Cp de 150pF sur les plots K2 et K4.
Dead Time Value (µs)
14
Without Rp : 13µs
12
K2/K4 : Cp=220pF
10
8
6
Without Rp : 5.5µs
4
K2/K4 : Default
2
0
1
6
10
Rp (k )
100
1000
Attention :
La résistance Rp ne doit en aucun cas être inférieure à 6K.
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6.4.
Entrées Logiques (K5)
Les entrées InA et InB sont équipées de trigger de Schmitt dont les seuils de basculement sont
d'environ 1/3 et 2/3 du niveau logique sélectionné (CMOS ou HCMOS). Un niveau logique
haut correspond à une entrée active (logique positive).
Pour que les entrées soient compatibles HCMOS, soit 0/5V, il faut court-circuiter les bornes de
K5. Dans le cas contraire, elles seront compatibles CMOS, soit 0/15V.
L'étage d'entrée du driver comporte des diodes de protection contre les tensions négatives ou
supérieures à VDD. Si ces limites sont dépassées un échauffement anormal et/ou une
surconsommation peuvent survenir. Des précautions particulières doivent être prises en cas
d'utilisation du driver avec de grandes longueurs de câble.
Dans les conditions normales d'utilisation l'impédance de ces entrées est d'environ 15K.
6.5.
Signal de défaut (K7)
La sortie "DEFAUT" est de type collecteur ouvert. Elle peut supporter une tension de 40V et
drainer un courant de 10mA. Une résistance de tirage extérieure doit être prévue.
Le plot K7 permet de sélectionner le mode de signalisation du défaut :


Actif au niveau bas : si les bornes 1 et 2 sont reliées. En cas de défaut, le transistor
de sortie est alors fermé (il draine du courant).
Actif au niveau haut : si les bornes 2 et 3 sont reliées. En cas de défaut, le transistor
de sortie est bloqué (haute impédance). C'est le mode de fonctionnement par défaut
car une rupture du câble de commande sera interprétée comme un défaut par le
système de contrôle amont.
Il existe deux possibilités de déclenchement du signal de défaut :


Erreur interne : un court-circuit sur un IGBT ou un défaut d'alimentation vient d'être
détecté.
Erreur externe : l'entrée X4 est en haute impédance. Cette entrée permet de
connecter un contact sec normalement fermé servant à la détection d'un dépassement
de température ou de tout autre événement nécessitant l'arrêt immédiat du driver. Si
l’on n’utilise pas l’entrée X4, il convient de court-circuiter le plot K16.
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Cas d'une erreur interne
Dans le cas d'une erreur interne, le défaut sera signalé pendant une durée fixe d'environ 6 ms.
Le driver sera automatiquement réinitialisé et les sorties demeureront inactives pendant une
durée minimale de 1s.
Le système de contrôle amont est supposé bloquer les impulsions de commande dès
l'apparition du défaut. Dans le cas contraire, et après la durée de signalisation du défaut, des
commutations de faible durée (environ 10µs) peuvent intervenir sur la voie n'étant pas en
défaut. Le défaut sera alors à nouveau signalé par une impulsion de 6 ms …etc., ceci jusqu'à
disparition de la cause du défaut ou l'arrêt des impulsions de commande.
Remarque :
La gestion des défauts internes est réalisée directement au niveau de chaque sortie. Ainsi la
voie en défaut est immédiatement arrêtée pendant une durée minimale d'environ 1s. Par
contre, le retour de cette information vers l'entrée n'a lieu qu'à chaque changement d'état des
entrées Inx (ou InA en mode HB).
Après la durée de blocage des impulsions le système ne redémarrera que sur un front montant
sur l'entrée InX concernée (ou InA en mode HB).
Cas d'une erreur externe (X4)
Le connecteur X4 est prévu pour recevoir un contact sec normalement fermé.
L'ouverture du contact sera interprétée comme un défaut par le driver. Le signal de défaut sera
actif pendant toute la durée d'ouverture du contact et sera inactivé environ 6 ms après sa
fermeture.
Si cette entrée n'est pas utilisée, il convient de court-circuiter les deux broches de X4 grâce au
plot K16.
Les deux sorties sont forcées à l'état bas pendant toute la durée de signalisation du défaut. Le
redémarrage du driver n'aura lieu que sur le front montant des entrées InX (InA en mode HB).
Mise sous tension du driver
Une impulsion de défaut (environ 6 ms) est automatiquement générée à la mise sous tension
du driver pour permettre aux alimentations auxiliaires de se stabiliser.
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6.6.
Commande de Grille (K13, K14, RON, ROFF)
Les IGBTs peuvent être commandés en ±15V ou en 0/15V. Les plots K13 et K14 permettent
de sélectionner ce niveau de tension :


±15V : relier les bornes 1 et 2 de K13 et/ou K14.
0/15V : relier les bornes 2 et 3 de K13 et/ou K14.
Pour chaque sortie, la mise en conduction et l'extinction de l'IGBT peuvent être contrôlés
séparément par deux résistances de grille : RON et ROFF.
Toutefois, deux plots supplémentaires sont disposés de manière à pouvoir utiliser une
résistance de grille unique.
Courant Crête (RON, ROFF)
Le courant crête fourni par le driver dépend de la résistance totale de la boucle
Grille/Emetteur. On peut estimer sa valeur par la formule suivante :
I GP
avec :
ON
 A 
VGE V 
et
RGON 
I GP
OFF
 A 
VGE V 
RGOFF 
VGE la variation de la tension de grille (ici 30V ou 15V).
RGON la résistance de grille équivalente pour
RGOFF la résistance de grille équivalente pour l'extinction.
la
mise
en
conduction.
Le courant IGp ne devant pas dépasser 15A, la limite basse théorique pour RGON et RGOFF est
de 2 (commande en ±15V) ou 1 (commande en 0/15V).
Puissance moyenne
La puissance moyenne PG fournie par une sortie du driver, dépend de la charge de grille QG
du composant utilisé, de la variation de la tension de grille VGE et de la fréquence de
commutation FSW (unités SI) :
PG  QG  VGE  FSW
Cette puissance ne doit en aucun cas dépasser 3W.
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ARCAL 2315 FR V2.1
6.7.
Surveillance des Courts-circuits (K9, K10, K11, K12)
La détection de court-circuit est effectuée en comparant la tension VCEsat du dispositif utilisé à
une tension de référence. Si ce seuil est dépassé, la voie concernée est bloquée et le signal
de défaut est activé.
Pour mieux correspondre au profil
commutation de l'IGBT, la tension
référence est variable en fonction
temps écoulé depuis la mise
conduction :
de
de
du
en
Tout d'abord, la détection est inactivée
pendant une durée fixe Tce. A l'issue de
cette durée, le seuil de détection vaut
VTH1 et va décroître progressivement (en
15µs environ) jusqu'à la valeur VTH2.
Pour chaque voie, les paramètres Tce et
VTH peuvent être modifiés par une
résistance sur les plots K9 (voie 1) et/ou
K10 (voie 2) et/ou un condensateur CA sur
les plots K11 (voie 1) et K12 (voie 2).
Figure 4 : Profil de la tension de référence VTH
Le tableau suivant fourni quelques valeurs des paramètres de la détection du VCEsat en
fonction de la résistance RTH utilisée. La valeur de Tce change proportionnellement à la valeur
globale de CA, alors que VTH1 et VTH2 restent pratiquement inchangés. Le tableau est donné
pour la valeur par défaut de CA, soit 1.5nF.
RTH
défaut
180 K
82 K
39 K
TCE
10.4 µs
8.8 µs
7.5 µs
6.2 µs
VTH1
8.2 V
6.9 V
5.6 V
4V
VTH2
6.6 V
4.8 V
3.5 V
2V
Tableau 1 : Choix de RTH pour les paramètres de détection du VCEsat
15 de 17
ARCAL 2315 FR V2.1
6.8.
Surveillance des Alimentations Auxiliaires
Une surveillance de la valeur des alimentations est effectuée directement sur chaque voie de
sortie. Si une des deux alimentations secondaires est inférieure à 11.5V, la voie concernée est
bloquée et le signal de défaut est activé.
Le système de détection possédant une hystérésis de 0.7V, le redémarrage ne sera possible
qu'après que la tension soit remontée au-dessus d'environ 12.2V.
7. CONFIGURATION : TABLEAU RECAPITULATIF
Paramètre
DIRECT
Mode
VOIE 1
VOIE 2
Niveau d'entrée
5V
15V
Signal de défaut
OUVERT
FERME
Détection Vce
K3
K4
CC
Niveau de sortie
voie 1
Niveau de sortie
voie 2
Mode HB
PLOTS
K5 K6 K7 K8 K9
1-2
2-3
K10 K11 K12 K13 K14 K15 K16
Rrc1 Crc1
Rrc2 Crc2
CC
CO
2-3
1-2
VOIE 1
VOIE 2
OUI
NON
Blindage
Avec :
K2
CC
HB
Temps Mort
Connexion
Thermostat
K1
Rth1
CA 1
Rth2
CA 2
CC
CO
±15V
0/15V
±15V
0/15V
TOP/BOT
INA/INB
1-2
2-3
1-2
2-3
2-3
1-2
CO
CC
OUI
NON
CC = Court-Circuit
1-2 = relier les bornes 1 et 2
CO = Circuit Ouvert
2-3 = relier les bornes 2 et 3
les cases grisées représentent la configuration par défaut.
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8. NOTES
 Before printing think about environment and costs! N'imprimez ce document que si nécessaire.
ARCEL se réserve le droit de modifier les caractéristiques du produit présenté ci-dessus sans notification préalable
i
ii
iii
iv
v
vi
vii
viii
ix
x
xi
xii
xiii
Le système est protégé par des diodes zéner et bipolaires. Le dépassement de ces valeurs peut donc
entraîner une surchauffe et/ou une surconsommation. Des précautions particulières doivent être prises
en cas d'utilisation avec de grandes longueurs de câble.
Puissance disponible en sortie des convertisseurs DC/DC.
Tension continue ou valeur crête de la tension alternative appliquée de manière permanente entre les
secondaires ou entre les secondaires et le primaire. Des valeurs plus élevées peuvent être garanties
par un test en décharges partielles (non effectué en standard).
Cette valeur est donnée pour des signaux de commande à 25KHz.
Si la puissance de sortie est dépassée, le convertisseur DC/DC sera en état de surcharge.
Cette sécurité a pour but de protéger les semi-conducteurs. Chaque tension secondaire est surveillée
individuellement.
Dans la limite de la puissance maximale de sortie.
Dans les conditions normales d'utilisation.
Ajustable par l'utilisateur.
Première valeur : charge constituée d'une résistance de 5.6 en série avec un condensateur de 39nF.
Deuxième valeur : charge constituée d'une résistance de 1.8 en série avec un condensateur de
250nF.
Sauf en cas d'activation de l'entrée pour contact sec : durée après ouverture du contact.
Ajustable par l'utilisateur. Les deux valeurs correspondent au seuil de détection à Tce et en régime
permanent (environ 15µs plus tard).
Sauf pour la série 9912XXX-B où X4 : MOLEX Mini KK 6410/7395 – 2cts.
17 de 17

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