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   Chapitre 3

INTRODUCTION A L'ETUDE DE

L'ELECTRONIQUE DE PUISSANCE

Cours de élec. 1 EPUNSA

P. IACCONI

LPES-CRESA

Université de Nice-Sophia Antipolis

06 108 – Nice cedex 2

1.INTRODUCTION

1.1.Généralités

L'énergie électrique se présente sous deux formes, alternative ou continue, et ses caractéristiques sont généralement figées (réseau alternatif 50 Hz, 230/400 V, batteries d'accumulateurs continu, ).  

De nombreuses applications réclament des alimentations spécifiques de caractéristiques fixes ou variables différentes de celles des sources d'énergie.

La conversion d'énergie électrique consiste en la transformation du spectre du signal électrique (amplitude, fréquence, phase) fourni par la source pour l'adapter à l'application. Le champ d'application de la conversion d'énergie électrique est recouvre à peu près tous les domaines de l'industrie moderne : 

•    charge de batteries, 

•    soudure,

•    chauffage,

•    électrolyse,

•    générateurs THT pour tubes rayons X ou radars, 

•    variation de vitesse des machines électriques, 

•    filtrage actif, 

•    compensation des réseaux. 

Les puissances contrôlées vont de quelques W à quelques MW.

érents           types   de convertisseurs statiques

Le convertisseur statique         est constitué            par      un       ensemble

d'éléments électriques statiques (variation de fréquenceCycloconvertisseur ) formant un réseau maillé et

Fig. 3-1.  Les principaux convertisseurs constituant un organe de liaison, d'adaptation ou de transformation entre une source d'énergie électrique et un récepteur. 

Les éléments qui le constituent sont de deux types:

•    des éléments non linéaires qui sont principalement des composants électroniques jouant le rôle d'interrupteurs,

•    des éléments linéaires réactifs: condensateurs, inductances et transformateurs.

2.LES    COMPOSANTS    DE     L'ELECTRONIQUE         DE PUISSANCE

Ces composants sont de trois types:

•    les diodes

•    les thyristors,

•    les transistors ou associations de transistors.

diodes

2.1.1. Rappels sur la jonction

La diode est le semi-conducteur élémentaire constitué A par une seule jonction PN. Sa représentation symbolique, ainsi que les conventions de signes pour le courant I et la tension V sont donnés ci-contre

(fig.2).

Facultatif                                                                          Fig. 3-2.

Semi-conducteur N. Si, dans un cristal de Si pur (4 électrons périphériques), on injecte des atomes donneurs (P, As, Sb) qui ont 5 électrons périphériques, ceux ci se substituent à certains Si en perdant leurs électrons supplémentaires (liaison covalente). Le cristal de Si dopé comporte donc des ions positifs fixes (les donneurs ionisés) et des électrons libres e- (porteurs majoritaires) : on a créé une zone N. Il y a autant d’électrons libres que d’ions  > 0. Globalement, la neutralité électrique est respectée.

                              Zone P                                                       Zone N

                              ions fixes < 0                                            ions fixes > 0

 

Fig. 3-3. Semiconducteur N et semiconducteur P. Zone de transition.

Semi-conducteur P. Si les impuretés sont du type accepteur (B, Al, Ga), c'est-àdire ne comportent que 3 électrons périphériques, on crée des ions négatifs fixes et des trous libres e+ (porteurs majoritaires). La zone créée est dite zone P.

Zone de déplétion. La transition entre les deux couches P et N constitue la jonction PN. Dans son voisinage immédiat les e- et les e+ se recombinent entre eux et il ne reste plus que les ions négatifs du côté P et les ions positifs du côté N. Dans cette région (quelques µm d’épaisseur), il n'y a plus neutralité électrique, mais une charge volumique positive du côté N et négative du côté P. Sous l'effet de cette

? polarisation, il se crée un champ électrique interne Ei qui s'oppose au passage des e- de N vers P et des e+ de P vers N. C'est la zone de charge d'espace ou zone de déplétion ou zone de transition.

 Polariser la diode en l’insérant dans un circuit électrique (fig.3) revient à superposer un champ

?     ? électrique extérieur Ee au champ électrique intérieur Ei .

a) polarisation inverse. Si le générateur de tension est orienté comme indiqué sur la fig.4 , la polarisation

? est dite inverse : le champ électrique extérieur Ee a le

? même sens que Ei. La zone de charge d'espace Fig. 3-4. Polarisation inverse s'élargit et seuls quelques porteurs minoritaires (e+ dans N et e- dans P) peuvent traverser la jonction. D'où l'existence d'un très faible courant dirigé de N vers P,

(courant inverse). 

Les porteurs minoritaires proviennent de la création de paires e-.e+.

Lorsque la tension inverse augmente trop, on peut observer deux phénomènes :

?

•    l'effet Zener : le champ Ee a une énergie suffisante pour libérer (arracher) des électrons périphériques du Si. Le phénomène apparaît brutalement, car tous les Si sont identiques, et un grand nombre de paires e-.e+ sont créées. La brutale apparition de ces porteurs minoritaires provoque une augmentation rapide du courant inverse qui traverse la jonction.

?

•    l'effet d'avalanche : Ee communique assez d'énergie à un électron libre pour lui permettre d'arracher, par choc, un électron périphérique d'un Si (ionisation par choc) d'où l'apparition de deux électrons libres qui, à leur tour, provoquent un effet d'avalanche.

b) polarisation directe. Orientons maintenant le

? générateur comme sur la fig.5  : le champ Ee s'oppose 

?

à Ei

Trois cas peuvent se présenter :

•    Ee < Ei. La zone de charge d'espace existe toujours  mais son épaisseur diminue. Des porteurs Fig. 3-5. Polarisation directe majoritaires commencent à la traverser. Ce courant augmente au fur et à mesure que Ei - Ee diminue.

•    Ee = Ei. La zone de charge d'espace disparaît; rien ne s'oppose au passage du courant qui croît très rapidement lorsque:

•    Ee > Ei. Le courant devient intense. fin du facultatif

 

2.1.2. Caractéristique de la diode

Lorsque le circuit de polarisation dans lequel est placée la diode tend à faire passer un courant dans le sens direct, c'est à dire de l'anode A vers la cathode K, la diode est dite passante ou conductrice, le courant i prend la valeur imposée par le circuit tandis que la ddp vAK = vA - vK est faible et positive, (quelques volts) et est souvent négligée devant les autres tensions du circuit. La valeur moyenne Imoy du courant i ne doit pas dépasser la valeur du courant moyen nominal de la diode ou courant direct admissible I0, IF ou IFAV (Average forward current).

 Si vA - vK < 0, la diode est bloquée ou non conductrice, vA - vK peut prendre des valeurs élevées, tandis qu'un faible courant inverse traverse la diode de K vers A. Ce courant inverse est souvent négligé et la tension inverse de polarisation doit rester inférieure à la tension inverse maximale admissible par la diode ou tension inverse nominale VR (reverse); VBR représente la tension d'avalanche (break-down voltage).

transistors de puissance

Fig. 3-6. Caractéristique de la diode

Ce sont des transistors spécialement adaptés à leur utilisation en fonctionnement en tout ou rien. On utilise le :

2.2.1. Le transistor bipolaire

Si vCE > 0 ; iB = 0 ou < 0, le transistor est bloqué; il est alors équivalent à          un             interrupteur ouvert.

Si iB > 0 et supérieur à une valeur B iB0, le transistor est saturé. Il joue alors le rôle d'un interrupteur fermé.

Le gain de courant d'un transistor

bipolaire fonctionnant en régime 

saturé est faible, surtout pour les Fig. 3-7. Transistor NPN transistors HT. On utilise souvent le montage Darlington NPN (association de 2 transistors). On augmente ainsi le gain en courant qui devient:   ? = ß1 + ß2 + ß1ß2 (en régime linéaire).

2.2.2. Le transistor à effet de champ Le FET (field effect transistor) est également utilisé en interrupteur. On l'utilise plutôt sous sa forme MOSFET (transistor à grille isolée) que B sous sa forme JFET (transistor à jonction). MOS signifie métal, oxyde, semiconducteur. La flèche, sur la représentation symbolique (fig.10), indique le sens passant des deux jonctions substrat-source

ID                                                                                                           Fig. 3-8. Darlington

En électronique linéaire, on travaille dans la zone de saturation (les caractéristiques ID = f(VDS) sont horizontales. En électronique de puissance, le transistor doit fonctionner en interrupteur. Sur le réseau de caractéristiques statiques ID = f(VDS), on voit qu’aux très basses tension drain-source, la résistance du MOS

0 car_MOS VDSest constante. Aux tensions drain-source supérieures, le courant ID est déterminé par VGS.

Fig. 3-9.

•    VGS < VT, l’interrupteur est ouvert. En fait, on réalise



l’ouverture pour VGS = 0. La résistance RDS = ? . VT est compris entre 2 et 4 volts.

•    VGS suffisant pour que - à ID donné - la chute de tension VDS soit très faible (pour minimiser les pertes de conduction) : l’interrupteur est fermé (RDS = cste).

Le transistor MOS est donc commandé en tension (le bipolaire étant commandé en courant).

Facultatif

Le principe du MOS est

applique vGS > 0 entre grille (gate) et source, le

champ électrique qui                              B

substrat (bulk)           apparaît, à travers la couche d'oxyde, entre        Fig. 3-10. MOSFET canal N, schéma et principe.

drain et source, à la surface de la couche P éloigne les porteurs majoritaires e+ de cette zone et y attire les porteurs minoritaires e-

Dès que   vGS > vT (tension de seuil ou treshold voltage), il y a plus de charges < 0 que de charges > 0 au voisinage immédiat de la couche d'oxyde. Cette zone, de type N, constitue un canal reliant la source et le drain. Si on applique alors une tension vDS > 0, un courant iD peut passer par ce canal dont la section (et la résistance) dépend de la différence entre vGS et vT. Ceci est le principe de fonctionnement d'un MOSFET de faible puissance. 

Dans la configuration basse puissance, le trajet de ID est parallèle à la surface. Dans les MOSFET de fortes puissances, le chemin des électrons est - comme pour les transistors bipolaires - perpendiculaire à la surface (entre S et D). Ceci autorise le passage de courants de drain beaucoup plus élevés.

Fin du facultatif. 

 

2.2.3. Association de transistor MOS et de transistor(s) bipolaire(s)

On associe des transistors bipolaires et des transistors MOS pour réaliser des interrupteurs. On utilise ainsi la grande impédance d’entrée du MOSFET et la faible chute de tension directe du bipolaire.

                 Fig. 3-11. Montage en cascade                            Fig. 3-12. Montage en série

Les montages suivant donnent les schémas équivalents d’associations classiques. Le montage en cascade (BIPMOS) se déduit du montage Darlington en remplaçant le bipolaire d’entrée par un MOSFET. Dans le montage série, l’extinction rapide du MOSFET accélère celle du bipolaire. 

Enfin, l’IGBT (insulated gate bipolar transistor) ou GEMFET (Gain enhanced Mosfet) ou COMFET (Conductivity modulated mosfet) comporte deux bipolaires (NPN et PNP) et un MOSFET (fig.13). Là aussi, la commande par la grille isolée G permet de bénéficier de la grande impédance d’entrée des MOSFET.

L’amorçage se fait lorsque vCE est positive et

que vGE devient supérieure à la tension de Fig. 3.13. Schéma équivalent de l’IGBT seuil vT. Quand on supprime le signal de commande appliqué à la grille, l’IGBT s’éteint.

thyristors

2.3.1. Description

Le thyristor est un élément semi-conducteur à 4 couches alternativement dopées N et P. Par métallisation, on obtient les contacts des trois électrodes : anode A, cathode K et gâchette (gate) G. En pratique, les thyristors utilisés sont du type P, c'est à dire que G est connectée à la zone P voisine de K.

 La      représentation conventionnelle            et        les notations            adoptées      sont données ci-dessous.

L'épaisseur et le dopage des 4

G

N2 : très mince et très dopée,

P2 : plus épaisse, moins dopée,

N est la plus épaisse et la  moins dopée, etc..

Fig. 3-14. Représentation du thyristor

Le thyristor est en polarisation directe lorsque vT = vA - vK > 0.

*  si  v = v - v < 0, le thyristor est bloqué,

                              T           A        K

*  lorsque vT = vA - vK devient > 0, le thyristor reste bloqué. Le potentiel allant en décroissant de A

vers K, les jonctions P1N1 et P2N2 sont polarisées direct dans le sens direct. Presque toute le tension directe vT

se trouve appliquée entre N1 et P2 qui forment une vT jonction polarisée en inverse.

-direct

Si le nombre et l'énergie des e minoritaires de P2 devient suffisant pour provoquer un phénomène d'avalanche dans la jonction N1P2, un fort courant fig9.dsfinverse pourra traverser celle-ci. Plus rien ne

Fig. 3-15. s'opposera au passage d'un fort courant direct iT de A vers K.

Le flux d'e- qui envahit N1 dans l'effet d'avalanche fait chuter la résistivité du Si dans cette zone ; vT devient très faible, le thyristor est conducteur. iT n'est limité que par le circuit dans lequel il est inséré.

On peut provoquer l'avalanche au moment voulu, (c'est l'intérêt du thyristor qui est également appelé redresseur contrôlable). Pour cela, il suffit d'appliquer une impulsion positive de tension vGT entre G et K. 

Sous l'effet de cette impulsion, il se crée un champ

électrique Ei, dirigé de P2 vers N2 qui attire un grand Avalanche nombre d'e- de N2 (très dopée) vers P2 (très mince). Le courant inverse de la jonction P2N1 augmente alors sensiblement et, si vT est suffisamment > 0, l'avalanche apparaît car les e- sont devenus nombreux en P2 (et ont acquis de l'énergie).  

Fig. 3-16.

L'impulsion vGT a amorcé le phénomène qui est ensuite auto-entretenu par le passage du courant, c'est à dire par le grand nombre d'e- allant de K vers A. 

La durée de l’impulsion doit être supérieure à la durée d’amorçage tgt (de 0.75 à 2 µs) Après l'amorçage, la gâchette perd son pouvoir de contrôle.

Pour provoquer le blocage du thyristor (extinction), il faut supprimer le phénomène d'avalanche. Pour cela, il faut ramener le courant iT à une valeur inférieure à une valeur minimale IH caractéristique du thyristor  (pendant une durée supérieure au temps de recouvrement). IH est le courant de maintien, ou courant hypostatique (holding current).

L'extinction peut s'obtenir par commutation naturelle. C'est le cas - pour les circuits alimentés en alternatif - lorsque iT passe par 0. On peut également éteindre le thyristor par commutation forcée, dans ce cas, il faut avoir recours à un circuit auxiliaire d'extinction.

2.3.2. Caractéristiques statiques

 La caractéristique du thyristor comprend trois branches (pour iGT = 0).

-   En polarisation inverse OA. 

La caractéristique a même allure que celle d'une diode PN.

VRRM = tension inverse maximale répétitive tolérable (ou VRSM = reverse surge maximum).

-   En polarisation directe

OB : thyristor bloqué. vT Fig. 3-17. Caractéristiques du thyristor peut atteindre VBO (break over, rebroussement) sans provoquer l'avalanche. Si vT = VBO, le courant atteint la valeur IL (latching current ou courant d'accrochage qui déclenche l'avalanche.

VDRM: tension directe maximale répétitive à l'état bloqué (ou VDSM direct surge maximum). VBR break-down: avalanche.

-   CD : thyristor passant: la chute de tension directe est faible (inférieure à 3 volts pour le courant de crête maximal I ).  TM Si iGT > 0, la caractéristique se modifie, le claquage par avalanche se produit pour une valeur de  vT

< VBO. VBR n'est pas modifié (cf. fig.18).

Remarque.   l'amorçage   peut également se produire pour :

•    vAK > VBO ou 

•    dvAK/dt grand (quelques 10

V/µs).  

Fig. 3-18. Amorçage du thyristor

Dans ce dernier cas, la jonction centrale se conduit comme un condensateur donnant naissance à un courant C(dv/dt). Si celui-ci est supérieur au courant d'accrochage IL, le thyristor s'amorce. Ces deux procédés ne sont pas utilisé car ils provoquent des contraintes néfastes pour le thyristor.

En conclusion, le thyristor est caractérisé par :

•    les valeurs maximales des tensions directe et inverse à l'état bloqué VDRM et VRRM (quelques milliers de volts),

•    la valeur maximale de l'intensité du courant moyen direct (> 1000 A),

•    les valeurs minimales de iGT et de vGT qui provoquent l'amorçage (quelques 100 mA et quelques volts

•    la valeur du courant de maintien IH (de 80 à 300 mA),

•    la température maximale supportée par le thyristor.

En première approximation, on peut raisonner sur une caractéristique simplifiée: OA: vT < 0 blocage

OB: vT > 0, iGT = 0 blocage,

OD: vT > 0, après impulsion iGT > 0

VRRM                           0                       DRM vT conduction.

Fig. 3-19.                                                                       

Facultatif : analogie avec deux transistors

Le déclenchement du thyristor peut aussi s’expliquer par le modèle à deux transistors bipolaires PNP et NPN (fig.20).

Voir « Les convertisseurs de l’électronique de puissance », tome 3, la conversion continu-continu par R. Bausiere et al.1987. Tec&Doc (Lavoisier). 

                                                                                                                                                           K

                                                                                                           K



Fig. 3-20. Analogie thyristor - deux transistors

Fin du facultatif

2.3.3. Thyristors spéciaux et dérivés a) Thyristor GTO (Gate turn off)

Il présente la particularité de pouvoir être éteint par la même gâchette qui a permis son amorçage. Il connaît un développement industriel important et ses caractéristiques sont susceptibles d'évoluer très rapidement. Le double trait schématise le double rôle de la gâchette.

            iGT > 0 amorçage,    iGT < 0 extinction.

                   b) Triac (triode alternating current)                                        Fig. 3-21.

Il          peut   être    considéré comme le         groupement antiparallèle            de             deux thyristors. Il peut être amorcé par une impulsion > 0 ou < 0 appliquée à sa gâchette, que la tension à ses bornes vT soit > 0 ou < 0. Il y a donc quatre modes

d'amorçage                      qui

correspondent aux quatre Fig. 3-22. Le triac quadrants. (Cf. fig.22).

Les triacs sont surtout utilisés dans les gradateurs.

c) Photothyristors

Dans les photothyristors, l'avalanche est déclenchée par effet photo-électrique. Les photothyristors sont utilisés en photocommande et en photocouplage.

d) Autres thyristors spéciaux

•    thyristors à gâchette amplificatrice, déclenchés par un très faible courant  de gâchette.

•    thyristors à extraction de courant par la gâchette, ultra rapide (GATT : gate assisted turn off thyristor)

•    thyristor asymétrique rapide aux fréquences élevées

3.Classification suivant le mode de commutation

Nous avons vu que les thyristors peuvent être débloqués à l'aide d'impulsions tandis que les diodes deviennent conductrices lorsque vAK > 0. Dans le cas des diodes, l'amorçage est dit naturel ; dans le cas des thyristors, il est retardé d'un temps t. Souvent ce retard s'exprime par un angle électrique ? tel que ? = ?t, ? étant la pulsation du réseau alternatif.

Dans les deux cas, l'extinction dans ces éléments n'est possible qu'au passage par zéro du courant qui  traverse l'élément.

L'extinction de ce courant est généralement provoquée par la commutation du courant d'un élément redresseur à un autre.

On distingue les convertisseurs statiques :

•    sans commutation,

•    à commutation naturelle

•    à commutation forcée

3.1.Fonctionnement sans commutation

Dans ce        fonctionnement,    le courant circulant dans la charge s'annule en même temps que celui qui                       circule            dans   l'élément redresseur. Prenons l'exemple de

deux thyristors T1 et T2 montés u(t) en antiparallèle et d'une charge RL.

Reportons sur le graphe de la fig.24 l’allure du courant et de la Fig. 3-23. Gradateur tension, thyristors court-circuités.

1)       à l'instant t1= ?T, on envoie une impulsion positive sur les deux gachettes. T1 étant polarisé directement entre en conduction. Le courant i(t) commence à circuler dans RL (transitoire et déphasage); T est la période des impulsions ; ? est le rapport cyclique :

retard à l'allumage ? =          

période

2)       à l'instant t2, i(t) s'annule entraînant l'extinction de T1 qui va rester bloqué;

3)       à l'instant t3 = t1 + T/2, une          nouvelle        impulsion positive sur      les       deux gachettes débloque T2  qui est polarisé directement, le courant             i(t)       circule maintenant en sens inverse, etc

Le courant ne bascule pas directement de T1 à T2, mais avec       un             certain           retard pendant lequel i(t) = 0. On dit qu'il y a fonctionnement sans commutation.    Fig.1.24.

Nous venons de décrire le principe du gradateur utilisé pour faire varier le courant débité par la source dans la charge. Il suffit de faire varier le retard à l'allumage des thyristors. On peut complètement annuler i(t). T1 et T2 peuvent être remplacés par un triac. La commande est alors réalisée par une gâchette unique.

Encore appelés variateurs de courant, les gradateurs réalisent une conversion alternatif/alternatif. La tension de sortie Vs peut varier continûment de 0 à Ve; la

fréquence est conservée. En principe, le Fig. 3-25. Caractéristiques du gradateur dispositif fonctionne en interrupteur que l'on ouvre et ferme périodiquement grâce à la commande C. Quand le courant de sortie est constamment nul, le gradateur fonctionne en interrupteur statique.

Le gradateur joue le rôle d'un autotransformateur abaisseur réglable.

Les gradateurs monophasés sont utilisés en éclairage : gradateurs de lumière.

Les gradateurs triphasés sont utilisés, par exemple, pour régler la tension statorique V1 d'un moteur asynchrone : ils constituent alors des variateurs de vitesse.

3.2.Commutation naturelle

Il y a commutation naturelle lorsque le passage du courant d'un élément redresseur à un autre est provoqué à l'aide de tensions alternatives appliquées au montage (ex. triphasé).

 

Fig.1.26.

Dans le montage ci-dessus (fig.26), par exemple, v1 et v2 sont des tensions alternatives de même fréquence et de même valeur efficace mais déphasées de 2?/3, v3 n’est pas représentée.

Supposons que l'inductance de charge L soit infiniment grande (L = ?), le courant de charge sera complètement lissé: iC = IC = cte.

Admettons qu'au départ T1 soit conducteur et T2 bloqué. On a :  i= IC et i2 = 0. 

Si on néglige les chutes de tension dans T

             vC = v1

A l'instant t1, une impulsion est appliquée sur la gâchette de T2. Celui-ci ne s'allumera que si:  v2(t1) > v1(t1

A cause de l'inductance de commutationl qui - bien que faible - n'est pas nulle, les courants i1 et i2 ne peuvent pas varier instantanément. Pendant un certain temps les deux thyristors vont conduire en même temps: c'est le phénomène d'empiètement.

soit avec :  i1 + i2 = IC = cte v + v

 ?                     vC = 1 2      2  

Fig. 3-27.

Pendant toute la durée de la commutation:

            i1 + i2 = IC = cte i2 augmente pendant que i1 diminue : 

v2 > v1  = vA2 > vA1 (remarquer l'analogie avec le phénomène de commutation dans le collecteur d'un machine à courant continu). i Il est facile de montrer par ailleurs que vC= (v1 + v2)/2.

Démonstration :

            v1 = l  didt1 + vC 

                v2 = l  didt2 + vC

            ___________________

v1 + v2 = l  d(i1 dt + i2) + 2 vC

Le phénomène d'empiétement est la cause d' une chute de tension. c) Lorsque i1 = 0, T1 s'éteint. La commutation est terminée.

t = t2, i2 = IC et vC = v2 (fig.27).

Si on néglige les inductances de commutation l, la commutation est instantanée (pas d'empiètement).

3.3.Commutation forcée

 

éteint également le           Fig. 3-28. courant dans le thyristor, 

(c) on applique, pendant un temps supérieur à la durée tq de désamorçage (de 15 à 60 µs), une tension négative en déchargeant dans le thyristor un condensateur de capacité et de tension de charge convenables. Ce dernier procédé est utilisé dans les hacheurs et les onduleurs autonomes à commutation forcée.

Voir en annexe un exemple de réalisation (à faire en TD)

3.4.Conclusion

En pratique, on ne coupe pas le courant passant dans un circuit fermé par un semiconducteur passant. On attend qu'il s'annule de lui-même ou on le dérive sur une autre voie.

La nature des commutations est la première caractéristique que l'on précise lorsqu'on présente un convertisseur car elle montre quel type de semiconducteur on peut utiliser:

*  commutation naturelle: plutôt diode ou thyristor ordinaire,

*  commutation forcée : thyristor + circuit d'extinction, thyristor GTO, transistor de puissance bipolaire ou FET.



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