JP2007325480A - パワー集積化回路 - Google Patents

Abstract

【課題】マルチレベル変換回路を集積化して多レベル化することにより受動フィルタを排除して、変換器体積を縮小して高密度化電力変換器を実現するパワー集積化回路を提供する。
【解決手段】電圧形単相フルブリッジ変換回路を基本ユニットとしたパワー集積化回路であって、前記基本ユニットはレベルシフト型ゲートドライブ回路を備え、前記基本ユニットの直列接続により集積化単相マルチレベル変換回路を形成し、基本ユニットの３並列接続および直列接続基本ユニットの３並列接続により集積化３相マルチレベル変換回路が形成される。前記集積化単相・３相マルチレベル変換回路の出力マルチレベル電圧波形は高調波含有率が低いため受動フィルタなしで単相あるいは３相電力変換器を構成している。
【選択図】図1

Description

本発明は、電力変換器の集積化回路に関し、特に受動フィルタを排除して電力変換器の高密度化電力変換器を実現するパワー集積化回路に関する。

図３１は、従来の電圧型２レベル変換回路の構成図であり、（ａ）は単相の場合を、また（ｂ）は３相の場合を例示している。いずれの場合も、直流電源電圧Ｖdcを、単相或いは３相ブリッジ回路を構成する４個或いは６個の半導体素子をオンオフ２レベルに切り換え、さらにその出力に受動フィルタを接続することにより、単相或いは３相交流出力電圧を得るものである。このような電圧形２レベル変換装置を対象にして、従来の電力変換器の高電力密度化は、その体積を減少させることにより達成され、その方法は、（１）電力変換装置の損失を低減して冷却装置体積を小型化する、（２）スイッチング周波数を上昇させ、図３２に示すLCフィルタなどの受動部品体積を小型化する、の２つが基本であった。しかし、２レベル変換装置はLCフィルタが不可欠であり、スイッチング周波数の増加は半導体素子のスイッチング時に発生するスイッチング損失が増大して冷却装置が増大するため、高電力密度化に限界が生じる。また、高いスイッチング周波数は、主回路配線の寄生インダクタンスによる誘導電圧および寄生キャパシタンスによる変位電流を引き起こして半導体素子損失増加および放射ノイズの原因となる。また、LSIなどの信号伝達を目的とする変換回路では扱う電圧・電流が微小なため高周波動作は特に問題とならないが、エネルギー伝達を目的とするパワー変換回路は扱う電圧・電流が大きいため高周波動作に伴う放射・伝導ノイズはゲート駆動回路の誤動作を引き起こすなど様々な問題が発生する。したがって、スイッチング周波数を増加させないで、LCフィルタ除去および半導体素子損失低減を同時に達成する高電力密度電力変換回路が必要になる。

スイッチング周波数を増加させないでＬＣフィルタ除去を実現するため、図３３〜図４１に示すマルチレベル変換器のレベル数ｍを増加させて変換器自体の出力電圧の高調波含有率を低減する方法が挙げられる。マルチレベル変換器の出力電圧高調波成分はレベル数の増加とともに減少し、１７レベル変換器の出力電圧の総合ひずみ率は５％以内であるためＬＣフィルタを必要としない。しかし、１７レベル変換器の半導体素子数は９６個、逆並列ダイオード数は９６個となるため変換器主回路およびゲート駆動回路が過大となり、変換器実装が困難となる。

図３３〜図３８は、従来のカスケード方式のマルチレベル変換回路の構成図を示し、図３３は電圧形3レベル変換回路を、図３４は電圧形４レベルおよび５レベル変換回路を、図３５は電圧形単相奇数次mレベル変換回路を、図３６は電圧形３相奇数次mレベル変換回路を、図３７は電圧形３相偶数次mレベル変換回路を、図３８は電圧形３相偶数次mレベル変換回路をそれぞれ示している。また、図３９〜図４１は、従来のダイオードクランプ方式のマルチレベル変換回路の構成図を示し、図３９は電圧形3レベル変換回路を、図４０は電圧形単相ｍレベル変換回路を、図４１は電圧形３相ｍレベル変換回路をそれぞれ示している。

ここで、図３５および図３６の奇数次ｍレベルは、例えば、３レベルのとき基本ユニットは（３−１）/２＝１で各相の基本ユニットは１つであり、５レベルのときは（５−１）/２＝２で各相の基本ユニットは２直列接続され、１７レベルのときは（１７−１）/２＝８で各相の基本ユニットは８直列接続されることを表し、任意の奇数次レベル変換回路とそれに対応した基本ユニットの直列接続数が定義される。図３７および図３８の偶数次ｍレベルは、例えば、２レベルのとき基本ユニットは２/２＝１で各相の基本ユニットは１つであり、４レベルのときは４/２＝２で各相の基本ユニットは２直列接続され、１８レベルのときは１８/２＝９で各相の基本ユニットは９直列接続されることを表し、任意の偶数次レベル変換回路とそれに対応した基本ユニットの直列接続数が定義される。また、図４０および図４１のｍレベルは、例えば、３レベルのときは各相のスイッチング半導体素子の数は（３−１）×２＝４個であり（上位アームのスイッチング半導体素子の数は３−１＝２個である）、４レベルのときは各アームのスイッチング半導体素子の数は（４−１）×２＝６個であり（上位アームのスイッチング半導体素子の数は４−１＝３個である）、５レベルときは各相のスイッチング半導体素子の数は（５−１）×２＝８個であり（上位アームのスイッチング半導体素子の数は５−１＝４個である）、任意のレベル数とそれに対応する各相のスイッチング半導体素子の数が定義される。

図３３〜図３８に示すカスケード方式のマルチレベル変換回路はレベル数が増えるとともに直流電源が増える。即ち、図３３に示すように、３レベル変換回路は各相１個の直流電源を必要とし、５レベル変換回路は各相２個の直流電源を必要とし、ｍレベル変換回路は各相（ｍ−１）／２個の直流電源を必要とするという欠点を有する。

図３９〜図４１に示すダイオードクランプ方式のマルチレベル変換回路は個々のスイッチング半導体素子に対してゲート駆動回路を必要とするため、レベル数が増えるとともにゲート駆動回路が増える。即ち、図３９に示す３レベル変換回路では各相４個のゲート駆動回路を必要とし、図４０および図４１に示すｍレベル変換回路では各相（ｍ−１）×２個のゲート駆動回路を必要とするという欠点を有する。したがって、前記マルチレベル変換回路の集積化の妨げとなるため、ゲート駆動回路の数を低減する新しい回路方式が必要となる。

LSI技術を用いたワンチップパワーICやインテリジェントパワーモジュール（IPM）が開発され、様々な分野で応用されている。前記技術を用いたゲート駆動回路を備える集積化２レベル変換回路が提案されているが、マルチレベル変換器に関するパワー集積化回路は提案されていない。
Y. Hayashi, K. Takao, K. Adachi, and H. Ohashi, "DesignConsideration for High Output Power Density (OPD) Converter Based on Power-LossLimit Analysis Method,’’ in Proc. CD-ROM, EPE, 2005. M. Tsukuda, I. Omura, W Saito, and T.Ogura, ``Demonstration of High Output Power Density (30W/cc) Converter using600V SiC-SBD and Low Impedance Gate Driver,’’ in Proc. CD-ROM, IPEC Niigata,2005.

上述の２レベル変換器を用いた高密度化電力変換装置は、スイッチング周波数を増加させてフィルタの小型化を図るため、半導体素子のスイッチング時に発生するスイッチング損失が増大し、電力変換器の高密度化に限界がくる。

本発明は、係る問題点を解決するため、上記手法とは全く異なった視点、即ち、スイッチング周波数を増加させないでフィルタの小型化を達成することで高密度化電力変換器を実現するものである。これによって、本発明は、高密度化電力変換器の集積回路化を達成する。

本発明は、上記課題を解決し上記目的を達成するために、マルチレベル変換回路の基本ユニットとして電圧形単相フルブリッジ回路を集積化し、前記基本ユニットの直列接続による集積化単相ｍレベル変換回路を形成し、前記集積化単相多レベル変換回路の３並列接続による集積化３相ｍレベル変換回路を形成し、マルチレベル変換回路のパワー集積化回路を提供する。

また、本発明では、前記基本ユニットは、低圧側ゲート駆動回路がオフ時にダイオードを介して高圧側ゲート駆動回路へ駆動エネルギーが供給されるレベルシフト型ゲート駆動回路を備えるパワー集積化回路を提供する。

本発明によれば、カスケードマルチレベル変換回路方式における直流電源を排除するため、集積化マルチレベル変換回路に関して、直流部に（ｍ−１）／２個あるいはｍ/２個の直流リンクキャパシタを接続して直流リンクキャパシタを中心として対称的に集積化マルチレベル変換回路を接続して集積化マルチレベルＡＣ−ＤＣ−ＡＣ変換回路を提供する。

本発明によれば、集積化回路設計における配線数を低減するため、集積化マルチレベル変換回路に関して、各相第１基本ユニットから第奇数次（ｍ−１）/２基本ユニットあるいは第偶数次ｍ/２基本ユニットにおけるゲート駆動回路における正負極性端子を共通端子として接続することで配線数を低減するパワー集積化回路を提供する。

本発明によれば、ダイオードクランプ方式マルチレベル変換回路において、ダイオードクランプ方式マルチレベル変換回路におけるスイッチングパターンに従い、上位アーム半導体素子にターンオン信号が入力されるとき下位アーム半導体素子はターンオフ信号が入力されるため、単相および３相上位アームの各半導体素子をpチャネルMOSFETで形成して下位アームの各半導体素子をnチャネルMOSFETで形成し、ゲートドライブ回路からターンオン駆動エネルギーが入力されると前記上位アームｐチャネルMOSFETはターンオフされて前記下位アームnチャネルMOSFETはターンオンされ、また、ゲートドライブ回路からターンオフ駆動エネルギーが入力されると前記上位アームｐチャネルMOSFETはターンオンされて前記下位アームnチャネルMOSFETはターンオフされ、ｐチャネルMOSFETとnチャネルMOSFETを１組として１つのゲート駆動回路を有することを特徴とするパワー集積化回路が提供される。

この発明によれば、電圧形単相フルブリッジ回路の集積化回路としてレベルシフト型ゲート駆動回路を備える基本ユニットを形成することにより、基本ユニットの直列接続することで単相多レベル変換回路への集積化が容易に実現できる。

また、この発明によれば、基本ユニットの直列接続による単相多レベル変換回路の並列接続により、３相多レベル変換回路への集積化が容易に実現できる。
この発明によれば、カスケードマルチレベル変換器において、集積化マルチレベル変換回路に関して、直流部に（ｍ−１）／２個の直流リンクキャパシタを接続して前記直流リンクキャパシタを中心として対称的に集積化（ｍ−１）／２レベル変換回路を接続して集積化（ｍ−１）／２レベルＡＣ−ＤＣ−ＡＣ変換回路を形成できるため、直流電源を排除できる。

この発明によれば、集積化回路設計における配線数を低減するため、集積化マルチレベル変換回路に関して、各相第１基本ユニットから第奇数次（ｍ−１）/２基本ユニットあるいは第偶数次ｍ/２基本ユニットにおけるゲート駆動回路における正負極性端子を共通端子として接続することで配線数を低減できる。

この発明によれば、集積化回路設計における配線数を低減するため、集積化３相マルチレベル変換回路に関して、各相第１基本ユニットの正負極性端子を共通端子として接続し、第奇数次（ｍ−１）/２基本ユニットあるいは第偶数次ｍ/２基本ユニットにおける正負極性端子を共通端子として接続することで配線数を低減できる。

この発明によれば、ダイオードクランプ方式マルチレベル変換回路において、ｐチャネルMOSFETとnチャネルMOSFETを１組として１つのゲート駆動回路を必要とするので、従来のゲート駆動方式と比較してゲート駆動回路数を半分に低減できる。

集積化による主回路配線の縮小化により寄生インダクタンスおよび寄生キャパシタンスの低減および低スイッチング周波数により変換回路のノイズ低減の相乗効果が期待できる。
マルチレベル変換回路は、スイッチング周波数が低く、スイッチングに伴うスイッチング損失がほとんど発生しないことに関して、冷却装置体積を小型化できるため、高密度化電力変換器を実現できる。

交流モータ駆動において、２レベル変換器を用いた駆動方式では、パルス幅変調と併用して速度制御・トルク制御を行うが、高調波含有率が高くスイッチング周波数近傍のトルク振動が発生するなどの欠点を有する。一方、マルチレベル変換器の出力電圧波形は高調波含有率が低くスイッチング周波数を増加させないで速度制御・トルク制御を行うため、トルク変動が少なく２レベル変換器の場合と比較して、軸摩擦低減（高寿命化）など利点を有する。

以下、電力変換器を直流から交流に変換する変換器を例として説明するが、本発明では、これに限定されず、交流を直流に変換する変換器として、即ち、AC−DC変換器としても適用することができる。

（実施形態１）
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて詳細に説明する。図１は電圧形単相フルブリッジ回路を基本ユニット１とするパワー集積化回路である。図１に示すように、基本ユニット１の交流端子の一方を出力端子aとして一方の側に配置してもう一方を接地端子ｂとして右側に配置され、直流端子として正極性端子pを上方に、負極性端子nを下方に配置する。基本ユニット１の各半導体素子のゲート駆動回路として低圧側ゲート駆動回路4,5がオフ時にダイオード6を介して高圧側ゲート駆動回路2,3へ駆動エネルギーが供給されるレベルシフト型ゲート駆動回路を備えるパワー集積化回路である。レベルシフト型ゲート駆動回路は１つの直流電源７と２つのキャパシタ8,9を外付けして基本ユニット１の各半導体素子を駆動する。基本ユニット１は集積化単相３レベル変換回路を形成する。基本ユニット１のu1, un1, u2, u3, un3, u4は各半導体素子の信号線である。上位アーム主半導体素子はグラウンドに対して浮いているため信号線（信号発生器）の接地（グラウンドに対応する基準電位）が必要になり、上位アームについては信号線un1およびun3が必要になる。下位アームに関しては、信号線の接地と主回路の接地が共通のため信号線u2nおよびu4nは省略することができる。したがって、上位アームにおける信号線は、u1およびun1の１対で主半導体素子161の信号線となり、u3およびun3の１対で主半導体素子162の信号線となる。

例示のレベルシフト型ゲート駆動回路自体は、従来から電圧形２レベル変換回路で用いられているものである。本発明は、各半導体素子からなる主回路に従来２レベル変換器に用いられているゲート駆動回路を接続して、集積化するために、主回路およびゲート駆動回路の素子配置および配線を工夫してマルチレベル変換器のレベル数の増加を容易に実現できる集積化方法および組み合わせ方法を提供する。

主回路配線は高電位のため、配線が重なると集積化において不利となる（配線の重なりは絶縁技術などで可能となるが、チップ体積が過大になる。）。そこで、図１の基本ユニットに示すように、配線が重ならないよう主回路配線及びそれら周りのゲート駆動回路を配置している。また、基本ユニットを数段の縦続接続および並列接続しても集積化に不利にならない素子配置および配線構造となっている。

図１において、基本ユニット1のゲート駆動回路において、高圧側ゲート駆動回路のそれぞれの正負極直流端子は共通となるため、前記基本ユニット1は図１に示すように、正負極端子を共通配線構造として形成され、また、低圧側ゲート駆動回路のそれぞれの正負極直流端子は共通となるため、前記基本ユニット1は正負極端子を共通配線構造として形成される。

図1の動作原理について、基本ユニットの高圧側ゲート駆動回路において、高圧側主半導体素子161,162がオン状態のとき、外付けキャパシタ9からゲート駆動エネルギーが供給され、高圧側主半導体素子161,162がオフ状態のときダイオード6は順バイアスされてゲート電源7から外付けキャパシタ9へゲート駆動エネルギーが充電される。

図1の動作原理について、基本ユニットの交流端子a,bの端子電圧として、直流電源165の電位Vdcを出力するとき、ゲート駆動信号としてu3・un3対へオン信号が入力されてu4はオフ信号が入力され、低圧側主半導体素子164はオフ状態であるのでダイオード6のカソード側の電位が高くなって逆バイアスとなり外付けキャパシタ9からゲート駆動エネルギーが供給されて高圧側主半導体素子162がオン状態となる。また、ゲート駆動信号としてu1・un1対へオフ信号が入力されてu2はオン信号が入力され、高圧側主半導体素子161はオフ状態であり低圧側主半導体素子163は外付けゲート電源7からゲート駆動エネルギーが供給されてオン状態となる。また、基本ユニットの交流端子a,bの端子電圧として、直流電源165のマイナス電位−Vdcを出力するときは、上述した回路動作のそれぞれの素子の極性が反転した状態で説明される。このように、基本ユニットの交流端子a,bの電位は直流電源165の電位Vdcに対して主半導体素子のスイッチング制御によりプラスとマイナスを繰り返して、直流電圧・電流から交流電圧・電流に変換される。

図２は単相奇数次ｍレベル変換回路を３並列接続した集積化３相奇数次ｍレベル変換回路である。図２に示すように、各相第１基本ユニット1,14,15の接地線ｂを共通接続し、各相第（ｍ―１）／２基本ユニット12,20,21の出力線を負荷へ接続して集積化３相奇数次mレベル変換回路を形成する。

図３は単相偶数次ｍレベル変換回路を３並列接続した集積化３相偶数次ｍレベル変換回路である。図２に示すように、各相第１基本ユニット1,14,15の接地線ｂを共通接続し、各相第ｍ／２基本ユニット13,22,23の出力線を負荷へ接続して集積化３相偶数次mレベル変換回路を形成する。

図４は図１の基本ユニット１を（ｍ−１）／２直列接続した集積化単相奇数次ｍレベル変換回路である。図４に示すように、第１基本ユニット1から第（ｍ−１）／２基本ユニット12の交流端子をそれぞれ接続して集積化単相奇数次ｍレベル変換回路を形成する。

図５は図１の基本ユニットをｍ／２直列接続した集積化単相偶数次ｍレベル変換回路である。図５に示すように、第１基本ユニット1から第ｍ／２基本ユニット13の交流端子をそれぞれ接続して集積化単相偶数次ｍレベル変換回路を形成する。

図６は、各相第１直流リンクキャパシタ119,122,125から各相第（ｍ−１）/２直流リンクキャパシタ121,124,127を中心として対称的に図４の集積化３相奇数次（ｍ−１）/２レベル変換回路128,129を直流部で接続して３相奇数次（ｍ−１）/２レベルAC−DC−AC変換回路を形成したものである。

図７は各相第１直流リンクキャパシタ130,133,136から各相第ｍ/２直流リンクキャパシタ132,135,138を中心として対称的に図５の集積化３相偶数次ｍ/２レベル変換回路128,129を直流部で接続して３相偶数次ｍ/２レベルAC−DC−AC変換回路を形成したものである。

図８は、第１直流リンクキャパシタ89から第（ｍ−１）/２直流リンクキャパシタ91を中心として対称的に図４の集積化単相奇数次（ｍ−１）/２レベル変換回路92,93を直流部で接続して単相奇数次（ｍ−１）/２レベルAC−DC−AC変換回路を形成したものである。

図９は第１直流リンクキャパシタ94から第ｍ/２直流リンクキャパシタ96を中心として対称的に図５の集積化単相偶数次ｍ/２レベル変換回路97,98を直流部で接続して単相偶数次ｍ/２レベルAC−DC−AC変換回路を形成したものである。

図１０はAアーム63およびBアーム64の上位アーム147,148における第１から第（ｍ−１）/２スイッチング半導体素子をpチャネルMOSFETで形成することを特徴とする集積化単相ｍレベル変換回路である。

図１１はAアーム74、Bアーム75およびCアーム76の上位アーム158,159,160における第１から第（ｍ−１）/２スイッチング半導体素子をpチャネルMOSFETで形成することを特徴とする集積化３相ｍレベル変換回路である。

（実施形態２）
図１２は図１の基本ユニット１を２直列接続した集積化単相４および５レベル変換回路である。図１２に示すように、第１基本ユニット1の接地端子ｂを第２基本ユニット１０の出力端子aに接続して集積化単相４レベルおよび５レベル変換回路を形成する。

図１２に示す集積化単相４レベルおよび５レベル変換回路において直流電圧から交流４レベルおよび５レベル電圧波形を変換する動作説明を以下に示す。例えば、前段単相３レベル変換回路1の高圧側主半導体素子162および低圧側主半導体素子163がオン状態で高圧側主半導体素子161および低圧側主半導体素子164がオフ状態のとき直流電源165の電圧Vdcを出力し、また、後段単相３レベル変換回路10の高圧側主半導体素子167および低圧側主半導体素子168がオン状態で高圧側主半導体素子166および低圧側主半導体素子169がオフ状態のとき直流電源170の電圧Vdc2を出力することで集積化単相４レベルおよび５レベル変換回路はVdc1+Vdc2を出力することができる。また、例えば、前段単相３レベル変換回路1が直流電源165の電圧Vdcを出力して、後段単相３レベル変換回路10の高圧側主半導体素子166および高圧側主半導体素子167がオン状態で低圧側主半導体素子168および低圧側主半導体素子169がオフ状態のとき零電圧を出力することで集積化単相４レベルおよび５レベル変換回路はVdc1を出力することができる。また、例えば、前後段単相３レベル変換回路1,10の上位アーム主半導体素子がオン状態で下位アーム主半導体素子がオフ状態とき、集積化単相４レベルおよび５レベル変換回路は零電位を出力することができる。また、例えば、前段単相３レベル変換回路1の高圧側主半導体素子161および低圧側主半導体素子164がオン状態で高圧側主半導体素子162および低圧側主半導体素子163がオフ状態のとき直流電源165の負極性電圧−Vdc１を出力し、また、後段単相３レベル変換回路10の高圧側主半導体素子166および低圧側主半導体素子169がオン状態で高圧側主半導体素子167および低圧側主半導体素子168がオフ状態のとき直流電源170の負極性電圧−Vdc2を出力することで、集積化単相４レベルおよび５レベル変換回路は−（Vdc1+Vdc2）を出力することができる。また、例えば、前段単相３レベル変換回路1が直流電源165の負極性電圧−Vdc１を出力して、後段単相３レベル変換回路10が零電位を出力することで、集積化単相４レベルおよび５レベル変換回路は−Vdc1を出力することができる。上述のように、集積化単相４レベルおよび５レベル変換回路は適切なスイッチング制御によりVdc1+Vdc2、Vdc1 or Vdc2、零電位、−Vdc1 or −Vdc2、−（Vdc1+Vdc2）の５レベルの電圧波形を出力できるので、直流電圧から交流単相４レベルあるいは５レベル電圧波形が変換できる。
（実施形態３）

図１３は図１の基本ユニット１を３直列接続した集積化単相６および７レベル変換回路である。図１３に示すように、第１基本ユニット1の接地端子ｂを第２基本ユニット10の出力端子aに接続して第２基本ユニット10の接地端子ｂを第３基本ユニット11の出力端子aに接続して集積化単相６レベルおよび７レベル変換回路を形成する。

図１３に示す集積化単相６レベルおよび７レベル変換回路において直流電圧から交流６レベルおよび７レベル電圧波形を変換する動作説明を以下に示す。実施形態２で示したように、各基本ユニット1,10,11は３レベル電圧波形を出力することができるので、集積化単相６レベルおよび７レベル変換回路は各基本ユニット1,10,11の零電位は共通電位として７レベルの電圧波形を出力でき、直流電圧から交流単相６レベルあるいは７レベル電圧波形に変換できる。
（実施形態４）

図１４は図１の基本ユニット１を３並列接続した集積化３相３レベル変換回路である。図１４に示すように、各相第１基本ユニット1,14,15の出力線aを負荷へ接続し、各相第１基本ユニット1,14,15の接地線ｂを共通接続して集積化３相３レベル変換回路を形成する。

図１４に示す集積化３相３レベル変換回路において直流電圧から交流３レベル電圧波形を変換する動作説明を以下に示す。実施形態２で示したように、各基本ユニット1,14,15は３レベル電圧波形を出力することができるので、集積化３相３レベル変換回路は直流電圧から３相交流単相３レベル電圧波形に変換できる。

（実施形態５）
図１５は図１２の単相４レベルおよび５レベル変換回路を３並列接続した集積化３相４レベルおよび５レベル変換回路である。図１５に示すように、各相第１基本ユニット1,14,15の接地線ｂを共通接続し、各相第２基本ユニット10,16,17の出力線を負荷へ接続して集積化３相４レベルおよび5レベル変換回路を形成する。

図１５に示す集積化３相４レベルおよび５レベル変換回路において直流電圧から交流４レベルおよび５レベル電圧波形を変換する動作説明を以下に示す。実施形態２で示したように、各相の単相４レベルおよび５レベル変換回路174,175,176は４レベルおよび５レベル電圧波形を出力することができるので、集積化３相４および５レベル変換回路は直流電圧から３相交流単相４レベルおよび５レベル電圧波形に変換できる。

（実施形態６）
図１６は図１３の単相６レベルおよび７レベル変換回路を３並列接続した集積化３相６レベルおよび７レベル変換回路である。図１６に示すように、各相第１基本ユニット1,14,15の接地線ｂを共通接続し、各相第３基本ユニット11,18,19の出力線を負荷へ接続して集積化３相６レベルおよび７レベル変換回路を形成する。

図１６に示す集積化３相６レベルおよび７レベル変換回路において直流電圧から交流６レベルおよび７レベル電圧波形を変換する動作説明を以下に示す。実施形態３で示したように、各相の単相４レベルおよび５レベル変換回路177,178,179は６レベルおよび７レベル電圧波形を出力することができるので、集積化３相６および７レベル変換回路は直流電圧から３相交流単相６レベルおよび７レベル電圧波形に変換できる。

（実施形態７）
図１７は直流リンクキャパシタ77を中心として対称的に図１の集積化単相３レベル変換回路（基本ユニット１）78,79を直流部で接続して単相３レベルAC−DC−AC変換回路を形成したものである。

図１７に示す集積化単相３レベルAC−DC−AC変換回路において、実施形態２で示したように、右側単相３レベル変換回路78は３レベル電圧波形を出力することができるので直流電圧から交流単相３レベル電圧波形に変換でき、左側単相３レベル変換回路79は３レベル電圧波形を出力して交流単相３レベル電圧波形から直流電圧に変換できるので単相３レベルAC−DC−AC変換回路として動作できる。

（実施形態８）
図１８は直流リンクキャパシタ80,81を中心として対称的に図１２の集積化単相４レベルおよび5レベル変換回路82,83を直流部で接続して単相４レベルおよび５レベルAC−DC−AC変換回路を形成したものである。

図１８に示す集積化単相４レベルおよび５レベルAC−DC−AC変換回路において、実施形態２で示したように、右側単相４レベルおよび５レベル変換回路82は４レベルおよび５レベル電圧波形を出力して直流電圧から交流単相４レベルおよび５レベル電圧波形に変換でき、左側単相４レベルおよび５レベル変換回路83は４レベルおよび５レベル電圧波形を出力して交流単相４レベルおよび５レベル電圧波形から直流電圧に変換できるので単相４レベルおよび５レベルAC−DC−AC変換回路として動作できる。

（実施形態９）
図１９は直流リンクキャパシタ84,85,86を中心として対称的に図１３の集積化単相６レベルおよび７レベル変換回路87,88を直流部で接続して単相６レベルおよび７レベルAC−DC−AC変換回路を形成したものである。

図１９に示す集積化単相６レベルおよび７レベルAC−DC−AC変換回路において、実施形態３で示したように、右側単相６レベルおよび７レベル変換回路87は６レベルおよび７レベル電圧波形を出力することができるので直流電圧から交流単相６レベルおよび７レベル電圧波形に変換でき、左側単相６レベルおよび７レベル変換回路88は６レベルおよび７レベル電圧波形を出力して交流単相６レベルおよび７レベル電圧波形から直流電圧に変換できるので単相６レベルおよび７レベルAC−DC−AC変換回路として動作できる。

（実施形態１０）
図２０は直流リンクキャパシタ99を中心として対称的に図１４の集積化３相３レベル変換回路100,101を直流部で接続して３相３レベルAC−DC−AC変換回路を形成したものである。

図２０に示す集積化３相３レベルAC−DC−AC変換回路において、実施形態４で示したように、右側３相３レベル変換回路100は３相３レベル電圧波形を出力して直流電圧から３相交流３レベル電圧波形に変換でき、左側３相３レベル変換回路101は３レベル電圧波形を出力して３相交流３レベル電圧波形から直流電圧に変換できるので３相３レベルAC−DC−AC変換回路として動作できる。

図２０において、集積化３相３レベル変換回路100,101のそれぞれの正負極直流端子は共通となるため、前記集積化３相３レベル変換回路100,101は図２０に示すように、正極端子を共通配線構造として形成され、負極端子を共通配線構造として形成される。

（実施形態１１）
図２１は直流リンクキャパシタ100,101,102,103,104,105を中心として対称的に図１５の集積化３相４レベルおよび5レベル変換回路106,107を直流部で接続して３相４レベルおよび５レベルAC−DC−AC変換回路を形成したものである。

図２１に示す集積化３相４レベル５レベルAC−DC−AC変換回路において、実施形態５で示したように、右側３相６レベルおよび７レベル変換回路106は４レベルおよび５レベル電圧波形を出力して直流電圧から３相交流４レベルおよび５レベル電圧波形に変換でき、左側３相６レベルおよび７レベル変換回路107は４レベルおよび５レベル電圧波形を出力して３相交流４レベルおよび５レベル電圧波形から直流電圧に変換できるので３相４レベルおよび５レベルAC−DC−AC変換回路として動作できる。

（実施形態１２）
図２２は直流リンクキャパシタ108,109,110,111,112,113,114,115,116を中心として対称的に図１６の集積化３相６レベルおよび７レベル変換回路117,118を直流部で接続して３相６レベルおよび７レベルAC−DC−AC変換回路を形成したものである。

図２２に示す集積化３相６レベル７レベルAC−DC−AC変換回路において、実施形態６で示したように、右側３相６レベルおよび７レベル変換回路117は６レベルおよび７レベル電圧波形を出力して直流電圧から３相交流６レベルおよび７レベル電圧波形に変換でき、左側３相６レベルおよび７レベル変換回路118は６レベルおよび７レベル電圧波形を出力して３相交流６レベルおよび７レベル電圧波形から直流電圧に変換できるので３相６レベルおよび７レベルAC−DC−AC変換回路として動作できる。

（実施形態１３）
図２３はAアーム57およびBアーム58の上位アーム141,142における第１および第２スイッチング半導体素子をpチャネルMOSFETで形成することを特徴とする集積化単相３レベル変換回路である。

図２３に示すpチャネルMOSFETとnチャネルMOSFETの組み合わせによる集積化単相３レベル変換回路の動作説明を以下に示す。Aアーム57の上位アーム主半導体素子Sa1と下位アームSa3のゲート駆動回路を同一としてAアーム57の上位アーム主半導体素子Sa2と下位アームSa4のゲート駆動回路を同一とし、上位アーム主半導体素子Sa1,Sa2がオン状態のときは下位アーム主半導体素子Sa3,Sa4は常にオフ状態とされる（即ち、上下アームのオン状態とオフ状態は逆になる）。Aアーム57の上位アーム主半導体素子Sa1,Sa2がオン状態（下位アーム主半導体素子Sa3,Sa4がオフ状態）のときは直流電圧Vc1が交流側へ出力され、上位アーム主半導体素子Sa2がオン状態で上位アーム主半導体素子Sa1がオフ状態（下位アーム主半導体素子Sa3はオン状態、Sa4はオフ状態）のときは零電位が交流側へ出力され、上位アーム主半導体素子Sa1,Sa2がオフ状態（下位アーム主半導体素子Sa3,Sa4がオン状態）のときは負極性電圧−Vc2が交流側へ出力される。Bアーム58についても同一な動作として説明できる。上述のように、主半導体素子のスイッチングを行うことで直流電圧から交流単相３レベル電圧波形へ変換できる。

（実施形態１４）
図２４はAアーム59およびBアーム60の上位アーム143,144における第１から第３スイッチング半導体素子をpチャネルMOSFETで形成することを特徴とする集積化単相４レベル変換回路である。

図２３に示すpチャネルMOSFETとnチャネルMOSFETの組み合わせによる集積化単相４レベル変換回路の動作説明を以下に示す。Aアーム59の上位アーム主半導体素子Sa1と下位アームSa4のゲート駆動回路を同一としてAアーム59の上位アーム主半導体素子Sa2と下位アームSa5のゲート駆動回路を同一としてAアーム59の上位アーム主半導体素子Sa3と下位アームSa6のゲート駆動回路を同一とし、上位アーム主半導体素子Sa1,Sa2,Sa3がオン状態のときは下位アーム主半導体素子Sa4,Sa5,Sa6は常にオフ状態とされる。Aアーム59の上位アーム主半導体素子Sa1,Sa2,Sa3がオン状態（下位アーム主半導体素子Sa4,Sa5,Sa6がオフ状態）のときは直流電圧Vdcが交流側へ出力され、上位アーム主半導体素子Sa2,Sa3がオン状態で上位アーム主半導体素子Sa1がオフ状態（下位アーム主半導体素子Sa4はオン状態、Sa5,Sa6はオフ状態）のときはVc2+Vc3が交流側へ出力され、上位アーム主半導体素子Sa1,Sa2がオフ状態で上位アーム主半導体素子Sa3がオン状態（下位アーム主半導体素子Sa4,Sa5がオン状態、Sa6はオフ状態）のときは負極性の直流電圧−（Vc2+Vc3）が交流側へ出力され、上位アーム主半導体素子Sa1,Sa2,Sa3がオフ状態（下位アーム主半導体素子Sa4,Sa5,Sa6がオン状態）のときは負極性直流電圧−Vdcが交流側へ出力される。Bアーム60についても同一な動作として説明できる。上述のように、主半導体素子のスイッチングを行うことで直流電圧から交流単相４レベル電圧波形へ変換できる。

（実施形態１５）
図２５はAアーム61およびBアーム62の上位アーム145,146における第１から第４スイッチング半導体素子をpチャネルMOSFETで形成することを特徴とする集積化単相５レベル変換回路である。

図２５に示すpチャネルMOSFETとnチャネルMOSFETの組み合わせによる集積化単相５レベル変換回路の動作説明を以下に示す。Aアーム61の上位アーム主半導体素子Sa1と下位アームSa5のゲート駆動回路を同一としてAアーム61の上位アーム主半導体素子Sa2と下位アームSa6のゲート駆動回路を同一としてAアーム61の上位アーム主半導体素子Sa3と下位アームSa7のゲート駆動回路を同一としてAアーム61の上位アーム主半導体素子Sa4と下位アームSa8のゲート駆動回路を同一とし、上位アーム主半導体素子Sa1,Sa2,Sa3,Sa4がオン状態のときは下位アーム主半導体素子Sa5,Sa6,Sa7,Sa8は常にオフ状態とされる。Aアーム61およびBアーム62の主半導体素子の適切なスイッチング制御によりVc1+Vc2、Vc2、零電位、−Vc2、−Vc1+Vc2の５レベルの電圧波形を出力できるため、直流電圧から交流単相５レベル電圧波形へ変換できる。

（実施形態１６）
図２６はAアーム65、Bアーム66およびCアーム67の上位アーム149,150,151における第１および第２スイッチング半導体素子をpチャネルMOSFETで形成することを特徴とする集積化３相３レベル変換回路である。

図２６に示すpチャネルMOSFETとnチャネルMOSFETの組み合わせによる集積化３相３レベル変換回路において、実施形態１３で示したように、集積化単相３レベル変換回路の３並列接続により各相Vc1、零電位、−Vc1の３レベルの電圧を出力できるため、直流電圧から交流３相３レベル電圧波形へ変換できる。

（実施形態１７）
図２７はAアーム68、Bアーム69およびCアーム70の上位アーム152,153,154における第１から第３スイッチング半導体素子をpチャネルMOSFETで形成することを特徴とする集積化３相４レベル変換回路である。

図２７に示すpチャネルMOSFETとnチャネルMOSFETの組み合わせによる集積化３相４レベル変換回路において、実施形態１４で示したように、集積化単相４レベル変換回路の３並列接続により各相Vdc、Vc2+Vc3、−(Vc2+Vc3)、-Vdcの４レベルの電圧を出力できるため、直流電圧から交流３相４レベル電圧波形へ変換できる。

（実施形態１８）
図２８はAアーム71、Bアーム72およびCアーム73の上位アーム155,156,157における第１から第４スイッチング半導体素子をpチャネルMOSFETで形成することを特徴とする集積化３相５レベル変換回路である。

図２８に示すpチャネルMOSFETとnチャネルMOSFETの組み合わせによる集積化３相５レベル変換回路において、実施形態１５で示したように、集積化単相５レベル変換回路の３並列接続により各相Vc1+Vc2、Vc2、零電位、−Vc2、−Vc1+Vc2の５レベルの電圧を出力できるため、直流電圧から交流３相５レベル電圧波形へ変換できる。

（実施形態１９）
図２９は集積化３相１７レベル電力変換器の体積を算出した場合の外形図である。１７レベル変換回路の構成要素として、集積化１７レベル主回路およびゲート駆動回路、直流リンクキャパシタおよび冷却装置である。１７レベル変換回路の出力電圧波形の総合ひずみ率は５％以下となるため、LCフィルタなしで電力変換器を実装できる。

（実施形態２０）
図３０は、現在販売されている３kWモータの体積と集積化３相１７レベル電力変換器の体積を比較した場合の外形図である。

単相電圧形フルブリッジ回路を基本ユニットとするレベルシフト型ゲート駆動回路を備えるパワー集積化回路である。 単相奇数次ｍレベル変換回路を３並列接続した集積化３相奇数次ｍレベル変換回路である。 単相偶数次ｍレベル変換回路を３並列接続した集積化３相偶数次ｍレベル変換回路である。 基本ユニットを（ｍ−１）／２直列接続した集積化単相奇数次ｍレベル変換回路である。 基本ユニットをｍ／２直列接続した集積化単相偶数次ｍレベル変換回路である。 集積化3相奇数次ｍレベル変換回路を用いた集積化3相奇数次ｍレベルAC−DC−AC変換回路である。 集積化3相偶数次ｍレベル変換回路を用いた集積化3相偶数次ｍレベルAC−DC−AC変換回路である。 集積化単相奇数次ｍレベル変換回路を用いた集積化単相奇数次ｍレベルAC−DC−AC変換回路である。 集積化単相偶数次ｍレベル変換回路を用いた集積化単相偶数次ｍレベルAC−DC−AC変換回路である。 pチャネルMOSFETとnチャネルMOSFETの組み合わせによる集積化単相ｍレベル変換回路である。 pチャネルMOSFETとnチャネルMOSFETの組み合わせによる集積化３相mレベル変換回路である。 基本ユニットを２直列接続した集積化単相４レベルおよび５レベル変換回路である。 基本ユニットを3直列接続した集積化単相6レベルおよび7レベル変換回路である。 基本ユニットを３並列接続した集積化３相３レベル変換回路である。 単相４レベルおよび５レベル変換回路を３並列接続した集積化３相４レベルおよび５レベル変換回路である。 単相６レベルおよび７レベル変換回路を３並列接続した集積化３相６レベルおよび７レベル変換回路である。 集積化単相3レベル変換回路を用いた単相３レベルAC−DC−AC変換回路である。 集積化単相4レベルおよび５レベル変換回路を用いた集積化単相４レベルおよび５レベルAC−DC−AC変換回路である。 集積化単相6レベルおよび7レベル変換回路を用いた集積化単相6レベルおよび7レベルAC−DC−AC変換回路である。 集積化3相3レベル変換回路を用いた集積化3相３レベルAC−DC−AC変換回路である。 集積化3相4レベルおよび５レベル変換回路を用いた集積化3相４レベルおよび５レベルAC−DC−AC変換回路である。 集積化3相6レベルおよび7レベル変換回路を用いた集積化3相6レベルおよび7レベルAC−DC−AC変換回路である。 pチャネルMOSFETとnチャネルMOSFETの組み合わせによる集積化単相３レベル変換回路である。 pチャネルMOSFETとnチャネルMOSFETの組み合わせによる集積化単相4レベル変換回路である。 pチャネルMOSFETとnチャネルMOSFETの組み合わせによる集積化単相5レベル変換回路である。 pチャネルMOSFETとnチャネルMOSFETの組み合わせによる集積化３相３レベル変換回路である。 pチャネルMOSFETとnチャネルMOSFETの組み合わせによる集積化３相４レベル変換回路である。 pチャネルMOSFETとnチャネルMOSFETの組み合わせによる集積化３相５レベル変換回路である。 集積化３相１７レベル電力変換器の外形図 集積化３相１７レベル電力変換器と３ｋWモータと体積比較のための外形図 従来の２レベル変換回路の構成図 受動フィルタの構成図 従来のカスケード方式電圧形3レベル変換回路の構成図 従来のカスケード方式電圧形４レベルおよび５レベル変換回路の構成図 従来のカスケード方式電圧形単相奇数次mレベル変換回路の構成図 従来のカスケード方式電圧形３相奇数次mレベル変換回路の構成図 従来のカスケード方式電圧形３相偶数次mレベル変換回路の構成図 従来のカスケード方式電圧形３相偶数次mレベル変換回路の構成図 従来のダイオードクランプ方式電圧形3レベル変換回路の構成図 従来のダイオードクランプ方式電圧形単相ｍレベル変換回路の構成図 従来のダイオードクランプ方式電圧形３相ｍレベル変換回路の構成図

Claims (8)

1. 電圧形単相フルブリッジ変換回路を基本ユニットとする集積化回路において、
   前記基本ユニットの交流端子の一方を出力端子として、もう一方を接地端子として配置し、かつ、直流端子として正極性端子及び負極性端子を配置し、
   低圧側ゲート駆動回路がオン時にダイオードを介して高圧側外付けキャパシタにゲート駆動エネルギーが充電されて、高圧側ゲート駆動回路がオン時に前記高圧側ゲートキャパシタの充電エネルギーが前記高圧側ゲート駆動回路へ駆動エネルギーが供給されるレベルシフト型ゲート駆動回路を備え、
   前記基本ユニットを集積化単相３レベル変換回路として使用し、前期第１基本ユニットから、変換レベル数ｍが奇数の場合は第（m−１）/２基本ユニットまでのそれぞれの交流端子を直列接続して前記直列接続した集積化単相奇数次（m−１）/２レベル変換回路を３並列接続して集積化３相奇数次ｍレベル変換回路を形成し、変換レベル数ｍが偶数の場合は第ｍ/２基本ユニットのそれぞれの交流端子を直列接続して前記直列接続した集積化単相偶数次m/２レベル変換回路を３並列接続して集積化３相偶数次ｍレベル変換回路を形成することを特徴とするパワー集積化回路。
2. 前記基本ユニットの接地端子と第２基本ユニットの出力端子を直列接続して集積化単相４レベルおよび５レベル変換回路を形成し、第１基本ユニットの接地端子と第２基本ユニットの出力端子を直列接続して第２基本ユニットの接地端子と第３基本ユニットの出力端子を直列接続して集積化単相６レベルおよび７レベル変換回路を形成し、、第１基本ユニットから、ｍが奇数の場合は第（m−１）/２基本ユニットのそれぞれの交流端子を直列接続して集積化単相奇数次ｍレベル変換回路を形成し、ｍが偶数の場合は第ｍ/２基本ユニットのそれぞれの交流端子を直列接続して集積化単相偶数次ｍレベル変換回路を形成する請求項１記載のパワー集積化回路。
3. 前記基本ユニットを３並列接続して集積化３相３レベル変換回路を形成し、前記集積化単相４レベルおよび５レベル変換回路を３並列接続して集積化３相４レベルおよび５レベル変換回路を形成し、前記集積化単相奇数次ｍレベル変換回路を３並列接続して集積化３相奇数次ｍレベル変換回路を形成し、前記集積化単相偶数次ｍレベル変換回路を３並列接続して集積化３相偶数次ｍレベル変換回路を形成する請求項２記載のパワー集積化回路。
4. 前記集積化３相ｍレベル変換回路に関して、前記集積化３相奇数次ｍレベル変換回路の各相第１基本ユニットの正負極性端子を共通接続して前記共通接続した正負極性端子に第１直流リンクキャパシタを接続し、各相第２基本ユニットの正負極性端子を共通接続して前記共通接続した正負極性端子に第２直流リンクキャパシタを接続し、各相第（ｍ−１）/２基本ユニットの正負極性端子を共通接続して前記共通接続した正負極性端子に第（ｍ−１）/２直流リンクキャパシタを接続し、前記それぞれ接続した第１直流リンクキャパシタから第（ｍ−１）/２直流リンクキャパシタを中心として対称的に集積化３相奇数次ｍレベル変換回路を接続して集積化３相奇数次ｍレベルＡＣ−ＤＣ−ＡＣ変換回路を形成し、前記集積化３相偶数次ｍレベル変換回路の各相第１基本ユニットの正負極性端子を共通接続して前記共通接続した正負極性端子に第１直流リンクキャパシタを接続し、各相第２基本ユニットの正負極性端子を共通接続して前記共通接続した正負極性端子に第２直流リンクキャパシタを接続し、各相第ｍ/２基本ユニットの正負極性端子を共通接続して前記共通接続した正負極性端子に第ｍ/２直流リンクキャパシタを接続し、前記それぞれ接続した第１直流リンクキャパシタから第ｍ/２直流リンクキャパシタを中心として対称的に集積化３相偶数次ｍレベル変換回路を接続して集積化３相偶数次ｍレベルＡＣ−ＤＣ−ＡＣ変換回路を形成する請求項１記載のパワー集積化回路。
5. 前記集積化単相ｍレベル変換回路に関して、前記単相奇数次ｍレベル変換回路の第１基本ユニットから第（ｍ−１）/２までの正負極性端子に第１直流リンクキャパシタから第（ｍ−１）/２直流リンクキャパシタをそれぞれ接続して前記第１直流リンクキャパシタから第（ｍ−１）/２直流リンクキャパシタを中心として対称的に集積化単相奇数次ｍレベル変換回路を接続して集積化単相奇数次ｍレベルＡＣ−ＤＣ−ＡＣ変換回路を形成し、前記単相偶数次ｍレベル変換回路の第１基本ユニットから第ｍ/２までの正負極性端子に第１直流リンクキャパシタから第ｍ/２直流リンクキャパシタをそれぞれ接続して前記第１直流リンクキャパシタから第ｍ/２直流リンクキャパシタを中心として対称的に集積化単相偶数次ｍレベル変換回路を接続して集積化単相偶数次ｍレベルＡＣ−ＤＣ−ＡＣ変換回路を形成する請求項２記載のパワー集積化回路。
6. 集積化マルチレベル変換回路の配線構造において、前記各相第１基本ユニットの高圧側ゲートドライブ回路における第１直流電源は共通となるため前記各相第１基本ユニットの高圧側ゲートドライブ回路の正極性端子あるいは負極性端子を共通端子とし、前記各相第２基本ユニットの高圧側ゲートドライブ回路における第２直流電源は共通となるため前記各相第２基本ユニットの高圧側ゲートドライブ回路の正極性端子あるいは負極性端子を共通端子とし、前記各相第奇数次（ｍ−１）／２基本ユニットの高圧側ゲートドライブ回路における第奇数次（ｍ−１）／２直流電源は共通となるため前記各相第奇数次（ｍ−１）／２基本ユニットの高圧側ゲートドライブ回路の正極性端子あるいは負極性端子を共通端子とし、前記各相第偶数次ｍ／２基本ユニットの高圧側ゲートドライブ回路における第偶数次ｍ／２直流電源は共通となるため前記各相第偶数次ｍ／２基本ユニットの高圧側ゲートドライブ回路の正極性端子あるいは負極性端子を共通端子とし、低圧側駆動回路についても同様に前記各相第奇数次（ｍ−１）／２基本ユニットあるいは前記各相第偶数次ｍ／２基本ユニットの正極性端子あるいは負極性端子を共通端子として配線を低減する請求項１乃至請求項５のいずれかに記載のパワー集積化回路。
7. 前記集積化３相マルチレベル変換回路の配線構造において、前記各相第１基本ユニットのそれぞれの正極性端子あるいは負極性端子は共通となるため前記各相第１基本ユニットのそれぞれの正極性端子あるいは負極性端子を共通端子とし、前記各相第２基本ユニットのそれぞれの正極性端子あるいは負極性端子は共通となるため前記各相第２基本ユニットのそれぞれの正極性端子あるいは負極性端子を共通端子とし、前記各相第奇数次（ｍ−１）／２基本ユニットのそれぞれの正極性端子あるいは負極性端子は共通となるため前記各相第奇数次（ｍ−１）／２基本ユニットのそれぞれの正極性端子あるいは負極性端子を共通端子とし、前記各相第偶数次ｍ／２基本ユニットのそれぞれの正極性端子あるいは負極性端子は共通となるため前記各相第偶数次ｍ／２基本ユニットのそれぞれの正極性端子あるいは負極性端子を共通端子として配線を低減する請求項６記載のパワー集積化回路。
8. 前記集積化マルチレベル変換回路は、ダイオードクランプ方式マルチレベル変換回路であり、このダイオードクランプ方式マルチレベル変換回路におけるスイッチングパターンに従い、単相および３相上位アームの各半導体素子をpチャネルMOSFETで形成して下位アームの各半導体素子をnチャネルMOSFETで形成し、ゲート駆動回路数を半分に低減した請求項７記載のパワー集積化回路。
   

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