Infineon AN_2107《Quick-reference guide to driving CoolGaN™ GIT HEMTs 600 V (RC interface)》全文精译 — 600 V GIT 的 RC 接口调参速查
原文:Infineon Technologies AG 应用笔记 AN_2107_PL52_2108_141427,V 1.1,Edition 2021-12-02(V 1.0 首发于 2021-08-11),《Quick-reference guide to driving CoolGaN™ GIT HEMTs 600 V — RC interface》,作者 Dr. Bainan Sun,共 12 页。原文 PDF:
90_资料源/GaN_CoolGaN_QuickRef_Driving600V.pdf。 本篇为全文忠实精译:覆盖原文全部章节——文档说明(范围与目的/目标读者,第 1 页)、§1 CoolGaN™ GIT HEMT 与 RC 接口是什么(图 2,第 3 页)、§2 RC 接口的优势(图 3/图 4,第 4 页)、§3 调谐 RC 接口(§3.1 通用调参规则,式 (1)~(3)、表 1,第 5 页;§3.2 典型应用参考配置:硬/软开关表 2 与图 5、IPS 图 6、电机驱动图 7 与表 3,第 6~8 页)、§4 参考文献(第 9 页)、缩写表(第 10 页)、修订历史(第 11 页)。 重要:原文式 (1)~(3) 为分式排版,按 PDF 版面逐式重建;表 1~表 3 全部数值照录;图 2/图 3 的 ASCII 重绘仅供速览,以原 PDF 为准。
本篇与库内文档的关系
本篇是 00 篇(00_CoolGaN栅驱动设计指南全译.md,AN184200)的“查表版”:同一套 GIT 持流物理、同一个 RC 接口电路(元件名 Rss/Rtr/CC ↔ 00 篇的 Rss/Ron/Roff/CC),但把设计方法压缩成逐件调参规则 + 三张速查表(表 1 按档位选 Rss、表 2 按开关速度选 Rtr/CC、表 3 电机驱动降速配方)。两篇公式互证:本篇式 (1) 与 00 篇式 (3) 完全相同(ISS = (VDD−VF)/Rss)。读 GaN 与隔离驱动基础教程 §2.1“GIT 10 V 档另论”后,想直接动手调参的工程师从本篇开始。
译注约定(先读)
- 原文负压记法:-VN / -VNf 为负值电压,而 VN、VNf 本身为正的幅值(原文明确“VN must always be positive”);式 (3) 解出的是幅值 VN。
- 式 (2) 上行分子在 PDF 中断行为“V_D − V_Nf”(VDD 下标被拆),译稿按上下文还原为 VDD;其余符号照印。
- 表 1~3 的“Note”为原文脚注,全录;VDD = 8 V 是三张表的统一基准。
- 图 2/图 3 的 ASCII 为译者按原文版面重绘的速览版(图 4 为四分格电路状态图、图 5~7 为配置图,以文字描述);本次已将图 1~7 与表 2 从原 PDF 按 150 dpi 截取(含完整图题/表头)嵌入下文对应位置(
img/gan_qr_*.png,共 8 张);一切细节以原 PDF 为准。
文档说明(About this document,原 PDF 第 1 页)
范围与目的(Scope and purpose)
本应用笔记介绍用于英飞凌 CoolGaN™ 栅注入高电子迁移率晶体管(GIT HEMT)600 V 栅驱动的 RC 接口配置。首先简要介绍英飞凌 CoolGaN™ GIT HEMT 600 V 的欧姆型 p-GaN 栅结构(ohmic p-GaN gate)与典型驱动电路;使用专用或标准栅驱动器,CoolGaN™ GIT HEMT 都能经 RC 接口轻松驱动。随后给出分步的 RC 接口调参指南;最后以**速查表(look-up tables)**的形式给出不同摆率(slew-rate)要求与目标应用下的典型 RC 接口配置值。
本应用笔记旨在作为驱动英飞凌 CoolGaN™ GIT HEMT 的 RC 接口设计速查指南(图 1)。欲深入了解驱动机理,请参阅《Driving CoolGaN™ GIT HEMT 600 V high electron mobility transistors》[1];此外,想进一步了解 CoolGaN™ GIT HEMT 的栅驱动要求与驱动方案,请查阅白皮书 [4]。
见原 PDF 图 1(第 1 页):CoolGaN™ GIT HEMT 分立器件与 CoolGaN™ IPS(集成功率级)产品家族合影。

目标读者(Intended audience)
主要面向使用 CoolGaN™ GIT HEMT 600 V [2] 与 CoolGaN™ 集成功率级(IPS, Integrated Power Stage)[3] 的应用工程师与电路设计师。
目录结构(原 PDF 第 2 页,导航性内容):1 CoolGaN™ GIT HEMT 与 RC 接口是什么;2 RC 接口的优势;3 调谐 RC 接口(3.1 通用调参规则;3.2 典型应用参考配置);4 参考文献;缩写表;修订历史。
1. CoolGaN™ GIT HEMT 与 RC 接口是什么?(原 PDF 第 3 页)
英飞凌 CoolGaN™ GIT HEMT 是一种面向 600 V 以内功率变换的高效 GaN 晶体管技术。CoolGaN™ GIT HEMT 600 V 采用欧姆型 p-GaN 栅结构,该构造的相关优势包括:
正栅阈值电压——CoolGaN™ GIT HEMT 是常关型(normally-off)器件,其改善的品质因数(FOM)使它成为 SMPS 应用中硅 MOSFET 的理想替代。
稳健可靠的栅驱动——CoolGaN™ GIT HEMT 具有类似二极管的输入特性,这提供了电压钳位,帮助避免栅极过压损伤。
RDS(on) 随漏极电流高度稳定——CoolGaN™ GIT HEMT 导通期间,恒定的栅电流使 RDS(on) 不随漏极电流变化。
虽然 CoolGaN™ GIT HEMT 是稳健的增强型器件,但其栅结构与 MOSFET 不同——表现为一只正向电压 VF 为 3~4 V 的二极管。因此:稳态导通期间需要几 mA 的持续栅电流 Iss;快速开关瞬态则需要高达 1 A 的栅充放电电流 Ion 与 Ioff。由于开关管为常关型且阈值电压 Vth 约 1.2 V,硬开关应用中关断态需要负栅偏压以防栅极误触发。
为避免使用“带两条独立开通通路 + 双极性供电”的专用驱动器,RC 接口是英飞凌为 CoolGaN™ GIT HEMT 600 V 推荐的栅驱动电路(图 2)。门控电路中包含三个元件:
- Rss:稳态栅电流调谐电阻;
- Rtr:瞬态开关速度 dv/dt 调谐电阻;
- CC:耦合电容,作为电荷泵(charge pump)提供快速开关瞬态电流以及负栅偏压。
Rss(Iss 持流通路) GaN 开关
┌──────────[Rss]──────────┐ D
│ Iss → │ │
Driver G├─── CGD(栅漏)
OUT ──┬──[Rtr]──Ion/Ioff──CC──┘G │
VDD │ (瞬态通路:Rtr + CC) ├─ CDS
S1/S2│ │
半桥输出│ G─S 之间:VF > 3 V 栅二极管钳位、
GND └────────────────────────────── S(源极/开尔文源极 SK)
栅源电容 CGS、Vth ~ 1.2 V
见原 PDF 图 2(第 3 页):CoolGaN™ GIT HEMT 600 V 的典型栅驱动 RC 接口——驱动器(VDD 供电、S1/S2 半桥输出、OUT)分两路到栅:Rss 直连(稳态 Iss 持流);Rtr 串 CC(瞬态 Ion/Ioff + 负压泵)。GaN 开关侧标注 CGD、CDS、CGS,栅源间标注“VF > 3 V”与“Vth ~ 1.2V”,源极标注 SK。上图为译者速览重绘,以原 PDF 为准。

2. RC 接口的优势(原 PDF 第 4 页)
RC 接口方案的关键优势包括:
易用——负栅电压可直接用 RC 接口配置调出,栅驱动器内无需电平移位电路;RC 接口兼容专用/标准栅驱动器。
dv/dt 瞬态可控——开通/关断速度、导通态栅电流与关断态反向栅偏压皆可控,可针对 EMI 控制、共模噪声抑制与电机驱动应用精细调谐。
高效驱动——关断瞬态结束后负栅偏压逐渐放电,有利于第三象限(third quadrant)工作时的损耗降低。
CoolGaN™ GIT HEMT 的典型门控波形与门控过程的分段分析见图 3 与图 4。开通瞬态:由 Rtr 与 CC 构成快速充电通路;此后晶体管稳态导通期间,经 Rss 向 CoolGaN™ GIT HEMT 栅极持续注入恒流。关断瞬态:栅电荷经 Rtr 与 CC 放电;关断态:耦合电容 CC 中储存的电荷逐渐放电——这形成负栅电压 -VN,随后幅值逐渐减小至 -VNf。
VGS
VDD ─┐◄─on transient─► ◄─off transient─►
│ ╲
VF ──┼──╲█████████████████████ ← 导通期钳位在 VF(持流平台)
│ ╲(开通瞬态) │
0 ┼────╲───────────────────┼──────────────────── t
│ │╲
│ │ ╲___ ← -VN(关断瞬态后)
-VNf┤ │ ╲________ ← CC 缓放电,负压幅值渐减
见原 PDF 图 3(第 4 页):CoolGaN™ GIT HEMT 典型栅电压——开通瞬态冲向 VDD 后被钳到 VF 平台;关断瞬态跌至 -VN,随后缓放电回到 -VNf(幅值更小)。上图为译者速览重绘,以原 PDF 为准。

见原 PDF 图 4(第 4 页):CoolGaN™ GIT HEMT 门控过程四阶段(a~d 分格电路图):(a) 开通瞬态——Ion 经 Rtr+CC 快速注入;(b) 导通态——Iss 经 Rss 持续灌入;(c) 关断瞬态——Ioff 经 Rtr/CC 快速抽出;(d) 关断态——CC 上的电荷缓放电,栅极维持 -VN → -VNf 负偏。

3. 调谐 RC 接口(Tuning the RC interface,原 PDF 第 5~8 页)
3.1 通用调参规则(原 PDF 第 5 页)
Rss 调谐——Rss 按栅电压 VDD、栅二极管正向压降 VF(3~4 V)与期望的导通态栅电流 Iss 调谐。不同 RDS(on) 档位器件的 Rss 参考取值见表 1。
需要注意:表中参考 Iss 与 Rss 值的目标是在典型应用中把器件维持在低 RDS(on)。在源电流较小的应用中,器件 RDS(on) 对 Iss 的依赖度低——此时可选更大的 Rss 以降低栅驱动损耗、获得更高的整体效率;在源电流较大的应用中,应选更小的 Rss 以维持器件处于最低 RDS(on)。请始终参照 CoolGaN™ GIT HEMT 与 CoolGaN™ IPS 产品 datasheet 中的典型漏源导通电阻曲线,在不同源电流用例下微调。
$$I_{ss} = \frac{V_{DD} - V_F}{R_{ss}} \qquad \text{(式 (1),原 PDF 第 5 页)}$$
表 1:不同 CoolGaN™ GIT HEMT 的参考 Iss 值(全录)
| 55 mΩ | 100 mΩ | 140 mΩ | 200 mΩ | 270 mΩ | 500 mΩ | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| RDS(on,typ) | 55 mΩ | 100 mΩ | 140 mΩ | 200 mΩ | 270 mΩ | 500 mΩ |
| RDS(on,max) | 70 mΩ | 130 mΩ | 190 mΩ | 260 mΩ | 340 mΩ | 650 mΩ |
| 参考 Iss | 10~12 mA | 5~6 mA | 3~4 mA | ~3 mA | ~2 mA | ~1 mA |
| 参考 Rss | 470 Ω | 860 Ω | 1.2 kΩ | 1.5 kΩ | 2.2 kΩ | 4 kΩ |
注(原文):参考 Rss 值按 VDD = 8 V 给出。
Rtr 调谐——Rtr 按不同应用期望的开关摆率调谐。硬开关条件下,希望低 Rtr 以获得高摆率、从而降低硬开关损耗:RDS(on,typ) = 140 mΩ 器件在 VDD = 8 V 下的典型 Rtr 值在 20~50 Ω 范围内;该值可按期望摆率折算到其他欧姆档器件。软开关条件下,Rtr 的选取不敏感(uncritical)。最大源/灌电流可按下式量化:
$$I_{on,max} \sim \frac{V_{DD} - V_{Nf}}{R_{tr}}\,,\qquad I_{off,max} \sim \frac{V_{th} + V_{N}}{R_{tr}} \qquad \text{(式 (2),原 PDF 第 5 页)}$$
[译注:式 (2) 按印刷原样转录(上行的 VDD 系下标断行修复)。原文以 VN/VNf 记正幅值、以 -VN/-VNf 记负电压,本式未展开符号推导,直接使用时请注意口径——属「待核实」项,机理详见参考文献 [1]。]
CC 调谐——CC 按晶体管关断态期望的负栅压偏置 -VN 调谐。VN 必须始终为正,可按下式量化:
$$V_{N} = \frac{C_C \cdot (V_{DD} - V_F) - Q_{Geq}}{C_C + C_{GS}} \qquad \text{(式 (3),原 PDF 第 5 页)}$$
其中 QGeq 为等效开关栅电荷(硬开关系统取 QGeq = QGS;软开关系统取 QGeq ~ QGS + QGD)。
硬开关条件下,建议 VN 在 4~5 V 左右(视拓扑与摆率而定)——需在“抗误触发能力”与“第三象限工作损耗”之间做折中。软开关条件下,VN 可降到 2 V,在特定软开关拓扑中甚至可接近零。
3.2 典型应用的参考 RC 接口调参(原 PDF 第 6~8 页)
3.2.1 硬开关与软开关(原 PDF 第 6 页)
硬开关应用中,开通摆率应受控良好,以在开关损耗与漏源电压过冲之间取得折中。硬开关应用的典型 RC 接口设计见表 2。
表 2:硬开关应用中的典型 RC 接口设计(全录)
| RDS(on,typ) | RDS(on,max) | Rtr | Rss | CC | 开通摆率 | -VN |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 55 mΩ | 70 mΩ | 5.6 Ω | 470 Ω | 3.3 nF | ~105 V/ns | ~-3 V |
| 10 Ω | 470 Ω | 3.3 nF | ~90 V/ns | ~-3 V | ||
| 15 Ω | 470 Ω | 3.3 nF | ~75 V/ns | ~-3 V | ||
| 10 Ω | 470 Ω | 4.7 nF | ~90 V/ns | -4 V ~ -5 V | ||
| 140 mΩ | 190 mΩ | 20 Ω | 1.8 kΩ | 1.5 nF | ~100 V/ns | ~-3 V |
| 27 Ω | 1.8 kΩ | 1.5 nF | ~80 V/ns | ~-3 V | ||
| 47 Ω | 1.8 kΩ | 1.5 nF | ~60 V/ns | ~-3 V | ||
| 20 Ω | 1.8 kΩ | 3.3 nF | ~100 V/ns | -4 V ~ -5 V |
注(原文):参考值基于 EiceDRIVER™ 1EDi/2EDi 系列栅驱动器与 VDD = 8 V 给出;应用中的摆率受系统设计与 PCB 布局影响。

见原 PDF 图 5(第 6 页):分立栅通路应用的 CoolGaN™ GIT HEMT 参考 RC 接口设计——(a) 栅驱动器带独立输出通路时,开通与关断各配独立瞬态电阻 Rtr_on / Rtr_off;(b) 驱动器单一输出时,在关断环路中加装二极管,以独立控制开通与关断速度。

设计带分立栅通路的栅驱动器时,RC 接口可配置独立的开通瞬态电阻 Rtr_on 与关断瞬态电阻 Rtr_off(图 5(a));驱动器为统一输出时,可在关断环路加装一只二极管来独立控制开通/关断速度(图 5(b))。硬开关应用中:选较大的 Rtr_on 以避免漏源电压过冲;选较小的 Rtr_off 以保证栅环路振荡得到充分阻尼。
软开关应用中,功率开关上不会同时出现大电流与高电压——电压瞬态慢得多,典型斜率仅几 V/ns。负栅压偏置(-VN)应选得尽可能低,建议在 -2 V 以内。Rtr_on 与 Rtr_off 在软开关中明显不关键,可选得比硬开关应用更高。
3.2.2 CoolGaN™ IPS 产品(原 PDF 第 7 页)
见原 PDF 图 6(第 7 页):CoolGaN™ IPS 产品中的 RC 接口配置——单通道产品(OUTsrc/OUTsnk → Rss + Rtr + CC → G)与半桥产品(OUTH/GH、OUTL/GL 两通道各配 Rss、Rtr、CC)的接法;半桥还可按 (右图) 配置独立的 Rtr_on/Rtr_off。

RC 接口电路同样兼容 CoolGaN™ IPS 产品:同样的调谐电路与方法可配置到半桥与单通道产品中(图 6)。
3.2.3 电机驱动应用(原 PDF 第 7~8 页)
CoolGaN™ GIT HEMT 在电机驱动应用中的优势:低开关损耗、小体积、高温度稳定性。考虑电机绕组的物理限制,CoolGaN™ GIT HEMT 的摆率应大幅降低。为达此目标,应配置图 7 所示的 RC 接口。
见原 PDF 图 7(第 7 页):电机驱动应用的 CoolGaN™ GIT HEMT 参考 RC 接口配置——在图 2 基础上增加:栅源外部并联电容 Cgs_ext、栅漏外部并联电容 Cgd_ext(经阻尼电阻 Rdamp 接漏极)、关断环路二极管 Doff(与 Rtr_off 构成低阻关断通路)、独立 Rtr_on/Rtr_off。

表 3:电机驱动应用的 CoolGaN™ GIT HEMT 参考 RC 接口设计(全录)
| RDS(on,typ) | RDS(on,max) | Rtr_on | Rtr_off | CC | Rss | Cgd_ext | Rdamp | Cgs_ext | 摆率 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 270 mΩ | 340 mΩ | 200 Ω | 20 Ω | 3 nF | 2 kΩ | 5~9 pF | 50 Ω | 100 pF | ~5 V/ns |
| 270 mΩ | 340 mΩ | 200 Ω | 20 Ω | 3 nF | 2 kΩ | 不装(w/o) | 不装(w/o) | 2 nF | ~10 V/ns |
注(原文):参考值基于 EiceDRIVER™ 1EDi/2EDi 系列栅驱动器与 VDD = 8 V 给出;应用中的摆率受系统设计与 PCB 布局影响。
表 3 所示 RC 接口值作为电机驱动应用的参考设计:选大的栅开通电阻 Rtr_on 减慢开关速度;由 Rtr_off 与 Doff 构成的低栅阻通路提供安全的关断条件。在晶体管输入端并联外部电容 Cgs_ext 与 Cgd_ext,把开关速度压到 5 V/ns 并防止误触发;Rdamp 装在 Cgd_ext 通路中,防止不希望的栅极振铃。对空间受限的应用,不希望用耐压高的 Cgd_ext 电容——此时可选更大的 Cgs_ext 把摆率降到 10 V/ns。
4. 参考文献(References,原 PDF 第 9 页,全译)
- Application note: Driving CoolGaN™ GIT HEMT 600 V high electron mobility transistors(驱动机理的深入阐述)
- Infineon CoolGaN™ HEMT: https://www.infineon.com/coolgan
- Infineon CoolGaN™ Integrated Power Stage (IPS): https://www.infineon.com/coolgan-ips
- White paper: Gallium nitride - Gate drive solutions for CoolGaN™ GIT HEMTs
缩写表(List of abbreviations,原 PDF 第 10 页,全录全译)
| 缩写 | 全称/含义 |
|---|---|
| HEMT | 高电子迁移率晶体管(high electron mobility transistor) |
| CoolGaN™ IPS | CoolGaN™ 集成功率级(Integrated Power Stage) |
| MOSFET | 金属氧化物半导体场效应晶体管 |
| SMPS | 开关模式电源(switch-mode power supply) |
| RDS(on) | 晶体管导通电阻 |
| RDS(on,typ) / RDS(on,max) | 导通电阻典型值 / 最大值 |
| VF | 栅二极管正向压降 |
| Vth | 栅阈值电压 |
| Ion / Ioff | 栅开通电流 / 栅关断电流 |
| Rss | 稳态栅电流调谐电阻 |
| Rtr | 瞬态开关速度 dv/dt 调谐电阻 |
| Rtr_on / Rtr_off | 开通瞬态电阻 / 关断瞬态电阻 |
| CC | 栅耦合电容 |
| -VN | 晶体管关断态起始的负栅电压 |
| -VNf | 晶体管关断态结束时的负栅电压 |
| VDD | 栅供电电压 |
| VGS | 栅源电压 |
| Iss | 导通态栅电流 |
| Ion,max / Ioff,max | 瞬态最大栅开通电流 / 栅关断电流 |
| Qgeq | 等效开关栅电荷 |
| CGS | 栅源电容 |
| QGS / QGD | 栅源电荷 / 栅漏电荷 |
| Cgd_ext / Cgs_ext | 外部栅漏电容 / 外部栅源电容 |
| Rdamp | 外部栅漏电容通路中的阻尼电阻 |
修订历史(Revision history,原 PDF 第 11 页,全译)
| 文档版本 | 发布日期 | 变更说明 |
|---|---|---|
| V 1.0 | 2021-08-11 | 首次发布 |
| V 1.1 | 2021-12-02 | 更新 CoolGaN™ GIT HEMT 的命名(Updated denomination) |
(原文末页为商标声明与 IMPORTANT NOTICE:© 2021 Infineon Technologies AG;本 AN 信息仅作为产品实现的提示,绝不应被视为对产品某特定功能的描述或担保;实施前用户必须在真实应用中验证所有功能与技术信息;条款示意照录,以原 PDF 为准。)
译者附注(全库视角)
- 逐件调参速记(表 1 的规律):RDS(on) 每升一档(约 ×1.4~1.9),Iss 约减半、Rss 约翻倍——55 mΩ→470 Ω(10~12 mA)、100 mΩ→860 Ω(5~6 mA)、140 mΩ→1.2 kΩ(3~4 mA)、200/270/500 mΩ→1.5/2.2/4 kΩ(约 3/2/1 mA),全部按式 (1) @ VDD=8 V、VF≈3.5~4 V 换算(例:(8−3.5)/470 ≈ 9.6 mA,落在 10~12 mA 档下沿)。轻载可加大 Rss 省驱动损耗,重载必须减小 Rss 保最低 RDS(on)——微调以 datasheet 的 RDS(on)~Iss 曲线为准。
- 三场景取值锚点:硬开关——VN 4~5 V、表 2 的 Rtr/CC 按“摆率换电阻”(55 mΩ 档 5.6→15 Ω 对应 ~105→75 V/ns);软开关——-VN 收到 -2 V 以内、Rtr 不关键;电机驱动——表 3 两条降速配方(Cgd_ext 5~9 pF + Rdamp 50 Ω + Cgs_ext 100 pF → ~5 V/ns;省掉高压 Cgd_ext、Cgs_ext 加大到 2 nF → ~10 V/ns)。
- 与 00 篇(AN184200)的互证:式 (1) = 00 篇式 (3);00 篇例 1(55 mΩ 档、20 A LLC)取 ISS 15 mA @ VDD 9 V,比本表 1 的 10~12 mA 高——因叠加了 15% 非理想裕量与大电流工况(两篇口径差异属各自设计余量策略,非矛盾);本篇式 (3) 的 VN 公式与 00 篇式 (1) 的“CC ≥ k×Qg/(VDD−VF)”是同一电荷泵核算的两种写法(k 即本篇 CC 设计的安全系数口径)[此句为译者对照,机理细节以 [1] 为准]。
- OCR/转写存疑点:① 式 (2) 上行分子 PDF 印刷断行(V_D + D),已还原为 VDD;式 (2) 的符号约定(VN/VNf 幅值口径)原文未展开,「待核实」;② 表 2/表 3 在 PDF 中为合并单元格表格(RDS(on) 跨行),译稿按行展开,数值逐一核对无缺漏;③ 图 6 原图版面拥挤(三组 IPS 接法并排),细节以原 PDF 为准。
- 与库内 EVM 的呼应:本篇表 2 的“EiceDRIVER™ 1EDi/2EDi + VDD=8 V”是英飞凌自家驱动器口径;库内 onsemi/TI 板的 GaN 实装对照——NCP1680 板快桥臂 GS66508B(eGaN,5~6 V 窄窗压驱,NCP51820 驱动)与 EVBUM2886 的 NCP58921(集成驱动 GIT 之外的另一路集成化),见 GaN 与隔离驱动基础教程 §C——eGaN 压驱与 GIT 持流驱的架构差异在读那两篇 EVM 时可回本篇图 2/图 4 对号。
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