Apparatus and method for stray leakage current reduction

Abstract

A transformer (200) comprises a core (201) that includes a first base member (210), a second base member (214), a central limb (207, 211) extending between the first and second base members and having a central axis extending longitudinally therethrough, and a pair of outer limbs (208, 209, 212, 213) extending between the first and second base members. A primary winding (216) is wound around the central limb, and an electrically conductive winding (219) wound about the core. A winding axis of the electrically conductive winding is normal to the central axis.

Description

APPARATUS AND METHOD FOR STRAY LEAKAGE CURRENT REDUCTIONTECHNICAL FIELD

[0001] Aspects of the disclosure relate to (AC-DC) power supply, and more particularly to reducing patient leakage current for Type CF application.BACKGROUND

[0002] A power supply unit is an electrical device that supplies electric power to output load. Indeed, power supply units typically have a power input connection, which receives energy in the form of electric current from a source, and one or more power output connections that deliver current to the load. The primary function of a power supply is to convert electric current from a source to a correct voltage, current, and frequency to power a load. Indeed, a power supply unit may perform a variety of functions, such as, but not limited to, power conversion, alternating current to direct current (AC-DC) or DC-DC conversion, adjusting voltage levels, and providing backup power during power grid outages. A power supply system typically includes multiple power sources (or power supply units) that provide power and power management functionality including load current sharing among the multiple power sources.

[0003] Power conversion circuits can include a power transformer where a transfer of power from a primary coil to a secondary coil via induction provides isolation between a primary, input side of the circuit and a secondary, output side of the circuit. However, the power transformer can be the source of unwanted stray magnetic field interference with adjacent circuitry and can contribute to electromagnetic interference to surrounding devices and circuits.

[0004] One method used to reduce such interference is illustrated in FIG. 1. A transformer 100 includes a core 101 having a center leg 102 and a pair of outer legs 103, 104. As shown, the core 101 may be an EE-shaped core, where a first E-shaped core portion 105 is positioned opposite a second E-shaped core portion 106. The first E-shaped core portion 105 includes a first center limb member 107 and first outer leg portions 108, 109 extending from a top base portion or member 110, while the second E-shaped core portion 106 includes an additional center leg portion 111 and additional outer leg portions 112, 113 extending from a bottom  base portion or member 114. A central, longitudinal axis 115 of the center leg 102 is illustrated extending through the core 101.

[0005] Two or more windings 116, 117 are wrapped about the center leg 102 and may include a primary and a secondary winding. Being wrapped about the center leg 102, the longitudinal axis 115 of the center leg 102 also acts as the winding axis for the two or more windings 116, 117. An arrow 118 illustrated in FIG. 1 shows a winding direction of the two or more windings 116, 117 about the longitudinal axis 115.

[0006] To reduce effects of stray magnetic field interference, a flux band 119 is wound about an outer portion of the core 101. The flux band 119 may be formed via a copper band or other electrically conductive material. Similar to the two or more windings 116, 117, the winding axis of the flux band 119 also corresponds to the longitudinal axis 115, and the winding direction of the flux band 119 may also be represented by the arrow 118. The flux band 119 acts to electromagnetically couple with flux straying outside the core 101 and generates opposing currents that partially reduce radiated emissions. Being located on the outside of the core 101, the flux band 119 has minimal impact on the main operation of the transformer.

[0007] While a flux band wrapped about a transformer as illustrated in FIG. 1 may reduce effects of stray magnetic field interference, it is desirable to improve the interference reduction.SUMMARY

[0008] In accordance with one aspect of the present disclosure, a transformer comprises a core that includes a first base member, a second base member, a central limb extending between the first and second base members and having a central axis extending longitudinally therethrough, and a pair of outer limbs extending between the first and second base members. A primary winding is wound around the central limb, and an electrically conductive winding wound about the core. A winding axis of the electrically conductive winding is normal to the central axis.

[0009] In accordance with another aspect of the present disclosure, a method of making a transformer comprises winding a primary winding about a central limb of a transformer core, the central limb having a central axis extending through a central limb in a longitudinal  direction. The method also comprises winding an electrical conductor about an outside perimeter of the transformer core. The outside perimeter is formed via an outer surface of a first end member, an outer surface of a second end member, an outer surface of a first outer limb extending between the first and second end members, and an outer surface of a second outer limb extending between the first and second end members. The outside perimeter encircles a winding axis extending through a center of the transformer core in a direction perpendicular to the longitudinal direction.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

[0010] The drawings illustrate embodiments presently contemplated for carrying out the invention.

[0011] In the drawings:

[0012] FIG. 1 is an isometric view of a transformer illustrating a prior art method for reducing stray magnetic field interference.

[0013] FIG. 2 is an isometric view of a transformer illustrating a novel apparatus and method for reducing stray magnetic field interference and stray capacitance between windings and core according to an example.

[0014] FIG. 3 is a schematic view of the transformer of FIG. 2 according to an example.

[0015] FIG. 4 illustrates a resonant half-bridge LLC converter incorporating the transformer of FIG. 2 according to an example.

[0016] FIGS. 5-13 illustrate steps for mannufacturing a transformer of this disclosure according to an example.

[0017] While the present disclosure is susceptible to various modifications and alternative forms, specific embodiments thereof have been shown by way of example in the drawings and are herein described in detail. It should be understood, however, that the description herein of specific embodiments is not intended to limit the present disclosure to the particular forms disclosed, but on the contrary, the intention is to cover all modifications, equivalents, and alternatives falling within the spirit and scope of the present disclosure. Note that corresponding reference numerals indicate corresponding parts throughout the several views of the drawings.DETAILED DESCRIPTION

[0018] Examples of the present disclosure will now be described more fully with reference to the accompanying drawings. The following description is merely exemplary in nature and is not intended to limit the present disclosure, application, or uses.

[0019] Example embodiments are provided so that this disclosure will be thorough and will fully convey the scope to those who are skilled in the art. Numerous specific details are set forth such as examples of specific components, devices, and methods, to provide a thorough understanding of embodiments of the present disclosure. It will be apparent to those skilled in the art that specific details need not be employed, that example embodiments may be embodied in many different forms and that neither should be construed to limit the scope of the disclosure. In some example embodiments, well-known processes, well-known device structures, and well-known technologies are not described in detail.

[0020] Although the disclosure hereof is detailed and exact to enable those skilled in the art to practice the invention, the physical embodiments herein disclosed merely exemplify the invention which may be embodied in other specific structures. While the preferred embodiment has been described, the details may be changed without departing from the invention, which is defined by the claims.

[0021] FIG. 2 illustrates a transformer 200 illustrating a novel apparatus and method for reducing stray magnetic field interference and stray capacitance between windings and core according to an example. FIG. 3 illustrates is a schematic view of the transformer 200 of FIG. 2 according to an example. Referring to FIGS. 2 and 3, the transformer 200 includes a core 201 having a center limb or leg 202 and a pair of outer limbs or legs 203, 204. The core 201 may be an EE or PQ -shaped core. As shown, an EE core is used as an example where a first E-shaped core portion 205 is positioned opposite a second E-shaped core portion 206. The first E-shaped core portion 205 includes a first center limb member or portion 207 and first outer limb members or portions 208, 209 extending from a top base member 210, while the second E-shaped core portion 206 includes an additional center limb member or portion 211 and additional outer limb members or portions 212, 213 extending from a bottom base member 214. A central, longitudinal axis 215 of the center limb 202 is illustrated extending through the core 201.

[0022] Two or more windings 216, 217 are wrapped about the center limb 202 and may include a primary and a secondary winding. It is contemplated, however, that only a single winding may be wrapped about the center limb 202. The longitudinal axis 215 of the center limb 202 also acts as the winding axis for the two or more windings 216, 217. An arrow 218 illustrated in FIG. 1 shows a winding direction of the two or more windings 216, 217 about the longitudinal axis 215.

[0023] An electrically conductive loop or wrap 219 is wrapped or wound about the core 201 such that a winding axis 220 of the conductive wrap 219 is orthogonal to the longitudinal axis 215 of the center limb 202. An arrow 221 illustrates an exemplary winding direction of the conductive wrap 219 about the core 201. In one embodiment, the conductive wrap 219 comprises a copper foil and may be implemented as a tape.

[0024] The conductive wrap 219 is wrapped so as to follow a perimeter of the core 201. In a preferred embodiment, the conductive wrap 219 is tightly wound about the perimeter to eliminate air gaps between the core 201 and the conductive wrap 219. The perimeter is formed via an outer surface 222 of the top member 210, outer surfaces 223-224 of the pair of outer limbs 203, 204, and an outer surface 225 of the bottom member 214. In this manner, the conductive wrap 219 avoids engagement with either the primary winding 216 or the secondary winding 217. As shown, a width of the conductive wrap 219 is less than a width of the perimeter surfaces (e.g., the outer surfaces 222-225) such that one or more portions of the perimeter surfaces are not covered by the conductive wrap 219. In some embodiments, the width of the conductive wrap 219 may meet or exceed the widths of the perimeter surfaces. As shown in FIGS. 2 and 3, the conductive wrap 219 intersects the longitudinal axis 215 of the center limb 202 along the outer surface 222 of the top member 210 and intersects the longitudinal axis 215 along the outer surface 225 of the bottom member 214. Thus, the conductive wrap 219 intersects the longitudinal axis 215 at least twice.

[0025] As shown in FIG. 3, the primary winding 216 may be split into two coils including a first primary winding portion 226 wrapped about the first center limb portion 207 and a second primary winding portion 227 wrapped about the second center limb portion 211. The secondary winding 217 is also split into two windings including a first secondary winding portion 228 wrapped about the first center limb portion 207 and a second secondary winding portion 229 wrapped about the second center limb portion 211. A first electrical insulator 230 separates the first primary winding portion 226 from the first secondary winding portion 228  on the first center limb portion 207. A second electrical insulator 231 separates the second primary winding portion 227 from the second secondary winding portion 229 on the center limb portion 211. The first and second center limb portions 207, 211 are further separated by an air gap 232, while the outer limb portions 208 / 212 and 209 / 213 abut each other with any air gap formed there between.

[0026] As shown in FIG. 2 and 3, the conductive wrap 219 is electrically coupled to a circuit return 233 via a capacitor 234. This connection ensures a greater effectiveness (e.g., compared with leaving the conductive wrap 219 floating with respect to the return 233) in reducing the stray magnetic field interference. In one embodiment, the return 233 is a protective earth return or connection. In another embodiment, the return 233 is a primary return of the power supply. The capacitor 234 includes a Y-capacitor, which includes a safety certification and is often used in line filtering applications. The Y-capacitor, also known as a line-to-ground capacitor, is designed to fail open.

[0027] FIG. 4 illustrates an LLC voltage converter 400 incorporating the transformer 200 of FIG. 2 according to an example. The voltage converter 400 is shown as a resonant half-bridge LLC converter. However, other types of power supplies incorporating a transformer are also contemplated within the scope of this disclosure. For example, other resonant converters may be a full-bridge LLC series converter, half-or full-bridge LCC converters, LC converters, and the like.

[0028] The LLC converter 400 includes two power switches 401, 402 on a primary side 403 of the transformer 200 coupled to a voltage input 404 having a pair of input terminals 405, 406 and coupled to two capacitors 407-408 coupled to the transformer 200. A resonant inductance (illustrated as inductor 409) is achieved within the transformer 200 via the separation of the first and second primary winding portions 226, 227 from the respective first and second secondary winding portions 228, 229 by the first and second electrical insulators 230, 231. The air gap 232 shown in FIG. 3 defines the magnetizing inductance (illustrated as inductor 410) . The capacitors 407-408 and inductances 409, 410 form the resonant LLC tank. A rectifying circuit 411 is coupled to a secondary side 412 of the transformer 200. The rectifying circuit 411 is shown as a full-wave rectifier including a pair of synchronous rectifier switches 413-414 coupled to a center-tapped secondary winding (e.g., Ns1, Ns2) of the transformer 200. In other configurations, the rectifying circuit 411 may include diodes in place of the synchronous rectifier switches 413-414. As shown in FIG. 4, a secondary side  controller 415 may be configured to drive the power switches 401-402 through an isolation component 416 using pulse-width modulation (PWM) signals.

[0029] The return 233 of FIG. 4 may couple the conductive wrap 219 (FIG. 3) of the transformer 200 to a protective earth return 417 or to the primary return 418 coupled to the input terminal 406. In another embodiment, the capacitor 234 is not used, and the conductive wrap 219 is directly coupled to the protective earth return 417 or to the primary return 418.

[0030] FIGS. 5-13 illustrate steps for mannufacturing a transformer of this disclosure according to an example. As shown in FIG. 5, in one embodiment, the first primary winding portion 226 is wound about the first center limb portion 207 of the first E-shaped core portion 205. The first electrical insulator 230 is positioned adjacently to the first primary winding portion 226, and the first secondary winding portion 228 is wound about the first center limb portion 207. In another embodiment, the first primary winding portion 226 and the first secondary winding portion 228 may be pre-wound into inductive coils prior to positioning them about the first center limb portion 207.

[0031] FIG. 6 shows, in one embodiment, the second primary winding portion 227 is wound about the center limb portion 211 of the second E-shaped core portion 206. The second electrical insulator 231 is positioned adjacently to the second primary winding portion 227, and the second secondary winding portion 229 is wound about the center limb portion 211. In another embodiment, the second primary winding portion 227 and the second secondary winding portion 229 may be pre-wound into inductive coils prior to positioning them about the center limb portion 211.

[0032] In FIG. 7, the first and second E-shaped core portions 205, 206 of the core 201 are abutted with each other, and wire portions 700 of the first and second primary winding portion 226, 227 and of the first and second secondary winding portions 228, 229 are coupled to a substrate 701 such as a printed circuit board (PCB) . The substrate 701 further supports the core 201.

[0033] In FIG. 8, a first end 800 of the conductive wrap 219 is coupled to the core 201 such as using a solder connection 801. The conductive wrap 219 is wrapped around the core 201 as described herein and terminated, as shown in FIG. 9, at a second end 900 by using another solder connection 901. While two solder connections 801, 901 are shown, it is contemplated that the second end 900 of the conductive wrap 219 may be terminated adjacently to the first  end 800 and the solder connection 801 reused to also secure the second end 900 of the conductive wrap 219 to the core 201.

[0034] The conductive wrap 219 is electrically coupled to a pin 1000, as illustrated in FIG. 10, using a wire 1001. A first end 1002 of the wire 1001 is coupled to the conductive wrap 219 using, for example, another solder connection 1003. However, it is contemplated that either solder connection 801, 901 may alternatively be used. A second end 1004 of the wire 1001 is soldered to the pin 1000.

[0035] In addition to wrapping the core 201 with the conductive wrap 219, additional insulation may be wrapped around portions of the core 201. For example, as illustrated in FIG. 11, a layer of electrically insulative polyimide film 1100 may be wrapped as shown about an end of the first E-shaped core portion 205 adjacent to the top member 210. FIG. 12 illustrates further wrapping of the core 201 with one or more additional layers of polyimide film 1200.

[0036] FIG. 13 illustrates coupling the pin 1000 of the substrate 701 with the Y-capacitor 234 of FIG. 2 to couple the conductive wrap 219 to the return 233. In the embodiment shown, the substrate 701 is coupled to another PCB substrate 1300 having one or more electrical connections between the pin 1000 and a first pin 1301 of the capacitor 234. A second pin 1302 of the capacitor 234 is coupled with the return 233. In another embodiment, the capacitor 234 is not used, and the substrate 1300 includes one or more electrical connections between the pin 1000 and the return 233 without passing through the capacitor 234.

[0037] Embodiments of the disclosure provide a simple way to reduce stray leakage current.

[0038] While the invention has been described in detail in connection with only a limited number of embodiments, it should be readily understood that the invention is not limited to such disclosed embodiments. Rather, the invention can be modified to incorporate any number of variations, alterations, substitutions or equivalent arrangements not heretofore described, but which are commensurate with the spirit and scope of the present disclosure. Additionally, while various embodiments of the present disclosure have been described, it is to be understood that aspects of the present disclosure may include only some of the described embodiments. Accordingly, the invention is not to be seen as limited by the foregoing description but is only limited by the scope of the appended claims.

Claims

1.A transformer comprising:a core comprising:a first base member;a second base member;a central limb extending between the first and second base members and having a central axis extending longitudinally therethrough; anda pair of outer limbs extending between the first and second base members;a primary winding wound around the central limb;an electrically conductive winding wound about the core, wherein a winding axis of the electrically conductive winding is normal to the central axis.2.The transformer of claim 1 further comprising a return wire electrically coupling the electrically conductive winding to a circuit return via a capacitor.3.The transformer of claim 2, wherein the capacitor comprises a Y-capacitor.4.The transformer of claim 2, wherein the circuit return comprises one of a protective earth return and a primary return.5.The transformer of claim 1, wherein the electrically conductive winding comprises a copper foil.6.The transformer of claim 1, wherein the electrically conductive winding avoids engagement with any portion of the primary winding.7.The transformer of claim 1, wherein:the central limb comprises:a first limb member extending from the first base member; anda second limb member extending from the second base member;a first outer limb of the pair of outer limbs comprises:a first limb member extending from the first base member; anda second limb member extending from the second base member; anda second outer limb of the pair of outer limbs comprises:a first limb member extending from the first base member; anda second limb member extending from the second base member.8.The transformer of claim 7, wherein:the primary winding comprises:a first primary winding portion wound about the first limb member of the central limb; anda second primary winding portion wound about the second limb member of the central limb; andthe transformer further comprises a secondary winding comprising:a first secondary winding portion wound about the first limb member of the central limb; anda second secondary winding portion wound about the second limb member of the central limb.9.The transformer of claim 7, wherein an air gap is formed between the first and second limb members of the central limb.10.The transformer of claim 9, wherein the first and second limb members of the first outer limb and the first and second limb members of the second outer limb abut each other without an air gap formed therebetween.11.The transformer of claim 7, wherein the core comprises:a first E-shaped portion comprising:the first base member;the first limb member of the central limb;the first limb member of the first outer limb; andthe first limb member of the second outer limb; anda second E-shaped portion comprising:the second base member;the second limb member of the central limb;the second limb member of the first outer limb; andthe second limb member of the second outer limb.12.The transformer of claim 1, wherein the electrically conductive winding is wound about a perimeter of the core; andwherein the perimeter is formed via:an outer surface of the first base member;an outer surface of the second base member;an outer surface of a first outer limb of the pair of outer limbs; andan outer surface of a second outer limb of the pair of outer limbs.13.A method of making a transformer comprising:winding a primary winding about a central limb of a transformer core, the central limb having a central axis extending through a central limb in a longitudinal direction; andwinding an electrical conductor about an outside perimeter of the transformer core;wherein the outside perimeter is formed via:an outer surface of a first end member;an outer surface of a second end member;an outer surface of a first outer limb extending between the first and second end members; andan outer surface of a second outer limb extending between the first and second end members; andwherein the outside perimeter encircles a winding axis extending through a center of the transformer core in a direction perpendicular to the longitudinal direction.14.The method of claim 13, wherein winding the electrical conductor about the outside perimeter of the transformer core comprises intersecting the central axis at least twice.15.The method of claim 13 further comprising:electrically coupling the electrical conductor to a capacitor; andelectrically coupling the capacitor to a circuit return.16.The method of claim 15, wherein the capacitor comprises a Y-capacitor.17.The method of claim 15, wherein the circuit return comprises one of a protective earth return and a primary return.18.The method of claim 15, wherein electrically coupling the electrical conductor to the capacitor comprises:electrically soldering a first end of a wire to the electrical conductor; andelectrically coupling a second end of the wire to the capacitor.19.The method of claim 15, wherein the electrical conductor comprises a copper foil.20.The method of claim 13, further comprising winding a polyimide film about the outside perimeter after winding the electrical conductor about the outside parameter.

Images