CN114207460A - 用于不要求偏置电流的磁饱和检测器的芯组件 - Google Patents

Abstract

本文公开了一种包括将横向分量引入到功率通量密度矢量中的歪斜特征的磁芯组件。磁芯组件包括具有中心部段的下芯和具有中心部段的上芯。中心部段被对齐以形成中心柱。接收电流的功率绕组缠绕在中心柱周围。芯组件还包括具有横向分量和非横向分量的功率通量密度矢量。与非横向分量相比，横向分量具有更高的磁阻。当组件与横向绕组一起使用时，来自磁芯组件的横向分量在横向绕组上产生横向电压波形。可以观察横向电压波形以检测横向电压波形的斜率的符号的变化。斜率的符号的变化指示磁饱和。

Description

用于不要求偏置电流的磁饱和检测器的芯组件

的美国专利证书的申请

用于不要求偏置电流的磁饱和检测器的芯组件

本申请要求享有2019年8月16日提交的第62/888,194号美国临时申请的权益，所述美国临时申请通过引用整体并入本文。

相关申请

本专利申请与题为“Magnetic Saturation Detector with Single andMultiple Transverse Windings”的专利申请62/887,810和题为“Energy TransferElement Including A Communication Element”的专利申请62/888,089相关，每个所述专利申请与本申请在同一日期提交，每个所述专利申请被转让给共同的受让人，并且每个所述专利申请具有一个共同的发明人。相关申请中的每个通过引用整体并入本文。

发明背景

1.发明领域

本公开内容描述了用于感应元件的磁芯组件的实施方案，所述磁芯组件对于提供该感应元件的横向绕组上的电压是有用的。可以监测该电压以产生直接指示该感应元件中的磁饱和的开始的信号，而不需要该横向绕组中的偏置电流。

2.相关技术论述

已经做出努力以使反激式电源(flyback power supply)或包括感应能量传递元件的其他功率产品(power product)能够在各种电气状况和热状况下通过扩展其耦合电感器的可用通量密度以包括饱和通量密度来递送最大输出功率。

已知的应用使用感应元件的横向绕组来通过处理出现在该横向绕组的端子之间的电压信号来检测即将发生的磁饱和。控制电路可以响应于该横向绕组上的电压信号以使电源在磁材料的最大可用通量密度附近安全地运行。

检测即将发生的磁饱和的横向绕组的先前的实施方式的缺点是它们需要横向绕组中的电流。该电流产生横向磁场，该横向磁场响应于磁材料的饱和特性而变化。变化的横向磁场伴随着变化的电场，该变化的电场以横向绕组的端子之间的电压形式被观察。在横向绕组中提供偏置电流的需要增加了电路的复杂性、降低了电源的效率、并且通常添加了产品的成本。因此，需要一种产生直接指示磁饱和的信号而不具有上文所描述的缺点的创新。

附图说明

参考以下附图描述了本发明的非限制性和非穷举性实施方案，其中除非另有说明，否则相同的参考数字在所有各个视图中指代相同的部分。

图1是根据本公开内容的实施方案的包括具有磁饱和检测器的开关模式功率转换器的示例电源的示意图。

图2是使用具有横向绕组的示例磁芯组件的示例能量传递元件的透视图，该横向绕组需要偏置电流以检测磁饱和。

图3是图2的示例磁芯组件的带注释的透视图，其示出了源于功率绕组中的电流的通量密度的路径和源于横向绕组中的电流的通量密度的路径。

图4是包括横向绕组的表示的示例磁芯组件的带注释的透视图，该横向绕组不需要横向绕组中的偏置电流以检测磁饱和。

图5A是根据本公开内容的实施方案的示例磁能量传递元件中的磁通量密度相对于能量传递元件的功率绕组中的电流的曲线图。

图5B是根据本公开内容的实施方案的当能量传递元件包括永磁体以提供偏移通量密度时示例磁能量传递元件中的磁通量密度相对于能量传递元件的功率绕组中的电流的曲线图。

图6是根据本公开内容的实施方案的示出了能量传递元件的功率绕组中的电流的波形与能量传递元件的横向绕组上的电压的波形的曲线图。

图7是根据本公开内容的实施方案的示出了更多细节的图6的曲线图的一放大部分。

图8是根据本公开内容的实施方案的用于在横向绕组中不需要偏置电流的磁饱和检测器的磁芯组件的平面模型。

图9是根据本公开内容的实施方案的具有横向绕组的另一示例磁芯组件的透视图，该横向绕组不需要横向绕组中的偏置电流以检测磁饱和。

图10是根据本公开内容的实施方案的图9的示例磁芯组件的带注释的透视图，其示出了源于功率绕组中的电流的通量密度的路径。

图11是根据本公开内容的实施方案的具有横向绕组的又一示例磁芯组件的透视图，该横向绕组不需要横向绕组中的偏置电流以检测磁饱和。

图12是根据本公开内容的实施方案的图11的示例磁芯组件的带注释的透视图，其示出了源于功率绕组中的电流的通量密度的路径。

图13是根据本公开内容的实施方案的强调中心柱的磁芯组件的一部分的带注释的透视图，其示出了源于功率绕组中的电流的通量密度的路径。

图14是根据本公开内容的实施方案的强调中心柱的另一磁芯组件的一部分的带注释的透视图，其示出了源于功率绕组中的电流的通量密度的路径。

图15是根据本公开内容的实施方案的强调中心柱的又一磁芯组件的一部分的带注释的透视图，其示出了源于功率绕组中的电流的通量密度的路径。

在附图的所有若干视图中，对应的参考字符指示对应的部件。技术人员将理解，附图中的元件是为了简化和清楚而例示的，并且不一定按比例绘制。例如，附图中的一些元件的尺寸可能相对于其他元件被夸大，以帮助改善对本发明的各实施方案的理解。此外，通常未描绘在商业上可行的实施方案中有用的或必要的常见但容易理解的元件，以便于较不妨碍对本发明的这些各实施方案的查看。

具体实施方式

在以下描述中，阐述了许多具体细节，以提供对本发明的透彻理解。然而，对于本领域普通技术人员将明显的是，不需采用具体细节来实践本发明。在其他情况下，未详细描述众所周知的材料或方法，以避免模糊本发明。

贯穿本说明书提及“一个实施方案(one embodiment)”、“一实施方案(anembodiment)”、“一个实施例(one example)”或“一实施例(an example)”意味着，结合该实施方案或实施例描述的具体特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施方案中。因此，贯穿本说明书在各个地方出现的短语“在一个实施方案中”、“在一实施方案中”、“一个实施例”或“一实施例”不一定全指代相同的实施方案或实施例。此外，具体特征、结构或特性可以在一个或多个实施方案或实施例中以任何合适的组合和/或子组合进行组合。具体特征、结构或特性可以被包括在集成电路、电子电路、组合逻辑电路或提供所描述的功能的其他合适的部件中。另外，应理解，随此提供的附图用于向本领域普通技术人员进行解释的目的，并且附图不一定按比例绘制。

图1是被配置为用磁饱和检测器运行的示例电源的示意图100，该磁饱和检测器使用在横向绕组中不需要偏置电流的单个横向绕组。图1的示例电源接收相对于输入回线104的输入电压V_IN 102并且向负载148提供经调节的输出。该经调节的输出可以是相对于输出回线144的电压V_O 154、电流I_O 146或二者的组合。

图1的示例电源使用反激式功率转换器来产生与输入电流隔离的输出。换句话说，施加在输入回线104和输出回线144之间的电压将产生可忽略的电流。图1的示例电源中的反激式功率转换器包括具有输入功率绕组P₁ 118、输出功率绕组P₂ 122和单个横向绕组T₁128的能量传递元件L1 120。功率绕组P₁ 118和P₂ 122主要参与输入和输出之间的能量传递，而横向绕组T₁ 128参与磁饱和检测。箝位电路106并联耦合于输入功率绕组P₁ 118。输入开关S1 110耦合在输入功率绕组P₁ 118和输入回线104之间。

在运行中，参考输入的(input-referenced)控制器132通过电流隔离器134从参考输出的(output-referenced)控制器152接收信号，以产生断开和闭合输入开关S1 110的驱动信号112。断开的开关不能够传导电流，而闭合的开关可以传导电流。参考输入的控制器132将输入开关S1 110中的电流I_S1 108感测为电流感测信号114。在一种运行模式中，当电流I_S1 108达到阈值时，参考输入的控制器132可以断开输入开关S1 110。在另一种运行模式中，当能量传递元件L1 120达到即将发生的磁饱和的状态时，参考输入的控制器132可以断开输入开关S1 110。

开关S1 110的开关在能量传递元件L1 120的相应的功率绕组P₁ 118和P₂ 122中产生脉动电流I_P1 116和I_P2 124，以及那些相应的绕组两端的脉动电压V₁和V₂。当该开关断开时，箝位电路106防止输入功率开关S1 110上的超额电压。来自输出功率绕组P₂ 122的输出绕组电流I_P2 124由二极管136整流并且由输出电容器C_O 138滤波，以产生负载148处的输出电压V_O 154和输出电流I_O 146。输出电压V_O 154、输出电流I_O 146或二者的组合可以由参考输出的控制器152感测为输出感测信号150。参考输出的控制器将感测到的输出量与参考值进行比较，并且可以通过电流隔离器电路134与参考输入的控制器132进行通信，以适当地开关输入开关S1 110以获得期望的输出值。电流隔离器电路134可以包括用于使用光、磁和电容技术来在电流隔离的电路之间耦合信号的许多已知方式中的任何一种。

在图1的示例电源中，横向绕组T₁ 128可以响应于能量传递元件L1 120内的横向磁通量密度，从而在横向绕组T₁ 128上产生横向电压V_T1 130以指示磁饱和。

图2是例示了与可以用在图1的示例电源中的能量传递元件具有类似之处的示例能量传递元件的显著特征的透视图200。图2中的示例能量传递元件由两个RM型铁氧体芯件(core-piece)构造。上芯构件(upper core member)——例如上半芯207——被组装在下芯构件(lower core member)——例如下半芯227——之上。每个磁半芯具有由绕组218围绕的中心柱225，该绕组218表示一个或多个功率绕组，诸如图1中的P₁ 118和P₂ 122。在实际部件中，功率绕组的匝通常被放置在单独的、有时被称为线筒(bobbin)或线圈架(coilformer)的线轴(spool)上，该线轴将装配在中心柱之上以便于组装。图2示出了组装的半芯的中心柱中的间隙257。该间隙的尺寸通常与功率绕组上的匝数一起选择，以设置具体应用所期望的电气参数。在一些应用中，该间隙包含永磁体以向由功率绕组中的电流产生的通量密度提供通量密度偏移。该间隙可以使用具有相同的长度的中心柱的相同的顶部半芯和底部半芯来实现，或使用具有比另一个半芯的中心柱短的中心柱的一个半芯来实现。替代地，由具有相对低的磁导率(magnetic permeability)的电绝缘材料构成的间隔件(spacer，垫片)可以被插入在相同的半芯之间，以在三个竖直结构特征之间分布该间隙。中心柱中的间隙对于磁饱和检测是无关紧要的。这样，本公开内容中的例示可以示出具有中心柱中的间隙和不具有中心柱中的间隙的结构，以强调中心柱中的间隙不是实践本发明所需的。

图2还示出了横向绕组228，该横向绕组228穿过每个半芯的中心柱237中的开孔(aperture，孔口)247使得该横向绕组垂直于功率绕组218。每个半芯的中心柱的中心的开孔247是配有容纳铁氧体块(ferrite slug)以在组装之后调整功率绕组的电感的中心孔(hole)的RM型芯的一些出售品(offering)中的现成的选项。根据本发明的教导，横向绕组228可以代替铁氧体块横穿调整孔以提供磁饱和检测器。其他类型的铁氧体芯可以具有用于其他目的的开孔，诸如例如可以适用于横向绕组的组装硬件。在没有配有合适的开孔的芯中，可以穿过中心柱钻出孔。应理解，横向绕组不必在几何上垂直于功率绕组。以任何角度在一个方向上完全穿过功率绕组的一匝的任何导体可以是横向绕组。

横向绕组通常是单匝，尽管横向绕组可以包括不止一个匝以放大绕组上的电压V_Tl230，该电压V_Tl 230是当芯的磁材料开始饱和时由变化的横向通量密度产生的。图2的实施例示出了引入横向通量密度以检测磁饱和的横向电流I_T 255。本公开内容中所描述的替代芯组件不需要横向电流I_T 255来检测磁饱和。

本领域技术人员将理解，磁组件和磁组件的部分可以由不一定技术上准确和精确的各种术语来描述。例如，几乎任何磁材料件都可以被称为磁芯。数件不包括绕组的磁部件的完整组件通常也可以被称为磁芯。磁芯的组件通常包括两个芯件。在许多磁芯的组件中，诸如在图2的实施例中，两个芯件可能几乎相同。因此，每个件通常可以被称为芯构件或半芯。实际上，中心柱中的间隙，例如诸如图2的组件中的间隙257，可以通过从两个相同的半芯中的仅一个半芯的中心柱去除材料来形成。即使形成间隙的件与未去除材料的件不再相同，每个件仍然被称为半芯。该组件还可以被称为芯对(core pair)。在本公开内容中，术语半芯可以被用来指代组件中的两个几乎相同的件中的一个，以将组件与包括明显不相同的件的替代组件进行区分。例如，两个E形件的组件可以与使用一个E形件与一个I形件的组件具有相同的几何特征和磁属性。尽管每个组件包括两个芯构件，但是EE组件包括两个半芯，而EI组件不包括。应注意，在本领域的实践中，磁芯件、磁芯构件、磁芯元件、磁半芯和磁芯组件中的每一个可以被称为磁芯。

图3是图2的结构的透视图300，其示出了不具有绕组的上半芯307和下半芯327。参考标记377和387分别突出上半芯307和下半芯327上的相同的特征，所述特征在讨论两个半芯的相对位置中是有用的。在图3中去除绕组以避免模糊通量密度矢量的注释。环绕中心柱并且传导电流的功率绕组，诸如例如图2中的绕组218和电流I_P1 216，将在组件内产生功率通量密度B_P，如由图3中所注释的矢量B_P所例示的。由路径328示意性地表示的横向绕组中的电流I_T 355将产生由矢量B_T 365表示的横向通量密度，所述矢量B_T 365垂直于中心柱中以及组件的在中心柱外部的大部分中的功率通量密度矢量B_P。此外，来自上半芯307中的功率通量密度B_P的横向分量的贡献被来自下半芯327中的功率通量密度B_P的横向分量的贡献抵消，使得相对于路径328的净贡献是零。换句话说，组件的几何形状使得相对于横向绕组的路径功率通量密度的矢量B_P与横向通量密度的矢量B_T 355正交。这样，功率通量密度B_P的变化在横向绕组上产生可忽略的电压。横向电流I_T 355通常是恒定的，以引入产生横向通量密度B_T的恒定横向磁场。当磁材料开始饱和时，横向通量密度B_T被迫变化。当功率通量密度B_P和横向通量密度B_T的矢量和增加达到磁芯的饱和通量密度时，功率通量密度B_P的进一步增加迫使在路径328中的导体的端子之间产生横向电压V_T 330的横向通量密度B_T的变化。横向电压V_T 330可以被处理和解释以检测磁饱和的开始。

图4是例示了不需要横向绕组中的偏置电流来检测磁饱和的示例磁芯组件的带注释的透视图400。图4的实施例未示出功率绕组，也未示出中心柱中的间隙，以避免从本发明的必要特征分散注意力。图3和图4中的实施例都使用RM型铁氧体半芯。在图4的实施例中，当从顶部查看时，上半芯407相对于下半芯427绕其中心顺时针旋转大约30度。图4的旋转偏移与图3中所描绘的传统组件形成对比，该传统组件使上半芯和下半芯的竖直边缘对齐使得竖直边缘共线并且平坦的竖直面共面。图4中的位移还可以通过与由图3中的参考标记377和387突出的相应的特征对应的参考标记477和487的位置来测定(gauge)。参考标记477和487在图4中未竖直对齐，而在图3中的传统组件中，参考标记377和387竖直对齐。两个半芯之间的旋转位移可以被认为磁芯的组件中的歪斜特征(skewing feature)，该歪斜特征允许磁饱和检测器在不存在横向绕组中的电流的情况下通过监测横向绕组上的电压来确定磁饱和的开始。

图4示出了在结构的竖直侧(vertical side)中具有水平分量和竖直分量的通量密度矢量B，尽管不存在横向电流将横向磁场引入到组件中。上半芯407和相同的下半芯427之间的旋转偏移在通量密度矢量B中引入横向分量。图4的组件的几何形状确保对于穿过中心柱中的开孔的路径428中的横向绕组的任何定向，将存在穿过由是横向绕组的导体界定的表面的净磁通量密度。也就是说，当横向绕组不具有电流时，将存在穿过由横向绕组形成的回路的净磁通量密度。通量密度的横向分量的变化将在横向绕组的端子之间产生电压。换句话说，通量密度的横向分量的变化在横向绕组上感应非零横向电压V_T 430，该非零横向电压V_T 430可以被处理以指示即将发生的磁饱和。能量传递元件的磁材料的饱和特性在横向电压V_T 430的波形中产生允许在电源的运行期间检测磁饱和的特征。

图5A和图5B用图形例示了能量传递元件中的磁通量密度与能量传递元件的功率绕组中的电流之间的关系。图5A是曲线图500A，其示出了相对于水平轴上的功率绕组电流——诸如例如图1的电源中的I_P1 116——的在竖直轴上标绘的磁通量密度。更准确地，水平轴表示所有功率绕组的安培匝数之和，而不仅表示单个功率绕组中的电流。用于图5A的示例能量传递元件不具有来自永磁体的通量密度偏移，因此当电流在零处时，通量密度在零处。

图5A中的磁通量密度曲线505突出了几个区别特征。曲线505取在两个轴上关于原点对称的正值和负值。对于正电流，存在正通量密度，并且对于负电流，存在负通量密度。在曲线图中强调了电流的正值的特征，因为图1的示例电路中的电流仅在一个方向上。当电流I_P1从零增加时，能量传递元件在拟线性(quasi-linear)区域B_QL 535中运行，直到电流达到对应于拟线性区域的上边界525的最大值I_MAX。在拟线性区域535中曲线505的斜率为正并且相对恒定。换句话说，通量密度以几乎恒定的比率随着电流增加而增加。当电流增加超过I_MAX时，通量密度曲线505的斜率减小，从而对于大于对应于饱和通量密度B_SAT 515的饱和电流I_SAT的电流达到较低的相对恒定的值。重要的是检测在饱和通量密度B_SAT 515处的运行，因为在较高的通量密度值处的运行可能产生可以损坏电源中的开关器件和其它部件的电流。当曲线505的斜率从在电流小于I_MAX的拟线性区域B_QL 535中其几乎恒定的值变为在电流大于I_SAT的地方其低得多的几乎恒定的值时，存在斜率在两个相对恒定的值之间快速变化的区域。通量密度的斜率变化最快速的地方I_MAX和I_SAT之间的电流被识别为I_KNEE，因为它对应于通量密度曲线505中的相对急剧的弯曲。磁饱和检测器可以指示在对应于电流I_KNEE的通量密度处的运行，使得可以避免在大于I_SAT的电流处的运行。

图5B是曲线图500B，其示出了相对于水平轴上的功率绕组电流——诸如例如图1的电源中的I_P1 116——的在竖直轴上标绘的磁通量密度。与图5A的曲线图相对比，用于图5B的曲线图的示例能量传递元件具有来自永磁体的通量密度偏移。

来自永磁体的通量密度偏移使图5A的曲线505在水平轴上向右移动，如由图5B中的曲线555所示出的。拟线性区域B_QL 535和饱和通量密度B_SAT 515在竖直轴上的值未改变，因为它们是芯的磁材料的固有属性。通量密度偏移可以改变通量密度和外部激励之间的关系，但是它不能够改变磁材料的固有属性。来自永磁体——诸如例如可以放置在图2中所例示的组件的间隙257中的永磁体——的通量密度偏移在图5B中被示出为B_OFFSET，该B_OFFSET在水平轴上的电流I_P1为零时在能量传递元件中产生负通量密度545。

通量密度偏移增加了到达拟线性区域B_QL 535的上边界525、饱和值B_SAT 515以及曲线的斜率变化最快速的地方的通量密度所需的电流I_P1的值。换句话说，图5A的电流I_MAX、I_SAT和I_KNEE在图5B中分别被增加到I_MAXBIAS、I_SATBIAS和I_KNEEBIAS。因此，在使用永磁体来提供通量密度偏移的能量传递元件中，磁饱和检测器可以指示在对应于电流I_KNEEBIAS的通量密度处的运行，使得可以避免在大于I_SATBIAS的电流处的运行。

图6是曲线图600，其示出了来自可以在图1的示例电源中运行的示例能量传递元件的功率绕组中的电流的波形和横向绕组上的电压的波形。电流I_P1 116被标绘在竖直轴610上，并且横向电压V_T1 130被标绘在竖直轴620上，二者都相对于水平轴上的时间。

该电流是当开关S1 110闭合和断开时能量传递元件L1 120的功率绕组P₁ 118两端的输入电压V_IN 102的结果。横向绕组T₁ 128上的横向电压V_T1 130源自利用磁材料的磁饱和特性以在横向绕组上产生电压的机制。

饱和特性描述了由功率绕组中的电流产生的总通量密度的行为。通量密度在整个磁芯组件中通常是不均匀的。组件的一些部分中的通量密度可以大于组件的其他部分中的通量密度。因此，组件的一些部分可以在组件的其他部分达到饱和通量密度之前达到饱和通量密度。

在中心柱中具有开孔——诸如图3的实施例中的开孔247——的普通磁芯组件中，源于功率绕组中的电流的通量密度的矢量大致垂直于源于横向绕组中的电流的通量密度的矢量。

如由图4的实施例所示出的，磁芯组件的几何形状可以被配置为使总通量密度的矢量旋转，使得磁通量密度矢量可以包含两个分量，即使当通量密度在拟线性区域内时。通量密度的两个分量的矢量在磁材料中互相垂直。所述分量中的一个可以是在横向绕组中感应电压的横向分量。

通量密度矢量必须遵循闭合路径。磁芯组件的几何形状迫使通量密度矢量的横向分量采用磁阻比垂直于它的通量密度矢量的路径高的路径。功率绕组中的电流的增加迫使通量密度的两个分量之和的量值(magnitude)增加，即使当总通量密度接近饱和值时。当材料饱和时，其对通量密度的磁阻增加。沿着较低磁阻路径的材料中的通量密度高于沿着较高磁阻路径的材料中的通量密度。由于饱和特性对两个矢量之和的增加施加了限制，因此与沿着较高磁阻路径具有较低量值的矢量相比，在较低磁阻路径上具有较高量值的矢量将以更低的速率增加。结果是增加通量密度在横向方向上的分量的通量密度矢量的有效附加旋转，从而产生横向绕组的端子之间的电压V_T1的快速增加。

当总通量密度在拟线性区域(图5A和图5B中的B_QL 555)中时，横向通量密度与主通量密度(principal flux density)大致成比例，并且功率绕组上的电压产生与功率绕组上的电压大致成比例的横向绕组上的电压——在图6中被表示为电压V_PP——同时功率绕组传导电流。由于电压V_PP与功率绕组上的电压大致成比例，因此它是当处理横向电压V_T1以检测磁饱和时可以被纳入考虑的已知值。替代地，可以忽略V_PP的存在的方式确定磁饱和，诸如例如在电流I_P1增加时通过检测V_T1的斜率的符号的变化。因此，横向绕组上的时变电压的特征可以被解释以检测能量传递元件中的磁饱和。

为了产生图6的示例波形，图1的示例电源中的开关S1 110在时间t₁处闭合。在时间t₁和时间t₂之间，电流I_P1从零增加到值I_MAX 630，并且当参考输入的控制器132断开开关时，通量密度从零增加到图5A中所示出的通量密度特性的拟线性区域B_QL 535的上边界525。当开关S1 110在时间t₂处断开时，功率绕组P₁ 118中的电流从I_MAX变到零，而功率绕组P₂122中的电流从零增加到维持对应于绕组功率绕组P₁ 118中的电流I_MAX的通量密度所需的值。横向电压V_T1在时间t₂处改变极性，因为在开关断开之后在绕组上产生电压的变化的通量密度减小，而在开关闭合时，通量密度增加。在图6的实施例中，功率绕组P₂ 122中的电流在时间t₂和时间t₄之间的时间t₃处减小到零。在时间t₃和时间t₄之间电压维持在零处，因为在该间隔中通量密度未变化。

当开关S1 110在时间t₄处再次闭合时，电流I_P1再次从零增加，上升到超过I_MAX 630和I_KNEE 640二者，在参考输入的控制器132断开开关之前达到I_SAT 650。当增加的电流I_P1超过I_MAX 630时，通量密度离开拟线性范围B_QL 535，并且横向电压V_T1以相当大的正斜率660快速变得更正。横向电压V_T1在时间t₅处达到最大正值680，该最大正值680对应于在I_KNEE 640处的电流I_P1。当电流I_P1穿过I_KNEE并且在时间t₆处接近其I_SAT 650的最终值时，横向电压V_T1以相当大的负斜率670变得不那么正，在时间t₆处参考输入的控制器132断开开关。当功率绕组中的电流在在时间t₆和时间t₈之间的时间t₇处减小到零时，横向电压V_T1变得更负并且达到最大负值。

图7是图6中的波形的放大视图700，其示出了在时间t5和t6附近的更多细节。放大强调了横向电压波形的允许电路通过观察横向绕组上的电压来检测磁饱和的特性。

图7示出了当电流I_P1在值I_KNEE 640处时横向电压V_T1的波形中的极值680。尽管极值680在图7的实施例中是一个峰，但是可以简单地通过在电压感应端子处互换绕组的两端，或通过当从顶部观察时通过使上半芯相对于下半芯逆时针而不是顺时针转动来使组件中的上半芯和下半芯之间的角位移的方向反转以使极值变为谷而不是峰，来使横向绕组上的电压的极性反转。

极值的与极性无关的特性是从在时间t₅之前到在时间t₅之后波形的斜率的符号的变化。图7示出了在t₅之前的部分660上的正斜率和在t₅之后的部分670上的负斜率。横向绕组上的电压的斜率的符号的变化是磁饱和的指示。如果横向绕组的极性被反转，斜率将在t₅之前是负的并且在t₅之后是正的。斜率的符号的变化也与极值的量值无关。由于横向电压波形的斜率改变符号——从正变到负或从负变到正，因此横向电压波形的斜率必须穿过零值。因此，观察横向绕组上的电压的斜率的过零检测器可以检测磁饱和。响应于感测横向绕组上的电压的过零检测器而断开功率绕组中的开关的控制器可以控制电源在其最大功率容量(power capability)处运行而不损坏。在实践中，为了避免磁饱和的假指示，可以仅在开关已经被闭合阈值时间之后或仅当开关中的电流大于阈值电流时，选通过零检测器以观察横向绕组上的电压。

前述实施例已经例示了磁饱和检测器在具有在不连续传导模式(DCM)下运行的功率转换器的电源中的应用。也就是说，在每个开关周期内，功率绕组中的电流和能量传输元件(不具有通量密度偏移)中的通量密度以零值开始并且以零值结束。相反，在输入电压、输出电压和负载的不同状况下，电源可以使其功率转换器在连续导通模式(CCM)下运行。也就是说，在CCM下，功率绕组中的电流和通量密度(仍然在能量传递元件中不具有通量密度偏移)在每个开关周期内不以零值开始和结束。当在每个CCM开关周期内通量密度在拟线性区域B_QL 535内开始和结束时，在CCM下的磁饱和检测器的运行与在DCM下的运行相同。

考虑与不具有横向分量的通量密度的路径相比，具有横向分量的通量密度采用更大距离并且因此更高磁阻的路径。因此，在饱和之前，具有横向分量的通量密度的量值将低于不具有横向分量的通量密度。磁芯组件的具有较低磁阻路径和较高通量密度的部分首先开始饱和。饱和增加磁阻。增长的磁阻将通量密度的附加增加转移到尚未饱和的横向路径，从而增加电压V_T。当在两个路径中都存在饱和时，通量密度的横向分量以较低的速率增加，从而导致V_T减小。

图8是用于在横向绕组中不需要偏置电流的磁饱和检测器的磁芯组件的平面模型800。该模型对于解释图6和图7的波形是有用的。该模型的一部分表示具有间隙857的中心柱843，该中心柱843被缠绕有功率绕组813，该功率绕组813由来自电流源833的时变电流I(t)驱动。源于功率绕组中的电流的磁场在中心柱中产生通量密度B。该模型的第二部分表示用于通量密度B_LR的较低磁阻路径853。该模型的第三部分表示用于横向通量密度B_HR的较高磁阻横向路径863，该横向通量密度B_HR可以在横向绕组828中感应横向电压V_T 830。来自中心柱843中的磁场的通量密度B分为通量密度B_LR和B_HR。如果芯材料在其拟线性区域中，较低磁阻路径中的通量密度B_LR将大于较高磁阻横向路径中的通量密度B_HR。芯的具有较高通量密度的部分将在芯的具有较低通量密度的部分之前饱和。当较低磁阻路径853开始饱和时，其磁阻增加，从而将更多的总通量密度B转移到较高磁阻路径863，并且增加横向绕组828上的电压V_T 830。

图9是具有横向绕组928的另一示例磁芯组件的透视图900，该横向绕组928不需要横向绕组中的偏置电流来检测磁饱和。如在图4中，中心柱中的间隙和围绕中心柱的功率绕组未示出在图9中，以避免模糊本发明的特征。与图4的实施例相对比，图9的实施例在上半芯907和下半芯927之间不具有旋转偏移：上半芯和下半芯的竖直边缘对齐，使得竖直边缘共线并且平坦竖直面共面。图9中的两个半芯是根据图4中所示出的标准RM型通过从每个半芯去除材料而修改的。图9示出了上半芯907中的区域937，在该区域中，形成标准配置中的特征的材料已经被去除。这些标准特征仍然存在于区域947中。下半芯与上半芯是相同的。材料的去除还去除了组件的几何形状中的对称度，以引入横向通量密度的分量，当环绕中心柱的功率绕组上存在电压时，该横向通量密度的分量在横向绕组928上产生横向电压V_T930。从标准半芯去除材料可以被认为磁芯的组件中的歪斜特征，该歪斜特征允许磁饱和检测器在不存在横向绕组中的电流的情况下通过监测横向绕组上的电压来确定磁饱和的开始。

图10是图9的示例磁芯组件的带注释的透视图1000，其示出了源于功率绕组中的电流的通量密度的路径。如在图9中，中心柱中的间隙和围绕中心柱的功率绕组未示出在图10中，以避免模糊本发明的特征。

图10示出了在结构的竖直侧中具有水平分量和竖直分量的通量密度矢量B，尽管不存在横向电流将横向磁场引入到组件中。通过从上半芯和下半芯去除材料引入的组件中的不对称性在通量密度矢量B中引入横向分量，类似于在图4的实施例中所示出的旋转偏移。如在图4的示例配置中，图10的组件的几何形状确保对于穿过中心柱中的开孔的横向绕组928的任何定向，将存在穿过由是横向绕组的导体界定的表面的净磁通量密度。也就是说，当横向绕组不具有电流时，将存在穿过由横向绕组形成的回路的净磁通量密度。通量密度的横向分量的变化将在横向绕组的端子之间产生电压。图10的示例组件的几何形状还为通量密度的横向分量创建相对于通量密度的非横向分量而言更高磁阻的路径。换句话说，通量密度的横向分量的变化在横向绕组上感应非零横向电压V_T 930，该非零横向电压V_T930可以被处理以指示即将发生的磁饱和。能量传递元件的磁材料的饱和特性在横向电压V_T 930的波形中产生允许在电源的运行期间检测磁饱和的特征。

图11是具有横向绕组1128的又一示例磁芯组件的透视图1100，该横向绕组1128不需要横向绕组中的偏置电流来检测磁饱和。图11示出了具有对标准EE型几何形状的修改的上半芯1107和下半芯1127。在图11中，半芯被分开，并且绕组未被示出，以给出对几何形状的特征的更好的可见性。在实践中，上半芯和下半芯将接触，并且中心柱可以包括间隙。还存在穿过中心柱钻出的孔以形成容纳横向绕组1128的开孔。

图11的实施例，从每个半芯的每个外腿(leg)去除一个拐角(corner)。在标准半芯几何形状的俯视图中相距最远的两个拐角被去除。两个半芯以一定向组装，使得具有完整拐角的腿与去除拐角的腿配合。

图12是图11的示例磁芯组件的带注释的透视图1200，其示出了源于功率绕组中的电流的通量密度的路径。如在图10中，图12示出了在结构的竖直侧中具有水平分量和竖直分量的通量密度矢量B，尽管不存在横向电流将横向磁场引入到组件中。通过从上半芯和下半芯去除材料引入的组件中的不对称性在通量密度矢量B中引入横向分量，类似于在图4的实施例中所示出的旋转偏移。如在先前的实施例中，通量密度的横向分量产生横向V_T1130，该横向V_T 1130可以被处理以检测磁饱和。应理解，标准EE型的变体——诸如例如常见的EI型——可以通过如由图11所表明的从E件和I件去除材料来修改，其中I件类似于为每个半芯的中心腿和外腿所共有的板。

标准组件的中心柱的修改可以引入通量密度的横向分量以在占据中心柱中的开孔的横向绕组上产生电压。这样的修改的实施例被示出在图13、图14和图15中。修改可以被认为歪斜特征，该歪斜特征允许磁饱和检测器在不存在横向绕组中的电流的情况下通过监测横向绕组上的电压来确定磁饱和的开始。

图13是强调中心柱的、磁芯组件的一部分的带注释的透视图1300，其示出了源于功率绕组中的电流的通量密度的路径。图13还包括例示了使用X、Y、Z坐标的笛卡尔直角坐标系和使用r、θ、Z坐标的柱面坐标系之间的关系的图。柱面坐标系可以比直角坐标系更有用，以描述图13中所示出的配置的显著特征。

图13中的结构的中心柱具有从结构的下板到上板旋转180度的矩形横截面。这样的结构将在中心部段中具有螺旋形磁阻路径。横向绕组1328穿过开孔——该开孔是平行于Z轴通过柱的中心的孔——以在绕组的端之间产生横向电压V_T 1130。可以形成变压器或能量传递元件的输入功率绕组和输出功率绕组的线圈可以围绕中心柱。

图13示出了可以由围绕中心柱的绕组的激发引起的示例通量密度矢量。通量密度矢量可以形成穿过结构的图13中未示出的其他部分的闭合路径——从顶板的端传递到底板的端并且穿过中心柱返回。

图13的实施例示出了中心柱中的两个通量密度矢量。线性通量密度矢量B_L 1339采用竖直路径，该竖直路径是底板和顶板之间的最短距离和最低磁阻路径。螺旋形通量密度矢量B_H 1349具有在θ方向上的分量和在Z方向上的分量，因为它在底板和顶板之间遵循比B_L 1339的路径更大磁阻的路径。

预期线性通量密度矢量B_L 1339具有比螺旋形通量密度矢量B_H 1349更大的量值，因为螺旋形路径的磁阻大于线性路径的磁阻。

中心柱中的螺旋形通量密度矢量的θ分量的量值的变化在穿过中心柱中的开孔的横向绕组1328的端处产生横向电压V_T 1330。线性通量密度矢量B_L 1339的变化对横向电压V_T 1330没做出显著贡献，因为线性通量密度矢量B_L 1339平行于中心柱中的横向绕组1328。螺旋形通量密度矢量B_H 1349的变化对电压V_T有贡献，因为它环绕横向绕组1328。

横向电压V_T 1330可以指示中心柱中的磁饱和。对于增加中心柱中的通量，较低磁阻线性路径中的材料在螺旋形路径中的材料之前饱和。当饱和导致线性路径的磁阻增加时，沿着螺旋形路径的通量密度增加，从而产生横向电压V_T 1330的增加。当螺旋形路径饱和时，横向电压V_T 1330减小，从而产生横向电压V_T 1330中的斜率的反转，该横向电压V_T1330可以被解释以检测磁饱和。

在实际结构中，中心柱将具有大约两倍于顶板和底板的横截面面积，使得通过结构的通量密度几乎相同。图14是图13的结构的一个变体，其中中心柱具有正方形横截面，其具有为每个板的大约两倍的横截面面积。顶板和底板中的通量密度矢量B在中心柱中求和以形成螺旋形通量密度矢量B_H 1449和线性通量密度矢量B_L 1439。螺旋形通量密度矢量B_H1449的横向分量的变化在横向绕组1428的端处产生横向电压V_T 1430，该横向电压V_T 1430可以被处理和解释以检测磁饱和。

图15是强调中心柱的、又一磁芯组件的一部分的带注释的透视图1500，其示出了源于功率绕组中的电流的通量密度的路径。图15中所例示的结构具有圆柱形中心柱，该圆柱形中心柱具有限定螺旋形磁阻路径的凹槽。具有凹槽的圆柱形中心柱可以是用于在横向绕组中不需要偏置电流的磁饱和检测器的组件中的优选特征。

顶板和底板中的通量密度矢量B在中心柱中求和以形成螺旋形通量密度矢量B_H1549和线性通量密度矢量B_L 1539。螺旋形通量密度矢量B_H 1549的横向分量的变化在横向绕组1528的端处产生横向电压V_T 1530，该横向电压V_T 1530可以被处理和解释以检测磁饱和。螺旋形路径不必如在图15中所例示的围绕中心柱旋转多次。围绕中心柱的螺旋形路径的部分旋转可以足以产生横向电压V_T 1530以检测磁饱和。

本公开内容的实施方案包括用于能量传递元件的磁芯的配置，所述配置包括用于磁饱和检测器的特征，其中磁能量传递元件包括至少一个横向绕组和至少一个功率绕组。功率绕组中的电流在组件中产生磁通量密度。能量传递元件的磁芯的组件的几何形状为通量密度的主分量提供较低磁阻的路径，并且为通量密度的基本上垂直于通量密度的主分量的横向分量提供较高磁阻的路径。饱和检测器电路感测横向绕组的端子之间的电压以指示横向绕组上的时变电压的极值处的磁饱和状况。在横向绕组中不需要偏置电流，通量密度的横向分量就在横向绕组的端子之间产生电压。换句话说，磁芯的配置可以在不存在横向绕组中的电流的情况下引入通量密度的横向分量，使得横向绕组上的电压可以指示磁饱和状况。

对本发明的所例示的实施例的以上描述，包括摘要中所描述的内容，并非意在是穷举的或是对所公开的确切形式的限制。虽然出于例示性目的在本文中描述了用于本发明的具体实施方案和实施例，但是在不脱离本发明的更广泛的精神和范围的情况下，各种等同改型是可能的。实际上，应理解，提供具体示例电压、电流、频率、功率范围值、时间等是用于解释的目的，并且根据本发明的教导，也可以在其他实施方案和实施例中采用其他值。

尽管在权利要求中限定了本发明，但是应理解，可以根据以下实施例替代地限定本发明：

实施例1：一种磁芯组件，包括：芯组件，所述芯组件包括，下芯件，所述下芯件具有中心部段，以及上芯件，所述上芯件具有中心部段，所述上芯件的所述中心部段与所述下芯件的所述中心部段对齐，使得形成所述芯组件的中心柱；以及功率绕组，所述功率绕组缠绕在所述中心柱周围，其中当电流被传递通过所述功率绕组时，生成功率通量密度矢量，其中所述功率通量密度矢量具有横向分量和非横向分量，并且其中与所述非横向分量相比，所述横向分量具有更高的磁阻。

实施例2：根据实施例1所述的磁芯组件，其中所述下芯件包括下芯构件，并且所述上芯件包括上芯构件。

实施例3：根据实施例2所述的磁芯组件，其中每个芯构件具有参考标记，所述参考标记在所述芯组件内旋转偏移，并且所述旋转偏移将所述横向分量引入到所述功率通量密度矢量。

实施例4：根据实施例2所述的磁芯组件，其中所述下芯构件和上芯构件各自包括歪斜特征和参考标记。

实施例5：根据实施例4所述的磁芯组件，其中对于每个芯构件，所述歪斜特征被定位在芯构件周界处，并且所述参考标记在所述芯组件内对齐。

实施例6：根据实施例1所述的磁芯组件，其中所述下芯构件和上芯构件中的至少一个具有歪斜特征，并且所述歪斜特征将所述横向分量引入到所述功率通量密度矢量。

实施例7：根据实施例6所述的磁芯组件，其中所述歪斜特征是截削拐角(truncated corner)。

实施例8：根据实施例6所述的磁芯组件，其中所述中心柱包括所述歪斜特征。

实施例9：根据实施例8所述的磁芯组件，其中所述歪斜特征包括螺旋状部(helix)。

实施例10：根据实施例8所述的磁芯组件，其中所述歪斜特征包括所述中心柱的表面上的凹槽。

实施例11：一种磁饱和检测器，所述磁饱和检测器包括根据实施例1所述的磁芯组件，所述磁饱和检测器还包括：横向绕组，垂直于所述功率绕组，其中来自所述磁芯组件的横向分量在所述横向绕组上产生横向电压波形；以及电压检测电路，被配置为接收所述横向电压波形并且检测所述横向电压波形的斜率的符号的变化，其中所述斜率的符号的变化指示磁饱和。

实施例12：根据实施例11所述的磁饱和检测器，其中所述中心柱具有开孔，并且所述横向绕组被定位在所述开孔内。

实施例13：根据实施例12所述的磁饱和检测器，其中所述下芯构件和所述上芯构件中的每个各自包括具有参考标记的芯构件，其中所述参考标记在所述芯组件内旋转偏移，并且其中所述旋转偏移将横向分量引入到所述功率通量密度矢量。

实施例14：根据实施例12所述的磁饱和检测器，其中所述下芯构件和所述上芯构件各自包括具有歪斜特征和参考标记的芯构件，其中所述参考标记在所述芯组件内对齐，并且所述歪斜特征将横向分量引入到所述功率通量密度矢量。

实施例15：根据实施例14所述的磁饱和检测器，其中所述歪斜特征被定位在所述中心柱处，并且选自由螺旋状部和表面凹槽组成的组。

实施例16：根据实施例14所述的磁饱和检测器，其中对于每个芯构件，所述歪斜特征被定位在所述芯构件的周界处。

实施例17：根据实施例16所述的磁饱和检测器，其中所述歪斜特征是截削拐角。

实施例18：一种电源，所述电源包括根据实施例12所述的磁饱和检测器，所述电源包括：参考输出的控制器，被耦合到所述磁芯组件并且被配置为感测输出感测信号、将所述输出感测信号与参考值进行比较以及生成开关信号；以及参考输入的控制器，被耦合到所述磁芯组件并且被配置为产生驱动信号。

Claims (18)

1.一种磁芯组件，包括：

芯组件，所述芯组件包括，

下芯件，所述下芯件具有中心部段，以及

上芯件，所述上芯件具有中心部段，所述上芯件的所述中心部段与所述下芯件的所述中心部段对齐，使得形成所述芯组件的中心柱；以及

功率绕组，所述功率绕组缠绕在所述中心柱周围，

其中当电流被传递通过所述功率绕组时，生成功率通量密度矢量，

其中所述功率通量密度矢量具有横向分量和非横向分量，并且

其中与所述非横向分量相比，所述横向分量具有更高的磁阻。

2.根据权利要求1所述的磁芯组件，其中所述下芯件包括下芯构件，并且所述上芯件包括上芯构件。

3.根据权利要求2所述的磁芯组件，其中每个芯构件具有参考标记，所述参考标记在所述芯组件内旋转偏移，并且所述旋转偏移将所述横向分量引入到所述功率通量密度矢量。

4.根据权利要求2所述的磁芯组件，其中所述下芯构件和上芯构件各自包括歪斜特征和参考标记。

5.根据权利要求4所述的磁芯组件，其中对于每个芯构件，所述歪斜特征被定位在芯构件周界处，并且所述参考标记在所述芯组件内对齐。

6.根据权利要求1所述的磁芯组件，其中所述下芯构件和上芯构件中的至少一个具有歪斜特征，并且所述歪斜特征将所述横向分量引入到所述功率通量密度矢量。

7.根据权利要求6所述的磁芯组件，其中所述歪斜特征是截削拐角。

8.根据权利要求6所述的磁芯组件，其中所述中心柱包括所述歪斜特征。

9.根据权利要求8所述的磁芯组件，其中所述歪斜特征包括螺旋状部。

10.根据权利要求8所述的磁芯组件，其中所述歪斜特征包括所述中心柱的表面上的凹槽。

11.一种磁饱和检测器，所述磁饱和检测器包括根据权利要求1所述的磁芯组件，所述磁饱和检测器还包括：

横向绕组，垂直于所述功率绕组，

其中来自所述磁芯组件的横向分量在所述横向绕组上产生横向电压波形；以及

电压检测电路，被配置为接收所述横向电压波形并且检测所述横向电压波形的斜率的符号的变化，

其中所述斜率的符号的变化指示磁饱和。

12.根据权利要求11所述的磁饱和检测器，其中所述中心柱具有开孔，并且所述横向绕组被定位在所述开孔内。

13.根据权利要求12所述的磁饱和检测器，

其中所述下芯构件和所述上芯构件中的每个各自包括具有参考标记的芯构件，

其中所述参考标记在所述芯组件内旋转偏移，并且

其中所述旋转偏移将横向分量引入到所述功率通量密度矢量。

14.根据权利要求12所述的磁饱和检测器，其中

所述下芯构件和所述上芯构件各自包括具有歪斜特征和参考标记的芯构件，其中所述参考标记在所述芯组件内对齐，并且所述歪斜特征将横向分量引入到所述功率通量密度矢量。

15.根据权利要求14所述的磁饱和检测器，其中所述歪斜特征被定位在所述中心柱处，并且选自由螺旋状部和表面凹槽组成的组。

16.根据权利要求14所述的磁饱和检测器，其中对于每个芯构件，所述歪斜特征被定位在所述芯构件的周界处。

17.根据权利要求16所述的磁饱和检测器，其中所述歪斜特征是截削拐角。

18.一种电源，所述电源包括根据权利要求12所述的磁饱和检测器，所述电源包括：

参考输出的控制器，被耦合到所述磁芯组件并且被配置为感测输出感测信号、将所述输出感测信号与参考值进行比较以及生成开关信号；以及

参考输入的控制器，被耦合到所述磁芯组件并且被配置为产生驱动信号。

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