YIG Thin Film for RF Integrated Inductor

The yttrium iron garnet（YIG） thin films prepared by the sol-gel method and rapid thermal annealing（RTA） process for integrated inductor are investigated. The X-ray diffraction（XRD） results indicate that the YIG film annealed above 650 ℃ is poly-crystalline with single-phase garnet structure. Moreover, it can be found that the initial permeability μi, saturation magnetization MS and coercivity Hc of these YIG films increase with increasing RTA temperature. Low temperature annealing after crystallization can further improve the magnetic properties of YIG film. Thereby, a planar integrated inductor in the presence of Si substrate/SiO2 layer/Y2.8Bi0.2Fe5O12 thin film/Cu spiral coil structure is fabricated successfully by the standard IC processes. Due to the magnetic enhancement originated from YIG film, the inductance L and quality factor Q of the inductor with YIG film are improved in a certain frequency range.

基于IEC安全火花试验装置的电感分断放电电极热-电耦合的数值研究

研究基于IEC安全火花试验装置的电感分断弧前金属液态桥的形成是研究低压、小电流感性电路分断电子产生机制及电弧形成机理的关键。考虑镉盘电极微观表面形貌,基于流体动力学模型,建立了真空环境下钨丝-镉盘电极热-电耦合的几何与数学模型。数值模拟了极间金属液桥的形成过程,得出了液桥的温度分布、固-液相变过程和电压特性;探究了电路串联电感、初始电流及电极初始接触压力对金属液桥形成的影响。数值模拟计算结果表明,模型最高温度出现在接触区域中心,金属液桥形变受热膨胀力与马兰格尼效应共同作用;当接触区域温度均达到镉材料的沸点时,金属液桥完全断裂,此时电极两端电压与实验测量得到的最小建弧电压相符;电路电感大小对金属液桥形成基本无影响,而增大初始电流或减小电极初始接触压力会缩短电极熔化、金属液桥蒸发及完全断裂所需时间。这为进一步探究低压、小电流感性电路分断放电电弧形成及引燃机理提供了理论指导意义。

连续放电下涡流效应对脉冲电感线圈温升的影响

脉冲电感线圈可产生脉冲强磁场,可应用于电磁发射、电磁成型、脉冲功率电源等多个领域。线圈通过脉冲大电流,在产生强磁场的同时,由于焦耳热温度会急剧升高,温度过高可能会使线圈发生结构损坏。考虑涡流效应单次放电时电流会集中在导体外表薄层,从而使得局部电阻和温升增高,连续放电时由于线圈存在散热过程,导线温度会重新分布,是否还需要考虑涡流效应对线圈温升的影响,目前没有相关分析。因此,本文针对连续放电下涡流效应对脉冲电感线圈温升的影响,建立了二维电感线圈电磁-热多物理场瞬态耦合传热模型。首先,计算了绝热条件下的导线温升,与理论公式所得导线温升进行对比,验证了仿真所建模型的准确性;然后分析了单次放电时考虑涡流效应与加载均匀电流时电感线圈电流密度以及温升的分布特点,对比了两种加载方式下线圈不同时刻的温升差异;最后对连续放电条件下两种加载方式的线圈温升进行了对比分析,结果表明:1 ms电流峰值时刻考虑涡流效应的线圈存在严重的集肤效应,导线外表面温升最高,20 ms时刻由于温度的累积效应以及导线热传递作用,导线各匝温度分布均匀,与加载均匀电流的导线温升一致;六次放电后,放电间隔分别为6 s与50 s时,考虑涡流比未考虑涡流的导线最高温度分别高0.94℃和0.44℃,误差分别为0.69%和0.34%,说明涡流效应在连续放电时对线圈温升影响较小。

三防漆应力作用致绕线电感器开路的失效分析

针对安装在印制电路板上的绕线片式电感器在涂覆三防漆后发生的开路失效进行了分析。详细地介绍了分析过程与手段,主要从器件结构、装配工艺、断口位置与形貌特征等方面展开了分析,确认电感器的失效原因是三防漆在环境温度变化时发生热胀冷缩,对引出线产生一定的应力作用,长此以往,最终导致了引出线在焊接根部位置发生疲劳断裂。

耐热冲击NiZn铁氧体材料TN41H的开发

无屏蔽式方形功率电感要求磁性材料具有优良的耐热冲击能力和较好的磁性能。通过传统氧化物法制备了NiZn铁氧体材料TN41H,测试证明,相对于一般NiZn材料,一方面TN41H材料的机械强度有所提升,而耐热冲击能力则有明显提升;另一方面TN41H的饱和磁通密度有所提升,其余的磁特性相差不大。TN41H材料能较好满足无屏蔽式方形功率电感的要求。

耐热冲击高B_sNiZn铁氧体材料TN35H

高性能功率电感要求磁心所用的NiZn铁氧体材料具有优良的耐热冲击能力和较好的直流叠加性能。通过传统氧化物法制备了NiZn铁氧体材料TN35H。测试证明,相对于一般NiZn材料,一方面TN35H材料的耐热冲击能力有明显提升;另一方面TN35H的饱和磁通密度大幅度提升,从而其直流叠加特性也显著提升。

高速光接收机前端的研究

本文从理论上分析了并联电感和串联电感对ＰＩＮ－ＦＥＴ前瑞的作用，证明谐振电感可以有效地抑制ＦＥＴ热噪声的影响，在１．０～１．５ＧＨｚ频率范围内得到接近由量子散粒噪声决定的极限灵敏度。在实验上制作了ＧＨｚ级高速光接收机前端，并用微波网络分析仪测试了前端的频率响应。测试结果与理论分析基本相符。

准Z源逆变器耦合电感电流纹波抑制及电热分析

准Z源逆变器拥有一个独特的阻抗网络将电源和变换电路相耦合,并具有特殊的升降压功能.电感是其阻抗网络中的核心元件,在设备中占有较大比重,使用耦合电感能显著减小其尺寸和重量.本文提出了一种耦合电感的新型设计方案以减小准Z源逆变器的输入电流纹波,重点分析了耦合电感的损耗以及温升问题,给出了磁芯与绕组损耗以及热的解析表达式.基于Ansys有限元软件搭建了多物理域联合仿真模型以及搭建了一台6 kW的准Z源逆变器样机进行仿真与试验验证.

安全火花试验电极热场致发射模型和温度效应的数值模拟研究

研究安全火花试验装置的镉盘试验电极温度分布和热场致电子发射特性为研究感性电路分断放电特性和揭示其电弧放电机理奠定理论基础。根据量子理论,热场致电子发射电流密度主要取决于阴极表面温度和外加电场等因素。因此基于椭圆积分法,推导出阴极电子穿透率的数学表达式,得出热场致电子发射电流密度与温度及外加电场之间的关系表达式;综合考虑试验电极的微观表面形貌、发射电流密度、焦耳热和热传导效应,数值计算阴极微凸起的表面温度变化规律。实例模拟仿真结果表明:当镉盘阴极表面温度在熔点和沸点范围内时,热场致电子发射电流密度随外电场和阴极表面温度的增大而非线性增加;在不同外加电场下,阴极微凸起温度随放电时间呈非线性增长,且增长率越来越大;阴极微凸起顶端温度在极短时间(ns级)内上升到熔点,从而引起其顶端局部发生微爆炸电子发射。这为进一步研究感性电路分断放电的微观机理和本安非爆炸性评价奠定了理论基础。

大功率LLC谐振变换器中谐振电感的优化研究

大功率LLC谐振变换器的谐振电感磁路结构大多采用单气隙结构,存在局部过热、温升过高等问题。针对这些问题,文章提出了一种三气隙磁路结构的谐振电感,并采用有限元分析法,基于Ansys分别建立了单气隙和三气隙谐振电感的三维非线性数学模型,分别进行了电磁热场耦合模拟,计算出了各谐振电感的磁场和温度场矢量曲线。对比单气隙和三气隙的仿真结果,得出了三气隙的谐振电感具有降低温升、避免局部过热和减少损耗的优点。此外,通过多次仿真模拟,给出了三气隙位置的优化曲线,为谐振电感的优化设计提供了参考。

船用钢板移动电磁感应加热温度及变形特性

采用带间隙双回路反向电流(ODIG)感应器作为热源,基于ANSYS多物理场耦合数值模拟方法,结合感应器及周围空气动态移动方法,建立移动式电磁-热交互耦合数值模拟模型。将获得的瞬态温度作为载荷,进行热-弹塑性数值分析,研究船用钢板移动电磁感应加热温度分布和变形分布。分析不同工艺参数(感应器与钢板间隙g、钢板厚度H、电流频率F、电流峰值Ipeak和移动速度v)对热成形(最高温度Tum、宽度b和厚度h)和变形(横向收缩δz和横向角变形θz)特性的影响。结果表明:温度云图为带预热的双椭圆外形;影响热成形特性的主要因素为Ipeak、v和g;影响变形最主要的因素是Ipeak和H。

一种新型火工热启动感应器研究

针对一种配用于导弹发动机热启动切割装置的热感应器,为实现切割装置可靠作用,开展了热感应器在热启动条件下的点火匹配性能研究。采用耐高温的钝感炸药PYX和HNS作为热感应器装药,通过安全性试验、马弗炉起爆试验、火烧试验进行热感应器功能考核。试验结果表明:采用PYX和HNS 2种炸药的切割装置均能满足450℃、60s加热的安全性要求;采用HNS炸药的切割装置基本能够在不低于800℃的火灾持续约30s内完成切割功能,表明利用该种装药形式原理可行。

采用感应加热模拟航空发动机带陶瓷涂层叶片的受热状态

为了确保新一代高效航空燃气轮机和装置的运行性能并提高其参数,应将涡轮机前的燃气温度提高至1800 K以上。因此,必须改进冷却系统,研制新型高温陶瓷材料,以及对燃气轮机高温系统零件采用隔热和耐热涂层进行防护。内部散热系统的改进是将零件成为换热器,但随之会增大热应力和缩短热循环寿命。目前,燃气轮机所广泛采用的镍基耐热合金的使用温度已达到允许的极限值,只有采取措施限制穿过零件壁的热流,才可能提高燃气的温度。

PCB平面电感的损耗分析

PCB平面电感广泛应用于开关电源中,但其损耗及发热问题对电源性能影响很大。利用Maxwell 3D软件研究了气隙及绕组的位置对PCB平面电感损耗的影响。首先,对平面电感进行了损耗分析,建立平面电感的三维模型;然后,利用Maxwell 3D软件研究了气隙及绕组位置对绕组损耗的影响;最后,利用ANSYS Icepak软件对PCB平面电感进行了热仿真验证。仿真结果表明:当绕组距气隙较近时,EE型磁芯的绕组损耗小于EI型磁芯的绕组损耗;当绕组距气隙的距离较远时,EE型磁芯与EI型磁芯的绕组损耗几乎一致;三个磁芯柱上垫气隙的方式相比中柱磨气隙的方式,绕组损耗明显更小。

基于ANSYS的船用钢板移动电磁感应加热温度场数值模拟研究

以带间隙双回路反向电流ODIG感应器为热源,基于ANSYS多物理场耦合数值方法,结合感应器及周围空气动态移动方法,建立了移动电磁-热交互耦合数值模型。分别研究了初始和稳定时刻的上表面、对称面和横截面的温度分布,讨论了上表面加热线方向(x轴)在6个时刻的温度曲线。在上下表面分别定义3个测温点,研究其温度历时曲线。结果表明,600℃以上温度云图为椭圆外形;上表面测温点为预热双峰曲线,下表面测温点为线性上升单峰曲线;上表面温度主要由集肤层的涡电流引起,下表面温度由热传导引起;前线圈能够实现预热,后线圈提高最大温度和加热深度;感应器对称面正下方的温度最高,沿着感应器长度方向温度逐渐减小。

叠层片式电感器过载电流下热应力对开路的影响

为了降低叠层片式电感器(MLCI)在过载电流下的开路失效几率,提高MLCI的可靠性,研究了MLCI过载电流条件下热应力对内电极开路的影响。将同等型号的MLCI样品分为三组,分别放置于-55℃、25℃、120℃三种不同温度的环境中,通过调节电流,使得内电极电阻都达到0.57Ω且能够稳定5 min,电阻与温度的关系表明内电极温度相同,环境温度不同,热应力不同。保持加载电流的大小,直到电感器发生开路。实验结果显示:低温环境中的MLCI比高温环境中开路时间短,是因为MLCI粗细不均匀的内电极在热应力的作用下,电极较细部位发生形变,致使电阻增大,焦耳热增多,温度升高,温度达到熔点后,电极开路。

晶粒尺寸对NiZn铁氧体磁芯耐热冲击的影响

高性能功率电感要求NiZn铁氧体磁芯具有优良的耐热冲击能力和较高的直流叠加性能。通过氧化物法制备了两种不同晶粒尺寸的NiZn铁氧体材料NZ-A和NZ-B,分别制作6mm和2mm尺寸的电感磁芯,并分别对比一般耐热型NiZn铁氧体材料和高Bs型NiZn铁氧体材料。实验结果证明不同尺寸磁芯所用材料的热冲击的失效模式不同。为满足不同尺寸磁芯耐热冲击性能的需求,所设计材料的晶粒尺寸也应不同。

一种储能电抗器柜强迫风冷仿真及试验验证

以某储能电抗器柜为研究对象,针对柜体内四个电抗器模块采用串并联风道、顶部抽风的冷却方式进行冷却,并使用ICEPAK进行仿真分析。获得了柜体内的流场、温度场并进行了试验验证,揭示了该种结构下工作时流体的分布及规律。研究表明:该种串并联风道通过优化结构设计,并结合电抗器模块的独特散热方式,不仅能满足电抗器的散热需求,还能实现不同高度处的冷却效果相近,解决了柜体有限空间内散热效果不好的难题,在体积、功率等方面均具有较大的优势。

可调弧度感应加热装置的设计

钢管内壁滚涂衬塑是提高钢管防腐性能和使用寿命的重要手段之一。为适应不同直径钢管的感应加热需求,本文设计了一种可调弧度的感应加热装置,并进行了电磁场仿真、电磁-热耦合仿真和性能试验。利用Maxwell软件对两种不同绕制方式的感应器进行电磁场仿真分析,发现采用涡状绕制方式的感应器磁场分布更集中;并与ANSYS workbench软件进行电磁-热耦合仿真分析,仿真结果表明该装置能够满足钢管衬塑的加热要求。加热试验和粉末熔融试验表明:在电流为460 A,频率为8000 Hz时,加热装置能在10s左右将钢管内壁加热至聚烯烃粉末熔融温度,且粉末熔融过程中不产生刺激性气体,塑料层成型良好,满足钢管衬塑加热要求。