电镀用脉冲电源的研制

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  脉冲电源可通过控制输出电压的波形、频率和占空比及平均电流密度等参数,改变金属离子的电沉积过程,使电沉积过程在很宽的范围内变化,从而在某种镀液中获得具有一定特性的镀层。脉冲镀镍代替直流镀镍可获得结晶细致的镀层,能使镍层的孔隙率与内应力降低,硬度增高,杂质含量降低,并可采用更高的电流密度,提高镀覆速度〖1〗。

  根据脉冲镀镍的工艺,我们研制了最大峰值电流1000A,最大峰值电压30V的脉冲镀镍开关电源。其工艺如下:

  硫酸镍(NiSO4·7H2O):180~240g/L

  硫酸镁(MgSO4·7H2O):20~30g/L

  氯化钠(NaCl):10~20g/L

  硼酸:30~40

  PH值:5.4

  温度:室温

  波形:矩形波

  频率:500~1500Hz

  占空比:5%~12%

  平均电流密度(A/dm2):0.7

  2电源的基本方案

  三相380V/50Hz交流电经过EMI电磁兼容装置,进行桥式整流,再经过逆变和变压,然后再整流、滤波、储能,最后进行电压斩波,输出单向脉冲电压。本电源设计分两部分:前级的开关电源和后级的斩波。脉冲电源电路工作原理框图如图1所示。

  

脉冲电源电路工作原理框图

 

  图1脉冲电源电路工作原理框图

  3开关电源部分的设计要点

  3.1开关电源部分原理

  主电路由EMI电磁兼容装置、整流电路、逆变电路、高频变压器、高频整流及高频滤波电路组成;控制电路由电流、电压双闭环组成,电流环为内环,电压环为外环;保护电路设置有初级最大电流限制,输出过流、短路保护,最高输出电压限制。

  3.2基本要求

  脉冲开关电源除应具有一般电源的要求外,还要求短时输出功率大,动态特性好,效率高,并在大功率脉冲输出情况下能稳定可靠地工作。

  3.3开关电源的设计

  (1)高频化该电源输出最大平均容量为峰值电流1000A,电压30V,占空比10%,即3kW。基于对脉冲开关电源的实际要求,宜采用高频技术方案,同时选取全桥逆变的拓扑形式,提高频率是实现小型化的重要途径,它能减少功率变压器的体积和滤波电感量,而输出电感是影响动态响应的重要因素。高频化还是改善动态响应的重要措施,电源调整的速度随频率提高而加快。从而达到迅速稳压的目的。

  (2)容量小型化由于占空比D较小,例如:D=0.1,

  则峰值电流将为平均电流的十倍。若按峰值电流设计则不难实现,但电源体积庞大,不经济。若按平均电流设计,则对电源要求十分苛刻,既要求电源小型可靠,又要求电源在负载突变的过程中不能产生过大的压降。对于供电电压为2~30Vd.c.,峰值电流IP=1000A,D=0.05~0.1,需平均电流ICP=50A~100A的开关电源,若按照平均电流来设计,则有以下难题:

  ①电源在毫秒级时间内突然加上十倍平均电流时将会发生过流保护;

  ②电源在毫秒级时间内提供不了峰值电流时将会发生输出跳变,即突降过程〖2〗。

  本装置采用1.5倍平均电流设计,保证开关电源有足够的裕量,同时,适当增加电源的能量供给能力。

  (3)高的电压反馈增益电源应有足够高的电压反馈,提高电源的动态特性,保证脉冲输出电压的平稳。

  (4)增大开关电源输出电压保持能力问题

  由于电源工作在大脉冲电流条件下,电源至少要经过若干个周期的调整才能稳定过来,并要耐受冲击电流而不至于保护动作,为了减小冲击带来的异常(尖峰,下降等),宜在负载端设置储能电容。

  设计方法如下:

  电容中储存的能量为:

  EC=0.5C0U2

  在输出峰值功率P0P作用下,开关电源输出功率为PO1时,维持输出方波宽度TON,输出电压变化ΔU=U1-U2,电容储存的能量如下式所示:

  0.5C0(U12-U22)=(P0P-PO1)×TON

  由上式求得储能电容C0:

  C0={2(P0P-PO1)×TON}/(U12-U22)

  同时,储能电容必须选用ESR小,高频性能好的电解电容。

  (5)加入逆变桥的过流限制鉴于开关电源输出电容量特别大,开机瞬间和脉冲输出时,逆变桥需要承受特别大的冲击电流,当逆变桥加入单周期过流限制后,能够有效地保证逆变桥的功率器件不会超过设计电流值,而大大提高了开关电源的可靠性。