V电镀用脉冲电源的研制.doc

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1、1000A/30V电镀用脉冲电源的研制中山晨生电子有限公司张福成（中山528437）1引言在我国，电镀行业发展较快，随着市场对电镀产品质量要求的提高，电镀工艺对电镀电源的要求也越来越高。开关电源产品由于其具有体积小，重量轻，节能节材，调节精度高，易于控制等诸多优点，正逐渐被广大用户所采用。脉冲开关电源作为开关电源衍生产品，其应用于电镀与直流电镀相比有如下特点：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

2、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：30～40PH值：5.4温度：室温波形：矩形波频率：500～1500Hz占空比：5％～12％平均电

3、流密度(A/dm2)：0.72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。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

4、、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

5、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2～30VDC，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ms级时间内突然加上10倍平均电流时将会发生过

6、流保护；②电源在ns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

7、为：EC=0.5CoU2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：0.5Co(U12－U22)=(P0P－PO1)×TON由上式求得储能电容Co：Co={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

8、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。4电压斩波控制4.1设计思路以SG3525PWM芯片为核心进行控制系统的设计。通过用CD4017B芯片进行8分频，对输出最大占空比进行限制。主电路采用场效应管并联。电压斩波控制原理图如图2所示。4.2主电路的选择因为主电路为电压斩波，存在着大电流的冲击，为此，本装置采用场效应管并联。选IR公司的产品FB180SA10比较适合，它的VDSS=100V，RDS（ON）=0.0065Ω，ID=