摘要：為了使脈沖電鍍電源輸出頻率可調(diào)，電壓可調(diào)，正向脈沖開啟時間寬度和負向脈沖開啟時間寬度可調(diào)的雙峰雙脈沖。特此提出了一種綠色可靠、節(jié)能高效的新設計方案，第一個H橋采用ZVZCSPWM DC／DC變換器時輸入的直流電壓進行降壓，變成高頻交漉脈沖電壓，然后經(jīng)過高頻變壓器的隔離和耦合，再通過橋式整流濾波得到穩(wěn)定的直流電壓，最后經(jīng)過第二個H橋進行切換，得到任意頻率，任意占空比的雙峰雙向脈沖。實驗證明應用該方案能降低開關管的開關損耗，降低元器件的要求，能將電源的效率提高到90％以上，同時由于此電源具有脈沖換向功能，在電鍍時，大大增加了貴金屬的利用效率。
關鍵詞：全橋移相軟開關；雙H橋；雙峰雙向；PSIM；雙向多脈沖
由于脈沖電源擁有廣闊的應用領域，因此研制高頻高效、綠色可靠、智能化、輸出特性優(yōu)良的脈沖電源對工程應用有重要的實際意義。同時，脈沖電源的研究涉及電力電子、新型功率開關器件的應用、自動控制技術(shù)、電磁理論、材料科學和電路系統(tǒng)建模、優(yōu)化等多方面內(nèi)容，因此具有廣泛的理論和學術(shù)意義。雙峰雙向脈沖電鍍電源與傳統(tǒng)的充電電源相比，雙脈沖雙極性正負換向脈沖電源采用電源脈沖換向功能，在電鍍時使鍍層凸處被強烈溶解而整平，提高電鍍質(zhì)量，節(jié)約貴重金屬。能夠取得更好的電鍍效果及節(jié)能效果，對電網(wǎng)的污染小，特別是應用在精密公差要求的一些特殊工件電鍍，以及一些直流電源電鍍不能得到理想效果的場合，如：連接器及其針腳、精密圖案、電路板過孔、微波電路板、多層板等等。同時，新技術(shù)的應用將減少電鍍電源對電網(wǎng)的污染，增加貴金屬的利用效率，減少企業(yè)成本，保護環(huán)境資源。
1 主電路結(jié)構(gòu)
主電路如圖1所示，第一個H橋采用全橋移相軟開關ZVZCS PWM DC／DC變換器進行降壓，得到高頻交流脈沖電壓，然后經(jīng)過高頻變壓器的隔離、降壓，再經(jīng)過橋式整流濾波得到穩(wěn)定的直流電壓，此處的橋式整流二極管為快速恢復二極管，能對高頻變壓器耦合過來的高頻交流脈沖做出快速反應，并且在快速回復二極管上接入RC吸收網(wǎng)絡，抑制其寄生振蕩，減小尖峰電壓。然后將整流濾波得到的直流電壓送往第二個H橋進行切換，獲得任意頻率，任意占空比的雙峰雙向脈沖。該電路中，第一個H橋由于采用軟開關，避免了開關器件大電流與高電壓同時出現(xiàn)的硬開關狀態(tài)、抑制感性關斷電壓尖峰和容性開通時管溫過高，減小了開關損耗與干擾，同時降低了開關管的要求。通過兩個H橋的巧妙結(jié)合，既大大提高了電源的效率，又節(jié)約了電源制作的成本。
2 全橋移相軟開關變換器工作原理及波形
在一個開關周期中，全橋移相軟開關變換器共有10種開關模式。在分析之前作如下假設：
阻斷電容Cb足夠大；
為變壓器初、次級繞組匝數(shù)比；
所有開關管、二極管為理想器件，電容、電感為理想元件。
1)開關模式0(to時刻)在to時刻，Vg1和Vg4導通，變壓器初級電流ip給阻斷電容Cb充電。變壓器初級側(cè)電流Ipo=Io／n。阻斷電容Cb電壓為UCb(to)。
2)開關模式1(to，t1)在to時刻，關斷Vg1，ip從Vg1轉(zhuǎn)移到C2和C1，給C1充電，C2放電。在這個時段，Llk和L是串聯(lián)的，而且L很大，可以認為ip近似不變，類似于一個恒流源，其大小為Ipo=Io／n。變壓器初級側(cè)電流ip繼續(xù)給阻斷電容Cb充電。C1的電壓從零開始線性上升，C2的電壓從Uin開始線性下降，Vg1是零電壓關斷。
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由于Vg1和Vg4同時導通，uAP=0。變壓器次級側(cè)二極管同時導通，導致變壓器初、次級繞組電壓均為零。因為漏感較小，而阻斷電容較大，可以認為在這個開關模式中，阻斷電容電壓基本不變，初級側(cè)電流基本是線性減小，即
在t2時刻，初級側(cè)電流下降到零，該開關模式的持續(xù)時間為
4)開關模式3(t2，t3)由于二極管VD4阻斷了ip的反向路徑，初級側(cè)電流恒為零。此段時間為VD4和Vg4恢復時間。
5)開關模式4(t3，t4)在t3時刻，關斷Vg4，此時Vg4中并沒有電流流過，因此Vg4是零電流關斷。在很小的延時后，開通Vg2，由于漏感的存在，初級側(cè)電流不能突變，Vg2是零電流開通。由于初級側(cè)電流不足以提供負載電流，次級側(cè)整流管依然同時導通。變壓器的初、次級繞組被鉗位在零電壓。此時加在漏感兩端的電壓為-(Uin+UCbp)，初級側(cè)電流從零開始反方向線性增加。即
在t4時刻，初級側(cè)電流反方向增加到負載電流。該開關模式的持續(xù)時間為
6)開關模式5(t4，t5)從t4時刻開始，原邊給負載提供能量，同時給阻斷電容反向充電。阻斷電容上的電壓為下一次Vg2零電流關斷和Vg4零電流開通做準備。在t5時刻，關斷Vg3，開始另一個半周期(t5～t10)，其工作情況類似于前面描述的(t0～t5)。
3 技術(shù)指標
輸入電壓幅值Uin=300 V；次級輸出電壓Uo=24 V；開關管工作頻率f=20 kHz；額定輸出電流Io=20 A；輸出脈沖的頻率fs=100 Hz；脈沖開通占空比：17％(即PSIM軟件中對應)；脈沖關斷占空比：8％(即PSIM軟件中對應)。
4 電路元件參數(shù)設計
1)開關管的選擇
超前橋臂承受的最大電壓為最大的直流輸入電壓Uinmax=300x(1+10％)=330 V，由于本設計中開關管工作在軟開關狀態(tài)，滯后橋臂承受的最大電壓應力為Uinmax+UCbp=1．2Uinmax=396 V。
由于全橋移向變換器開關管工作在軟開關狀態(tài)，功率開關管的額定電壓可降低一些，可選用500 V。
輸出濾波電感電流的最大平均值為
加2倍裕度為6．72A。
通過綜合考慮，本設計選用IR公司HEXFET系列的功率MOSFET管IRFP450LC，VDSS=500 V，RDS(on)=0．4 Ω，ID=14 A，td(off)=30ns，tf=30 ns。[!--empirenews.page--]
本設計中第一個H橋開關管選用IR公司HEXFET系列的功率MOSFET管IRFP450L：td(off)=30ns，tf=30 ns，所以開關管的關斷時間：toff=tf+td(off)=30+30=60 ns。第二個H橋開關管選用IGBT管GT40T101，選用的方法與選用第一個H橋開關管類似，此處不累贅。
高頻變壓器原邊繞組匝數(shù)為118，副邊繞組匝數(shù)為14，匝數(shù)比n=8．3。
2)全橋移向變換器中Llk的選擇
聯(lián)立以上兩式得：
26．892 μH<Llk<747 μH本設計中取Llk=30μH。
3)超前橋臂開關管并聯(lián)電容Cr(C1、C2)的選擇緩沖電容Cr的作用是實現(xiàn)超前臂的軟開關關斷，為了保證超前臂不直通，必須滿足
其中fL是輸出濾波電感的工作頻率fL=2f=40 kHz；Ioccm是維持電感電流連續(xù)的標稱最小電流，本設計中?。篒occm=10％Io；得到L=44．6μH增加裕度10％，本設計中L取值為50μH。
6)輸出濾波電容的選擇
本設計選用4 700 μH鉭電解電容和4．7 μF普通電容并聯(lián)濾波。
7)全橋移向軟開關各時間段的計算
本設計中由于用PISIM仿真軟件，其中PWM模塊是利用開關點的數(shù)目和開關點(用度表示)來設置，所以必須將對應的時間轉(zhuǎn)換為角度。
PWM1：頻率：20kHz；開關點數(shù)：2；開關點：1．7928 180；
PWM2：頻率：20kHz；開關點數(shù)：2；開關點：181．7928360；
PWM3：頻率：20 kHz；開關點數(shù)：2；開關點：216576．395．13：
PWM4：頻率：20kHz；開關點數(shù)：2；開關點：36．576 215．13；
PWM5：頻率：100Hz；開關點數(shù)：4；開關點：0 60 90 150；
PWM6：頻率：100Hz：開關點數(shù)=4；開關點：180 240 270 330；
PWM7：頻率：100Hz；開關點數(shù)：4；開關點：180 240 270 330；
PWM8：頻率：100Hz；開關點數(shù)：4；開關點：0 60 90 150；
5 主電路仿真結(jié)果
本設計利用PSIM作為仿真軟件，它是專門為電力電子和電動機控制設計的一款仿真軟件。它具有快速的仿真功能和友好的用戶界面等優(yōu)點，針對不同用戶而提供的一種強有效的仿真環(huán)境。PSIM具有獨特仿真速度、可控制任意大小的電力變換回路、及對控制回路仿真功能的特點，在各個不同系統(tǒng)的仿真領域、控制環(huán)的設計、以及電機驅(qū)動系統(tǒng)設計領域被廣泛應用。PSIM作為仿真工具以及設計工具使用，可以大大提高工作效率和生產(chǎn)性能，對降低開發(fā)成本和到出廠時間的縮短都起到舉足輕重的作用。仿真結(jié)果如圖3所示。
6 結(jié)束語
1)無孔針鍍鎳：用直流電鍍，48 h，鍍層厚度240 μm，且鍍層粗糙。采用雙峰雙向脈沖電鍍電源，鍍層厚度240μm只需20 h，表面光滑，無毛刺。節(jié)約時間將近2倍。
2)雙脈沖鍍銅：給PCB板鍍銅，用普通直流電鍍時通常出現(xiàn)孔徑兩端之銅層過厚但中心銅層不足之現(xiàn)象，導致印刷電路板不合格，現(xiàn)采用雙峰雙向脈沖電鍍電源，脈沖頻率1000 Hz，正向開通時間為300 μs，正向關斷時間50μs，反向開通時間為100 μs，反向關斷時間為50μs，即可克服直流電鍍時出現(xiàn)孔徑兩端之銅層過厚但中心銅層不足之現(xiàn)象。
從以上實驗證明，此方案既能提高電鍍質(zhì)量，又能節(jié)約電鍍時間，有較好的應用價值。
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