1000A/30V電鍍用脈沖電源的研制

1引言

在我國，電鍍行業(yè)發(fā)展較快，隨著市場對(duì)電鍍產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高，電鍍工藝對(duì)電鍍電源的要求也越來越高。開關(guān)電源產(chǎn)品由于其具有體積小，重量輕，節(jié)能節(jié)材，調(diào)節(jié)精度高，易于控制等諸多優(yōu)點(diǎn)，正逐漸被廣大用戶所采用。脈沖開關(guān)電源作為開關(guān)電源衍生產(chǎn)品，其應(yīng)用于電鍍與直流電鍍相比有如下特點(diǎn):

脈沖電源可通過控制輸出電壓的波形、頻率和占空比及平均電流密度等參數(shù)，改變金屬離子的電沉積過程，使電沉積過程在很寬的范圍內(nèi)變化，從而在某種鍍液中獲得具有一定特性的鍍層。脈沖鍍鎳代替直流鍍鎳可獲得結(jié)晶細(xì)致的鍍層，能使鎳層的孔隙率與內(nèi)應(yīng)力降低，硬度增高，雜質(zhì)含量降低，并可采用更高的電流密度，提高鍍覆速度〖1〗。

根據(jù)脈沖鍍鎳的工藝，我們研制了最大峰值電流1000A，最大峰值電壓30V的脈沖鍍鎳開關(guān)電源。其工藝如下:

硫酸鎳(NiSO4·7H2O)：180～240g/L
硫酸鎂(MgSO4·7H2O)：20～30g/L
氯化鈉（NaCl）：10～20g/L
硼酸：30～40
PH值：5.4
溫度：室溫
波形：矩形波
頻率：500～1500Hz
占空比：5％～12％
平均電流密度(A/dm2)：0.7

2電源的基本方案

三相380V/50Hz交流電經(jīng)過EMI電磁兼容裝置，進(jìn)行橋式整流，再經(jīng)過逆變和變壓，然后再整流、濾波、儲(chǔ)能，最后進(jìn)行電壓斬波，輸出單向脈沖電壓。本電源設(shè)計(jì)分兩部分：前級(jí)的開關(guān)電源和后級(jí)的斬波。脈沖電源電路工作原理框圖如圖1所示。

圖1脈沖電源電路工作原理框圖

3開關(guān)電源部分的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

3.1開關(guān)電源部分原理

主電路由EMI電磁兼容裝置、整流電路、逆變電路、高頻變壓器、高頻整流及高頻濾波電路組成;控制電路由電流、電壓雙閉環(huán)組成，電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，電壓環(huán)為外環(huán)；保護(hù)電路設(shè)置有初級(jí)最大電流限制，輸出過流、短路保護(hù)，最高輸出電壓限制。

3.2基本要求

脈沖開關(guān)電源除應(yīng)具有一般電源的要求外，還要求短時(shí)輸出功率大，動(dòng)態(tài)特性好，效率高，并在大功率脈沖輸出情況下能穩(wěn)定可靠地工作。

3.3開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

（1）高頻化該電源輸出最大平均容量為峰值電流1000A，電壓30V，占空比10％，即3kW?；趯?duì)脈沖開關(guān)電源的實(shí)際要求，宜采用高頻技術(shù)方案，同時(shí)選取全橋逆變的拓?fù)湫问?，提高頻率是實(shí)現(xiàn)小型化的重要途徑，它能減少功率變壓器的體積和濾波電感量，而輸出電感是影響動(dòng)態(tài)響應(yīng)的重要因素。高頻化還是改善動(dòng)態(tài)響應(yīng)的重要措施，電源調(diào)整的速度隨頻率提高而加快。從而達(dá)到迅速穩(wěn)壓的目的。

（2）容量小型化由于占空比D較小，例如:D=0.1，

則峰值電流將為平均電流的十倍。若按峰值電流設(shè)計(jì)則不難實(shí)現(xiàn)，但電源體積龐大，不經(jīng)濟(jì)。若按平均電流設(shè)計(jì)，則對(duì)電源要求十分苛刻，既要求電源小型可靠，又要求電源在負(fù)載突變的過程中不能產(chǎn)生過大的壓降。對(duì)于供電電壓為2～30Vd.c.，峰值電流IP=1000A，D=0.05～0.1，需平均電流ICP=50A～100A的開關(guān)電源，若按照平均電流來設(shè)計(jì)，則有以下難題：

①電源在毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)突然加上十倍平均電流時(shí)將會(huì)發(fā)生過流保護(hù)；

②電源在毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)提供不了峰值電流時(shí)將會(huì)發(fā)生輸出跳變，即突降過程〖2〗。

本裝置采用1.5倍平均電流設(shè)計(jì)，保證開關(guān)電源有足夠的裕量，同時(shí)，適當(dāng)增加電源的能量供給能力。

（3）高的電壓反饋增益電源應(yīng)有足夠高的電壓反饋，提高電源的動(dòng)態(tài)特性，保證脈沖輸出電壓的平穩(wěn)。

（4）增大開關(guān)電源輸出電壓保持能力問題

由于電源工作在大脈沖電流條件下，電源至少要經(jīng)過若干個(gè)周期的調(diào)整才能穩(wěn)定過來，并要耐受沖擊電流而不至于保護(hù)動(dòng)作，為了減小沖擊帶來的異常（尖峰，下降等），宜在負(fù)載端設(shè)置儲(chǔ)能電容。

設(shè)計(jì)方法如下：

電容中儲(chǔ)存的能量為：

EC=0.5C0U2

在輸出峰值功率P0P作用下，開關(guān)電源輸出功率為PO1時(shí)，維持輸出方波寬度TON，輸出電壓變化ΔU=U1－U2，電容儲(chǔ)存的能量如下式所示：

0.5C0(U12－U22)=(P0P－PO1)×TON

由上式求得儲(chǔ)能電容C0:

C0={2(P0P－PO1)×TON}/(U12－U22)

同時(shí)，儲(chǔ)能電容必須選用ESR小，高頻性能好的電解電容。

（5）加入逆變橋的過流限制鑒于開關(guān)電源輸出電容量特別大，開機(jī)瞬間和脈沖輸出時(shí)，逆變橋需要承受特別大的沖擊電流，當(dāng)逆變橋加入單周期過流限制后，能夠有效地保證逆變橋的功率器件不會(huì)超過設(shè)計(jì)電流值，而大大提高了開關(guān)電源的可靠性。

4電壓斬波控制

4.1設(shè)計(jì)思路

以SG3525PWM芯片為核心進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。通過用CD4017B芯片進(jìn)行8分頻，對(duì)輸出最大占空比進(jìn)行限制。主電路采用場效應(yīng)管并聯(lián)。電壓斬波控制原理圖如圖2所示。

圖2電壓斬波控制原理圖

4.2主電路的選擇

因?yàn)橹麟娐窞殡妷簲夭?，存在著大電流的沖擊，為此，本裝置采用場效應(yīng)管并聯(lián)。選IR公司的產(chǎn)品FB180SA10比較適合，它的VDSS=100V，RDS（ON）=0.0065Ω，ID=180A(TC=25℃)或120A(TC=120℃)，同時(shí)，它用絕緣TO?227封裝，易于并聯(lián)，內(nèi)部電感量低。本裝置選用12只并聯(lián)。4.3控制與保護(hù)SG3525原理框圖如圖3所示。其具有5.1V溫度系數(shù)為1％的基準(zhǔn)穩(wěn)壓電源，誤差放大器，頻率為100Hz～400kHz（其值由外界電阻Rt，電容Ct決定）的鋸齒波振蕩器，軟啟動(dòng)電路，同步電路，關(guān)閉電路，脈寬調(diào)制比較器，RS寄存器及保護(hù)電路。

圖3 SG3525原理圖.

利用SG3525的誤差放大器的1腳和2腳對(duì)輸出進(jìn)行占空比的調(diào)節(jié)；在實(shí)際調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn)，由于占空比較小，電壓比較器輸入電壓可以調(diào)節(jié)的范圍特別小，調(diào)試非常困難，為此特別設(shè)計(jì)了分頻線路即利用CD4017B十進(jìn)制計(jì)數(shù)芯片及其外圍線路對(duì)SG3525的4腳振蕩器輸出信號(hào)進(jìn)行8分頻，利用SG3525的10腳關(guān)機(jī)功能，封鎖SG3525的4腳輸出信號(hào)8個(gè)中的6個(gè)，使11和14腳各有1個(gè)脈沖輸出，見圖4、圖5。因?yàn)?1腳最大占空比為48％左右，則分頻后實(shí)際輸出占空比最大為12％左右，最小占空比通過R7來確定。本部分的保護(hù)采取單周期限流保護(hù)，以場效應(yīng)管的柵源電阻為采樣信號(hào)，當(dāng)電流超過限定值時(shí)，通過SG3525的10腳將該周期驅(qū)動(dòng)信號(hào)關(guān)斷，達(dá)到單周期保護(hù)。

圖4 SG3525的4腳與11腳正常情況下的波形圖

圖5 CD4017B及外圍線路輸入與輸出的仿真圖

4.4仿真與試驗(yàn)

圖4給出了SG3525沒有分頻時(shí)，振蕩器輸出(4腳)CH1與PWM輸出(11腳)CH2的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由圖中可以清楚地看出振蕩器輸出脈沖出現(xiàn)在PWM脈寬的前后側(cè)各一個(gè)，其脈寬約在5μs～10μs，這個(gè)時(shí)間足夠CD4017B完成動(dòng)作。圖5給出了CD4017B及外圍線路輸入輸出仿真圖。由圖5我們可以清楚看出CLK端輸入頻率1kHz脈寬為5μs的脈沖時(shí)，輸出OUT即D5～D9的陰極的波形與設(shè)計(jì)是相符的。經(jīng)過濾波后，到達(dá)SG3525的10腳波形是比較規(guī)整的。為分析方便，同時(shí)給出了相關(guān)引腳的時(shí)序圖。同時(shí)，采取CLK上升沿翻轉(zhuǎn)，保證了控制時(shí)序的正確，采用封鎖6個(gè)脈沖，避免了干擾和初始狀態(tài)對(duì)輸出的PWM波形的影響。

5結(jié)語

該裝置投入運(yùn)行后，經(jīng)過將近一年的現(xiàn)場檢驗(yàn)，證明運(yùn)行穩(wěn)定可靠，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，提高了電鍍產(chǎn)品質(zhì)量，節(jié)省了電鍍時(shí)間，完全滿足該項(xiàng)工藝要求。