電鍍用脈沖電源的研制

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，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晶細致的鍍層，能使鎳層的孔隙率與內應力降低，硬度增高，雜質含量降低，并可采用更高的電流密度，提高鍍覆速度〖1〗。

　　根據脈沖鍍鎳的工藝，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交流電經過EMI電磁兼容裝置，進行橋式整流，再經過逆變和變壓，然后再整流、濾波、儲能，最后進行電壓斬波，輸出單向脈沖電壓。本電源設計分兩部分：前級的開關電源和后級的斬波。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開關電源部分的設計要點

　　3.1開關電源部分原理

　　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、電壓雙閉環組成，電流環為內環，電壓環為外環;保護電路設置有初級最大電流限制，輸出過流、短路保護，最高輸出電壓限制。

　　3.2基本要求

　　脈沖開關電源除應具有一般電源的要求外，還要求短時輸出功率大，動態特性好，效率高，并在大功率脈沖輸出情況下能穩定可靠地工作。

　　3.3開關電源的設計

　　(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。基于對脈沖開關電源的實際要求，宜采用高頻技術方案，同時選取全橋逆變的拓撲形式，提高頻率是實現小型化的重要途徑，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態響應的重要因素。高頻化還是改善動態響應的重要措施，電源調整的速度隨頻率提高而加快。從而達到迅速穩壓的目的。

　　(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。若按峰值電流設計則不難實現，但電源體積龐大，不經濟。若按平均電流設計，則對電源要求十分苛刻，既要求電源小型可靠，又要求電源在負載突變的過程中不能產生過大的壓降。對于供電電壓為2～30Vd.c.，峰值電流IP=1000A，D=0.05～0.1，需平均電流ICP=50A～100A的開關電源，若按照平均電流來設計，則有以下難題：

　　①電源在毫秒級時間內突然加上十倍平均電流時將會發生過流保護;

　　②電源在毫秒級時間內提供不了峰值電流時將會發生輸出跳變，即突降過程〖2〗。

　　本裝置采用1.5倍平均電流設計，保證開關電源有足夠的裕量，同時，適當增加電源的能量供給能力。

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

　　(4)增大開關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，電源至少要經過若干個周期的調整才能穩定過來，并要耐受沖擊電流而不至于保護動作，為了減小沖擊帶來的異常(尖峰，下降等)，宜在負載端設置儲能電容。

　　設計方法如下：

　　電容中儲存的能量為：

　　EC=0.5C0U2

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

　　0.5C0(U12-U22)=(P0P-PO1)×TON

　　由上式求得儲能電容C0:

　　C0={2(P0P-PO1)×TON}/(U12-U22)

　　同時，儲能電容必須選用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電源輸出電容量特別大，開機瞬間和脈沖輸出時，逆變橋需要承受特別大的沖擊電流，當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超過設計電流值，而大大提高了開關電源的可靠性。