在我國，電鍍行業(yè)發(fā)展較快，隨著(zhù)市場(chǎng)對電鍍產(chǎn)品質(zhì)量要求的提高，電鍍工藝對電鍍電源的要求也越來(lái)越高。開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品由于其具有體積小，重量輕，節能節材，調節精度高，易于控制等諸多優(yōu)點(diǎn)，正逐漸被廣大用戶(hù)所采用。脈沖開(kāi)關(guān)電源作為開(kāi)關(guān)電源衍生產(chǎn)品，其應用于電鍍與直流電鍍相比有如下特點(diǎn):

脈沖電源可通過(guò)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(guò)程，使電沉積過(guò)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(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(kāi)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(guò)EMI電磁兼容裝置，進(jìn)行橋式整流，再經(jīng)過(guò)逆變和變壓，然后再整流、濾波、儲能，最后進(jìn)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(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)電源部分的設計要點(diǎn)

3.1開(kāi)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)為內環(huán)，電壓環(huán)為外環(huán)；保護電路設置有初級最大電流限制，輸出過(guò)流、短路保護，最高輸出電壓限制。

3.2基本要求

脈沖開(kāi)關(guān)電源除應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定可靠地工作。

3.3開(kāi)關(guān)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?；趯γ}沖開(kāi)關(guān)電源的實(shí)際要求，宜采用高頻技術(shù)方案，同時(shí)選取全橋逆變的拓撲形式，提高頻率是實(shí)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(dòng)態(tài)響應的重要因素。高頻化還是改善動(dòng)態(tài)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(shí)現，但電源體積龐大，不經(jīng)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(guò)程中不能產(chǎn)生過(guò)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(kāi)關(guān)電源，若按照平均電流來(lái)設計，則有以下難題：

①電源在毫秒級時(shí)間內突然加上十倍平均電流時(shí)將會(huì )發(fā)生過(guò)流保護；

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

本裝置采用1.5倍平均電流設計，保證開(kāi)關(guān)電源有足夠的裕量，同時(shí)，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(dòng)態(tài)特性，保證脈沖輸出電壓的平穩。

（4）增大開(kāi)關(guān)電源輸出電壓保持能力問(wèn)題

由于電源工作在大脈沖電流條件下，電源至少要經(jīng)過(guò)若干個(gè)周期的調整才能穩定過(guò)來(lái)，并要耐受沖擊電流而不至于保護動(dòng)作，為了減小沖擊帶來(lái)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(kāi)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(shí)，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(guò)流限制鑒于開(kāi)關(guān)電源輸出電容量特別大，開(kāi)機瞬間和脈沖輸出時(shí)，逆變橋需要承受特別大的沖擊電流，當逆變橋加入單周期過(guò)流限制后，能夠有效地保證逆變橋的功率器件不會(huì )超過(guò)設計電流值，而大大提高了開(kāi)關(guān)電源的可靠性。

4電壓斬波控制

4.1設計思路

以SG3525PWM芯片為核心進(jìn)行控制系統的設計。通過(guò)用CD4017B芯片進(jìn)行8分頻，對輸出最大占空比進(jìn)行限制。主電路采用場(chǎng)效應管并聯(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

因為主電路為電壓斬波，存在著(zhù)大電流的沖擊，為此，本裝置采用場(chǎng)效應管并聯(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)，內部電感量低。本裝置選用12只并聯(lián)。4.3控制與保護SG3525原理框圖如圖3所示。其具有5.1V溫度系數為1％的基準穩壓電源，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，脈寬調制比較器，RS寄存器及保護電路。

圖3 SG3525原理圖.

利用SG3525的誤差放大器的1腳和2腳對輸出進(jìn)行占空比的調節；在實(shí)際調試過(guò)程中發(fā)現，由于占空比較小，電壓比較器輸入電壓可以調節的范圍特別小，調試非常困難，為此特別設計了分頻線(xiàn)路即利用CD4017B十進(jìn)制計數芯片及其外圍線(xiàn)路對SG3525的4腳振蕩器輸出信號進(jìn)行8分頻，利用SG3525的10腳關(guān)機功能，封鎖SG3525的4腳輸出信號8個(gè)中的6個(gè)，使11和14腳各有1個(gè)脈沖輸出，見(jiàn)圖4、圖5。因為11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(guò)R7來(lái)確定。本部分的保護采取單周期限流保護，以場(chǎng)效應管的柵源電阻為采樣信號，當電流超過(guò)限定值時(shí)，通過(guò)SG3525的10腳將該周期驅動(dòng)信號關(guān)斷，達到單周期保護。

 

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(xiàn)路輸入與輸出的仿真圖

4.4仿真與試驗

圖4給出了SG3525沒(méi)有分頻時(shí)，振蕩器輸出(4腳)CH1與PWM輸出(11腳)CH2的對應關(guān)系。由圖中可以清楚地看出振蕩器輸出脈沖出現在PWM脈寬的前后側各一個(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(xiàn)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的陰極的波形與設計是相符的。經(jīng)過(guò)濾波后，到達SG3525的10腳波形是比較規整的。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，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)對輸出的PWM波形的影響。

5結語(yǔ)

該裝置投入運行后，經(jīng)過(guò)將近一年的現場(chǎng)檢驗，證明運行穩定可靠，各項技術(shù)指標達到了設計要求，提高了電鍍產(chǎn)品質(zhì)量，節省了電鍍時(shí)間，完全滿(mǎn)足該項工藝要求。