1引言

在我國,電鍍行業(yè)發(fā)展較快,隨著市場對電鍍產(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越高,。開關(guān)電源" title="開關(guān)電源">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" title="占空比">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" title="峰值電流">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" title="逆變">逆變和變壓,，然后再整流,、濾波、儲能,，最后進(jìn)行電壓斬波" title="斬波">斬波,，輸出單向脈沖電壓。本電源設(shè)計分兩部分：前級的開關(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,。

3開關(guān)電源部分的設(shè)計要點(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,還要求短時輸出功率大，動態(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

（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(guān)電源的實(shí)際要求,宜采用高頻技術(shù)方案,同時選取全橋逆變的拓?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態(tài)響應(yīng)的重要因素,。高頻化還是改善動態(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,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(fù)載突變的過程中不能產(chǎn)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(guān)電源,，若按照平均電流來設(shè)計，則有以下難題：

①電源在毫秒級時間內(nèi)突然加上十倍平均電流時將會發(fā)生過流保護(hù),；

②電源在毫秒級時間內(nèi)提供不了峰值電流時將會發(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,保證開關(guān)電源有足夠的裕量,同時,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)置儲能電容,。

設(shè)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(guān)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(guān)電源輸出電容量特別大,開機(jī)瞬間和脈沖輸出時,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超過設(shè)計電流值,，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)計思路

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

4.2主電路的選擇

因?yàn)橹麟娐窞殡妷簲夭ǎ嬖谥箅娏鞯臎_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,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1脈沖電源電路工作原理框圖

圖2電壓斬波控制原理圖

圖3SG3525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(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)計了分頻線路即利用CD4017B十進(jìn)制計數(shù)芯片及其外圍線路對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(jī)功能,封鎖SG3525的4腳輸出信號8個中的6個,使11和14腳各有1個脈沖輸出,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,當(dāng)電流超過限定值時,通過SG3525的10腳將該周期驅(qū)動信號關(guān)斷,，達(dá)到單周期保護(hù),。

4.4仿真與試驗(yàn)

圖4SG3525的4腳與11腳正常情況下的波形圖

圖4給出了SG3525沒有分頻時,振蕩器輸出(4腳)CH1與PWM輸出(11腳)

圖5CD4017B及外圍線路輸入與輸出的仿真圖

CH2的對應(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,其脈寬約在5μs～10μs,這個時間足夠CD4017B完成動作,。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，輸出OUT即D5～D9的陰極的波形與設(shè)計是相符的,。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,，同時給出了相關(guān)引腳的時序圖。同時,，采取CLK上升沿翻轉(zhuǎn),，保證了控制時序的正確，采用封鎖6個脈沖,，避免了干擾和初始狀態(tài)對輸出的PWM波形的影響,。

5結(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)計要求，提高了電鍍產(chǎn)品質(zhì)量,，節(jié)省了電鍍時間,，完全滿足該項(xiàng)工藝要求。