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)晶細致的鍍層,，能使鎳層的孔隙率與內(nèi)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(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,，進行橋式整流,，再經(jīng)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(huán)組成，電流環(huán)為內(nèi)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(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(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)響應的重要因素,。高頻化還是改善動態(tài)響應的重要措施,，電源調(diào)整的速度隨頻率提高而加快。從而達到迅速穩(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,。若按峰值電流設計則不難實現(xiàn),，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的開關電源,，若按照平均電流來設計，則有以下難題：

　?、匐娫丛诤撩爰墪r間內(nèi)突然加上十倍平均電流時將會發(fā)生過流保護;

　?、陔娫丛诤撩爰墪r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(tài)特性,，保證脈沖輸出電壓的平穩(wěn),。

　　(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(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,。4電壓斬波控制

　　4.1設計思路

　　以SG3525PWM芯片為核心進行控制系統(tǒng)的設計。通過用CD4017B芯片進行8分頻,，對輸出最大占空比進行限制,。主電路采用場效應管并聯(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,，存在著大電流的沖擊，為此,，本裝置采用場效應管并聯(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,，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,，關閉電路,，脈寬調(diào)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腳對輸出進行占空比的調(diào)節(jié);在實際調(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,，為此特別設計了分頻線路即利用CD4017B十進制計數(shù)芯片及其外圍線路對SG3525的4腳振蕩器輸出信號進行8分頻，利用SG3525的10腳關機功能,，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,。因為11腳最大占空比為48%左右,，則分頻后實際輸出占空比最大為12%左右，最小占空比通過R7來確定,。本部分的保護采取單周期限流保護,，以場效應管的柵源電阻為采樣信號，當電流超過限定值時,，通過SG3525的10腳將該周期驅(qū)動信號關斷,，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及外圍線路輸入與輸出的仿真圖

　　4.4仿真與試驗

　　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)CH2的對應關系,。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的陰極的波形與設計是相符的,。經(jīng)過濾波后，到達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

　　該裝置投入運行后，經(jīng)過將近一年的現(xiàn)場檢驗,，證明運行穩(wěn)定可靠,，各項技術指標達到了設計要求，提高了電鍍產(chǎn)品質(zhì)量,，節(jié)省了電鍍時間,，完全滿足該項工藝要求。