高频脉冲电镀电源设计含外文翻译(编辑修改稿)

高频脉冲电镀电源设计含外文翻译(编辑修改稿)内容摘要：

率、占空比和平均电流密度，来改变电镀槽中金属离子电沉积过程，使电沉积过程在较宽范围内变化，从而可获得均匀致密较为理想的镀层。 例如在印刷线路板行业 (PCB)中，使用脉冲电源电镀，可提高其深镀能力，使镀层均匀、致密、不脱落。 脉冲电源的优点 脉冲电镀与直流电镀相比，概括起来有以下几个优点： 一、镀层孔隙率低，致密性好，抗蚀性高，以方波输出脉冲电源电镀为例，由于脉冲电源输出为间歇性矩形方波，在脉冲导通期间，金属离子在工件表面沉积的晶粒在镀液中溶解，使得工件表面沉积的晶粒细化，镀层致 密，大大降低了镀层的孔隙率。 实践表明，装饰业和电子业，用脉冲电源电镀贵金属，可以用较薄的镀层获得较为理想的镀层表面。 二、镀层应力低，成分稳定，深镀能力强。 结品细化，改善与提高镀层的均镀能力 :脉冲电镀时，山于脉冲瞬间阴极表而上具有很高的电流密度。 如镀金时瞬间电流密度可比平均电流密度左 (1012)倍。 这就使品核形成的速度大于晶核成长的速度。 脉冲镀层的品粒般为 微米左右，而直流镀层的晶粒大于 1 微米，另外脉冲电镀电流分布的均匀性好，这就改善了镀层的均镀能力。 三、改善镀层 的化学性能，降低孔隙率提高镀层的抗腐蚀能力。 对十镀层表面具有无孔特性一般说其镀属厚度，脉冲镀比直流镀可减少。 四、改善镀层的物理性能降低表面电阻和体电阻，提高导电性，增大耐磨性，减少应力。 氰化镀银脉冲镀层的耐磨能力要比直流镀层增加一倍。 由于脉冲时的峰值电压远大于直流镀时的电压所以阴极表面钝化膜易被击穿而有利于镀层与基体间的结合，因此脉冲镀提高了结合力。 五、节约金属尤其是贵金属。 我国电子工业每年用金量约 20 吨其中大部分用兰州理工大学毕业设计 (论文 ) 7 于电子元件的电镀涂层，白银的每年用量超过百吨它主要用于电镀涂层，由于镀层超厚其金、银等贵 重金属白白耗费紧集成电路框架镀金为例，直流镀层厚度需要 2 微米以上 才 能保证使用，而采用脉冲电镀后可使镀金层厚减 到 微米便可满足要求，这就可使镀金层厚度降低 40%,镀件受镀时间减少 1/3 左右。 脉冲镀在节约材料尤其贵金属方面具有非常明显的经济效益。 脉冲电源使用的局限性 上面简要说明了脉冲电源作为电镀电源使用的特点和使用方法，但并非脉冲电源在任何场合使用都能获得较为理想的表面，脉冲电源也存在一定的 局 限性，主要表现在以下几个方面 : 一、脉冲电源虽然在表面能形成致密均匀的镀层表面，但它在要求工件表面镀层 较厚的场合效果并不理想，效率低。 一般情况下， 2030μ m 以上镀层用其它直流电源电镀比脉冲电源理想。 二、脉冲电源在较多复杂的表面 (例如首饰、插件 )能形成较为均匀的镀层，保持工件原有机械形状，但在深镀能力上不理想，电流效率较低，例如深孔电镀。 PCB 行业中孔经比较大的印刷板电镀，虽然表面质量较为理想。 但会出现镀层厚度不一致的现象。 三、脉冲电源在工作中，在电镀槽中产生变流低频振荡会引起部分有机类添加剂分解，造成镀液污染 ； 故在脉冲电源使用场合，最好不使用有机添加剂。 四、电流效率低，在对工件表面要求要求、 镀层较厚、单产产量大的贵金属电镀中，使用脉冲电源效果比用低纹波高频开关电源要逊色。 综上所述，随着科技进步，电子、通信、信息等尖端高科技工业的发展，电镀脉冲电源的应用将越来越广泛，合理使用脉冲电源必将对我国金属表面处理行业的发展起到很大的促进作用。 兰州理工大学毕业设计 (论文 ) 8 第三章 数字单脉冲电源的性能指标及其概述 数字脉冲电源的应用意义和概述 数字脉冲电源的应用意义 随着现代社会的发展 ,数控电源技术已经用到了各种领域，首先我们先了解一下数控技术的发展情况，人们对电镀质量的要求越来越高。 但目前电镀技术仍存在 某些缺陷，诸如加工时间长、镀层厚度均匀性差、镀层容易出现缺陷以及存在较大内应力等。 这些缺陷大大限制了电镀技术的应用和发展，不能适应当前的生产，尤其是精密制造的需要。 数控电源技术是对电解电源实现大电流、高频率、大工作比脉冲输出、环保、节电节时高效的技术。 数字脉冲电源的概述 所谓数字脉冲电源，就是采用微处理器等数字电路对脉冲电源中的直流斩波进行控制，并实现数字显示与数字调节的一种脉冲电源。 它是当今最为现在金的电镀电源，也是电镀电源发展的方向。 他与传统的模拟脉冲电源相比，具有这样一些优点： 驱动波形规 整，极大地改善了载波后的输出波形，对提高电镀质量十分有利； 采用数字调控，直观简单； 波形调节范围宽，调节步进可以至 ； 温度漂移系数小，能长期稳定地连续运行。 直流电源数字控制器开关管负载 图 31 数字脉冲电源原理示意图 在目前的应用中，大多利用大功率的开关管 IGBT 对直流电源进行斩波，达到脉冲输出的目的。 改变 IGBT 开关的方波驱动信号，以实现脉冲宽及频率的可兰州理工大学毕业设计 (论文 ) 9 调。 数字单脉冲电源的性能指标 脉冲电镀实质上是一种通、断直流电镀。 所不同的是脉冲电镀有三个独立 的参数（脉冲电流密度 J、导通时间 tom 及关断时间 toff 可调 ； 而一般直流电镀只有 1 个参数（电流或电压）可调。 因此，采用脉冲电镀就成为槽外控制镀层提供了有力的手段。 国内外电镀工作者大量的实践证明，脉冲电镀是一项既能提高镀层质量，又能提高沉积速率的经济效率很高的电镀新技术。 图 32 为脉冲电源的电流波形，图中： Ton:脉冲电流导通时间； Toff：脉冲电流断电时间； T=ton+toff：脉冲周期； J:电流密度； Ip:电流峰值。 o titon toff TJI p 图 32 脉冲 电源参数图 本数字单脉冲电源的性能与设计要求主要体现在以下一些指标： 供电电源： 3 相， 50HZ， 380V 输出峰值电压： 330V，连续可调 兰州理工大学毕业设计 (论文 ) 10 脉冲频率： 110KHZ，可调 脉冲占空比： 4070%，可调 脉冲电流导通时间 ton:1100ms 电流电压波形 :脉冲 ,键盘设定 工作方式 :恒流 /压任选。 电镀时间可键盘设定，为 09999s。 兰州理工大学毕业设计 (论文 ) 11 第四章 主电路的设计及器件选择 主电路由三部分构成，分别为电源部分、斩波部分、调压部分。 电源部分采用三相全控桥式整流电路，斩波部 分采用 MOSFET 场效应管的通断来控制，调压部分采用脉冲式变压器完成。 三相全控桥的工作原理 如图 41 所示，为三相桥式全控带阻感负载，根据要求要考虑电动机的电枢电感与电枢电阻，故为阻感负载。 习惯将其中阴极连接在一起的 3 个晶闸管称为共阴极组；阳极连接在一起的 3 个晶闸管称为共阳极组。 共阴极组中与 a、 b、 c三相电源相接的 3 个晶闸管分别为 VT VT VT5， 共阳极组中与 a、 b、 c 三相电源相接的 3 个晶闸管分别为 VT VT VT2。 晶闸管的导通顺序为 VT1－VT2－ VT3－ VT4－ VT5－ VT6。 变 压器为 Y 型接法。 变压器二次侧接成星形得到零线，而一次侧接成三角形避免 3 次谐波流入电网。 图 41 三相桥式全控整流电路带电动机（阻感）负载原理图 三相全控桥的工作特点 ⑴ 2 个晶闸管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各 1 个，且不能为同 1 相器件。 ⑵ 对触发脉冲的要求： 兰州理工大学毕业设计 (论文 ) 12 按 VT1VT2VT3VT4VT5VT6 的顺序 ， 相位依次差 60176。 共阴极组 VT VT VT5 的脉冲依次差 120176。 共阳极组 VT VT VT2 也依次差 120176。 同一相的上下两个桥臂，即 VT1 与 VT4， VT3 与 VT6， VT5 与 VT2，脉冲相差 180176。 ⑶ ud 一周期脉动 6 次，每次脉动的波形都一样 , 故该电路为 6 脉波整流电路。 ⑷ 晶闸管承受的电压波形与三相半波时相同，晶闸管承受最大正、反向电压的关系也相同。 阻感负载时的波形分析 三相桥式全控整流电路大多用于向阻感负载和反电动势阻感负载供电（即用于直流电机传动），下面主要分析阻感负载时的情况，因为带反电动势阻感负载的情况，与带阻感负载的情况基本相同。 当α≤ 60 度时， ud 波形连续，电路的工作情 况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的通断情况、输出整流电压 ud 波形、晶闸管承受的电压波形等都一样。 区别在于负载不同时，同样的整流输出电压加到负载上，得到的负载电流 id 波形不同，电阻负载时 ud 波形与 id 的波形形状一样。 而阻感负载时，由于电感的作用，使得负载电流波形变得平直，当电感足够大的时候，负载电流的波形可近似为一条水平线。 图 42 和图 43 分别给出了三相桥式全控整流电路带阻感负载α =0 度和α =30 度的波形。 图 42 中除给出 ud 波形和 id 波形外 ， 还给出了晶闸管 VT1 电流 iVT1 的波形，可 与带电阻负载时的情况进行比较。 由波形图可见，在晶闸管 VT1 导通段，iVT1 波形由负载电流 id 波形决定，和 ud 波形不同。 图 43 中除给出 ud 波形和 id 波形外，还给出了变压器二次侧 a 相电流 ia 的波形，在此不做具体分析。 兰州理工大学毕业设计 (论文 ) 13 图 42 触发角为 0 度时的波形图 图 43 触发角为 30 时的波形图 当α＞ 60 度时，阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同，电阻负载时 ud波形不会出现负的部分，而阻感负载时，由于电感 L 的作用， ud 波形会出现负的部分。 图 44 给出了α =90 度时的波形。 若 电感 L 值足够大， ud 中正负面积将基本相等， ud 平均值近似为零。 这说明，带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的α角移相范围为 90 度。 图 44 触发角为 90 时的波形图 参数计算 整流变压器的选择 由系统要求可知，整流变压器一、二次线电压分别为 380V 和 220V，由变压兰州理工大学毕业设计 (论文 ) 14 器为 Y 接法可知变压器二次侧相电压为： VVU 12732202  （公式 1） 变比为：  UUK （公式 2﹚ 变压器一次和二次侧的相电流计算公式为： KIKI dI11  ﹙公式 3﹚ dI IKI 22  ﹙公式 4﹚ 而在三相桥式全控中  II KK ﹙公式 5﹚ AId 305 ﹙公式 6﹚ 所以变压器的容量分别如下： 变压器次级容量为： 221 3 IUS  ﹙公式 7﹚ 变压器初级容量为： 112 3 IUS  ﹙公式 8﹚ 变压器容量为： 2 21 SSS  ﹙公式 9﹚ 即：   kWS 2  变压器参数归纳如下：初级绕组三角 形接法 VU 3801  ， AI  ；次级绕组星形接法， VU 1272  ， AI  ；容量选择为。 兰州理工大学毕业设计 (论文 ) 15 晶闸管的选择 ⑴ 晶闸管的额定电压 由三相全控桥式整流电路的波形（图 41）分析知，晶闸管最大正、反向电压峰值均为变压器二次线电压峰值 26FM RMU U U ﹙公式 10﹚ 故桥臂的工作电压幅值为： VU m  ﹙公式 11﹚ 考虑裕量，则额定电压为：      VUU mN ~~23~2  ﹙公式 12﹚ ⑵ 晶闸管的额定电流 晶闸管电流的有效值为： AII dVT a x  ﹙公式 13﹚ 考虑裕量，故晶闸管的额定电流为：       AII VTAVVT ~ ~~)(  ﹙公式 14﹚ 平波电抗器的选择 为 了限制输出电流脉动和保证最小负载电流时电流连续，整流器电路中常要串联平波电抗器。 对于三相桥式全控整流电路带电动机负载系统，有： mindIUL  ﹙公式 15﹚ 其中， （单位为 mH）中包括整流变压器的漏电感、电枢电。