（材料加工工程专业论文）逆变式电刷镀电源的研制.pdf

摘要 设计了一台逆变式电刷镀电源，电源具有直流恒压输出和方波脉冲电压输出 两种输出特性。电源为2 2 0 v 、5 0 h z 交流输入，逆变电路采用逆变频率为2 0 k h z 的全桥逆变结构，控制电路采用电压控制型脉宽调制技术。电源直流恒压输出方 式的输出电压为4 3 0 v 恒压可调；脉冲方波电压输出方式输出的方波脉冲幅值 为o 3 0 v 可调，频率为l o o h z 1 5 0 h z 可调。并且设计了控制电刷镀镀层厚度的 装置安培小时计。 介绍了整个电刷镀电源的制作过程，包括逆变主电路的设计，功率开关管 i g b t 缓冲电路的设计，用电压控制型p 删集成控制器s g 3 5 2 5 设计p 删控制电路， 以8 9 c 5 1 单片机和压频转换芯片l m 3 3 1 为核心器件设计用于控制电刷镀镀层厚度 的装置安培小时计，用i g b t 集成驱动保护模块m 5 7 9 6 2 l 设计i g b t 门极驱 动电路，用e e 6 5 铁氧体磁芯设计高频变压器，用线性光耦t l p - 5 2 1 设计输出电 压采样电路，设计输出端斩波电路，以及设计其他辅助电路。 使用制作的电刷镀电源进行模拟负载通电实验，证明电源设计方案的可行 性。 关键词：电刷镀电源；逆变；脉宽调制 a b s t r a c t d e s i g nab r u s hp l a t i n gi n v e r t e rp o w e rs o i l l c e t h ep o w e r 文i i r c eh a st w ok i n d s o f o u t p u tc h a r a c t e r i s t i c s ，i n c l u d i n gt h ed cc o n s t a n tv o l t a g ef o r ma n d t h es q u a r ew a v e p u l s ev o l t a g ef o r m t h ei n p u tv o l t a g eo ft h ep o w e rs o u r c e i s2 2 0 v , 5 0 h za c v o l t a g e t h ei n v e r t e rc i r c u i tu s ef u l lb r i d g ei n v e r t e rs m l c t u r e ，t h ei n v e r t i n gf r e q u e n c y i s2 0 k h z t h ec o n t r o le i r e t t i tu s et h ev o l t a g ee o n l l o lm o d ep u l s e - w i d t hm o d u l a t i o n c o n t r o lt e c h n i q u e w h e nt h ep o w e rs o u r c ew o r ka tt h ei x ；c o n s t a n tv o l t a g eo u t p u t m o d e ，t h ev o l t a g eo ft h ep o w e rs o u r c ec 8 1 1b ea d j u s t e db e t w c c no va n d3 0 v w h e n t h ep o w e rs o k l l w o r ka tt h es q u a r ew a v ep u l s ev o l t a g eo u t p u tm o d e ，t h ep u l s e a m p l i t u d e 锄b ea d j u s t e db c t w t ：e no va n d3 0 va n dt h ep u l s ef r e q u e n c yc a l lb e a d j u s t e db e t 、v e e nl o o h za n d1 5 0 h z d e s i g nt h ea m p e r eh o u rn l c t 盯t oc o n t r o lt h e t l a i e k n e s so f t h ep l a t i n g i n l r o d u e et h em 蛐p r o c e s so ft h ep o w e rs o u r c e ，i n c l u d i n gt h ed e s i g no f i n v e r t e rc i r c u i t , t h ed e s i g no fb u f f e rc i r c u i tf o r t h e9 3 b t , t h ed e s i g no fp w mc o n t r o l c i r c u i tu s i n gt h ev o l t a g ec o n t r o lm o d ep w m i n t r g r a t e dc o n t r o l l e rs g 3 5 2 5 ，t h ed e s i g n o f a m p e r eh o u rl l l c t 睨 u s i n gt h e8 9 c 5 1m c u a n dt h ev f c c h i pl m 3 3 1 ，t h ed e s i g no f i g b tg a t ed r i v ec i r c u i tu s i n gt h ei g b td r i v i n ga n dp r o t e c t i o nm o d u l em 5 7 9 6 2 l ，t h e d e s i g no fh i g hf r e q u e n c yt r a n s f o r m e ru s i n gf e r r i t ec o r ee e 6 5 ，t h ed e s i g no fo u t p u t v o l t a g es a m p l i n gc i r c u i tu s i n gt h el i n e a ro p t o e o u p l e rt l p - 5 2 1 t h ed e s i g no fo u t p u t c h o p - w a v ec i r c u i _ t ，a n dt h ed e s i g no f o t h e ra u x i l i a r yc i r c u i t u s et h ep o w e r $ o l l l c et od oc x p c l i m e n t sb ya n o l o gl o a dt op r o v et h ef e a s i b l eo f t h ed e s i g n k e y w o r d s ：b r u s hp l a t i n gp o w e rs o u r c e ，i n v e r t e r ，p u l s e - w i d t hm o d u l a t i o n 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一 同工作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ：聱 h ，1 年月t 7e t 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术 期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件 或电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论 文外，允许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括 刊登) 授权河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 盔当；瑚s 年；月1 日 第一章绪论 第一章绪论 电刷镀是应用电化学沉积原理，在导电零件需要制各镀层的表面上，快速 沉积金属镀层的表面技术，它是表面工程技术的重要组成部分【“。 电刷镀工作原理如图1 - 1 所示。将表面处理好的工件与专用的直流电源的 负极相连，作为刷镀的阴极；镀笔与电源的正极连接，作为刷镀的阳极。刷镀 时，使棉花包套中浸满电镀液的镀笔以一定的相对运动速度在被镀工件表面上 移动，并保持适当的压力。这样，在镀笔与被镀工件接触的那部分，镀液中的 金属离子在电场力的作用下扩散到工件表面，在表面获得电子被还原成金属原 子，这些金属原子沉积结晶就形成了镀层。随着刷镀时间的延长，镀层逐渐增 厚，直至达到需要的厚度。 图1 - 1 电刷镀工作原理 电刷镀技术的基本原理可以用下式表示1 2 1 ： m 旷+ n e - mi 式中：旷金属正离子；n 一该金属离子的化合价； e 一电子；m - 金属原子。 电刷镀镀层质量高，设备简单，操作方便，环境污染少。电刷镀技术可以 用于修补槽镀产品的缺陷；修复工件表面的划伤、沟槽、凹坑、斑蚀；强化新 品表面，使其具有较好的力学性能和物理性能；装饰和修复建筑物、文物、工 艺美术制品；修复印刷电路板、电气触点、电子元气件等p 】。 随着电刷镀技术的大量应用，人们最关心的是如何进一步得到结合强度高， 表面粗糙度小，力学性能符合要求的镀层质量。刷镀质量的影响因素很多，但 可以归纳如下两大方面：一是改进镀液与阳极，即改进镀液的配方，增加添加 剂，调整酸碱度和温度，改变电极的材料、形状及尺寸1 4 】；另一方面就是改进 河海大学工学硕士论文逆变式电刷镀电源的研制 电刷镀电源的性能。 电刷镀电源是实施电刷镀的主要设备，是用来提供电能的装置。现在用于电 刷镀的电源主要有传统的工频电源和采用逆变技术的高频电源。相对于传统的工 频电源，逆变式电刷镀电源由于具有高效节能，重量轻、体积小，动态响应时间 短，对输出特性控制能力强等优点，因而得到了大力发展。有逐渐取代传统工频 电源的趋势。 脉冲电刷镀技术是2 0 世纪后期发展起来的。 采用直流刷镀时，产生较大的扩散层，降低了阴极表面金属离子的浓度，限制 了电沉积速度，所以直流刷镀的速度慢1 6 j 。 脉冲刷镀时，由间歇式电沉积代替了直流连续电沉积，不仅降低了扩散层的 有效厚度，减小了浓差极化，使扩散层内的金属离子浓度增大，而且还增大了过电 位，从而使电沉积速度加快，降低了形核功，使形核率大大增加，且在脉冲电流作 用下。使晶核生长的速度又受到限制，从而产生了刷镀速度快、晶粒细小均匀、空 隙率小、色泽光亮、结合强度高的效果【”。 由于逆变式电源中引进了微机控制系统，因此逆变式电源对于输出波形的控 制能力大大优于传统的工频电源，也使得脉冲输出的电源变得较易于实现。 1 1 国内外电刷镀电源的研究现状 ( i ) 国内电刷镀电源的研究现状 目前国内使用的逆变式电刷镀电源主要以中小功率恒压特性输出的电源为 主。主要是力求将电源更加小型化、简单化，控制电路广泛采用单片机系统控制 的方式。清华大学自行研制的一系列逆变式电刷镀电源，采用a v r 高速单片机设 计控制系统。其研制的逆变式恒压电源为两相工频输入，输出电压o 3 0 v ，输出 电流有o 3 0 a 和o 6 0 a 两种；其研制的脉冲刷镀电源为两相输入，输出脉冲最大 峰值电压3 0 v ，脉冲峰值电流有3 0 a 、6 0 a 、2 5 0 a 几种，脉冲频率为2 5 0 2 5 0 0 h z ， 脉冲占空比1 0 4 0 。 国内对脉冲电刷镀研究相对较少，其原因是为获得脉冲输出需要增加额外的 硬件。而一般的直流输出的电源已经可以很好地满足绝大多数情况下的刷镀工作 了。因此只有在对少数工艺品、量具、卡规等刷镀的时候，为了进一步提高镀层 的致密度和光泽度等，会采用脉冲电刷镀的方法。而获得质量更高的镀层也可以 使用直流输出的电源采用较多工序来实现。因此在实际生产中脉冲刷镀的使用很 少，电刷镀电源主要还是以恒压特性的输出为主。 用于脉冲电刷镀的脉冲波形一般有脉冲方波、三角波、正弦波、交流方波等。 不同的脉冲波形对电刷镀的效率，镀层的硬度、表面粗糙镀、光泽度等都有着不 同的影响。有关实验表明采用脉冲方波施镀时所得镀层的维氏硬度最高；从电刷 2 第一章绪论 度的效率来看，直流电镀的平均镀层最高；从镀层的外观来看，三角波的镀层最 好，从截面扫描图片来看，直流与脉冲方波镀层有些类似，为无定型结构，但直流 镀层孔隙多，脉冲方波镀层更致密，三角波镀层具有明显的层状结构。交流方波 镀层在以上几方面都是最差的译j 。 对镀层硬度和扫描图片结构的解释是，采用直流电源时，电压、电流都比较恒 定，在整个周期内是稳定施镀；而脉冲方波在一个周期内电压电流是波动的，只有 脉冲处进行施镀，能量集中，因此，两者比较，脉冲方波施镀时镀层更致密，孔隙更 小，硬度更高，三角波介于两者之间，采用三角波电源时，因为斜率的问题，波形上 升时与下降时存在差异，因此，镀层出现层状结构。 也有研究指出，加大负向半波电压的幅值，同时减小持续的时间，可以获得 比采用幅值对称的方波电源更加优异的性能。正负不对称脉冲如图卜2 所示。 图1 - 2 正负不对称脉冲 有关研究表明牡4 6 】，在镀液中加入纳米颗粒的情况下，在脉冲换向电流条件 下，可以克服脉冲电流所存在的问题，抑制双电层的影响，增强晶体生长的抑制作 用，消耗电沉积时产生的氢，明显提高镀层中纳米颗粒的含量，从而改进镀层的物 理和化学性能【刿。 ( 2 ) 国外电刷镀电源的研究现状 国外的电刷镀电源也是以直流特性输出的电源为主，其研究方向主要是研究 大功率的电源，以实现更大的电刷镀镀层厚度。这在很大程度上依赖于硬件水平 的提高，而大功率的开关器件成本很高，因此，一般认为对于电流大于5 0 0 a 的特 大型电刷镀电源，需要采用输出端多组电源并联的技术。 国外对脉冲刷镀技术的研究也比较成熟，在欧洲，脉冲电刷镀较多的被应用 于首饰制造行业，目前国外的一些脉冲刷镀电源已经实现了程序控制输出电流波 形，并制造出了基于p l c 控制的智能化脉冲刷镀电源，其可以根据刷镀的工作状 况精确控制电源的输出波形，这样获得的镀层性能是十分优良的。但是其电源设 计成本昂贵，一般要采用双电源方案，图卜3 是一种高频交流方波电源的方案， 它是由利物浦大学的xmz e n g ，jl u c a s ， yyr e n 和abp a r k e r 设计【l ”，这种 电源方案可用于实现脉冲方波、正弦波、三角波、交流方波等多种脉冲输出方式， 交流方波的最高频率可达2 0 k h z 。 河海大学工学硕士论文逆变式电刷镀电源的研制 图卜3 高频交流方波电源 这种电源方案的控制系统比较复杂，需要使用数字控制的方法。数字化电源 中通常使用p l c 系统为核心设计控制系统。 1 2 本课题的研究内容 脉冲电刷镀电源虽然已经得到了广泛的研究，但是有关电路设计思想和参数 选择方面的资料还很少，因此本文旨在设计一台逆变式直流、脉冲两用的电刷镀 电源，总结设计过程中的经验和教训，为以后的研究打基础。并通过实验比较直 流刷镀和脉冲刷镀各自的优缺点。 论文主要将从以下几个方面展开： ( 1 ) 电刷镀电源主体设计，介绍电刷镀电源的组成部分，并整体规划本课 题电源的设计方案； ( 2 ) 设计电源主电路，主电路采用全桥逆变，逆变频率为2 0 k h z ，使用中心 抽头式变压器，输出端采用斩波的方式实现方波脉冲输出，斩波频率为i o o h z 1 5 0 i ( h z ，使用固态继电器实现极性变换功能； ( 3 ) 设计电源驱动电路和控制系统，驱动电路使用m 5 7 9 6 2 l 集成驱动保护模 块；控制系统主要以电压控制型脉宽调制芯片s g 3 5 2 5 为核心进行p 唰控制，斩波 电路的频率控制由5 5 5 定时器实现； ( 4 ) 设计安培小时计。用8 9 c 5 1 单片机和l m 3 3 1 压频转换芯片为核心器件设 计安培小时计，并通过实验验证其可行性； ( 5 ) 通过刷镀实验比较和分析刷镀电源波形对刷镀质量的影响。 4 第二章电源主电路的设计 第二章电刷镀电源的总体设计 c j $ 1 j 镀电源是实施电刷镀的主要装置，用来提供刷镀所需要的电能。一般情 况下逆变式电刷镀电源由逆变电路、整流、滤波电路、安培小时计、过载保护 电路及其他辅助电路组成。其输出电压一般为恒压式的，即具有平硬的电源外特 性，随着电刷镀的电流的增大，电源输出电压只有略微的下降。脉冲电刷镀则是 在恒压输出的基础上通过斩波方式或其他方式，得到不同的脉冲输出波形。 2 1 电刷镀电源的基本要求 一般情况下，电刷镀电源应满足如下的设计要求【3 l ： ( 1 ) 电源必须具有变交流电为直流电的功能，并要求有平直或缓降的外特 性，即要求负载电流在较大范围内变化时，电压的变化很小。恒压式电刷镀电源 的外特性曲线如图2 - 1 所示。 图2 1 恒压式电刷镀电源的外特性曲线 ( 2 ) 输出电压应能无级调节，以满足各道工序和不同刷镀溶液的需要。常 用的电源电压可调节范围为o 3 0 v ，对于大功率电源，最高电压能够达至u 5 0 v 。 ( 3 ) 电源应装有可计量电刷镀电量的装置，能较为准确地控制镀层的厚度。 ( 4 ) 有过载保护装置，当超载或短路时，能迅速切断主电路，保护设备和 工作人员的人身安全。 ( 5 ) 输出端应设有极性转换装置，以满足各道工序的要求。 ( 6 ) 电源应体积小、质量轻、工作可靠、操作简单、便于维修。 ( 7 ) 电源的自调节作用强，输出电流应能随镀笔和阴极接触面积的改变而 自动调节。考虑到零件待镀面积大小的不同，常把电源输出电流和电压的最大值 分为几个等级，国产电刷镀电源的配套等级与主要用途见表2 1 。 河海大学工学硕士论文 逆变式电刷镀电源的研制 表2 - 1 国产电刷镀电源的配套等级与主要用途 配套等级 主要用途 5 a3 0 v 1 5 a2 0 v 3 0 a 3 0 v 6 0 a 7 5 a3 0 v 1 0 0 a 1 5 0 a3 0 v 3 0 0 a 5 0 0 a5 0 v 电子、仪表零件，项链、戒指等首饰及小工 艺品的镀金镀银等 中小型工艺品，电器元件，印刷电路板，量 具、卡规、卡尺的修复，模具的保护和光亮 处理等 小型工件的电刷镀 中等尺寸零件的电刷镀 大中型零件的电刷镀 特大型零件的电刷镀 2 2 逆变式电刷镀电源的主要组成部分及实现设想 逆变式电刷镀电源的组成部分包括：逆变电路、整流、滤波电路、安培小 时计、斩波控制电路、过载保护电路及其他辅助电路组成。本文设计的逆变式 电刷镀电源在此基础上加入了输出端斩波电路，以实现方波脉冲电压输出的特 性。逆变式电刷镀电源的结构框简图如图2 - 2 所示。 输入整高频变压输出整 交流电潭 逆变电路 流、滤波嚣流，垮碹 罗毒 削甲囝 品畦 七誊 m 记敷趔能蹴计嚣h ” l 黯关断h 计数显示l 【 计赧 l “瑟挟卜l 仁。 图2 - 2 逆变式电刷镀电源的结构框简图 2 2 1 电源主电路的设计 如图2 2 所示，电源的主电路包括输入整流、滤波电路、逆变电路、高频变 压器、输出整流、滤波电路、斩波电路等部分。其主要功能是将工频两相交流电 变为具有缓降外特性的直流电，或通过斩波电路实现方波脉冲电压输出的功能。 本次设计的输入整流、滤波电路采用全桥整流、电容( c ) 滤波的方式；逆 变电路采用全桥逆变，高频变压器使用e 型铁氧体磁芯，中心抽头式的变压器； 输出整流电路如图2 3 所示，输出滤波电路采用电感电容( l c ) 滤波；极性变换 6 第二章电源主电路的设计 电路使用固态继电器来实现。 翱缸 图2 3 输出整流电路 2 2 2 电源控制电路和驱动电路的设计 如图2 2 所示，电源的控制电路包括p 删控制电路、输出电压采样电路、 斩波控制电路、单片机控制系统等。 p 州控制电路的作用有：通过调节p w i v i ( p u l s e - w i d t hm o d u l a t i o n ) 控制 电路给定信号实现输出电压幅值的调节：当p w m 控制电路给定电压不变时， 通过采样反馈电源的输出电压，来保证电源输出电压幅值的稳定，从而实现电 源的恒压特性输出； 输出电压采样电路的作用是将电源的输出电压进行采样放大，反馈给p w m 控制电路； 斩波控制电路的作用是控制斩波电路的开关频率； 单片机控制系统的作用主要是结合压频转换电路设计安培小时计，以及 实现输出端快速过电流保护； 驱动电路的作用是使i g b t ( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 具有良好、 可靠的开关特性，并且具有过电流保护的功能。 本次设计的p w m 控制电路使用电压型p w m 控制芯片$ g 3 5 2 5 为核心器件组成闭 环控制系统；斩波控制电路由5 5 5 定时器来实现；单片机控制系统使用8 9 c 5 1 为核 心器件；驱动电路使用m 5 7 9 6 2 l 集成驱动、保护模块；输出电压采样电路使用线 性光耦t l p 5 2 1 为核心器件对输出电压进行采样处理。 2 2 3 安培小时计的设计 安培小时计是电刷镀电源的重要组成部分，其功能是通过直接计量刷镀时 电流所消耗的电量来间接控制镀层的厚度，并同时具有定时报警并切断电路的功 7 河海大学工学硕士论文 逆变式电刷镀电源的研制 能。 本次设计由l m 3 3 1 压频转换芯片和8 9 c 5 1 单片机为核心器件设计安培小时 计。使用霍尔电流传感器采样电源输出电流，并用采样电阻转化为与之成正比的 电压形式，采样电压通过压频转换电路转换为频率信号，再由单片机系统计数实 现控制镀层厚度的功能。 2 2 4 输出快速过电流保护电路 输出快速过电流保护电路的作用是，当电源超载或短路时，能迅速切断主电 路，以保护设备和操作人员的人身安全。 本次设计由霍尔电流传感器采样电源输出电流，并用采样电阻转化为与之成 正比的电压形式，采样电压由a d 转换器转换为数字信号供单片机系统处理，当 采样信号大于设定的过流保护阈值时，迅速切断电源主电路。 第三章电源主电路的设计 第三章电源主电路的设计 整个电源主电路分为主逆变电路和电源输出端电路两个部分。 其中主逆变电路的作用是：将两相工频交流电通过整流、滤波后可得到的约 3 0 0 v 电压的直流电，变为幅值为3 0 0 v 、频率为2 0 k h z 的高频交流电。高频交流电 再经过高频变压器变压隔离输出幅值较低的高频交流电。 电源输出端电路包括输出整流、滤波电路、斩波电路和极性变换电路。输出 整流、滤波电路的作用是将一次逆变后的得到的高频交流电经过整流、滤波得到 低压直流电。而全桥逆变电路输出整流、滤波后得到的直流电压值u o = u 1 x d ( u l 为高频变压器输出的方波交流电压幅值，d 为整流后方波交流电的占空比) 。所 以通过调节逆变电路控制信号的占空比就能调节输出直流电压的大小，从而得到 刷镀工作所需要的电压值；斩波电路的作用是将电源输出的直流电经以斩波的方 式实现脉冲方波的输出；变极性电路的作用是可以以手动选择的方式实现电源正 负极性的转换。 3 1 主逆变电路的设计 电源逆变主电路图如图3 - 1 所示。 图3 1 逆变主电路 本次设计的电源为小功率刷镀电源，输出参数定为3 3 0 v ，o 3 0 h ，最大输 出功率为9 0 0 w ，假设电源效率为8 5 ，则实际功率为1 0 0 0 w 左右，一般功率为几百 瓦几千瓦的电源大多采用半桥逆变结构，本次设计的主电路选用全桥逆变结 构，是为以后的改进研究工作打基础，使将来设计大功率的刷镀电源也可以在此 硬件基础上得以实现。 9 河海大学工学硕士论文逆变式电刷镀电源的研制 如图3 - i 所示，2 2 0 v ，5 0 h z 的两相工频交流电经过整流、滤波电路后变为约 3 0 0 v 的直流电，该直流电经过全桥逆变电路后变为约2 0 l ( h z 的高频交流电，再由 高频变压器隔离变压后，经过输出整流、滤波电路后得到刷镀工作所需要的低压 直流电。 3 1 i 输入电路的设计 ( 1 ) 输入滤波电容的选择f 1 2 j 工频交流电经过全桥整流后得到脉动的直流电，需要在电源的正负极间联接 一个滤波电容来平滑电压，减小脉动。滤波电容最好选用等效串联电阻低且电容 量大的电解电容，因为等效串联电阻值对输出脉动电压值有直接影响。为了减少 等效串联电阻，可以用多个电容并联的方式获得所需的电容量。滤波电容的值可 用以下方法选取。 两相工频交流电有效值为2 2 0 v ，通过电容滤波转化为直流电压，空载时u d o 约为其峰值电压3 1 1 v 。当接有负载时直流电压是脉动的，脉动的直流电压波形如 图3 2 所示。其平均值u d 约为3 0 0 v 。直流侧功率p d 近似等于输入功率，直流侧平 均电流i d = p d u d ，设滤波电容充放电过程中的最大电压降u 为6 x u d o 【1 3 j 。在t 1 区间内，电容c 向负载放电，在( t 2 ) - t 1 区间内，电容c 由电源充电。 假定在放电期间电流恒定为i d ，则： ( i d c ) t i = u ( 3 1 ) 由图3 2 可得：u d o a u = u d o c o s ( t i t 2 ) ( 3 2 ) ，、卜 au0 u d (、，j f i i u a i 一。 t 1一 图3 2 脉动的直流电压波形 由( 3 2 ) 得：t i = t 2 一 一l ( 1 一u u d o ) ( 3 3 ) 将t = 2 0 m s ，= 2 f ，u d 0 = 3 1 i v ，a u = u d 0 x 6 = 1 8 7 v 带入( 3 3 ) 式得： t i = 2 0 2 一 s - i ( 1 1 8 7 3 1 1 ) ( 2 x 5 0 ) = 8 9 m s 假设电源的效率为8 5 ，因为输出电压最大值为3 0 v ，输出电流最大值为3 0 a ， 所以p d = 3 0 3 0 0 8 5 = 1 0 5 8 8 2 w 。 i d = p d u d = 3 5 a c = ( i d a u ) t i = 1 6 6 5 7 8 pf 1 0 第三章电源主电路的设计 实际中采用4 个4 7 0uf 的电解电g c 5 、c 6 、c 7 、c 8 并联得到1 8 8 0 pf 的电容值， 并且并联两个2 2 pf 的c b b 电容c 9 、c i o 和两个i o k q 的电阻r 5 、r 6 。( 图3 1 ) 中 两个c b b 电容是为了去除高频纹波，并联电阻r 5 、r 6 是为了在电源断电以后通过 它把电容中储存的电量释放掉。 ( 2 ) 防止输入电流过冲的方法 开关电源的输入电路大都采用电容滤波，在输入电路合闸瞬间，由于滤波电 容器两端的电压不能突变，因此合闸瞬间电网和滤波电容之间会有很大的电位 差，又因为引线上电阻很小，所以会形成很大的瞬时冲击电流。冲击电流可达正 常工作电流的几十倍，如此大的冲击电流幅值，有可能将合闸开关的触点烧坏， 为此，几乎所有开关电源都在其输入电路中设置了防止冲击电流的软启动电路， 保证开关电源正常而可靠的启动。 一般的防止过冲电流的方法是使用负温度系数( n t c ) 的热敏电阻或用延时 软启动电路来设计，本文使用延时软启动电路来抑制合闸瞬间的电流浪涌。 如图3 一l ，当电源瞬时接通时，限流电阻r o 起到了限制冲击电流的作用，输 入电压经过整流桥b 1 和限流电阻r o 对电容器c 充电( c = 1 8 8 0 pf ，为图3 1 中c 5 、 c 6 、c 7 、c 8 并联所得的电容值) ，当电容器c 充满电后，接通固态继电器s l 将r 0 短路，以达到软启动的效果。 当电容器c 充电到约为电源正常工作电压平均值u d 的8 0 时，变换器开始工作 1 1 4 1 ，本次设计取r o = 5 0q ，这段时间可由式( 3 4 ) 计算。 u = u d ( 1 一e - u ) ( 3 4 ) 其中：t = r o x c ( s ) 将r o = 5 0q ，c = 1 8 8 0uf ，u = 8 0 u d 代入式( 3 4 ) 得：电容器c 充电到约为电源正 常工作电压平均值的8 0 所用的时间为：t = o 1 5 s 。 因此，只要设计一个延时电路，使得在电源通电0 1 5 s 后将限流电阻r 0 短路， 就可以达到抑制合闸瞬间冲击电流的目的。本文的设计方法是使用一个固态继电 器延时开通将r 0 短路的方法，固态继电器的控制信号使用了如图3 3 所示的延时 电路。 图3 - 3 延时电路 如图3 3 所示，当电源通电后，5 v 的控制信号电源通过电g l r l 对电容c 1 充电， 当c 1 上的电压上升到固态继电器的控制端门槛电压3 v 时，固态继电器导通短路电 河海大学工学硕士论文逆变式电刷镀电源的研制 阻r 0 ，电源开始正常工作。 当电源断电时，电容c 1 通过r 2 迅速放电到o v ，使固态继电器关闭，不会影响 下一次开机的软启动动作。 由上面分析知延时时间应在o 1 5 s 左右。 本文取r i = i k o ，c 1 = 2 2 0 pf ，由式( 3 4 ) 得： 3 = 5 ( 卜e ”) 延迟时间t = o 2 0 1 s 。 通过实验证明本文设计的延时软启动电路可以很好的抑制合闸瞬间的冲击 电流。 3 1 2 主功率管的选择 逆变电源使用i g b t 作为一次逆变的开关管，由于整流、滤波后的直流母线电 压峰值约为3 0 0 v ，而且功率开关管是工作在硬开关的条件下，所以其额定电压取 大约为直流母线电压的两倍，这里取i g b t 耐压值为6 0 0 v 。 电源的输出电流最大值为3 0 a ，由于电源输入端直流电压为约3 0 0 v ，输出端的 直流电压峰值为3 0 v ，假如按高频变压器原边和次边的匝数比为i 0 ：1 来计算，折 算到原边的最大电流为3 a ，考虑到为以后可以在本文设计的基础上设计大功率电 源，而一般大功率电源的输出电流在1 5 0 a 左右，折算到原边的电流为约1 5 a ，实 际使用中可能略大于这个值，而选取功率开关的时候i c 的最大值应留有至少一倍 的余量。因此本电源的主功率开关管选用了东芝公司的m g 5 0 j 2 y s 4 0i g b t 模块。 其每个模块内部有两个i g b t ，它的v c e 最大值为6 0 0 v ，在2 5 时i c 的最大值为 5 0 a 1 1 5 1 。 3 i 3 抗磁偏电容的选择 在全桥变换器的电路中，由于4 个i g b t 开关管的开关特性不可能完全一致， 如图3 1 所示，如果i g b t i 和i g b t 4 的导通时间和i g b t 2 和i g b t 3 的导通时间不一致， 就会导致加在高频变压器t 1 原边绕组两端正负方波的伏秒积不相等。从而会出 现偏磁的现象，这种情况有可能会导致磁芯饱和而损坏变压器。在实际应用电路 中，通常在高频变压器原边电路中，串联一只容量足够大的电容，如图3 1 中的 c i i ，来增强电路的抗不平衡能力，防止由于开关管的特性差异而造成变压器磁 芯饱和。 电容c l l 防止磁偏的原理是：假设i g b t i 和i g b t 4 的导通时间比i g b t 2 和i g b t 3 的导通时间长，则当i g b t i 和i g b t 4 导通时，电容c l l 充电的时间也比当i g b t 2 和 1 2 第三章电源主电路的设计 i g b t 3 导通的时候要长，因此电容c 1 1 上的充电电压也比i g b t 2 和i g b t 3 导通的时候 要高，相应的加在高频变压器原边线圈两端的电压幅值就会比i g b t 2 和i g b t 3 导通 的时候要低，从而就能够使加到变压器原边绕组两端正负方波的伏秒积基本维 持相等。 电容c 1 1 的容量可用下式计算【l 司： c 1 1 = ( 3 i d t p d ) ( 2 u d a u c )( 3 5 ) 式中au c - - - - - - 电容两端的变化量，一般取5 一1 0 的u d ； d _ 一次逆变电路的最大占空比； t - 一次逆变的周期； p d 输入功率； u d 输入直流电压平均值； 由上面的章节知：u d = 3 0 0 v ，t = 2 0l ls ，p d = 1 0 5 8 8 2 w ，考虑到死区时间的存在， 全桥电路每路的最大占空比通常取4 5 - 4 7 5 【1 0 l ，这里取d = 9 0 ，并取u c = 8 u d 将以上这些值代入( 3 5 ) 得： c 1 1 = ( 3 1 x 9 0 x 2 0 x 1 0 5 8 8 2 ) ( 2 3 0 0 x 8 3 0 0 ) = 4 1pf 实际使用中选取4 7pf 的c b b 电容。 3 1 4r c 缓冲器的设计 一次逆变电路的简化电路如图3 4 所示，假设没有r c 缓冲器的存在，在开关 管i g b t i 和i g b t 4 由开通转为关断，而i g b t 2 和i g b t 3 尚未开通的死区时间内，由于 变压器原边绕组上的电流不能突变，原边线圈上将感应出左负右正的自感应电动 势，这时续流二极管d 2 和d 3 导通续流，二极管d 3 将a 点电压钳位在o v ，d 2 将b 点电 压钳位在u i n ，不会对开关管造成损坏。但是实际上续流二极管的导通需要几十纳 秒的时间，在这段时间内变压器原边绕组上的能量没有释放的回路，将产生很大 的电压尖峰i l “，而过高的电压尖峰会造成i g b t 的损坏。因此需要设计r c 缓冲电路 来有效的抑制电压尖峰的产生。 而也9 畸聋 c 一l t l j 。= 一 - u 五l l 黟争 e 一i g 盯乒 ： 】 图3 4 一次逆变简化电路 河海大学工学硕士论文 逆变式电刷镀电源的研制 ( 1 ) 电压浪涌的产生分析 当逆变电路中加上r c 缓冲电路后，开关管关断瞬间的电压浪涌主要是由于变 压器漏感、导线间的杂散电感和r c 缓冲电路中电阻和电容的电感引起的【嘲，由于 高频变压器原边线圈的电感很大，可以近似认为在在开关断开到续流二极管开始 续流的这几十纳秒的时间内，通过变压器原边线圈的电流是不变的，而此时变压 器原边绕组中储存的能量通过r c 吸收回路来续流，这时r c 缓冲电路上的通过的电 流由零瞬间增大到与主电路中的电流相等。设r c 缓冲电路上的总电感量为l ，则 在这一瞬间电感上将产生：u l = l x ( d i d t ) 的电压。这个电压与直流电源所提 供的直流高压一起加在开关管的两端。用u c e p 表示开关管两端的峰值电压，则 u c e p = u i n + lx ( d i d t ) 由于r c 缓冲电路上的电流是瞬间突变，因此d i d t t # 常大，所以开关断开瞬 间产生的尖峰电压有可能会超过i g b t 反向耐压值的最大值，从而导致i g b t 被反向 击穿。因此r c 缓冲电路上的电容和电阻必须使用无感电容和无感电阻，否则不但 不能达到保护开关管的目的，反而会起到相反的效果。 ( 2 ) r c 缓冲器的设计 r c 型缓冲电路能有效抑制震荡的发生，关断浪涌电压抑制效果好，通常作为 单独缓冲电路使用。但是当用于大功率器件时，由于电流很大，缓冲电阻上消耗 的能量太大，通常要使用其他形式的缓冲电路。因此r c 缓冲电路一般只用于中、 小容量的器件i l 剐。 对于r c 缓冲器的取值问题，工程运算上说法不一，一般可以采用经验公式取 一个大致的范围，再通过实验最终确定缓冲电阻r 和缓冲电容c 的取值。但是这些 方法一般要测量变压器漏感，由于实验室没有这样的测量条件，因此本文使用了 一种比较简单的估算方法，计算出r c 缓冲器的估计值，再通过实验修正的方法确 定其最终取值，通过实验证明，这种方法设计出来的r c 缓冲器对关断浪涌电压的 抑制作用是可以满足实际需要的。 如图3 - 4 所示，假设i g b t i 和i g b t 4 从开通变为关断，由于续流二极管要几十 纳秒的时间才能导通，因此这时变压器原边绕组感应出与原来方向相反的电动 势，通过回路t 1 _ c 2 r 2 一r 1 - c i t 1 和t 卜r 4 - c 4 - c 3 一r 3 一t 1 给c 1 和c 4 充电，这是一个 非常复杂的充放电的过程，因为同时伴随着c 2 和c 3 的放电并向c 1 和c 4 充电，还有 电源对四个电容的电荷补偿，所以具体分析起来非常困难。本文采用简化的分析 方法，由于在i g b t i 和i g b t 4 关断的瞬间，变压器t 1 原边绕组感应出左负右正的电 动势，因此开关管i g b t i 和i g b t 4 两端将出现有可能击穿开关管的浪涌电压，而 i g b t 2 和i g b t 3 受到的威胁相对较小，因此在这一瞬间只考虑i g b t i 和i g b t 4 两端r c 缓冲器的工作状态。实际上，两组缓冲电路在这一瞬间是完全对称的，因此，只 1 4 第三章电源主电路的设计 需要分析i g b t i 两端的缓冲电路即可。 本文的分析设计方法建立在以下的两点假设上： 在开关管关断的一瞬间，到续流二极管开始导通续流的这段时间内( 这段 时间本文取6 0 n s 。) ，通过变压器t l 原边绕组的电流是不变的。( 实际上在这段 时间内通过变压器t 1 原边绕组的电流也是几乎不变的。) 在开关管关断的一瞬间，到续流二极管开始导通续流的这段时间内，电容 c 1 一直处于充电状态，假设不考虑电源的充电作用，电容c 1 上的电压由于变压器 原边电感续流电流充电而上升的电压幅值不超过l o o v 。 1 ) 缓冲器电容的选取 如图3 4 所示，不考虑电容c 1 具体的充电过程，由以上假设知，在整个过程 中通过c 1 的充电电流是不变的，而在开关管闭合的一瞬间，整个电路是对称的， 因此在这一瞬间，如图3 4 中所示的变压器原边电感在两个回路中的续流电流 i i = 1 2 = i 2 。( 3 6 ) i 为通过一次逆变电路最大电流，通过上文可知，i = 3 5 a 则在续流二极管导通续流之前，c 1 上充电的电量为： q = 1 1 x t( 3 7 ) 由于前面假设c 1 在这6 0 n s 内被原边电感充电到i o o v ，因此，电容c l 的值为： c 1 = q u( 3 8 ) 将i = 3 5 a ，t = 6 0 n s ，代入式( 3 6 ) 、( 3 7 ) 得： q ：3 5 a 2 6 0 n s = o 1 0 5 xi o - 6 c 将q = o 1 0 5 x1 0 6 c ，u = i o o v 代入式( 3 8 ) 得： c 1 = 0 1 0 5 xi 0 。6 c i o o v = i 0 5 n f 由于假设的条件和实际情况有一定的出入，实际选用时应放大选取的值，实 际使用中取c i = 2 n f 由于这里是一个对称的电路，因此其他3 个电容的取值和c 1 是相同的。都选 取2 n f 。 2 ) 缓冲器电阻的选取 缓冲器电阻的作用有： 限流作用 当逆变器开始工作，假设i g b t i 和i g b t 4 导通，i g b t 2 和i g b t 3 截止，这时直流 电源向电容c 2 和c 3 充电，由于电容两端的电压不能突变，因此在电源充电的瞬间 会产生很大的电流，这时缓冲电阻r 2 和r 3 就起到了限流的作用。 使电容上的电量得以释放 当i g b t 2 和i g b t 3 由关断状态变为导通状态时，电容c 2 和c 3 通过电阻r 2 和r 3 河海大学工学硕士论文 逆变式电刷镀电源的研制 将其储存的电量释放掉，电阻r 2 和r 3 的大小必须使得c 2 和c 3 在下一个充电周期到 来前将其上的电量释放完。 同理，在整个对称的电路里r 1 和r 4 的作用也是相同的。 由于本文设计的电源一次侧电流很小，因此r c 缓冲器所取的电容值也非常 小，其充放电时间很小，所以本文设计的缓冲电阻只需要考虑限流的作用。 本文取r i = r 2 = r 3 = r 4 = 5 0 0 ，这样在电容充电的瞬间，最大的电流值为： i m a x = u d r l = 6 a ，是安全的。 由于是r c 缓冲器中使用的电阻和电容都要求是无感电阻和无感电容，因此在 实际应用经常采用几个电阻并联的方法来减小缓冲电阻的电感。 r c 缓冲器实物图如图3 5 所示。 图3 - 5r c 缓冲器实物图 ( 3 ) 实验验证 实验条件：在两相输入电压为8 0 v ，模拟负载为0 9 q ，r c 缓冲器电阻 r 1 = r 2 = r 3 = r 4 = 3 0q ，电容c l 2 ：c 3 4 = 2 n f ，全桥逆变主频率为2 0 k h z ，占空比为 每路4 5 的情况下，测得i g b t i 的u c e 波形如图3 6 所示。 由图3 6 知，当电压为8 0 v ，模拟负载为0 9 0 的情况下，r c 缓冲电路效果良 好。 图3 - 6i g b t i 的u c e 波形 1 6 第三章电源主电路的设计 3 2 高频变压器的设计 高频变压器是开关电源磁路部分的主要元件，它要求效率高、成本低、体积 小、重量轻，并且对外界干扰尽可能的小。高频变压器的性能对整个电源的安全 性和可靠性都起着决定性的作用。因此设计时多次计算并反复实验，确保高频变 压器的性能可以满足使用的要求【朋。 本次设计的变压器主要参数为： 变压器原边绕组电压幅值3 0 0 v ； 次级输出电