稳流/稳压单脉冲电镀电源及其贵金属电镀应用

2012-07-05梁坚

自动化与信息工程 2012年4期

梁坚

（中科院广州电子技术有限公司）

0 引言

在贵金属价格不断上升的今天，贵金属电镀行业面临非常大的成本压力，为了达到节约贵金属和获得更好的电镀效果，贵金属电镀行业使用脉冲电镀电源成为必然的选择。随着电力电子技术的不断更新，脉冲电镀电源具有广阔的开发和应用前景。本文提出的稳流/稳压单脉冲电镀电源广泛应用于贵金属电镀行业，并取得很好的效果。

1 脉冲电镀的原理及其参数

目前，普遍采用的电镀电源按波形可分为脉动直流电源、平滑直流电源、周期换向电源、单向脉冲电源、换向脉冲电源、直流叠加脉冲及智能化多波形电源等，以满足不同电镀工艺需要。

1.1 脉冲电镀的原理

电镀是用电化学方法使金属离子还原为金属，并在固体表面形成一层金属或合金的过程，该金属层即是电镀层。对于电镀层，要求其结构致密，平滑均匀。脉冲电镀是在含有某种金属离子的电解质溶液中，根据电化学原理，通过一定波形的低压脉冲电流，使金属离子在阴极上脉冲式的沉积，形成金属层的加工过程。在脉冲电镀时，由于关断时间的存在，被消耗的金属离子利用这段时间扩散、补充到阴极附近。当下一个导通时间到来时，阴极附近的金属离子浓度得以恢复，故可以使用较高的电流密度。因此，脉冲电镀时的传质过程与直流电镀时的传质过程的差异，造成了峰值电流可以高于平均电流，促使晶种形成的速度远远高于晶体长大的速度，使镀层结晶细化，排列紧密，孔隙减小，电阻率低[1]。脉冲电镀所用的电流波形有多种形式，其中矩形波应用较为广泛，贵金属电镀大多数采用矩形波单脉冲电镀。

脉冲电镀与传统的直流电镀比较，具有如下优点：

(1)镀件质量高：具有镀层孔隙率低，可得到光亮均匀致密的镀层，提高镀层的抗腐蚀性；较好的结合力和分散力，能增加镀层的密度及硬度，提高延展性和耐磨性，改进了镀层的物理性能。

(2)镀层厚度薄：在相同的镀层性能指标前提下，可使镀层厚度减薄 1/3～1/2，节省原材料（如黄金、白银、锡、锗、镍等贵金属）10%～20%的使用量，具有重大的经济意义。

(3)生产效率高：脉冲电镀大幅度提高了瞬时电流密度，使其平均电流密度有可能大于直流电镀的实际电流密度。因而，加速了电沉积速度，提高生产效率。一般可减少1/3～1/2的受镀时间。

(4)改进常规的电镀溶液配方和工艺：在直流电镀中，为了实现合金共沉积、增加镀层的光亮度或者是改善镀层的物理性能，通常要加入络合剂、光亮剂等添加剂，而这些添加剂通常都是毒性很强的溶液，所以对生产和环保非常不利。使用脉冲电镀，可以通过调节脉冲参数来获得高质量的镀层，无需使用任何的添加剂。

1.2 脉冲参数

矩形波脉冲电压波形参数图如图1所示。

脉冲宽度 Ton：电流从接通到断开的时间，即电镀的工作时间；

图1 矩形波脉冲电压波形参数图

脉冲间隙Toff：电流从断开到接通的时间，即电镀的不工作时间；

脉冲周期T：T=Ton+ Toff；

脉冲频率F：F=1/(Ton+ Toff)；

工作比D：D=Ton/T= Ton/(Ton+ Toff)×100% （一般情况下，D≤50%）；

峰值电压VP和平均电压Vm的关系：Vm=VP×D；

峰值电流IP和平均电流Im的关系：Im=IP×D。

2 产品电路设计

整机电路原理图如图 2所示，包括稳流/稳压控制电路、脉冲信号发生器电路、过流过压保护电路、功率场效应管脉冲斩波电路、功率场效应管驱动电路等。

2.1 整机电路原理图

(1)市电 220V/380V：根据功率要求选择220V/380V供电输入模式；

(2)稳流/稳压控制电路：输出线性可调的平滑电流/电压，根据输出反馈实现稳流/稳压两种控制模式；

(3)过流过压保护电路：根据输出反馈控制稳流/稳压控制电路，实现过流过压保护功能；

图2 整机电路原理框图

(4)脉冲信号发生器电路：产生频率（周期）、脉宽独立可调的矩形波脉冲信号；

(5)功率场效应管驱动电路：将频率（周期）、脉宽分别可调的矩形波脉冲信号进行隔离耦合，从而驱动控制功率场效应管脉冲斩波电路；

(6)功率场效应管脉冲斩波电路：将隔离耦合后的频率（周期）、脉宽分别可调的矩形波脉冲信号进行功率放大。

2.2 主要电路分析

(1)脉冲信号发生器电路

脉冲信号发生器电路如图3 所示。传统的直流电镀只有一个参数—直流电流（电压）可供调节，而脉冲电镀则有脉冲平均电流 Im（脉冲平均电压 Vm）、脉冲频率F和脉冲宽度Ton三个独立的参数。由脉冲频率F和脉冲宽度Ton可以引出一个重要的参数—工作比D。因此，设计一个产生频率（周期）、脉冲宽度分别独立可调的矩形波脉冲信号发生器是脉冲电源必不可少的环节。根据贵金属电镀工艺和实际生产经验，脉冲频率范围为500 Hz～2000 Hz，工作比在10%～50%之间，电镀效果十分明显。

IC1及其外围元件构成频率（周期）可调的矩形波脉冲电路，该电路由一个滞回比较器和一个RC充放电回路组成[2]，当电容反复进行充放电时，在电路的输出端就产生了正负交替的矩形波。同理，IC2及其外围元件构成脉冲宽度可调的矩形波脉冲电路，工作比D≤50%；T=T1+T2=2RC；F=1/(2RC)；C＞10 PF；R：10 kΩ～10 MΩ。

(2)功率场效应管驱动电路

频率（周期）和脉冲宽度独立可调的矩形波脉冲信号经过反相器后，进行光电耦合驱动隔离。光耦合器的主要优点是：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高[3]。

图3 脉冲信号发生器电路图

(3)功率场效应管脉冲斩波电路

功率场效应管脉冲斩波电路如图4所示。

功率场效应管脉冲斩波电路是脉冲电镀电源的核心部分，决定着脉冲电镀电源的优劣。图1为理想的矩形波脉冲电流波形，但由于受脉冲电镀电源内部电感、电容等器件的影响，尤其受外加负载的影响，实际应用中的脉冲波形不可能如图1所示。实际脉冲电镀中的电流波形近似于梯形，上升沿和下降沿都有一定的延时时间，根据脉冲电镀的原理，这会影响电镀的效果。因此，要尽量控制脉冲上升沿和下降沿的延时时间，使输出的脉冲波形接近矩形波，所以脉冲斩波电路选取的器件尤为重要。目前用于斩波电路的器件有功率场效应管（POWER MOSFET）与双极型功率晶体管（GTR），它们相比具有以下特点：

图4 功率场效应管脉冲斩波电路

① 功率场效应管是电压型控制器件，而双极型晶体管是电流型控制器件，因此功率MOSFET场效应管在驱动输出大电流时驱动电路较简单；

② 功率场效应管的输入阻抗高，可以达到 108欧姆以上；

③ 功率场效应管的工作频率范围宽，开关速度快、损耗小；

④ 功率场效应管可以多个并联使用。

如图4所示，该电路是电压控制的多个功率场效应管并联的脉冲斩波电路，可根据输出功率的大小，并联多个功率场效应管。其在每个功率场效应管栅极和源极之间并联一个稳压二极管（V=20 V），保护栅极和源极不被击穿。在每个功率场效应管源极上串联一个均流电阻，以减少每个功率场效应管输出电流的差别。在每个功率场效应管栅极引线上设置铁氧体磁珠，即在导线上套一个小磁环形成有损耗阻尼环节[4]。