大功率高频开关电镀电源的研究

庞莉

摘 要：电镀电源作为电镀行业的主要设备，在电镀行业不断发展的过程中，电源输出功率也在不断的增加。电镀工业要求电源在工作过程中具有良好的稳定性，较高的恒压恒流精度及快速的上镀时间，并且还要全面满足低压电流的需求。现代我国一般使用的可控整流机的体积较大，并且消耗的电量较多，均镀的误差较大，所以就要研发输出功率较大、具有良好控制精度及节能的全新电镀电源。基于此，文章就使用子模块并联结构，对大功率高频开关电镀电源的设计进行了全面的研究。

关键词：大功率；高频开关；电镀电源；设计；方案

中图分类号：TQ153 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）31-0185-02

电镀电源其实就是一种功率变换器，其能够将电网交流电压转变为低直流或者脉冲电压，从而被电镀所使用。在科学技术不断发展的过程中，电镀工业中涉及的内容不断增多，并且使用范围不断扩展，人们对于镀层的需求也不断提高，要求电镀电源具有较高的工作频率。所以，全新电镀电源的研发引起了人们的关注。现代功率变换器逐渐朝着高频化的方向发展，从而为电镀电源的发展带来了全新的机遇。有效提高开关器件开关频率对功率变换器来说具有较多的好处，比如提高功率變换器的密度、体积及提高响应能力。传统电镀电源的变换技术限制了功率变换器工作效率的有效提高，满足不了现代高频化的趋势需求。本文主要针对大功率开关电镀电源的设计和使用进行分析。

1 大功率高频开关电镀电源的硬件设计研究

1.1 总体设计方案

根据设计的需求，为了能够有效实现电镀电源的大功率电流输出，本文设计的电源使用多子模块并联，其中电路的输入端和380V三相交流电相互连接，CPU等控制电路中的电流通过整流和滤波进行提供，部分通过接触器和主保险丝到子模块电源中传输，通过三相整流桥整流成为540V的直流电压，通过滤波提供给全桥式功率变换模块，之后再通过整流滤波实现直流电压的滤波。CPU控制单元和LCD、键盘相互连接，实现电压电流输出的调节、显示、通信及保护[1]。

其中使用全桥移相零电压开关作为高频逆变电路的主电路，并且使用软开关技术实现大功率低损耗的高频逆变。高频开关管使用大功率模块，以此能够有效提高电源在使用过程中的可靠性，高频整流管使用肖特基整流模块从而有效提高电源效率。控制单元输出控制信号主要目的就是实现主电路输出的迅速响应，以此得到动态及静态的输出特性，并且还能够实现各种输入电压波动的补偿，对于由于种种因素产生的故障实现保护响应。电源系统的主要功能包括：根据输出电压及电流偏差实现自动稳压及稳流调节；通过电流及电压表实现系统输出状态的检测；系统具备过热保护、过流保护和缺水保护等措施，并且还具有光电三维报警功能；其中的稳压及稳流工作模式能够实现系统运行的稳定性[2]。

1.2 驱动电路的设计

使用IGBT驱动电路，其是一种电压驱动元件，属于全控型器件，具有较大的输入阻抗，并且对于栅极电荷较为敏感，具有3V-6V的阈值电压，所以对于驱动电路具有较高的要求。IGBI驱动电路较多，在大功率场合中使用光电耦合或者变压器耦合的方式。光电耦合驱动器双侧为有源，通过其提供的脉冲宽度不会受到限制，能够实现IGBT通态集电极电压的检测，并且还能够实现多种情况的短路及过流保护，还能够对外实现过流信号的输出。但是此种方式要求具有较多的工作电源实现，从而提高了电路的复杂性。相反，变压器耦合驱动器就不需要设置工作电源，并且具有较快的工作速度及较高的输入输出耐压。那么本文就使用变压器耦合驱动，为驱动短路在关闭过程中得到持续反相栅压。在使用变压器耦合驱动基础上，为了使驱动电路开关管能够快速的导通及管段，在设计过程中使用高速驱动芯片，从而能够提供较大的峰值驱动电流[3]。

1.3 高频变压器

高频变压器是一种能量传递和电器隔离的磁性元件，是开关电源中的重要部件，其性能直接影响到了变压器自身效率，并且决定了电源系统的性能。变压器在设计过程中包括三个设备的选择，分别为原副边匝数、原副边匝数比和磁芯。在选择磁芯过程中主要是选择几何形状及材料，主要材料包括铁氧体和坡莫合金，铁氧体具有铁磁性，并且电阻较高，所以其能够在高频变压器中使用方便[4]。

1.4 输出整流管和RC吸收网络

在整流二极管选择过程中，要全面考虑二极管电流，通过整流二极管电流及额定电压的计算，保留充足的量，最后选择使用肖特基二极管。PC吸收网络的主要目的就是避免输出整流二极管在关闭过程中出现反向恢复，从而导致出现振铃。在设计过程中可以选择使用电容容值作为二极管寄生电容容值，电阻值要使用能够使电容在十分之一周期中完成充电和放电的，并且还要密切注意电阻功率能够满足吸收的需求[5]。

2 电源的实验

通过理论分析实现电镀电源的设计，成功研制出水冷却，其工作频率和功率分别为20kHz、18kV的大功率高频开关电镀电源[7]。本文中所实验的主回路实验装置是一个箱体结构，其具有较小的体积和较轻的重量，功率元件和高频变压器原副边绕组都使用了水冷却，右上方的三根促管是冷却水管，主回路导电通路钢管为空心。在实验装置下方是高频变压器、滤波电路及输出整流电路。电镀的工作原理为通过电源电极的吸附性相反电荷离子，因为离子运动成为电流。但是由于条件的限制，为了实现生产现场电镀的模拟，在实验过程中使用氯化钠溶液成为电解液，将电镀电源输出正负极和铝极板相互连接放入到氯化钠溶液中。缩短极板之间的距离，也就是提高负载及输出电流。因为有电流，所以氯化钠就开始反应，电源正极由于负离子的吸附变黑，电源负极就会变白，电流越大，那么反应就会越激烈。现场故障的模拟系统都能够正确的响应，并且停止脉冲，对模块进行保护，还能够相互切换恒压和恒流，输出电压能够调节。

将本装置安装到某材料公司的电镀生产线中，通过一年的运行情况可以看出来，本文所设计的系统工作稳定、系统良好，并且能源消耗较低，能够继续使用[8]。endprint

3 开镀电源的应用趋势

其一，高频高效。大功率高频开关使用的开关电源能够替代传统的整流电源，其能够有效降低损耗，提高功率的密度。现代电镀开关电源主要是使用在1500A以下的中小功率方面，所以使用先进的功率电子器件及技术能够创新现代功率器件及磁性材料输出功率的局限性，通过变压器的串联及并联将开关管功率输出能力充分的发挥出来，以此有效提高单机功率的输出效率。使用多单元积木式并联技术有效提高电源输出能力。软开关技术能够有效降低器件的开关损耗，以此有效提高开关频率，优化器件工作环境，使用此技术能够降低高频状态下功率的开关管损耗，提高电源的整體效率，并且有效提高电源的工作频率。

其二，智能化。要求电镀工艺将人为因素影响消除并且降低过程能量损耗，从而对电源智能化提出了较高的需求。从节能和提高工艺质量方面分析，电镀中除了电源装置损耗，工艺过程能耗也占据了大部分内容，其对工艺过程能耗的主要影响因素为电流效率及槽压，通过检测电解液温度、浓度等参数，合理调整电源电流电压输出，以此实现节能增效及提高工艺质量的目的。从控制方面分析，电镀工艺电镀能源能量转换为非线性的时变系统，无法创建标准的模型实现控制。智能控制能够不依赖人，通过人的操作知识、经验，从而进行相应的控制，从而有效提高电镀电源工艺质量及性能。所以在电镀技术不断发展过程中，要开发满足不通过工艺需求的智能化电源设备，从而满足现代社会全新技术的发展需求。

4 结束语

本文设计的主要目的就是完成大功率高精度电镀单元的设计，要求此电源能够满足低压大电流的需求，使用积木结构实现多模组冗余并联，通过相应的实验表示，其能够使用到实际工业生产中，并且系统在运行过程中良好且稳定，能源的消耗较低，能够满足电镀工艺需求。并且对电镀电源的应用趋势进行了研究，使电镀电源在发展过程中能够有效满足现今社会的使用需求。

参考文献：

[1]朱理，黄辉先.基于DSP的高频软开关数字电镀电源的研究[J].电镀与环保，2013，33（1）：36-39.

[2]徐祖平，沈锦飞.三相四开关PWM整流大功率开关电镀电源[J].电力电子技术，2014，48（10）：26-28.

[3]孙运宾.低压大电流电解电镀高频开关电源的研究[D].湖南大学，2013.

[4]马登辉，程晓雨.大功率电镀高频开关电源的设计探讨[J].民营科技，2012（1）：43-43.

[5]陈岚.大功率高效简化型电解电镀高频开关电源研究[J].科技经济导刊，2016（6）：96-97.

[6]马伏军，罗安，周明诠，等.基于电流型PWM整流的电解电镀高频开关电源[J].电源技术，2014，38（3）：498-501.

[7]马伏军，罗安，肖华根.大功率高效简化型电解电镀高频开关电源[J].中国电机工程学报，2012（21）：71-78.

[8]王昭，王文理.大功率高频电镀电源的损耗分析及优化设计[J].现代科学仪器，2012（6）：105-107.endprint