基于可调脉宽双脉冲逆变刷镀电源的研究

基于可调脉宽双脉冲逆变刷镀电源的设计与研究张玉蜂，姜忠宝，刘国红（武汉军械士官学校湖北武汉430075）摘要：介绍了可调脉宽双脉冲逆变刷镀电源的基本构造和工作原理；研究了逆变主电路及控制方案的设计。采用双逆变技术研制的可调脉宽双脉冲逆变刷镀电源可对正、负脉宽进行调整，从而可获得高质量的刷镀层。关键词：可调脉宽；双脉冲；逆变；刷镀电源0前言逆变刷镀电源具有一般传统刷镀电源所不具备的优越性，近几年来发展迅速，有趋势表明，逆变刷镀电源将取代传统的刷镀电源，在刷镀领域占主导地位。我国发展逆变刷镀电源已取得了较大进展，并有不少厂家投入了商业化生产，产品主要以直流刷镀电源为主，而对可调脉宽双脉冲逆变刷镀电源研究甚少。可调脉宽双脉冲逆变刷镀电源在形成双脉冲的同时，可对正、负脉宽进行调整，使刷镀电源能够形成大幅度短时间的负脉冲，一方面使刷镀层凸起被强烈溶解，因而使刷镀层更加均匀、致密、光亮，消除氢脆；另一方面可使刷镀层结构晶粒细小、分散力强，提高刷镀镀层的硬度和耐磨性，减少孔隙率低；还可降低镀层的内应力，提高镀层韧性，提高镀层结合力[1]。反向脉冲也有利于减薄扩散层的实际厚度，提高阴极电流效率，提高刷镀层沉积速度。采用高频大功率IGBT逆变技术和PWM微电子控制技术研制的可调脉宽双脉冲逆变刷镀电源，以现有IGBT逆变技术和PWM微电子控制技术为基础，采用双逆变技术，使其具有正、负脉宽可调，脉冲频率、脉冲占空比可调，极性转变速度快，刷镀适应范围宽的特点。1．主电路及技术指标1．1主电路多用机的主电路采用IGBT半桥式逆变器为核心的交—直—交—直—交系统，主电路示意图见图1。基本过程如下：电网电压经整流、滤波后变为直流，该直流经一次逆变电路变为交流，经变压器降压并整流变为可刷镀用的直流电压，把该电压经二次逆变电路逆变成适合刷镀用的，可调脉宽双脉冲电压。图1主电路示意图1．2多用焊机的主要技术参数输入电压：交流220V±10%整流器电容逆变器变压器整流器波形控制器双脉冲输出～220V输入整流滤波高频交流变压整流斩波DCDCACAACDC输入频率：50Hz±5Hz逆变频率：42kHz正负脉冲组合99：0~0：99额定输出电流：200A脉冲峰值电流：3~200A脉冲基值电流：3~200A额定输出电压：0.5V~50V恒压脉冲频率：0.5Hz~1500Hz脉冲占空比：15%~85%过流切断时间：0.002S2双脉冲刷镀及控制电路2．1电源外特性电源外特性如图2。UU1B0I0I1I2I刷镀电流I/A图2电源外特性外特性的控制电路原理框图如图3所示。刷镀时，可将工作点设定在A点。工作时，电流稳定在I1，电压稳定在V1，在这个工作条件下，由短路产生的输出峰值被限定在刷镀设定电流的1.3倍，时宽20ms，此时短路若不消除，20ms后电流迅速降至稳态设定值I0，该值可设定在3A以下。刷镀为恒压工作特性，其获取原理如下所述，在控制电路中设置最小脉宽限制电路即预先设定某一个最小脉宽Tmin，当负载变小时，PWM输出脉宽将减小，若减小到Tmin值时，此时即使负载进一步减小，脉宽将不再减小，而恒定在Tmin，由于逆变电源的输出电压可由下式计算：V1=V0×2T0N/T式中V1为输出电压；V0为空载电压；T为逆变周期；T0N为脉宽(T/2)。从式中可以看出，最小脉宽限制电路起作用后，电源输出电压将恒定不变，恒压的大小可通过调节Tmin来实现[2]，以满足刷镀不同工艺规范的要求。I刷镀电压U/VACD4．2脉冲给定电路反馈运算电路由运放YF1、电阻R18~R24等元件组成。W8、V21、R23组成基值电流给定电路；W9、V22、R24组成脉冲电流给定电路；电流负反馈信号Uif由63点输入。YF1输出电压UK可以表示为：UK=-R20(Ugm/R24+Ugj/R23-Uif/R22)式中：Ugm－为脉冲电流给定；Ugj－为基值电流给定；Uif－为电流反馈信号。脉冲发生器电路由运放YF2、电容C10、电阻R27~R33等元件组成。运放YF2的输出通过电阻R27、R28分压后反馈到同向输入端，组成正反馈电路。当YF2输出高电位时，电容C10通过二极管V23、电阻R31、W6充电，一旦UC10UR28，YF2则输出低电位。这样C10又通过电阻R32、W7、二极管V24放电及反向充电，当UC10UR28时，YF2将于次输出高电位。如此周而复始地震荡。当YF2输出高电位时，三极管BG8饱和导通，无脉冲输出；当驱动电路保护电路2KMPWM最小脉宽限制电路保护电路1温度继电器(KT1～KT4)-Ic1+-Ic2++12VUga1Ugt4E1E2ItI反馈Ic图3外特性电路原理框图图4脉冲给定及电流反馈运算电路YF2输出低电位时，三极管BG8截止，77点提供脉冲给定信号[3]。因此，调节电位器W7可以改变脉冲电流时间tm，显然，脉冲周期T=tm+tj。4．3波形控制电路在直流的基础上，经二次逆变，重新把直流变成频率正、负半波宽度可调的方波电压输出。二次逆变的电路形式很多，目前较典型的有全桥逆变及推挽式逆变电路，这两种逆变电路各有优点，相比起来，全桥逆变及推挽式逆变电路，这两种逆变电路个有优点，相比起来，全桥式逆变需采用4只大功率开关管，成本高，抗不平衡性能差。本电路采用推挽式逆变电路，其简化的等效电路见图5。该电路只需两组相位相反、频率可调、占空比可调的脉冲分别驱动T1和T1功率管，即可得到所需的双脉冲输出。输出电压波形示意图见图6。E+T1零件刷镀笔T2E图5波形控制电路结构原理图U0t图6输出电压波形示意图为了加快换向时的速度，T1与T2的开通与关断是同时进行的，即在开通一只管子的同时关断另一只管子，不存在死区时间，但由于电感的存在T1、T2直通时间非常短，即使T1、T2共同导通，T1、T2也不会出现过大的电流尖峰，危害T1、T2的安全，实验表明，有一个很小的电流共同导通时间，有利于提高换向速度。＋输出电压U/V5．结论（1）采用高频大功率IGBT逆变技术和PWM微电子控制技术研制的可调脉宽双脉冲逆变刷镀电源，以现有IGBT逆变技术和PWM微电子控制技术为基础，采用双逆变技术，使其具有正、负脉宽可调，脉冲频率、脉冲占空比可调，极性转变速度快，刷镀适应范围宽的特点。（2）采用高频大功率MOSFET逆变技术和PWM微电子控制技术动、静态品质优良，结构简单，工作可靠。（3）可调脉宽双脉冲逆变刷镀电源在形成双脉冲的同时，可对正、负脉宽进行调整，使刷镀电源能够形成大幅度短时间的负脉冲，刷镀层结构晶粒细小、分散力强，提高刷镀镀层的硬度和耐磨性，减少孔隙率低，降低镀层的内应力，提高镀层韧性，提高镀层结合力。反向脉冲也有利于减薄扩散层的实际厚度，提高阴极电流效率，提高刷镀层沉积速度。参考文献[1]朱容波.基于反馈控制的多逆变电源并联系统[J]．电力自动化,2008,28(8):51-53.[2]谢力华，苏彦民.正弦波逆变电源的数字控制技术[J]．电力电子技术,2001,35(6):52-54.[3]孙建国.直流脉宽调速器的功能及应用[J]．电力电子技术,2003,16(1):16-8.作者简介：张玉峰，男，1959年1月生，河北省乐亭县人，武汉军械士官学校自行火炮系火力教研室副教授，长期从事军械维修研究工作。联系地址：武汉东湖新技术开发区武汉军械士官学校自行火炮系火力教研室张玉峰（邮编：430075）电话：[phone]（办）027-51777854（宅）13006121238（手机）E-mail:[e-mail]