电镀可以改善材料外观、提高耐腐蚀性能、抗磨损、减少摩擦、增加硬度,还可以使材料具有特殊的磁、电、光、热和焊接等表面特性以及其它物能。根据电镀采用电源电流波形的不同,电镀大致分为直流电镀、周期换向电镀和脉冲电镀等。脉冲电镀是使电镀回周期性地接通和断开,有三个的可调参数(脉冲平均电流密度、导通时间和关断时间)[1],适用于所有镀种。采用脉冲电镀可以提高镀层质量、缩短电镀周期,节约材料,尤其在节约贵金属方面有重大意义。基于此背景,研究了一套具有双峰脉冲电流输出的电镀电源,它能够比较精确的控制脉冲宽度、频率和幅值,有利于提高镀层质量。

该双峰脉冲电镀电源的系统原理框图如图1所示,由主电和控制电两部分组成。主电包括三相全控整流桥、滤波电和DC/DC变换电。三相交流工频电压经过三相全控整流桥变为脉动直流电压,滤波电容将脉动直流电压变为比较平滑的直流电压,再经过DC/DC变换电为矩形波,最后经脉冲变压器输出负载所需的双峰脉冲电流。控制电主要完成脉冲电流幅值、频率和脉宽的控制以及对电源的。

该电源整流部分采用三相全控桥晶闸管整流,其触发脉冲由微机控制部分实现。DC/DC变换电采用移相控制全桥(Full Bridge,FB)PWM变换器,它是利用变压器的漏感和功率管的寄生电容作为谐振元件,使FB PWM变换器的四个开关管均在零电压条件下导通。与普通的硬开关全桥电相比,其成本和电的复杂程度基本没有增加,所不同的是它采用了移相控制,在开关换流时利用谐振实现了开关器件的零电压,消除了开关损耗[2]。主电拓扑如图2所示,图中TP为脉冲变压器,变压器副边抽头在匝数比为1:2处,以实现双峰电流输出。

图3为该电的驱动信口。同一桥臂上两个开关管的驱动信号互补,为了防止上下两管同时导通,设置了一定的死区时间。不同桥臂上的驱动信号之间保持一个相位差。在这里,VT1和VT3分别超前VT4和VT2ΔT时间导通。由于采用大电容滤波,所以,FB PWM变换器的输入端可近似看作一恒压源,极性为上正下负。只有在VT1和VT4同时导通,或VT2和VT3同时导通时,变压器才能向副边传递能量。当VT1和VT4同时导通时,脉冲变压器原边电压与恒压源极性相同,VD5导通,VD6截止,流经负载的电流为I1。VT2和VT3同时导通时,脉冲变压器原边电压与恒压源极性相反,VD6导通,VD5截止,流经负载的电流为I2。由于变压器副边抽头在匝数比为1:2处,故2I1=I2,实现了双峰电流输出。图4为输出电流波形。两脉冲的周期、脉宽相等,即T1s=T2s,t1on=t2on。

控制电以TI公司的TMS320LF2407DSP为核心,主要完成三相全控整流桥的触发脉冲、DC/DC变换电中功率管IGBT的驱动信号、输出脉冲电流幅值的检测及其闭环控制、过流过压等。

TMS320LF2407有两个事件管理模块EVA和EVB,在事件管理器模块中,每个比较单元和通用定时器1(EVA模块)或通用定时器3(EVB模块),死区单元及输出逻辑可在两个特定的器件引脚上产生一对具有可编程死区以及输出极性的PWM输出[3]。在每个EV模块中有6个这种与比较单元相关的PWM输出引脚,将其中的4输出到TMS320LF2407的PWM7 PWM10口,经过74HC02或非门进行逻辑互锁后分别输出到每个IGBT的驱动模块中。