双H桥双峰双向脉冲电镀电源设计与仿真

摘要：为了使脉冲电镀电源输出频率可调，电压可调，正向脉冲开启时间宽度和负向脉冲开启时间宽度可调的双峰双脉冲。特此提出了一种绿色可靠、节能高效的新设计方案，第一个H桥采用ZVZCSPWM DC／DC变换器时输入的直流电压进行降压，变成高频交漉脉冲电压，然后经过高频变压器的隔离和耦合，再通过桥式整流滤波得到稳定的直流电压，最后经过第二个H桥进行切换，得到任意频率，任意占空比的双峰双向脉冲。实验证明应用该方案能降低开关管的开关损耗，降低元器件的要求，能将电源的效率提高到90％以上，同时由于此电源具有脉冲换向功能，在电镀时，大大增加了贵金属的利用效率。
关键词：全桥移相软开关；双H桥；双峰双向；PSIM；双向多脉冲

    由于脉冲电源拥有广阔的应用领域，因此研制高频高效、绿色可靠、智能化、输出特性优良的脉冲电源对工程应用有重要的实际意义。同时，脉冲电源的研究涉及电力电子、新型功率开关器件的应用、自动控制技术、电磁理论、材料科学和电路系统建模、优化等多方面内容，因此具有广泛的理论和学术意义。双峰双向脉冲电镀电源与传统的充电电源相比，双脉冲双极性正负换向脉冲电源采用电源脉冲换向功能，在电镀时使镀层凸处被强烈溶解而整平，提高电镀质量，节约贵重金属。能够取得更好的电镀效果及节能效果，对电网的污染小，特别是应用在精密公差要求的一些特殊工件电镀，以及一些直流电源电镀不能得到理想效果的场合，如：连接器及其针脚、精密图案、电路板过孔、微波电路板、多层板等等。同时，新技术的应用将减少电镀电源对电网的污染，增加贵金属的利用效率，减少企业成本，保护环境资源。

1 主电路结构
    主电路如图1所示，第一个H桥采用全桥移相软开关ZVZCS PWM DC／DC变换器进行降压，得到高频交流脉冲电压，然后经过高频变压器的隔离、降压，再经过桥式整流滤波得到稳定的直流电压，此处的桥式整流二极管为快速恢复二极管，能对高频变压器耦合过来的高频交流脉冲做出快速反应，并且在快速回复二极管上接入RC吸收网络，抑制其寄生振荡，减小尖峰电压。然后将整流滤波得到的直流电压送往第二个H桥进行切换，获得任意频率，任意占空比的双峰双向脉冲。该电路中，第一个H桥由于采用软开关，避免了开关器件大电流与高电压同时出现的硬开关状态、抑制感性关断电压尖峰和容性开通时管温过高，减小了开关损耗与干扰，同时降低了开关管的要求。通过两个H桥的巧妙结合，既大大提高了电源的效率，又节约了电源制作的成本。

2 全桥移相软开关变换器工作原理及波形
    在一个开关周期中，全桥移相软开关变换器共有10种开关模式。在分析之前作如下假设：
    阻断电容Cb足够大；
    为变压器初、次级绕组匝数比；
    所有开关管、二极管为理想器件，电容、电感为理想元件。
    1)开关模式0(to时刻)在to时刻，Vg1和Vg4导通，变压器初级电流ip给阻断电容Cb充电。变压器初级侧电流Ipo=Io／n。阻断电容Cb电压为UCb(to)。
    2)开关模式1(to，t1)在to时刻，关断Vg1，ip从Vg1转移到C2和C1，给C1充电，C2放电。在这个时段，Llk和L是串联的，而且L很大，可以认为ip近似不变，类似于一个恒流源，其大小为Ipo=Io／n。变压器初级侧电流ip继续给阻断电容Cb充电。C1的电压从零开始线性上升，C2的电压从Uin开始线性下降，Vg1是零电压关断。
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    由于Vg1和Vg4同时导通，uAP=0。变压器次级侧二极管同时导通，导致变压器初、次级绕组电压均为零。因为漏感较小，而阻断电容较大，可以认为在这个开关模式中，阻断电容电压基本不变，初级侧电流基本是线性减小，即
   
    在t2时刻，初级侧电流下降到零，该开关模式的持续时间为
   
    4)开关模式3(t2，t3)由于二极管VD4阻断了ip的反向路径，初级侧电流恒为零。此段时间为VD4和Vg4恢复时间。
    5)开关模式4(t3，t4)在t3时刻，关断Vg4，此时Vg4中并没有电流流过，因此Vg4是零电流关断。在很小的延时后，开通Vg2，由于漏感的存在，初级侧电流不能突变，Vg2是零电流开通。由于初级侧电流不足以提供负载电流，次级侧整流管依然同时导通。变压器的初、次级绕组被钳位在零电压。此时加在漏感两端的电压为-(Uin+UCbp)，初级侧电流从零开始反方向线性增加。即
   
    在t4时刻，初级侧电流反方向增加到负载电流。该开关模式的持续时间为
   
    6)开关模式5(t4，t5)从t4时刻开始，原边给负载提供能量，同时给阻断电容反向充电。阻断电容上的电压为下一次Vg2零电流关断和Vg4零电流开通做准备。在t5时刻，关断Vg3，开始另一个半周期(t5～t10)，其工作情况类似于前面描述的(t0～t5)。
   

3 技术指标
    输入电压幅值Uin=300 V；次级输出电压Uo=24 V；开关管工作频率f=20 kHz；额定输出电流Io=20 A；输出脉冲的频率fs=100 Hz；脉冲开通占空比：17％(即PSIM软件中对应)；脉冲关断占空比：8％(即PSIM软件中对应)。

4 电路元件参数设计
    1)开关管的选择
    超前桥臂承受的最大电压为最大的直流输入电压Uinmax=300x(1+10％)=330 V，由于本设计中开关管工作在软开关状态，滞后桥臂承受的最大电压应力为Uinmax+UCbp=1．2Uinmax=396 V。
    由于全桥移向变换器开关管工作在软开关状态，功率开关管的额定电压可降低一些，可选用500 V。
    输出滤波电感电流的最大平均值为

    加2倍裕度为6．72A。
    通过综合考虑，本设计选用IR公司HEXFET系列的功率MOSFET管IRFP450LC，VDSS=500 V，RDS(on)=0．4 Ω，ID=14 A，td(off)=30ns，tf=30 ns。[!--empirenews.page--]
    本设计中第一个H桥开关管选用IR公司HEXFET系列的功率MOSFET管IRFP450L：td(off)=30ns，tf=30 ns，所以开关管的关断时间：toff=tf+td(off)=30+30=60 ns。第二个H桥开关管选用IGBT管GT40T101，选用的方法与选用第一个H桥开关管类似，此处不累赘。
    高频变压器原边绕组匝数为118，副边绕组匝数为14，匝数比n=8．3。
    2)全桥移向变换器中Llk的选择
   
    联立以上两式得：
    26．892 μH<Llk<747 μH本设计中取Llk=30μH。
    3)超前桥臂开关管并联电容Cr(C1、C2)的选择缓冲电容Cr的作用是实现超前臂的软开关关断，为了保证超前臂不直通，必须满足
   
    其中fL是输出滤波电感的工作频率fL=2f=40 kHz；Ioccm是维持电感电流连续的标称最小电流，本设计中取：Ioccm=10％Io；得到L=44．6μH增加裕度10％，本设计中L取值为50μH。
    6)输出滤波电容的选择
    本设计选用4 700 μH钽电解电容和4．7 μF普通电容并联滤波。
    7)全桥移向软开关各时间段的计算
   
    本设计中由于用PISIM仿真软件，其中PWM模块是利用开关点的数目和开关点(用度表示)来设置，所以必须将对应的时间转换为角度。
    PWM1：频率：20kHz；开关点数：2；开关点：1．7928 180；
    PWM2：频率：20kHz；开关点数：2；开关点：181．7928360；
    PWM3：频率：20 kHz；开关点数：2；开关点：216576．395．13：
    PWM4：频率：20kHz；开关点数：2；开关点：36．576 215．13；
    PWM5：频率：100Hz；开关点数：4；开关点：0 60 90 150；
    PWM6：频率：100Hz：开关点数=4；开关点：180 240 270 330；
    PWM7：频率：100Hz；开关点数：4；开关点：180 240 270 330；
    PWM8：频率：100Hz；开关点数：4；开关点：0 60 90 150；

5 主电路仿真结果
    本设计利用PSIM作为仿真软件，它是专门为电力电子和电动机控制设计的一款仿真软件。它具有快速的仿真功能和友好的用户界面等优点，针对不同用户而提供的一种强有效的仿真环境。PSIM具有独特仿真速度、可控制任意大小的电力变换回路、及对控制回路仿真功能的特点，在各个不同系统的仿真领域、控制环的设计、以及电机驱动系统设计领域被广泛应用。PSIM作为仿真工具以及设计工具使用，可以大大提高工作效率和生产性能，对降低开发成本和到出厂时间的缩短都起到举足轻重的作用。仿真结果如图3所示。

6 结束语
    1)无孔针镀镍：用直流电镀，48 h，镀层厚度240 μm，且镀层粗糙。采用双峰双向脉冲电镀电源，镀层厚度240μm只需20 h，表面光滑，无毛刺。节约时间将近2倍。
    2)双脉冲镀铜：给PCB板镀铜，用普通直流电镀时通常出现孔径两端之铜层过厚但中心铜层不足之现象，导致印刷电路板不合格，现采用双峰双向脉冲电镀电源，脉冲频率1000 Hz，正向开通时间为300 μs，正向关断时间50μs，反向开通时间为100 μs，反向关断时间为50μs，即可克服直流电镀时出现孔径两端之铜层过厚但中心铜层不足之现象。
    从以上实验证明，此方案既能提高电镀质量，又能节约电镀时间，有较好的应用价值。