CN108549452A - 一种换向脉冲电源的脉冲参数控制电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种换向脉冲电源的脉冲参数控制电路。该脉冲参数控制电路通过控制正、反两向主回路中的双极型晶体管的通断可实现脉冲参数的调节，通过控制相应通路的双极型晶体管通断可使多路放电通路并联调节总电阻值以产生多种峰值电流。FPGA的多路输出与该脉冲参数控制电路中的双极型晶体管的基极相接。该脉冲参数控制电路的脉冲正端与负端在实际加工中同时置于电解液中，以形成放电通路，电流传感器可测量综合、正向和反向电流，其数值由FPGA接收作为电流反馈用以保持输出电流稳定。本发明的换向脉冲电源的脉冲参数控制电路能够实现多种脉冲参数及电流峰值的正、反向脉冲输出，电路响应快速，输出电流稳定。

Description

一种换向脉冲电源的脉冲参数控制电路

技术领域

本发明属于精密电镀技术领域，具体涉及一种换向脉冲电源的脉冲参数控制电路。

背景技术

电镀是一种重要的表面处理方法，随着对镀层质量要求的提高，脉冲电镀技术应运而生，并且得到迅速发展。脉冲电流是指方向不变，强度随时间周期性改变的电流。其依据的电化学原理是利用电流（或电压）脉冲的张弛来增加阴极的活化极化和降低阴极的浓度极化，从而改善镀层的物理化学性能。传统的直流电镀中只有电流密度一个参数可调，而脉冲电镀中有峰值电流密度、脉冲导通时间、脉冲关断时间三个独立参数可调。脉冲电镀的优点有很多，展现出许多传统电镀方法所不可比拟的优越性，包括：改变镀层结构；改善镀液的分散能力；降低镀层孔隙率，提高镀层耐蚀性；降低镀层内应力，提高镀层韧性；降低镀层中杂质含量等。

周期换向脉冲为脉冲电镀与直流换向电镀的结合，周期换向脉冲电镀的电镀时间为换向周期中将零件作为阴极的时间，退镀时间为换向周期中将零件作为阳极的时间。将反向脉冲又引入电镀可以将镀层表面上的杂质以及结合力不太强的离子拉回，从而提高了镀层的致密性。由于镀件几何形状到各部分到阳极距离的不同，镀件上电流密度相对大的部位在正向、反向时电流密度均保持较大值，可以使沉积时比其他部位多沉积的厚度在反向快速溶解，增加镀层均匀性。

当前的周期换向脉冲电镀脉冲均匀性较差，导致镀层均匀性较差，亟需发展一种更加精确的换向脉冲控制电路。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种换向脉冲电源的脉冲参数控制电路。

本发明的换向脉冲电源的脉冲参数控制电路，其特点是：所述的电路包括供电单元、峰值电流控制单元、控制驱动单元、泄流通道单元、检测单元、脉冲正端和脉冲负端；

所述的供电单元包括为正向脉冲供电的恒压源Ⅰ和为反向脉冲供电的恒压源Ⅱ，所述的峰值电流控制单元分别控制正、反两向电流峰值，每向均包括多路放电通路，每一路放电通路由一个双极型晶体管与限流电阻串联；

所述的峰值电流控制单元中控制正向峰值电流的双极型晶体管的集电极与所在通路的限流电阻串联后并联端接供电单元中恒压源Ⅰ的正极，所述的双极型晶体管的发射极并联端为脉冲正端，与泄流通道单元中控制反向脉冲产生的双极型晶体管的集电极串联，控制正向峰值电流的双极型晶体管的发射极接在供电单元中的恒压源Ⅰ的负极；所述的峰值电流控制单元中控制反向峰值电流的双极型晶体管的集电极与所在通路的限流电阻串联后并联端接供电单元中恒压源Ⅱ的正极，所述的双极型晶体管的发射极并联端为脉冲负端，与泄流通道单元中控制正向脉冲产生的双极型晶体管的集电极串联，控制反向峰值电流的双极型晶体管的发射极接在恒压源中的恒压源Ⅱ的负极；

所述的泄流通道单元包括正、反向两个双极型晶体管，由控制驱动单元控制通断；所述的控制驱动单元为现场可编程门阵列，现场可编程门阵列输出多路分别接峰值电流控制单元和泄流通道单元的双极型晶体管的基极；

所述的检测单元用于检测电流，包括电流传感器Ⅰ、电流传感器Ⅱ和电流传感器Ⅲ，电流传感器Ⅰ接脉冲输出正端，检测正反双向综合的输出电流，电流传感器Ⅱ接峰值电流控制单元控制正向电流峰值的双极型晶体管发射极的并联端以检测正向电流值，电流传感器Ⅲ接峰值电流控制单元控制反向电流峰值的双极型晶体管发射极的并联端以检测反向电流值。

本发明的换向脉冲电源的脉冲参数控制电路可实现单独正向和正反交替脉冲输出，且正、反向两组工作周期、输出的脉冲数目可调。使用周期换向脉冲电源的参数控制电路可控制较多电参数，包括正、反向平均电流密度，正、反向占空比，正、反向脉冲数目和正、反向工作时间。控制驱动单元FPGA可根据需求设置脉冲控制参数，接收电流传感器的检测数据与目标脉冲比较微调参数实现脉冲的动态调整。电阻的选通、泄流通道的通断和电阻的选择均利用FPGA控制多路双极型晶体管的通断实现，电路中的双极型晶体管作为开关使用。电流采集由FPGA控制多路电流信号的同步采集与存储实现，FPGA“并行”的工作方式能够有效提高效率和信号的传输速度。

本发明的换向脉冲电源的脉冲参数控制电路可实现脉冲电参数的精确控制，电路响应迅速，可在脉冲正极和脉冲负极间产生微秒级脉宽的短脉冲，脉冲波形输出一致、稳定且容易控制。本发明的换向脉冲电源的脉冲参数控制电路兼备脉冲和换向的功能，对镀层的结晶取向、厚度可进行随心所欲的控制，有利于进一步提高电镀加工的镀层表面质量。

附图说明

图1本发明的换向脉冲电源的脉冲参数控制电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本发明。

以下实施例仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制。有关技术领域的人员在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化、替换和变型，因此同等的技术方案也属于本发明的范畴。

本发明的换向脉冲电源的脉冲参数控制电路包括供电单元、峰值电流控制单元、控制驱动单元、泄流通道单元、检测单元、脉冲正端和脉冲负端；

所述的供电单元包括为正向脉冲供电的恒压源Ⅰ和为反向脉冲供电的恒压源Ⅱ，所述的峰值电流控制单元分别控制正、反两向电流峰值，每向均包括多路放电通路，每一路放电通路由一个双极型晶体管与限流电阻串联；

所述的峰值电流控制单元中控制正向峰值电流的双极型晶体管的集电极与所在通路的限流电阻串联后并联端接供电单元中恒压源Ⅰ的正极，所述的双极型晶体管的发射极并联端为脉冲正端，与泄流通道单元中控制反向脉冲产生的双极型晶体管的集电极串联，控制正向峰值电流的双极型晶体管的发射极接在供电单元中的恒压源Ⅰ的负极；所述的峰值电流控制单元中控制反向峰值电流的双极型晶体管的集电极与所在通路的限流电阻串联后并联端接供电单元中恒压源Ⅱ的正极，所述的双极型晶体管的发射极并联端为脉冲负端，与泄流通道单元中控制正向脉冲产生的双极型晶体管的集电极串联，控制反向峰值电流的双极型晶体管的发射极接在恒压源中的恒压源Ⅱ的负极；

所述的泄流通道单元包括正、反向两个双极型晶体管，由控制驱动单元控制通断；所述的控制驱动单元为现场可编程门阵列，现场可编程门阵列输出多路分别接峰值电流控制单元和泄流通道单元的双极型晶体管的基极；

所述的检测单元用于检测电流，包括电流传感器Ⅰ、电流传感器Ⅱ和电流传感器Ⅲ，电流传感器Ⅰ接脉冲输出正端，检测正反双向综合的输出电流，电流传感器Ⅱ接峰值电流控制单元控制正向电流峰值的双极型晶体管发射极的并联端以检测正向电流值，电流传感器Ⅲ接峰值电流控制单元控制反向电流峰值的双极型晶体管发射极的并联端以检测反向电流值。

实施例1

本实施例给出了脉冲宽度为微秒级的换向脉冲电源的脉冲参数控制电路。脉冲电参数包括脉冲宽度、脉冲间隔、群组脉冲数目等参数均可调，满足多种加工需求。

如图1所示，本实施例包括供电单元、峰值电流控制单元、控制驱动单元、泄流通道单元、检测单元、脉冲正端、脉冲负端：所述的供电单元包括为正向脉冲供电的恒压源Ⅰ和为反向脉冲供电的恒压源Ⅱ，所述的峰值电流控制单元分别控制正、反两向电流峰值，每向均包括三路放电通路，每一路放电通路由一个双极型晶体管与一定阻值的限流电阻串联，所述的峰值电流控制单元中控制正向峰值电流的双极型晶体管的集电极与所在通路的限流电阻串联后并联端接恒压源Ⅰ的正极，所述的双极型晶体管的发射极并联端为脉冲正端，与泄流通道单元中控制反向脉冲产生的双极型晶体管的集电极串联，该双极型晶体管的发射极接在供电单元中恒压源Ⅰ的负极。所述的峰值电流控制单元中控制反向峰值电流的双极型晶体管的集电极与所在通路的限流电阻串联后并联端接供电单元中恒压源Ⅱ的正极，所述的双极型晶体管的发射极并联端为脉冲负端，与泄流通道单元中控制正向脉冲产生的双极型晶体管的集电极串联，该双极型晶体管的发射极接在供电单元中恒压源Ⅱ的负极。所述的脉冲正端与脉冲负端在电源实际工作时应放入导电性良好的电解液中，以形成脉冲回路。所述的泄流通道单元包括正、反向两个双极型晶体管，由控制驱动单元控制通断。所述的控制驱动单元为现场可编程门阵列，所述的现场可编程门阵列输出多路分别接峰值电流控制单元和泄流通道单元的多个双极型晶体管的基极。所述的检测单元主要用于检测电流，包括电流传感器Ⅰ、电流传感器Ⅱ和电流传感器Ⅲ，电流传感器Ⅰ接脉冲输出正端，可以检测正反双向综合的输出电流，电流传感器Ⅱ接峰值电流控制单元控制正向电流峰值的双极型晶体管发射极的并联端以检测正向电流值，电流传感器Ⅲ接峰值电流控制单元控制反向电流峰值的双极型晶体管发射极的并联端以检测反向电流值。

所述的供电单元包括向正向回路供电的恒压源Ⅰ和向反向回路供电的恒压源Ⅱ。

所述的峰值电流控制单元可分别控制正、反向电流峰值。包括正向回路中的双极型晶体管Q1、双极型晶体管Q2、双极型晶体管Q3、限流电阻R1、限流电阻R2、限流电阻R3，反向回路中的双极型晶体管Q4、双极型晶体管Q5、双极型晶体管Q6、限流电阻R4、限流电阻R5、限流电阻R6。

所述的控制驱动单元为FPGA。

所述的泄流通道单元包括正向泄流通道1中的双极型晶体管Q8、反向泄流通道2中的双极型晶体管Q7。

所述的检测单元包括电流传感器Ⅰ、电流传感器Ⅱ、电流传感器Ⅲ。

本实施例中双极性晶体管Q1、Q2、Q3的驱动信号同步变化，双极型晶体管Q4、Q5、Q6的驱动信号同步变化，保证在设定参数下正、反向通路的总阻值恒定。

本实施例中双极型晶体管Q7、Q8的驱动信号同步变化，变化方向相反，保证正、反向通路不同时导通。

本实施例中双极型晶体管Q8开通的驱动信号在双极型晶体管Q1、Q2、Q3开通的驱动信号之前，双极型晶体管Q8关断的驱动信号在双极型晶体管Q1、Q2、Q3关断的驱动信号之后。双极型晶体管Q7开通的驱动信号在双极型晶体管Q4、Q5、Q6开通的驱动信号之前，双极型晶体管Q7关断的驱动信号在双极型晶体管Q4、Q5、Q6关断的驱动信号之后。由于晶体管通断具有一定的延时时间，保证双极型晶体管Q7、Q8状态的变化不影响脉冲波形。

本实施例中限流电阻R1、R4为相同电阻，限流电阻R2、R5为相同电阻，限流电阻R3、R6为相同电阻。

以下给出本实施例的工作过程：

1.电路导通前，脉冲正端和脉冲负端应置于导电性良好的电解液中，以保证对应回路的双极型晶体管导通后，可形成脉冲回路。

2.对FPGA编程实现产生双极型晶体管的控制信号，施加在双极型晶体管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6的基极，控制其通断，实现对限流电阻R1、限流电阻R2、限流电阻R3、限流电阻R4、限流电阻R5、限流电阻R6的选择。

a)输出正向脉冲时，控制信号应使控制反向电阻选择的双极型晶体管Q4、Q5、Q6均处于关断状态。

b)输出反向脉冲时，控制信号应使控制正向电阻选择的双极型晶体管Q1、Q2、Q3均处于关断状态。

3.对FPGA编程实现产生双极型晶体管的控制信号，施加在双极型晶体管Q7、Q8的基极，控制其通断，形成正、反向脉冲回路。

a)Q7、Q8的控制信号同步向相反方向变化，双极型晶体管Q8应先于正向脉冲开始至少1微秒前开通，在正向脉冲结束至少1微秒后关断，双极型晶体管Q7应先于反向脉冲开始至少1微秒前开通，在反向脉冲结束至少1微秒后关断。

b)正向脉冲回路为恒压源Ⅰ正极经过正向峰值电流控制单元、脉冲正端、脉冲负端、双极型晶体管Q8后返回恒压源Ⅰ负极。

c)反向脉冲回路为恒压源Ⅱ正极经过反向峰值电流控制单元、脉冲负端、脉冲正端、双极型晶体管Q7后返回恒压源Ⅱ负极。

d)Q7、Q8状态改变完成后，可通过双极型晶体管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6的导通和关断实现对脉冲电参数如脉冲宽度、脉冲间隔等的精确控制。

4.对FPGA编程实现对电流传感器的采样。

a)可以根据需求产生双极型晶体管的控制信号，改变并联的总电阻值，在恒压源供电时调整峰值电流。

b)可以监控电路的状态，在检测到电流失稳时，通过FPGA产生控制信号，关断对应回路的双极型晶体管，阻止脉冲输出。

还可以通过并联更多的限流电阻与双极型晶体管串联的通路实现更多电流峰值的设置。

以上描述中“多个”，“多路”的含义是至少两个，例如三个，三个等，除非另有明确具体的限定。

Claims (1)

1.一种换向脉冲电源的脉冲参数控制电路，其特征在于：所述的电路包括供电单元、峰值电流控制单元、控制驱动单元、泄流通道单元、检测单元、脉冲正端和脉冲负端；

所述的供电单元包括为正向脉冲供电的恒压源Ⅰ和为反向脉冲供电的恒压源Ⅱ，所述的峰值电流控制单元分别控制正、反两向电流峰值，每向均包括多路放电通路，每一路放电通路由一个双极型晶体管与限流电阻串联；

所述的峰值电流控制单元中控制正向峰值电流的双极型晶体管的集电极与所在通路的限流电阻串联后并联端接供电单元中恒压源Ⅰ的正极，所述的双极型晶体管的发射极并联端为脉冲正端，与泄流通道单元中控制反向脉冲产生的双极型晶体管的集电极串联，控制正向峰值电流的双极型晶体管的发射极接在供电单元中的恒压源Ⅰ的负极；所述的峰值电流控制单元中控制反向峰值电流的双极型晶体管的集电极与所在通路的限流电阻串联后并联端接供电单元中恒压源Ⅱ的正极，所述的双极型晶体管的发射极并联端为脉冲负端，与泄流通道单元中控制正向脉冲产生的双极型晶体管的集电极串联，控制反向峰值电流的双极型晶体管的发射极接在恒压源中的恒压源Ⅱ的负极；

所述的泄流通道单元包括正、反向两个双极型晶体管，由控制驱动单元控制通断；所述的控制驱动单元为现场可编程门阵列，现场可编程门阵列输出多路分别接峰值电流控制单元和泄流通道单元的双极型晶体管的基极；

所述的检测单元用于检测电流，包括电流传感器Ⅰ、电流传感器Ⅱ和电流传感器Ⅲ，电流传感器Ⅰ接脉冲输出正端，检测正反双向综合的输出电流，电流传感器Ⅱ接峰值电流控制单元控制正向电流峰值的双极型晶体管发射极的并联端以检测正向电流值，电流传感器Ⅲ接峰值电流控制单元控制反向电流峰值的双极型晶体管发射极的并联端以检测反向电流值。