CN1599222A - 电镀电源装置 - Google Patents

Abstract

一种电镀电源装置，通过整流器34整流交流电源提供的交流电压。降压断路器36将该整流电压降压。该降压断路器36包括场效应晶体管FET40a、40b，其导通期间受控制于脉宽调制信号，通过对上述导通期间的控制，降低由整流器34来的整流电压。直流交流变换器50将由该降压斩波器36已降压的直流电压变换为交流电压之后提供给电镀电极59、60。

Description

电镀电源装置

技术领域

本发明涉及电镀电源装置，尤其与提供交流电流的电镀电源装置有关。

背景技术

现用的提供交流电流的电镀电源装置大多使用于双面通孔的印刷电路板的电镀。图7示出此种电镀电源装置的一例。在该电源装置之中，由三相商用交流电源而来的三相交流电压通过输入端整流器2以及滤波电容器4整流。被整流及滤波后的电压通过变频器6变换为数KHz至数十KHz的高频电压。变频器6虽未图示但通常都使用IGBT及FET等半导体开关元件构成全电桥电路，上述半导体开关元件导通期间由控制电路8控制。由变频器6而来的高频电压通过变压器10变压，降低到规定电压值。变压后的高频电压由输出端整流器12整流，由电抗线圈14a、14b滤波。电抗线圈14a、14b卷绕在同一个磁芯之上。该经过整流及滤波的电压由变频器16变换为数十及数百Hz的低频交流电压，通过直流电抗线圈18a、18b以及电镀槽的电镀电极20a、20b，提供给电镀件。由于变频器16也是将IGBT及FET等半导体开关元件与全电桥电路连接的，因而这些半导体开关元件导通期间，由控制电路22控制。

在该电镀电源装置之中，用于变频器6的IGBT及FET的能耗大。此外，设置在变频器16输出端的直流电抗线圈18a、18b的能耗也大。此二者相结合，使电镀电源装置的整体效率恶化。此外，经输出端整流器12整流的电压由滤波电抗线圈14a、14b滤波时，该电抗线圈14a、14b的能耗大，使效率进一步恶化。此外，由于直流电抗线圈14a、14b通过在印刷电路极上形成的电路与输出端整流器12及变频器16连接，因而受该印刷电路的电感影响，使该电源装置的效率进一步降低。此外，由于使用了变频器6和变压器8，在电镀电极20a、20b上产生的电流的上升应答性恶化。

发明内容

本发明的目的正是在于提供一种使效率改善，且应答性提高的电镀电源装置。

本发明的方式之一的电镀电源装置具有整流由交流电源而来的交流电压的整流器。作为交流电源，可使用三相交流电源及单相交流电源。作为整流器，可使用全波整流电路及半波整流电路。降压斩波器将由整流器而来的整流电压降压。该降压斩波器(chopper)包含半导体开关元件，可根据脉宽调制信号(PWM信号)控制导通期间。直流交流变换器将由降压斩波器而来的已降压的直流电压变换为交流电压之后提供给电镀电极。作为直流交流变换器，可使用半电桥型或全电桥型的变频器。

在采用上述构成的电镀电源装置之中，将整流交流电源之后得到的直流电压用降压斩波器降压后，由直流交流变换器变换为交流电压提供给电镀电极。因而不需要输入侧整流器、高频电压变换用变频器(inverter)及变压器，可使该电源装置的效率提高。尤其因为降压斩波器是靠PWM信号控制半导体开关元件的导通期间的，因而在产生负载短路的情况下，可通过压缩PWM信号之中表示指示导通期间的脉冲幅度进行短路保护。通过扩展上述脉幅，可加快流向电镀电极的电压的上升速度，还可加快电镀电流的上升速度，改善其应答性能。

上述方式的电镀电源装置可多个组并联在一起。这种情况下，交流电源设定为具有中性点的三相交流电源。各组的降压斩波器具有第1及第2降压斩波器。第1降压斩波器通过直流交流变换器、电镀电极使第1极性的电流流向中性点，第2降压斩波器通过直流交流变换器、电镀电极使第2极性的电流流向中性点。各组的直流交流变换器具有使由第1降压斩波器而来的第1极性的电流从上述电镀电极流向中性点的第1半导体开关元件以及使由第2降压斩波器而来的第2极性电流通过上述电镀电极流向中性点的第2半导体开关元件。此外，各组的第1及第2降压斩波器及上述直流交流变换器彼此连接，以便使第1及第2极性的电流回归上述中性点。

在此种构成之中，给各个机器提供的不是三相交流电源的线间电压，而是值比之小的相当于相电压的电压。因此既可降低各组的电镀电源装置的构成件的耐压指标，从而降低生产成本，又可多个组的电镀电源装置共用三相交流电源，使生产成本进一步降低。

在上述方式的电镀电源装置之中，可在直流交流变换器与电镀电极间设置电抗线圈。这种情况下，在直流交流变换器不给电抗线圈提供电流时，可从上述电抗线圈到上述降压斩波器的输入侧，设置使基于上述电抗线圈中储存的能量的电流再生的单向性再生路径。该再生路径，可由第1及第2单向性元件构成。第1单向性元件与直流交流变换器内的半导体开关元件的电路并联设置，只允许电流流向降压斩波器的输入端。第2单向性元件与第1单向性元件连接，只允许电流流向降压斩波器的输入端。

在该构成之中，由于可使基于设置在直流交流变换器和电镀电极间的电抗线圈中储存的能量的电流。经过再生路径回归到降压斩波器的输入侧，因而可使该电源装置的效率提高。

此外，也可在降压斩波器的输入侧设置滤波电容器。这种情况下，可在滤波电容器和降压斩波器的输入侧之间设置升压电容器，使电流从再生路径经升压电容器流向上述滤波电容器。在该构成之中使从再生路径而来的电流经过升压电容器流向滤波电容器。这时，升压电容器的电压上升。当从滤波电容器给降压斩波器提供直流电压时，升压电容器的电压与滤波电容器的电压重迭。即可给降压斩波器提供已升压的输入电压。因此，电镀电流的倾斜度变得陡峭，可获得良好的电镀性能。

在上述方式的电镀电源装置之中，还可将降压斩波器设置在双面印刷电路基板上。例如，当降压斩波器使用第1及第2极性的电流的降压斩波器时，在双面基板的一面设置第1极性的电流的降压斩波器，在另一面设置第2极性电流的降压斩波器。当降压斩波器包含半导体开关元件和电抗线圈的情况下，可将这些元件连接在双面基板的一面，从而可缩短其连接线的长度。

附图说明

图1是本发明的第1实施方式的电镀电源装置的电路图。

图2表示图1的电镀电源装置中的负载电流。

图3是本发明的第2实施方式的电镀电源装置的电路图。

图4是本发明的第3实施方式的电镀电源装置的电路图。

图5表示图4的电镀电源装置各部分的波形。

图6是本发明的第4实施方式的电镀电源装置的电路图。

图7是现用的电镀电源装置的电路图。

具体实施方式

正如图1所示，本发明的第1实施方式的电镀电源装置具有交流电源，例如可提供三相商用电源的电源端子30a至30c。这些电源端子30a至30c与变压器，例如三相变压器32的Y形结线的初级线圈32P相连接。该变压器32的次级线圈32S也采用Y形结线，具有中性点32T。在次级线圈32S之中，感应产生变压后的三相交流电压。该变压器32具有作为交流电源的功能。在次级线圈32S上感应产生的三相交流电压可由三相全波整流电路34整流。该三相全波整流电路34由整流二极管34a至34f构成。经该三相全波整流电路34整流的电压在正输出端子34P和负输出端子34N之间生成。

该经过整流的电压被提供给降压斩波器36。降压斩波器36具有第1极性，例如正极性的降压斩波器36a和第2极性，例如负极性的降压斩波器36b。

正极性的降压斩波器36a在正输出端子34P和次级线圈32S的中性点32T之间具有滤波电容器38a。连接在正输出端子34P的滤波电容器38a的正极上连接着半导体开关元件，例如场效应晶体管FET40a的漏极。FET40a的源极连接在直流电抗线圈42a的一端。该直流电抗线圈42a的另一端与降压斩波器36a的输出端子44a相连。在FET40a的漏极-源极间反向并联着二极管46a。也就是说，二极管46a的阴极与FET40a的漏极连接，二极管46a的阳极与FET40a的源极连接。进而在FET40a的源极和电抗线圈42a的接点上连接着二极管48a的阴极，其阳极连接着中性点32T。

负极性的降压斩波器36b在输出端子34N和次级线圈32S的中性点32T之间设有滤波电容器38b。FET40b的源极连接在与负输出端子34N相连的滤波电容器38b的负极上。FET40b的漏极与直流电抗线圈42b的一端相连。直流电抗线圈42b的另一端与降压斩波器36b的输出端子44b相连。FET40b的漏极一源极间反向并联着二极管46b。也就是说，二极管46b的阴极连接在FET40b的漏极上，二极管46b的阳极连接在FET40b的源极之上。此外，二极管48b的阳极连接在FET40b的漏极和电抗线圈42b的接点之上，其阴极连接在中性点32T之上。

正极性降压斩波器36a的电抗线圈42a和负极性降压斩波器36b的电抗线圈42b并非在同一个磁芯上构成，而是单独构成。

这些FET40a、40b受从降压斩波器控制电路41提供给各自的栅极的脉宽控制信号(PWM信号)控制。也就是说，为使FET40a导通时，FET40b也导通，FET40a非导通时，FET40b也变为非导通，由PWM信号控制FET40a、40b。可通过变更该PWM信号的占空比控制FET40a、40b的导通期间。

在该降压斩波器36的输出端子44a和44b之间，设有直流交流变换器50。该直流交流变换器50将两个半导体开关元件。例如将IGBT52a、52b与各自的发射极-集电极导电电路串联连接。也就是说，IGBT52a的集电极与输出端子44a连接，IGBT52a的发射极与IGBT52b的集电极连接，IGBT52b的发射极与输出端子44b连接。

上述IGBT52a、52b其栅及受交直流变换控制电路54个别提供的脉宽控制信号(PWM信号)控制。IGBT52a、52b在提供给它的PWM信号处于第1状态——例如高电平状态时导通，处于第2状态——例如低电平状态时非导通。其PWM信号设定为两种——IGBT52a导通时，IGBT52b为非导通，IGBT52a非导通时，IGBT52b为导通。此外，导通期间可通过调整这些PWM信号的负载比进行控制。而且在两种PWM信号中，从一侧的IGBT处于已导通状态到另一侧的IGBT变为导通状态期间，为使两个IGBT均成为非导通，设定了低电平的经过期间。为使上述IGBT52a、52b在数十至数百Hz的频率范围内反复导通与非导通，设定了PWM信号。

在IGBT52a、52b的集电极·发射极导电电路中反向并联着二极管56a、56b。也就是说，二极管56a、56b的阴极与IGBT52a、52b的集电极连接，其阳极与IGBT52a、52b的发射极连接。

直流交流变换器50的输出端子，即IGBT52a的发射极和IGBT52b的集电极的接点通过直流电抗线圈58与电镀槽的电镀电极59连接。在该电镀电极59与另一个电镀电极60之间配置电镀件。在电镀电极60和中性点32T之间连接着直流电抗线圈61。

此外，在降压斩波器36的输出端子44a与降压斩波器36的滤波电容器38a的正极之间连接着与二极管56a共同形成再生路径的单向元件，例如二极管62a。该二极管62a为使电流从输出端子44a流向滤波电容器38a，其阳极与输出端子44a连接，阴极与滤波电容器38a的正极连接。与此相同，在降压斩波器36的输出端子44b和降压斩波器36的滤波电容器38b的负极之间，连接着与二极管56b共同形成再生路径的二极管62b。该二极管62b为使电流从滤波电容器38b的负极流向输出端子44b，其阳极与滤波电容器38b的负极连接，阴极与输出端子44b连接。

该电镀电源装置的降压斩波器36在双面印刷电路板(未图示)上构成。在该双面基板的一面形成正极性降压斩波器36a。在另一面构成负极性降压斩波器36b。由于构成正极性降压斩波器36a的FET40a、电抗线圈42a均构成于双面印刷电路板的同一个面上，因而连接二者的电路变短，除了不产生不必要的损耗之外，还可改善其耐噪声量。与此相同，由于构成负极性的降压斩波器36b的FET40b、电抗线圈42b也构成于双面印刷电路板的同一个面，因而连接二者的电路变短，除了不产生不必要的损耗之外，还可以改善其耐噪声量。

在采用此种构成的电镀电源装置之中，当电源端子30a至30c上连接了三相商用交流电源时，在变压器32的次级线圈32S中感应产生三相交流电压。即变压器32具有作为交流电源的功能。感应产生的交流电压由整流器34整流。该整流电压由降压斩波器36的滤波电容器38a、38b滤波。通过由降压斩波器控制电路41而来的PWM信号，FET40a、40b反复导通与非导通，其结果是滤波电压被降压。该降压后的电压在输出端子44a、44b间生成。

当IGBT52a导通，且IGBT52b非导通时在如图2所示的期间tp内，正极性电流从输出端子44a流向IGBT52a、电抗线圈58、电镀电极59、电镀件、电镀电极60、电抗线圈61以及中性点32T。当IGBT52b导通、且IGBT52a非导通时，在如图2所示的期间tn内，负极性电流从中性点32T流向电抗线圈61、电镀电极60、电镀件、电镀电极59、电抗线圈58以及IGBT52b。由于正极性及负极性电流如上所述交替流动，因而适用于双面通孔印刷电路板的电镀。

在该电镀电源装置之中，由于采用了由整流器34整流由变压器32而来的三相交流电压，然后再由降压斩波器36降压的构成，因而与直流电压的生成有关的损耗仅发生在IGBT40a、40b。正因如此，与直流电压的生成有关的损耗很小，从而可改善该电源装置的效率。此外，还可提高提供给电镀电极60a、60b的电流的上升速度，改善该电源装置的应答性能。

此外，FET40a、40b可通过控制电路41提供的PWM信号控制导通期间。因此，在产生负载短路等情况下，由于可通过减少PWM信号的负载比限制流向FET40a、40b的电流，因而能实现短路保护，而不别另外专门设置短路保护电路。此外，通过增大PWM信号的负载比，可加快降压斩波器36的输出电压的上升速度，加快提供给电镀电极60a、60b的电流的上升速度，可改善该电流的应答性能。

此外，在从IGBT52a导通、且IGBT52b非导通过渡到IGBT52a非导通、且IGBT52b导通的过渡期间存在的IGBT52a、52b均处于非导通状态下，基于储存在电抗线圈58中的能量的电流流向电镀电极59、电镀件、电镀电极60以及电抗线圈61。该电流可与基于储存在电抗线圈61中的能量的电流一道，通过滤波电容器38b、二极管62b、二极管56b流动，在滤波电容器38b中再生。正因如此，除了可以改善该电源装置的效率之外，还可以去除与IGBT52b对应的缓冲器电路。

与此相同，在从IGBT52b导通、且IGBT52a非导通过渡到IGBT52b非导通、且IGBT52a导通的过渡期间存在的，IGBT52a、52b均处于非导通状态下，基于储存在电抗线圈61中的能量的电流流向电镀电极60、电镀件、电镀电极59以及电抗线圈58。该电流与储存在电抗线圈58中的能量所伴随的电流一道，流向二极管56a、二极管62a以及滤波电容器38a，在滤波电容器38a中再生。正因如此，除了可改善该电源装置的效率之外，还可去除与IGBT52对应的缓冲器电路。

而且，当IGBT40a、52a均非导通时，基于储存在电抗线圈42a中的能量的电流流向二极管62a、滤波电容器38a、二极管48a，在滤波电容器38a中再生。与此相同，当FET40b、IGBT52b均非导通时，基于储存在电抗线圈42b中的能量的电流流向二极管48b、滤波电容器38b、二极管62b，在滤波电容器38b中再生。这样一来，在降压斩波器36中还可减少本应在电抗线圈42a、42b中产生的损耗，改善了该电源装置中的效率。而且此时FET40a、40b仍在以规定的周期交替重复导通、非导通。

该电源装置在整流器34以后的电路中使用了变压器32的次级一侧的中性点32T，附加于该电路中的电压比不使用中性点时还要低。正因如此，在该电路中使用的FET及IGBT可使用额定电压低的元件。

图3示出本发明的第2实施方式。在该实施方式之中，设置了多个组第1实施方式所示的电镀电源装置中的变压器32的次级一侧以后的电路，即由整流器34、降压斩波器36、直流交流变换器50、电抗线圈58、61、二极管62a、62b等构成的电路，例如2组。该2组电路并联，由共用的变压器32给各自的电路提供三相交流电压。自不待言，中性点32T也是共用的。

正如上述，由于并联连接两个电路，因而在输出同样功率的情况下，在各电路的构成要素之中，可使用额定电流低的元件，从而可降低生产成本。

图4示出本发明的第3实施方式。该实施方式除降压斩波器36的构成有部分区别外，其余均与第1实施方式相同。相同的部分采用同样的标号并省略其说明。

在该降压斩波器36之中，滤波电容器38a的正极与FET40a的漏极之间连接着升压电容器70。此外，单向元件，例如二极管72的阳极与滤波电容器38a的正极端连接，阴极与FET40的漏极连接。

与此相同，在滤波电容器38b的负极与FET40b的源极之间连接着升压电容器74。此外，二极管76的阴极连接在滤波电容器38b的负极侧，阳极连接着FET40b的源极。

由于采用了此种构成，FET40a及40b导通时，因电流经二极管72及76流走，因而升压电容器70、74不会被充电。然而当从IGBT52a为导通状态，且IGBT52b为非导通状态向IGBT52a为非导通状态、且IGBT52b为导通状态变化时，基于电抗线圈58、61的储存能量的电流经二极管56a、62a将升压电容器70及滤波电容器38a充电。这样一来，在升压电容器70之中即产生了充电电压。接着，当IGBT52a处于导通状态，IGBT处于非导通状态以及FET40a处于导通状态时，正如图5(a)所示，累加了滤波电容器38a的电压A和升压电容器70的电压A’的电压，即仅将升压电容器70的充电电压A’部分升压的电压被施加到直流交流变换器50之上。此此相同，当从IGBT52b为导通状态。且IGBT52a为非导通状态变为IGBT52b为导通状态、且IGBT52a为非导通状态时，升压电容器74被充电。而且，当IGBT52b变为导通状态、IGBT52a变为非导通，FET40b为导通状态时，滤波电容器38b的电压中仅将升压电容器74的充电电压部分升压的电压被施加给直流交流变换器50。

正如上述，由于提供给直流交流变换器50的电压被升压，因而正如图5(b)所示，流经电镀电极59、60的电流的上升波形变为比原先的波形B’还要陡峭的B波形，从而提高了电镀性能。

图6示出第4实施方式。该实施方式是在第2实施方式中的两个降压斩波器36上附加了第3实施方式中所示的电容器70、74、二极管72、76。由于采用了此种构成，具有与第2及第3实施方式相同的功能。

在上述各种实施方式之中，设置了正极性及负极性降压斩波器36a、36b，但也可以仅设一个极性的降压斩波器。此外，在上述实施方式中，使用的是三相商用交流电源，但也可以使用单相商用交流电源。

Claims (5)

1、一种电镀电源装置，其特征在于包括：整流器，用于整流交流电源来的交流电压；降压斩波器，包含根据脉宽调制信号控制导通期间的半导体开关元件，用于通过上述半导体开关元件的导通及非导通，降低由上述整流器提供的整流电压；直流交流变换器，用于将降压斩波器来的直流电压变换为交流电压后提供给电镀电极。

2、根据权利要求1所述的电镀电源装置，其特征在于：

上述电镀电源装置为多个组并联连接；

上述交流电源是具有中性点的三相交流电源；

上述各组的降压斩波器包括：通过上述直流交流变换器及上述电镀电极使第1极性的电流流向上述中性点的第1降压斩波器、以及通过上述直流交流变换器及上述电镀电极使第2极性的电流流向中性点的第2降压斩波器；

上述各组的直流交流变换器包括通过上述电镀电极使由第1降压斩波器而来的第1极性电流流向上述中性点的第1半导体开关元件，以及通过上述电镀电极使由第2降压斩波器而来的第2极性电流流向上述中性点的第2半导体开关元件。

3、根据权利要求1所述的电镀电源装置，其特征在于：上述直流交流变换器与上述电镀电极之间设有电抗线圈，当上述直流交流变换器不给上述电抗线圈提供电流时，从上述电抗线圈到上述降压斩波器输入侧设有使基于储存在上述电抗线圈中的能量的电流再生的单向性再生路径。

4、根据权利要求3所述的电镀电源装置，其特征在于：上述降压斩波器的输入侧设有滤波电容器，该滤波电容器与上述降压斩波器的输入侧之间设有升压电容器，电流从上述再生路径，经上述升压电容器流向上述滤波电容器。

5、根据权利要求1所述的电镀电源装置，其特征在于：上述降压斩波器设置在双面印刷电路板上。

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