1、 （ 20_ _届） 本科毕业 设计 大功率电镀电源的设计 -控制和保护电路设计 所在学院 专业班级 电气工程及其自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I 摘 要 本文在分析了电镀电源的发展历程和研究现状后，结合开关电源的基本原理，设计了输出容量为 030V，最大电 流为 500A的电镀开关电源。传统的开关电源采用的是可控硅整流，其体积和重量大，纹波大，稳定性不高，效率低，电源效率一般约为 70%；单台电源不能长期无故障工作，无冗余系统来保证稳定性。而采用高频软开关电源能够极大的提升电源的性能。 本文中选择了桥式推挽电路作为主电路的拓扑。控制电路以 TL494为核心产生 P
2、WM脉冲控制信号。 TL494的 2脚接受的控制信号，输出对应宽频的 PWM信号；1脚接受从采样电阻返回的反馈电压信号，对 PWM信号进行调整，以达到稳定输出电压的目的。 最后给出结论，参与研制的高频开关电镀电源达到 了预期的技术指标，为提高电源性能所做的工作达到了预期要求。 关键词 ： 电镀 , 软开关 , 桥式推挽电路 II The design of high power electroplating power, control and protection of circuit design ABSTRACT Firstly , analyzing the development o
3、f electroplating power and the recent findings . Then , using the basic principles of the switch power , a soft switch plating power can be designed with output voltages from 0 to 50V and the maximum current 500A . The traditional DC power-supply using silicon-controlled rectifier is with big bulk a
4、nd weight , high ripple coefficient of output voltage , low stability and efficiency , besides , the efficiency falls to 70 around and singe power is hard to keep working for a long time without redundancy system . However , high frequency soft switch power can greatly improve the performance . In t
5、his paper , bridge push-pull circuit is used as the topology of main circuit . TL494 is chosen to be the core of the control circuit to produce PWM pulse signal . The No. pin of TL494 chip receives the control signal and outputs the correspond wide-frequency of PWM signal . The No. pin accepts the f
6、eedback voltage signals of sample resistance , then the PWM signal gets adjusted to achieve the purpose that keeping output voltage steady . Finally , the conclusion is the development of high-frequency switching power supply plating had met the technical specifications . The work we have done in or
7、der to improve the power performance achieves the desired requirements . KEY WORDS: plating , soft switching , bridge push-pull circuitits III 目 录 摘 要 . ABSTRACT.1 绪 论 . 1 1.1 本课题研究的背景 . 1 1.2 电镀电源的发展历史 . 1 1.3 我国电源产业的三个阶段 . 2 1.4 电镀电源的发展趋势 . 2 2 电镀开关电源主电路的设计 . 5 2.1电镀开关电源的系统与组成 . 5 2.1.1 电源的主要设计指标
8、. 5 2.1.2 电源系统的组成及其功能 . 5 2.2 EMI滤波回路设计 . 7 2.3 整流回路 . 9 2.3.1 全桥 整流电路 的结构 .9 2.3.2 全桥变换器的工作原理 .9 2.3.3 IGBT 的选择 .10 2.3.4 IGBT 驱动电路的设计 .12 2.4 逆变回路 .14 2.5 高频变压器的设计 . 16 3 电镀电源的控制 保护 系统的设计 .19 3.1 TL494 具体功能 介绍 .19 3.2 初级过流保护 .22 3.3 30V 输出过流保护 .23 3.4 过压保护 .24 3.5 欠压保护 .25 3.6 过热保护 .26 4 全文总结 .27
9、参 考 文 献 附录 总电路图 致谢 毕业设计（论文）题目 1 1 绪 论 1.1 研究的背景 时代 在 进步，各项工艺日趋完善，人们对能源的需求也越来越高。能源产业就随之进入了一个新时代，各行业对能源的 需求 也有了新 指标 ，而本文所提到的开关电镀电源 ， 也 同样 有了新指标新要求。 20世 纪后期，随着现代科技的迅速发展，电镀技术有了很大的进步，磁场、声场、温度 等这些因素在运用中也被提出并加入 ，使镀层质量和电镀效率 有了明显提高。所有这些变化，对电镀设备及其相关的配套装置和元器件的性能、质量和品种提出了新的更加严格的要求 1。 随着我们对电镀电源各指标的的要求的提高，很多技术都被提
10、了出来。例如高频技术的引入，新型电镀技术的研发，高耐压元件的研制，谐波影响的消除，智能化造作问题等等，都成为了目前将要解决的课题。 1.2 电镀电源的发展历史 通过翻阅资料一般公认的电镀电源的发展大致经历了 4个阶段： 第 1阶段 :交流 -直流发电机组， 一般公认 开始于前苏联，由于经过 2次能量转换过程 (电能、机械能、电能 )，因为转化阶段越多容易散失的能量就越大，所以不可避免的机组的效率低于 60% ，噪声大耗能高，因此这类设备已趋于淘汰，在电镀行业中也只有少量单位使用该类高能耗设备。 第 2阶段 :所谓的第二阶段就是 20世纪 50年代生产的硒整流器和 20世纪 60年代生产的硅整流
11、器 。 这类电源有 其 优点比如结构简单，造价低，因此在我国电镀电源中占有一定比例，但 不可避免的 都存在体积大，能耗大和输出指标低，精度差和效率低等缺点。所以我相信它们在 不久的将来会逐渐走出历史舞台。 第 3阶段 :20世纪 70年代出现的晶闸管整流器可以认为是电镀电源发展史上的第三个阶段，其性能比前 2代产品有了极大的改善和进步。该类产品采用了五芯柱变压器、高压大功率晶闸管等新技术，因此各项指标都有显著提升，但是由于还是使用工频变压器，其工作在也还工作在低频段，所以整流器体积大，重量重，效率较低，能耗大。 第 4阶段 :直流电镀电源 高频开关电源。与传统工频整流电源相比，开关电源体积小，
12、重量轻，高效节能，动态性能好，适应性强，有利于实现工作的智能化数字化。因此，大功率开关电源具有广的 应用前景，是当前国内外研究、开发、应用的主流和方向 2 。但是，开关电源特别是大功率硬开关电源在可靠性、稳定性、效率等方面的缺点成为制约其应用和发展的“瓶颈” 3，按照传统电源的设计思路和解决办法，不能从根本上解决其所面临的诸多问题。高频开关型电镀电源目前主要局限于 1500 A以下的中小功率领域，在国内也只有少毕业设计（论文）题目 2 量厂家生产，从技术角度看主要限于硬开关变换模式和模拟控制方式，具有明显的局限性，同焊接等领域全面推广应用开关式电源的情况具有较大差距。 4 1.3 我国电源产业
13、的三个阶段 我国开关电源的发展史 ： 相对于国外，我国开关电源的发展较晚 ， 一般认为经历了三个阶段。我国电源产业的三个阶段 : 1)发展初期阶段 (1976 年以前 ) 从 20 世纪 50年代起 , 建国初期我国建设了一大批国有电子电源企业。这一阶段是从无到有阶段 , 虽然增长速度较快 ,但由于受到当时技术，经济和政治方面的影响，电源产业的规模还是很小。 2) 初步发展阶段 (1977- 1989 年 ) 这一阶段 , 随着经济建设的逐步加快 , 电源产业也进入快速增长期。 3) 大发展阶段 (1990 年至今 ) 这一阶段 , 全国工农业个方面等都有电源开发和 生产 , 乡镇企业和民营企
14、业大量涌现，个外资企业也纷纷进入中国市场 , 全国达到了上千家厂家 , 涌现出了很多大企业。 我国的开关电源技术由于各种原因发展较晚。 由于开关功率器件（ MOSFET、IGBT 等）的技术进步 。直到 20 世纪 90 年代开始，瑞典加力富公司的电源开始在我国的合资和外资企业的电路板（ PCB）的电镀生产线上使用。 5 这才开始了我国开关电镀电源的发展史。到了 20 世纪 90 年代中后期，国内许多整流器生产厂开始尝试研制大功率高频开关电源， 有些生产小功率电源厂子也开始研究大功率电源， 并在 全国范围内推广应用，这是我国才有了自主研发生产开关电镀电源的能力，结束之前依靠进口的历史。但是这些
15、开关电源并不是最先进的， 目前在我国 有些高频开关电源生产厂开始采用积木式、小功率并联输出方式 来 研制大电流电源， 蛋很可惜的是， 由于存在许多技术上的问题尚未解决，目前还不能应用于生产中。虽然一些高频电镀电源在金属小功率范围内的已经被国内市场接受，但产品主要局限于 1500A 以下的中小功率领域，从技术角度看主要限于硬开关变换模式和模拟控制方式，可靠性、 EMC 及工艺结构等方面具有明显的局限性，同焊接等领域全面推广应用开 关式电源的景况具有较大差距 6。 1.4 电镀电源的发展趋势 在功率电子技术的应用及电源系统中，开关电源技术均处于核心地位。传统的相控型电源非常庞大和笨重。相比较而言高
16、频开关电源就有了很大优势，采用高频开关技术，起体积和重量都会大幅度的下降，而且可较大的提高电能利用率、节省材料 、降低成本。 7在电镀开关电源上同样也离不开高频开关毕业设计（论文）题目 3 电源开关技术，通过开关电源改变用电频率，从而达到近乎理想的负载匹配和驱动控制。 未来电镀电源的发展在技术层面和质量上又很多要求和发展点，但总的来说，不会逃出以 下几点。 低消耗性 由于电镀行业的本身行业特点，其能耗一只居高不下，其电能消耗也是其主要的成本之一。一般来说传统的电镀电源存在能耗高，效率低，精度低，等缺陷；工艺过程和管理时缺乏科学合理的控制手段，也容易不必要的电能损耗。因此电镀电源的设计必须考虑到
17、节能问题。在较大功率领域采用高频开关电源代替传统整流电源，降低损耗，提高功率密度。高频开关电源比可控硅整流器节能 8在数据上高频开关式电源比传统的工频整流电源材料减少 80 90 ，节能 20V% 30%，体积减少到传统同容量电源的 1 5以下，动态反 应速度提高 2 3个数量级 9，因此在电源效率、功率密度及铜铁材料等指标用量均有大幅度的改善。而应用推广软开关技术，也可使高频开关电源的开关损耗明显降低，开关频率进一步提高。软开关技术具有降低电力电子器件开关功耗，提高开关频率，降低电磁干扰，改善器件的工作环境等优点 10. 可靠性 电镀电源工作情况非一般电源所能比，工作过程中对生产安全的要求较
18、高。因此在电镀电源的设计上必须把安全问题放在重要位置。 由于开关电镀电源工作在开关状态且占空比变化较大，会使输入波形发生畸变 以此会产生一定程度的 电磁 干扰，如果周围设备对其较为敏感 ， 就会产生干扰的效果，而且功率 越大干扰越大 。在国外， 很多国家 都对 此 干扰制定了标准。按这些标准规定，如果不解决这些干扰问题，将会带来严重的后果。因此，如何采取对应的措施来提高电镀电源的电磁兼容能力，是一个迫切的问题。 电源器件的热效应也是影响电源可靠性的另一因素， 只是在一般期间中热效应不明显可以忽视，但是开关电镀电源不同，其 传递的电能量很高一般为几十千万以上，因此其中的功率开关管、功率变压器、平
19、波电抗器、初次级整流管等存在 很大 的热耗，在工作过程中产生的热能对设备会产生影响和干扰， 如果热效应得不到合理的减少和控制，各环节的性能 将会遭到严重的破坏而其 寿命会严重下降 。 智能 数字 化 在以前的电子技术中，由于技术方面的限制 ，一般器件的 是按照模拟信号来设计和工作的，在上世纪六、七十年代，电力电子技术完全也是建立在模拟电路的基础上的，但是 我们知道，模拟信号有其技术上的局限性 模型信号毕业设计（论文）题目 4 的不精确性， 所以 往往会导致数值上的偏差，在一般情况下 这是 可以容忍的，但在高精度领域常会达不到设计生产要求。于是随着数字式信号处理技术的发展， 数字化 技术就显示出
20、了更多的优点：便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真 等等 等。 而在以往设计或者工作时也会因为人为因素的失误导致不必要的损失，所以随着计算机技术的引入，智能化操作也被提上了日程。 绿色化 电源系统的绿色化有两层含义：首先是显著节电，这在高效性上已做讨论，还有一层就是电源系统会对电网环境造成污染。因此国际电工委员会（ IEC)对此制定了一系列标准，入 IEC55、 IEC917、 IEC1000 等。事实上。许多大功率电源设备会产生污染：向电网注入严重的高次谐波电流电流，使总功率因素下降，使电网电压耦合许多毛刺尖峰，甚至出现缺角和畸变。 11世纪之初各种有源滤波 器和无源滤波器的方案诞生，
21、有了许多种修正功率因素的方法，为批量生产各种开关电源产品奠定了基础。 12 传统的化学电镀技术在生产过程中会产生大量的三废污染 ,而绿色镀膜技术可以很好地解决该问题。该电源已用于实际生产中 ,且运行效率高 ,工作可靠。 13 在生产中应该大力推广这些危害较低的技术 。 模块化 模块化有两方面的含义 ,一般所谓模块化就是 指功率器件的模块化 ,其二 就是 指电源单元的模块化。 日前 有些公司 处于节省成本和技术提高的目的 把开关器件的驱动保护电路装到功率模块中去 ,构成了 一个整体模块 ,这样的做法 大大缩小了体积 ,方便了整机的设计制造，减少了不必要的生产成本。实际上 ,由于目前工艺的发展，高
22、频技术不可避免的被广泛使用，但是 由于频率的不断提高 ,致使干扰因素影响 也随之增大 ,其 对器件的影响 (表现为过电压、过电流毛刺 )也 比以前有很大增加 。为了解决这些问题 ,有些人就想出了做成一体这个想法，也就是 把一台整机的所有硬件都 用 芯片的形式安装到一个 地方 ,这样一来 各元器件之间 便 没有了以往的引线连接 ,就 可以把以前相互干扰的问题解决 ,以达到优化的目的。由此可见 ,模块化的目的不仅是把体积减少 ,更重要的是把互相的影响降小 ,以此来提高 系统的可靠性。另外 ,大功率的开关电源 ,由于器件容量的限制和增加冗余提高可靠性方面的考虑 ,一般采用多个独立的模块单元并联工作
23、,采用均流技术 ,所有模块共同分担负载电流 ,一旦其中某个模块失效 ,其它模块再平均分担负载电流。 14 毕业设计（论文）题目 5 2 电镀开关电源主电路的设计 2.1 电镀开关电源的系统与组成 2.1.1 电源的主要设计指标 (1)输入交流电压： 220V 15%， 50Hz; (2)输出直流电压： 030V； (3)最大输出电流： 500A； (4)效率： 80%; 2.1.2 电源系统的组成及其功能 电镀开关电源 的主要电路包括主电路 (主电路由输入整流 电路 、 逆变电路 、BUCK 变换电路 电路 )、控制电路、保护电路及 驱动电路等 。整个系统的电气原理框图如 图 2-1 所示。保护电路包括过电流保护、过电压保护及过热保护电路。系统总体方案的选择考虑了其结构设计、元器件成本，整个控制灵活，保护系统齐全，运行安全可靠 整流电路 逆变电路 高频变压器 输入 输出 TL494 控制电路 电流保护 电压保护 温度保护 毕业设计（论文）题目 6 图 2.1 主电路图如图： 图 2.2 由于电镀电源的工作场所 和工艺要求，所以 电镀电源对其自动控制和保护要求较为严格，这次设计我采用了 TL494 芯片对主电路输出加以控制，来实现对主电路的保护和自动调控。
