镀膜电源-[恒核机电]各种新材料处理中心

4镀膜电源

一、技术说明

1、用途和特点

该电源专用于圆柱靶，平面靶镀膜处理。电源采用先进的高频开关电源技术，使用最可靠的开关器件，具有良好输出波形及输出特性。电源具有正脉冲输出，频率、正电压幅度及脉冲宽度均可独立调节。电源设有过流、过热等保护，具有较高稳定性。电源主要特点如下：
采用先进的开关电源技术，具有体积小、效率高、运行稳定、噪声低、对电网干扰小等优点。
触摸屏操作方式。
电源频率、正电压幅值及脉冲宽度均可独立连续调节，具有较宽的可调范围。
具有恒电流、恒电压、工艺运行等控制方式执行输出，设计多重实用保护措施，确保电源稳定运行。

二、电源工作原理

脉冲镀膜电源主电路的工作原理可归纳如下：三相交流电经EMI滤波器滤波后，由整流桥模块整流，再经电容滤波，由IGBT构成的桥式逆变电路，该直流高压经逆变电路逆变为脉宽按正弦波规律变化的高频脉冲波，经变压器升压（或降压），得到高压（或低压）高频脉冲波，再经过整流桥整流，得到高压（或低压）直流，最后经IGBT斩波，输出单极性脉冲波。
辅助和控制电路：辅助电路的作用是根据主控电路发出的控制信号，依次控制接触器的吸合和分断，保证主电路依正确的顺序加电，在保护电路工作时切断主电路的供电电源。辅助电路还为风扇提供电源。控制电路功能是在PLC主控电路的控制触摸屏显示和控制系统的工作状态，如电压、电流、频率、功率、占空比等。当系统出现故障时对故障进行显示和报警，报警信号包括过流、过压、短路、过热报警等。

三、脉冲镀膜电源技术功能参数

脉冲镀膜电源，分不同的功率范围可供用户选择，也可由用户提出需求定制。20Kw脉冲镀膜电源技术指标一览表

技术参数
1	平均电流	0.0—200.0A
2	峰值电流	500A
3	空载电压	1300V
4	输出电压	0—1000V
5	输出功率	0—20Kw
6	占空比	3—90%
7	频率	50—2000Hz
8	控制精度	±1%
9	控制方式	恒压、恒流
10	运行方式	自动工艺运行
11	输出脉冲	单极性脉冲

脉冲电镀电源是产生脉冲电流的电源，它一般先由基础直流电源产生低纹波直流电流，然后再通过功率器件斩波形成脉冲电流。斩波电路可采用可控硅，IGBT等电子开关电路和晶体管转换开关电路等。

四、脉冲电镀电源的波形

由于受脉冲电镀电源内部电感、电容等器件及外加负载的影响，实际应用中的脉冲波形近似于梯形。可简单地用如图1中的波形来表示。
在电镀体系中，电极/溶液界面间的双电层近似于一个平板电容器。板问具有很高的电容。当向该电镀体系施加脉冲电流时，必须首先给双电层充电。
双电层充满电(脉冲电流密度从零增至峰值)需要一定的时间tc。脉冲电流密度不可能从零垂直增至峰值，而是需要一定的“爬坡”。“爬坡”所需要的时间可简单地视作脉冲的上升时间(确切的脉冲上升时间定义：脉冲电流密度由峰值电流密度的10%上升到90%所需要的时间)，上升时间也称作“上升沿”、“前沿”、“上冲”等。
当脉冲电流密度“爬坡”至峰值并持续一段时间tb后，开始进入关断期。进入关断期后，脉冲电镀电源虽然停止向该电镀体系供电，但双电层放电(从满电释放至零)会使电流维持一段时间td所以，此时脉冲电流密度不可能从峰值垂直下降至零，而是需要一定的“下坡”。“下坡”所需要的时间可简单地视作脉冲的下降时间(确切的脉冲下降时间定义：脉冲电流密度由峰值电流密度的90%下降到10%所需要的时间)，下降时间也称作“下降沿”、“后沿”、“下冲”等。
是由于脉冲前、后沿的客观存在，使实际脉冲镀膜中的电流波形不可能足理想的方波，而是一种不规则的近似于梯形的波形。尚无法确知前、后沿对镀层质量的影响有多大，但可确知其存在会使脉冲电镀瞬时高电位的有利作用得不到充分发挥。所以，脉冲电镀中总是要求脉冲前、后沿尽可能小，一般要求前沿20～100μs，后沿30～100μS。其实，不应只要求前、后沿大小，避免前、后沿大于(或等于)导通、关断时间也很必要。否则，若前沿(远)大于导通时间，后沿(远)大于关断时间，则只能得到在平均电流附近变化的脉冲电流，即：脉冲电流实际变成了直流电流。其波形，如图2所示。

五、常见脉冲电镀电源类型

常见的脉冲电镀电源主要有以下几种类型：

（1）直流镀膜电源
（2）中频镀膜电源
（3）偏压
（4）单脉冲电镀电源（输出导通时间和关断时间可调的单向正方波一般为频率可调，占空比为3%～90%可调。）
（5）直流叠加等

六、特点

节电：效率≥90%，比硅整流省电达40%左右或比可控硅电源省电达20%左右。
节料：由于它的工作原理与普通电源不一样，因此在达到相同表面要求的前提下，可节料达15%左右。
节时：由于采用脉冲工作方式，电镀完全是在过电位下的电沉积，因此可节约时间达10%左右，提高工效。
高频脉冲电源采用N+1方式多个并联，(硅整流或可控硅电源不可以)，大功率、大电流可任意并用，效率更高。
高频电源的稳定性：由于采用了最新现代半导体双极型器件(IGBT智能模块)，其可靠性、安全性、稳固性和长时间工作寿命都大大加强和延长，这也是硅整流或可控硅电源无法比拟的。
脉冲电源：其工作时，脉冲顶部非常之平，完全是一条直线，纹波可小到0.5%，关断时可对被镀件进行瞬间退镀整平，因此克服了硅整流或可控硅电源的脉动波纹及被镀件表面的高低区，不会形成高的地方镀层厚，低的地方镀层薄的现象。
电流电压的上升，下降速率任意可调

七、参数及选择

1.脉冲参数表示

Q：周期 Ton：脉冲导通时间 Toff：脉冲关断时间 f：频率 Jp：脉冲电流密度 Jm：平均电流密度 r%：占空比(导通时间与周期之比的百分数)

2.常用计算公式

①占空比：r%=(Ton/Q)×100%=[Ton/(Ton+Toff)]×100% ②平均电流密度：Jm=Jp×r% =Jp×[Ton/(Ton+Toff)]×100% ③频率：f=1/Q=1/×(Ton+Toff) ④平均电流密度：Jm=Jp×r%

3.脉冲参数的选择

⑴脉冲导通时间Ton选择：
脉冲导通时间Ton是由阴极脉动扩散层建立的速率或由金属离子在阴极表面消耗的速率Jp来确定。如果Jp大，金属离子在阴极表面消耗得快，那么，脉动扩散层也建立得快，则Ton可短些，反之则取长。但无论Ton取长或短，只要大于tc(电容效应产生的放电常数)即可。
⑵脉冲关断时间Toff选择：
脉冲关断时间Toff是受特定离子迁移率控制的阴极脉动扩散层的消失速率来确定。如果将扩散层向脉动扩散层补充金属离子使之消失得快，则Toff可取短些，反之则长，但Toff只要大于tcd(电容效应产生的时间常数)即可。
⑶脉冲电流密度Jp的选择：
脉冲电流密度Jp是脉冲电镀时金属离子在阴极表面的最大沉积速度，它的大小受Ton、Toff、Jm的制约，在选定Ton和Toff，并保持Jm/Jgg≤0.5这个比值，则希望Jp越大越好。
⑷脉冲占空比r%选择：
脉冲占空比是由Ton和Toff及Q决定的，一般脉冲电镀贵重金属时，占空比选取10~50%为最佳，脉冲电镀普通金属时，占空比选取25~70%。占空比的真正选择要在实际试验后得到最佳结果。

八、使用注意事项

1.脉冲电镀电源与镀膜机之间的距离

为了确保脉冲电流波形引入镀槽时不畸变，且衰减小，希望在安装时，脉冲镀膜电源与镀膜机的间距2～3m为佳，否则对脉冲电流波形的后沿(下降沿)影响较大，电镀将不能达到预期效果。

2.阴、阳极的导线连接方式

直流电源的导线连接方式，不适合脉冲电源的连接，脉冲电镀电源的输出连接，希望两根导线的极间电容能够抵消导线的传输电感效应，因此阴、阳极导线最好的方法就是双绞交叉后，引送到镀膜机边，从而保持脉冲波形不变。
总之，采用脉冲整流机，总体效益提高20%左右，符合现代企业清洁生产与可持续发展之要求，这是淘汰硅整流和可控硅整流机的必然优势。

九、实际生产案例

十、本公司生产的产品

脉冲镀膜电源

控制多台脉冲镀膜电源可同时恒流恒压输出