铝箔腐蚀用大功率变频电源

电化学ELECTROCHEMISTRY第13卷 第1期2007年2月Vol. 13 No.1Feb.2007 卓向东等铝箔腐蚀用大功率变频电源第1期107. 收稿日期2006-05-30，修订日期2006-06-30 *通讯作者， Tel( 86-592)2183051，E-mail ： xdzhuo@ xmu. edu. cn 铝箔腐蚀用大功率变频电源 卓向东*，孙岚，钱国庆，林昌健 (固体表面物理化学国家重点实验室厦门大学化学系福建厦门361005) 摘要 ：：研制了用于电解电容器阳极铝箔腐蚀的变频电源.设计了一种应用单片机控制的高频开关电源和用电子开关桥换相的低频变频、多波形大功率电源.该电源不需要庞大、笨重的变压器，而且频率下限不受限制甚至可可至1Hz以下. 关键词：变频电源；开关电源，铝箔腐蚀 中图分类号：TM 761 文献标识码： A 随着电子技术的广泛应用整机电子产品对铝电解电容器的需求量迅速增大.而半导体技术的发展也使得集成电路的集成度和可靠性越来越高，从而对电路中使用的铝电解电容器的要求也越来越高相关材料的研究也越来越深入.其中，作为电极材料的铝箔腐蚀技术是铝电解电容器制造的3大核心技术之一11. 上世纪70年代，日本学者首先指出了单一频率交流电腐蚀铝箔的局限性并开始研究多级变频复合电蚀工艺.实验室的研究方法通常是，用一定面积的铝箔模拟生产条件下的腐蚀.但即使是腐蚀一块面积不大的铝箔，也需要几十安培的电流.在使用市电以单频率交流电进行腐蚀的情况下，通过变压器初次级变比即可产生低电压大电流的腐蚀槽压，而对于多级变频(<50Hz)，如三角波、梯形波、正弦波等多种波形，以及部分专利报道的可提高交流电腐蚀效果的各种波形11，则需要由专门的信号发生器产生. 尽管半导体功率模块的输出功率可达到相当大的数量级，但对于交流有效值达几十安培甚至近百安培的输出功率，用一般的模拟线性功率放大器其功耗是相当大的，但如采用高频开关电源则可比较容易实现.为此，本文设计了一种应用单片机控制的高频开关电源和可产生低频的可变频多波形交流电源作为实验室用铝箔腐蚀电源. 硬件框图 变频电源选用二级控制，上位机为PC 机，下位机用单片机控制.电源下位机由单片机系统、DAC 波形、DAC幅度控制、ADC电流/电压测量、CPLD(复杂可编程逻辑器件)控制信号、高频开关电源( HF Switching Power Supply )和电子开关桥(VMOS Switch Bridge)等组成其硬件结构见图1. 高频开关电源设计为可由外部电压控制电流(或电压)输出.在大于一定的负载下，DAC1由单 图1 变频电源系统方框图 Fig.1 Block diagram of the variable frequence power supply 片机产生所需需控制波形 ，DAC2 为单片机可控的数字式衰减电路.这里，用二片 DAC 电路分别产生波形和控制衰减，以使其即使在小幅度输出电流时，也能保持输出波形的高分辨率，不引起波形失真. ADC 是逐次逼近式12位模拟数字转换器，用于将模拟的电流~电压波形转换为可由单片机读入的数字信号. 电子换相桥(图2)用于对波形进行相位转换.高频开关电源以二极管作为续流器件，只能有单向输出(通常为正半周).当输出为正时 ，Qa ，Qd导通；当输出为负时，Qb ，Qc导通.但绝不允许Qa，Qb 或 Qc ，Qd 同时导通，因此，其两个控制端通过GAI(通用阵列逻辑器件)控制，并在软件设有死区时间其效果是从硬件和软件上采取双重重施，以保证电路的安全. CPLD( 复杂可编程逻器器件)用于产生单片机系统、高频开关电源和电子开关桥的控制信号. 图2用于改变相位的电子换相桥开关 Fig.2Electronic switch bridge for changing wave phase 其使用目的在于使复杂的控制过程容易调整、改变控制信号，同时可对重要的控制信号进行多重识别和冗余控制，避免因单片机程序偶然失误或干扰时产生高频开关电源和电子换相桥的误操作. 变频电源的频率低频端可以直接达到直流而高频端受开关电源电路的限制，只能在较低的频率范围(50 Hz )内使用. 2 软件流程 软件部分包括PC 机和单片机的软件. PC机作为上位机，负责人机对话，包括测试运行参数的设置和输出状态(如电流电压值)的数值和波形显示. 变频电源的主要控制由单片机完成.由于变频电源频率低(<50Hz)其控制信号直接由软件和DAC 产生.优点是：在不改变硬件的情况下，容易根据要求产生任一给定的输出波形.为使输出波形的频率稳定，输出波形各点的时间间隔由 CPU 定时器设定的定时中断控制，由中断程序顺序向DAC1 输出不同的值，形成阶梯波，其包络为所需波形.由于高频开关电源频率响应的原因，最终输出的是平滑的波形. 表1列出变频电源波形输出与转换相位过程，每个半周期由N个点组成.死区成间( deadtime)是指组成推挽式开关的两个开关器件都处于关断状态的时间，以避免转换相位瞬间两个开关器件都处于开通状态造成短路，从而造成开关器件损坏. 图3为中断函数流程图.由状态计数S来确定当前中断发生时该做的工作.每半周期为一循环，改变电子换相开关的状态. 表1 输出波形与中断计数器的关系 Tab.1 The relation between wave and counter for interrupt No： S Timing State -3 deadtime DAC1=0 ，Turn-off all VMOS of electronic switch bridge ； Return while getting STOP command -2 deadtime -1 deadtime Turn-on/Turn-Off G1/G2 of electronic switch bridge for changing phase 0 Half-period/N DAC1 = data[ 0 ] of Sine wave 1 Half-period/N DAC1 = data[ 1 ] of Sine wave N-1 Half-period/N DAC1 = data[ N-1 ] of Sine wave -3 deadtime to next half-period ， Redo abouve 图3产生波形的中断函数流程图 Fig.3 Flow chart of the interrupt function for wave 主程序在中断时间以外的空闲时间里处理与PC 机通讯和指令的执行等任务，这些任务不需要准确的对应时间. 3应用 变频电源可输出电压60V(峰~峰值)电流50A(峰值)可满足实验需要.目前已在本实验室中用于铝箔的变频腐蚀并取得了初步的结果. 4 展望 应用电子开关换相方式设计的交流变频电源，不需要变压器，电路容易实现频率的低端可直接扩展到直流.进一步的改进方法是把用模拟电路实现的恒流/稳压过程改为数字化直接控制，即直接控制高频开关电源的 IGBT 的开关时间，这样又可 减少系统中模拟电路漂移等的影响.由于电源工作在低频状态，目前各种单片机、DSP的性能不断提高且价格下降，所以直接的数字控制是完全可以实现的. ( 参考文献( Reference)： ) ( [11 FENG Zhesheng， YANG Bangchao， LI Jianjun. T helatest development of t h e te c hnologies for ele c trolyticcapacitor Al foil in Japan [J ]. E lectronic Component & Materials ， 200 1 ，20 ( 2)：23. ) Variable Frequence Switching Power Supply Usedto Aluminum Foil Corrosion ZHUO Xiang-dong*，SUN Lan ， QIAN Guo-qing， LIN Chang-jian ( State Key Laboratory for Physical Chemistry of Solid Surface ，Department of Chemistry ，Xiamen University ，Xiamen 36100 ，Fujian ， China) Abstract A new variable frequence and multi-wave power supply used to aluminum foil corrosion is intro-duced. The switching supply power supply controlled by the microcontroller and Variable Frequence in low bandand multi-wave、big power supply controlled by the electronic switch bridge for changing phase were designed.This power supply does not need bulky and cumbersome transformer ， and the frequency at lower limit is not lim-ited ，even lower than 1Hz . Key words ： variable frequence power supply ；switching supply power supply ； aluminum foil corrosion