[科普中国]-脉冲电镀电源

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。

正是由于脉冲前、后沿的客观存在，使实际脉冲电镀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。目前尚无法确知前、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，则镀槽内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，如图所示。1

脉冲电镀电源的频率一般高频脉冲定义为频率大于5000 Hz，低频为频率小于500Hz，中频则在500～5 000Hz之间。用于电镀的脉冲电源多属于中频类型。当使用频率较低的脉冲电源时，其改善镀层质量的效果会稍差。所以，低频脉冲电源多用于阳极氧化或其他工艺，而较少用于电镀，尤其是贵金属电镀。

当使用频率较高的脉冲电镀电源时，脉冲前、后沿极易对导通、关断时间造成严重影响，从而影响脉冲电镀瞬时高电位有利作用的充分发挥。例如：脉冲镀金，频率5000Hz(此时脉冲周期0.2 ms)，占空比20%，则导通时间为40μs，此时，假设脉冲前沿为最小的20μs(实际可能更大)，则其比例至少占到了导通时间的50%；若频率大于5000Hz，占空比小于20%(脉冲镀金时占空比很多时候选10%)，则前沿占导通时间的比例会更大，甚至前沿会大于导通时间，如此，脉冲电镀改善镀层结晶的作用肯定会受严重影响。实际脉冲电镀贵金属生产中，频率多在1000Hz左右。

当使用频率更高的脉冲电源(上万或几万赫兹)时，其输出的电流多是如上图所示的电流波形，实质是一种直流电流，与能够改善镀层结晶的方波脉冲电流有本质的区别。1

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)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，波形如图所示。

一般为中频可调，占空比为0%～100%可调。当占空比为100%时，脉冲电流变成直流电流。

(2)双脉冲电镀电源

即周期换向脉冲电镀电源，输出波形如图所示。

另外，还可输出属于双向功能的单个脉冲换向、无关断时间的单个脉冲换向、直流与脉冲换向及属于单向功能的单脉冲和直流、直流叠加脉冲、间断脉冲等波形。

频率和占空比调节范围与单脉冲电镀电源的大致相同。

(3)多脉冲电镀电源

即多组换向脉冲电镀电源，主要循环输出多组脉宽、频率、幅值、换向时间、持续时间等参数各不相同的直流、单向或周期换向脉冲电流，波形如图所示。

(4)计算机控制多脉冲电镀电源

在多脉冲电镀电源的基础上增加计算机全自动控制和过程监控，可实现动态画面显示、数据库管理(数据存储、查询、打印等)、系统自动保护、声光报警及信息提示等功能。2

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：由于采用高频脉冲工作方式，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。

高频脉冲电源：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。2

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。2

使用注意事项1.脉冲电镀电源与镀槽之间的距离

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，脉冲电镀电源与镀槽的间距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

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，引送到镀槽边，从而保持脉冲波形不变。

总之，采用高频脉冲整流机，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。1