CN1317814C - 用于电镀的控制电源装置 - Google Patents

Abstract

第一至第三开关臂与平滑电容器并联。各开关臂是上臂和下臂的串联连接体，上下臂的连接点分别成为输出端，将包括在上臂或下臂中的开关元件进行接通、关断而形成的电压波形，极性自如切换地供给负载。与第一开关臂和第二开关臂的输出端连接着感应耦合装置。

Description

用于电镀的控制电源装置

技术领域

本发明涉及在DC/DC变换器中高速地极性反转电压波形，供给负载的电镀用控制电源装置。

背景技术

在日本专利公报特开平10-42563号公报中公开了如下的极性变换电路。第一高频整流器的阳极与高频变压器的次级线圈的一端连接，该高频整流器的阴极与第一负载端子之间连接着第一半导体开关元件。另一方面，第二高频整流器的阴极与高频变压器的次级线圈的另一端连接，该高频整流器的阳极与第一负载端子之间连接着第二半导体开关元件。高频变压器的次级线圈具有中间抽头，第二负载端子与该中间抽头连接。第一和第二负载端子之间连接负载。第一和第二半导体开关元件根据控制信号，交互地转换为接通、关断。

而且，有将该极性变换电路使用于供给负载大电流的电镀用电源装置的可能性。该情况下，例如，在第二半导体开关元件的转换中，由于在该半导体开关元件的关断时，遮断流过该半导体开关元件的电流，故必须要利用在第二负载端子与第二半导体开关元件之间连接电抗器，使得在第二半导体开关元件的关断时也从第二半导体开关元件向第二负载端子流电流。

图6示出电镀用电源装置，该电镀用电源装置将附加了上述电抗器的2个极性变换电路作为第一和第二电源E1、E2，设置在上述特开平10-42563号公报中示出的电路中。

图6中，来自交流输入端子1、2的交流信号，经过变压器T1、T1，供给到由二极管D1～D4和D5～D8构成的各整流电路中，进行整流。整流后的信号在由平滑电容器C1、C2和电抗器L1、L2构成的各平滑滤波器中平滑。由整流和平滑得到的直流信号，由开关元件S1、S2和S3、S4变换成脉冲波形，向图5中示出的负载供给。负载包括第一电镀电极31、第二电镀电极32、被电镀物33。被电镀物33是印刷电路板的两面和连接这两面的通孔。直流电源E1的第一负载端子5与第一电镀电极31连接，第二负载端子6与被电镀物33的一部分即电路板的表面连接。直流电源E2的第一负载端子50与第二电镀电极32连接，第二负载端子60与是被电镀物33的一部分即印刷电路板的背面连接。电镀电流波形如图7所示，反复转换成时间宽度长的正方向的脉冲电流和时间宽度短的反方向的脉冲电流。由于被电镀物33是印刷电路板的两面和通孔，故为了电镀它们而进行极性的反转。

图5中，由第一电源E1进行被电镀物33的印刷电路板的表面侧的电镀，由第二电源E2进行被电镀物33的印刷电路板的背面侧的电镀。第一和第二电源E1、E2在电镀电极31、32是正极性，被电镀物33是负极性的状态下，向被电镀物33供给长时间脉冲电流进行电镀。接着，将第一和第二电源E1、E2的极性瞬间进行转换，向被电镀物33供给仅短时间的大电流的反方向脉冲，从被电镀物33溶解电镀。正脉冲和负脉冲的电流值和供给时间的一例为，10毫秒的正脉冲250安培和1毫秒的负脉冲750安培。将其反复供给被电镀物33。为了得到被电镀物33的精密的质量，将其正、负脉冲的供给时间和电流值设定为最佳值。

图6中，高速地转换负载电流的方向的开关元件S1、S2接通时累积在平滑用电抗器L1中的能量，每逢该开关元件S1和S2变为关断，就进行释放。其结果，发生超过开关元件S1、S2的耐压的浪涌电压。关于开关元件S3、S4也同样。因此，与各开关元件S1～S4并联地设置着由电容器C3、C4、C5、C6和电阻器R、R、R、R的串联电路构成的浪涌电压吸收电路(以下称作缓冲电路)。

但是，在一个封装体中装入多个半导体开关元件，制作具有DC/DC变换器功能的半导体模块的情况下，在模块内的每个半导体开关元件中设置一个缓冲电路用的电容器，就成为进行半导体模块化时的障碍。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种利用减少缓冲电路的部件数来实现小型化的电镀用电源装置。

本发明的一种电镀用控制电源装置，包括：平滑电容器；第一至第三开关臂，该第一至第三开关臂与该平滑电容器并联，各自具有开关元件，第一至第三开关臂是上臂和下臂的串联连接体，上下臂的连接点分别成为输出端，将各自包括的开关元件进行接通、关断而形成的电压波形，极性自如切换地供给负载，该电镀用电源装置具有感应耦合装置，该感应耦合装置连接到第一开关臂与第二开关臂的输出端，在从第一开关臂向第二开关臂的传输能量时的、第二开关臂的开关元件变为接通的时刻，或者，在从第二开关臂向第一开关臂的传输能量时的、第一开关臂的开关元件变为接通的时刻，该感应耦合装置可以进行急剧上升的电流转移，该感应耦合装置具有共用磁芯的初级线圈和次级线圈、第一和第二环流二极管，上述初级线圈的绕头部位与第一开关臂的输出端连接，第一环流二极管的阳极与上述初级线圈的绕尾部分连接，第二环流二极管的阳极与第一环流二极管的阴极相连，第二环流二极管的阴极与上述次线线圈的绕头部位连接，上述次级线圈的绕头部位与第二开关臂的输出端连接。

感应耦合装置可以是具有共用磁芯的初级线圈和次级线圈、第一和第二环流二极管的装置。该情况下，上述初级线圈的绕头部位与第一开关臂的输出端连接，第一环流二极管的阳极与上述初级线圈的绕尾部分连接。第二环流二极管的阳极与第一环流二极管的阴极连接，第二环流二极管的阴极与上述次级线圈的绕头部位连接。上述次级线圈的绕头部位与第二开关臂的输出端连接。在第二开关臂的开关元件变为接通的瞬间，形成从第二开关臂的输出端，通过第一和第二环流二极管，返回到第一开关臂的输出端的初级线圈的绕组能量的环流回路，第一开关臂的开关元件变为关断的瞬间的绕组能量释放，从上述初级线圈向次级线圈转移，促进第二开关臂的开关元件的开关动作。

此外，同样地构成，在第一开关臂的开关元件变为接通的瞬间，形成从第一开关臂的输出端，通过第一和第二环流二极管，返回到第二开关臂的输出端的初级线圈的绕组能量的环流回路，第二开关臂的开关元件变为关断的瞬间的绕组能量释放，从上述次级线圈向初级线圈转移，促进第一开关臂的开关元件的开关动作。

也可以设置二组上述方式的电镀用控制电源装置。该情况下，这两台电镀用电源装置的平滑电容器与共用的整流电路并联，这两台电镀用电源装置的各开关臂的对应的开关元件同步进行接通、关断。

另外，也可以一方的电镀用电源装置的第三开关臂的输出端与第一电镀电极连接，使上述一方的电镀用电源装置的第一和第二开关臂的输出端极性自由切换，与被电镀物的一个面连接，另一方的电镀用电源装置的第三开关臂的输出端与第二电镀电极连接，使上述另一方的电镀用电源装置的第一和第二开关臂的输出端极性自由切换，与上述被电镀物的另一个面连接。

附图说明

图1是本发明的第一实施方式的电源装置的主要部分的电路图。

图2是本发明的第一实施方式的电源装置全体的电路图。

图3是示出供给图1的电源装置的各开关元件的门信号的图。

图4是图1的电源装置的输出波形图。

图5是极性切换电镀法的说明图。

图6是现有的极性转换电镀用电源装置的电路图。

图7是图6的电源装置的输出波形图。

具体实施方式

以下，说明本发明的第一实施方式的电镀用电源装置。图1是本发明的第一实施方式的电源装置的主要部分的电路图，图2是本发明的第一实施方式的电源装置全体的电路图。图2中示出的DC/DC变换器10相当于图5中示出的第一电源E1，DC/DC变换器20相当于第二电源E2。

DC/DC变换器10的第一负载端子5a与图5的电镀用电极31连接，第二负载端子6a与被电镀物33的印刷电路板的表面连接。DC/DC变换器20的第一负载端子50a与电镀用电极32连接，第二负载端子60a与被电镀物33的印刷电路板的背面连接。

从图2可知，DC/DC变换器10、20是相同的结构。从而，关于变换器10详细地进行说明，在变换器20中，在与变换器10相同的部件上标记相同的符号，省略其说明。但是，第一负载端子的符号为50a，第二负载端子的符号为60a。

图1中，在DC/DC变换器10中，在图2中示出的整流电路3的输出端子P、N之间设置着第一臂A1、第二臂A2、第三臂A3这3个开关臂。

第一臂A1是上侧臂即第一开关元件Q1和下侧臂即第一二极管D1的串联连接体。两者的连接点是第一臂的输出端X1。第一开关元件Q1例如是FET，其漏极与输出端子P侧连接，源极与输出端X1连接。第一二极管D1的阴极与输出端X1连接，阳极与输出端子N连接。

第二臂是上侧臂即第二二极管D2和下侧臂即第二开关元件Q2的串联体。两者的连接点是第二臂的输出端X2。第二二极管D2的阴极与输出端子P连接，阳极与输出端X2连接。第二开关元件Q2例如也是FET，其漏极与输出端X2连接，源极与输出端子N连接。

第三臂是上侧臂即第三开关元件Q3和下侧臂即第四开关元件Q4的串联连接体。两者的连接点X3是第三臂的输出端X3。第三开关元件Q3例如是IGBT，其集电极与输出端子P侧连接，发射极与输出端X3连接。第四开关元件Q4也是IGBT，其集电极与输出端X3连接，发射极与输出端子N连接。

第一～第三臂A1～A3并联着平滑电容器4。

从未图示的驱动电路向第一、第二臂的各开关元件Q1、Q2的门供给如图3所示的高频门信号，根据该门信号的供给，开关元件Q1、Q2高频地接通、关断。向第三臂的各开关元件Q3、Q4的门供给来自图3中示出的上述驱动电路的低频门信号，这些开关元件Q3、Q4根据这些门信号，低频地进行接通和关断。

再有，从图3可知，在对第一开关元件Q1反复进行门信号的供给和停止时，对第四开关元件Q4连续供给门信号。这时，不对第二和第三开关元件Q2、Q3供给门信号。然后，同时停止向第一和第四开关元件Q1、Q4的门信号的供给，该状态持续一定时间之后(即，对全部的开关元件Q1～Q4不供给门信号的时间继续了一定时间之后)，在对第二开关元件Q2反复进行门信号的供给和停止时，对第三开关元件Q3连续供给门信号。这期间，不对开关元件Q1、Q4供给门信号。以下，反复进行这样的门信号的供给。

基于该门信号，利用开关元件Q1～Q4的开关，通过第一和第二负载端子5a、6a，向负载供给变换了来自整流电路3的直流电压的电压波形。

即，第一臂A1的输出端X1经过初级线圈8和与其串联的第一环流二极管DP，与第二负载端子6a连接。在第一环流二极管DP中，其阳极与初级线圈8连接，阴极与第二负载端子6a连接。第二臂A2的输出端X2通过次级线圈9和与其串联的第二环流二极管DS，与第二负载端子6a连接。在第二环流二极管Ds中，其阳极与第二负载端子6a连接，阴极与次级线圈9连接。第三臂的输出端X3与第一负载端子5a连接。

由第一和第二环流二极管DP、DS和初级线圈8、次级线圈9形成感应耦合装置7。初级线圈8和次级线圈9具有共用的磁芯。然后，初级线圈8和次级线圈9相互反极性地卷绕在同一磁芯上。即，将图1的初级线圈8、次级线圈9中示出的圆点侧作为绕头，在同一磁芯上卷绕初级线圈8和次级线圈9。

如图3中的符号t1所示，在第一开关元件Q1接通，第四开关元件Q4接通，第二开关元件Q2关断，第三开关元件Q3关断的时间段中，从输出端子P向第一开关元件Q1、初级线圈8、第一环流二极管DP、第二负载端子6a、负载、第一负载端子5a、第四开关元件Q4流电流。即，向负载供给负电流。这时，初级线圈8作为感应体进行作用，累积能量。

从该状态，如符号t2所示，在第一开关元件Q1关断，第四开关元件Q4接通，第二和第三开关元件Q2、Q3关断的时间段中，基于已累积在初级线圈8中的能量，向第四开关元件Q4、第一二极管D1、初级线圈8、第一环流二极管DP、负载流电流。这时，向负载流负电流。以下，反复进行上述的工作，向负载供给负电流。

不久，如符号t3所示，变为第二和第三开关元件Q2、Q3是关断状态，且第一开关元件Q1关断，第四开关元件Q4关断的时间段。在该时间段中，发生累积在初级线圈8中的能量的释放，从初级线圈8向次级线圈9瞬间移动能量，输出端X2产生正电压。这样，向二极管D2、平滑电容器4、二极管D1流电流，抑制浪涌电压的发生。

另外，如符号T4所示，在第一和第四开关元件Q1、Q4维持关断的状态，第二和第三开关元件Q2、Q3变为了接通的瞬间，在次级线圈9上产生的电压(这是使开关元件Q2导通的方向的极性的电压)加上平滑电容器4的电压，供给到第二开关元件Q2中。这样，在第二开关元件Q2中得到急剧上升的电流。

在图6中示出的现有的电源装置中，在第一～第四开关元件S1～S4变为了关断的瞬间，产生急剧的浪涌电压。由于该浪涌电压一供给开关元件S1～S4，就有破坏开关元件S1～S4的可能性，故在各开关元件S1～S4上设置着缓冲电路。但是，在图1中示出的电源装置中，由初级线圈8感应的电压在被平滑电容器4吸收的同时，使用于开关元件Q2的急剧上升。因此，就不需要缓冲电路。

如符号t4所示，在第二和第三开关元件Q2、Q3接通，第一和第四开关元件Q1、Q4关断的状态中，向平滑电容器4、第三开关元件Q3、第一负载端子5a、负载、第二负载端子6a、第二环流二极管DS、次级线圈9、第二开关元件Q2流电流。其结果，次级线圈9作为电抗器进行作用，在次级线圈9中累积能量。这时，向负载流正电流。

如符号t5所示，在第二开关元件Q2变为关断，第三开关元件Q3维持接通，第一、第四开关元件Q1、Q4维持关断的时间段中，向第二二极管D2、第三开关元件Q3、第一负载端子5a、负载、第二负载端子6a流电流。这样，向负载流正电流。以下同样地向负载供给正电流。

不久，如符号t6所示，变为第一和第四开关元件Q1、Q4是关断状态，且第二开关元件Q2变为关断，第三开关元件Q3变为关断的时间段。在该时间段中，产生累积在次级线圈9中的能量的释放，从次级线圈9向初级线圈8瞬间移动能量，环流二极管DP的阳极产生正的电压。这样，向环流二极管DS、次级电抗器9、第二二极管D2、平滑电容器4、第一二极管D1流电流，抑制浪涌电压的发生。

接着，如符号T6所示，在第二和第三开关元件维持关断的状态，第一和第四开关元件变成了接通的瞬间，基于向初级线圈8移动的能量，在初级线圈8上产生的电压(这是使开关元件Q4导通的方向的电压)，加上平滑电容器4的电压，供给到开关元件Q4中，在第四开关元件Q4中，得到急剧上升的电流。以下，各开关元件Q1～Q4与时间段t1以后同样地进行工作。

象这样地，在图1中示出的电源装置中，由初级线圈9感应的电压在被平滑电容器4吸收的同时，使用于开关元件Q4的急剧上升。因此，就不需要缓冲电路。

输出电流的波形如图4所示，设定各门信号，使得成为脉冲宽度的正的长时间和负的短时间的反复。在一例中，反复供给10毫秒的正脉冲250安培和1毫秒的负脉冲750安培。由于使负脉冲的值大于正脉冲，故第一和第二开关元件Q1、Q2按同一频率发生，但第一开关元件用的门信号的占空比大于第二开关元件Q2用的门信号。为了得到被电镀物的精密的电镀质量，将这样的正、负的通电时间设定为最佳值。

从驱动部，向第一和第二DC/DC变换器10、20的对应着的开关臂的开关元件Q1～Q4同步供给门信号。其结果，两DC/DC变换器10、20的输出波形是同步的脉冲波形，对于被电镀物33即印刷电路板的表面和背面，由于按时间轴相同的电流波形供给电流，故不产生向2个电镀电极31、32之间流电流这样的不妥。

在图6中示出的现有的电源装置中，由2个绝缘变压器T1、T2绝缘2个电源电路E1、E2。但是，在该电源装置中，如图2所示，在一个变压器T上将交流电压变压为规定的电压，从一个整流电路3分成2个变换器10、20，但由于两个变换器10、20的输出波形如上所述地同步地形成，故在怎样的瞬间中都不产生向变换器10、20之间流循环电流的不妥，而可以削减变压器和电抗器这样的重量部件的数量。

Claims (5)

1.一种电镀用控制电源装置，包括：

平滑电容器；

第一至第三开关臂，该第一至第三开关臂与该平滑电容器并联，各自具有开关元件，第一至第三开关臂是上臂和下臂的串联连接体，上下臂的连接点分别成为输出端，将各自包括的开关元件进行接通、关断而形成的电压波形，极性自如切换地供给负载，

该电镀用电源装置具有感应耦合装置，该感应耦合装置连接到第一开关臂与第二开关臂的输出端，在从第一开关臂向第二开关臂的传输能量时的、第二开关臂的开关元件变为接通的时刻，或者，在从第二开关臂向第一开关臂的传输能量时的、第一开关臂的开关元件变为接通的时刻，该感应耦合装置可以进行急剧上升的电流转移，

该感应耦合装置具有共用磁芯的初级线圈和次级线圈、第一和第二环流二极管，上述初级线圈的绕头部位与第一开关臂的输出端连接，第一环流二极管的阳极与上述初级线圈的绕尾部分连接，第二环流二极管的阳极与第一环流二极管的阴极相连，第二环流二极管的阴极与上述次线线圈的绕头部位连接，上述次级线圈的绕头部位与第二开关臂的输出端连接。

2.如权利要求1所述的电镀用电源装置，其特征在于，

在第一开关臂的上侧臂上设置第一半导体开关元件，在第二开关臂的下侧臂上设置第二半导体开关元件，在第三开关臂的上侧臂上设置第三半导体开关元件，在第三开关臂的下侧臂上设置第四半导体开关元件，在第三开关臂的输出端与第一环流二极管的阴极和第二环流二极管的阳极的连接点之间连接负载，

在第二和第三半导体开关元件关断、第四半导体开关元件接通时，第一半导体开关元件进行接通、关断，接着第一至第四半导体开关元件关断，再接着第三半导体开关元件接通，同时第二半导体开关元件进行接通、关断。

3.如权利要求1所述的电镀用电源装置，其特征在于，

在第一开关臂的上侧臂上设置第一半导体开关元件，在第二开关臂的下侧臂上设置第二半导体开关元件，在第三开关臂的上侧臂上设置第三半导体开关元件，在第三开关臂的下侧臂上设置第四半导体开关元件，在第三开关臂的输出端与第一环流二极管的阴极和第二环流二极管的阳极的连接点之间连接负载，

在第一和第四半导体开关元件关断、第三半导体开关元件接通时，第二半导体开关元件进行接通、关断，接着第一至第四半导体开关元件关断，再接着第四半导体开关元件接通，同时第一半导体开关元件进行接通、关断。

4.一种电镀用电源，设置两台权利要求2或3所述的电镀用控制电源装置，这两台电镀用电源装置的上述平滑电容器与共用的整流电路并联，这两台电镀用控制电源装置的第一半导体开关元件同步进行接通、关断，这两台电镀用控制电源的第二半导体开关元件同步进行接通、关断，这两台电镀用控制电源的第三半导体开关元件同步进行接通、关断，这两台电镀用控制电源的第四半导体开关元件同步进行接通、关断。

5.如权利要求4所述的电镀用电源，其特征在于，

一方的电镀用电源装置的第三开关臂的输出端与第一电镀电极连接，使上述一方的电镀用电源装置的第一和第二开关臂的输出端极性自如切换，与被电镀物的一个面连接，另一方的电镀用电源装置的第三开关臂的输出端与第二电镀电极连接，使上述另一方的电镀用电源装置的第一和第二开关臂的输出端极性自如切换，与上述被电镀物的另一个面连接。

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