电镀要用到不少电器设备，对其一无所知是不行的。本讲只介绍必不可少的直流电源，但也涉及一些基本知识。电源是电镀最主要的设备。除用得很少的铝件交流氧化直接用可调低压交流电外，其他电镀工艺基本上都采用直流电源。正确选择并用好直流电源是电镀的起码要求。

1 与直流电源相关的基本概念

1.1 电源

电源是将其他形式能量转换成电能的装置。如发电机将机械能转换为电能，电池或蓄电池将化学能转换为电能，光电池将光能转换为电能。电镀用直流电源并非真正意义的电源，而是指提供电镀所需直流电流的装置。

1.2 电流

在电源作用下，导体中电荷的定向运动会形成电流。在固体导体(称为第一类导体)中，原先处于无规则运动的自由电子在电源作用下从低电位处向高电位处作定向运动，形成电流。在电解质溶液或熔融电解质(称为第二类导体)中，正负离子在电源作用下作定向运动。很早以前，人们以为电流是正电荷的定向运动，因而将电流的方向规定为正电荷运动的方向。后来才认识到，在第一类导体中实际上是带负电荷的电子在作定向运动。但这一规定没有更改，故必须明确：电子运动方向与电流方向刚好相反。电镀电路中，电镀液是第二类导体，而外电路则是第一类导体，两类导体与直流电源共同组成电流的闭合回路。在外电路中，直流电源产生的电场力作用不断地将电子强行从阳极抽走，通过电源送到阴极。直流电源的电压越高，产生的电场力越大，对电子的"抽速"越大，因而电流越大。在第二类导体(电镀液)中，正离子从阳极向阴极流动，而负离子从阴极向阳极运动。

1.3 直流电与交流电

大小和方向都不变的电流称为直流电，简称直流；大小和方向按一定规律交替变化的电流称为交变电流，简称交流。严格意义上的直流电波形应为一条与时间坐标轴平行的直线(见图1)，即指纯直流电。只有电池或蓄电池能提供出这种纯直流。电镀电源提供的直流电达不到纯直流水平，其中总有些大小变化的成分，实际上只保证电流方向不变化。电网供应的市电则是大小与方向按数学上正弦规律交替变化的交流电。这一变化规律由交流发电机的构造所决定。

纯直流电不能由变压器来改变电压的大小，即它通不过变压器。只有交流电才可以通过变压器来改变电压的大小。在供电系统中，先用变压器将交流发电机发出的电压提升为高压电(10万伏以上)进行输电，在供给用户使用前，再用变压器将电压降低为规定值供用户使用。之所以采用高压输电，是因为输送同样多的电功率时，电压越高，电流越小。在输电线路电阻一定的情况下，输电线路上的发热损耗按电流大小的平方成比例下降，即输电电压越高，电流越小，输电线路上的热损失越小。

1.4 整流

将交流电转换为直流电的过程叫整流。整流是利用半导体的单向导电作用来完成的。在整流时，采用不同结构的变压器及不同形式的半导体元件组合方式，可以有不同的整流程式。对单相交流电整流的，称为单相整流器，它可以是半波整流、全波整流或桥式整流；对三相交流电整流的，称为三相整流器，它可以是三相半波、三相全波、三相桥式、六相半波、带平衡电抗器的六相双向反星形整流、五柱芯变压器的十二相整流，等等。不同整流程式整流出来的直流波形不一样，对整流半导体元件的要求不一样，整流效率也不一样(整流过程中的功率损失不一样)。

在变压器的输入端(原边)进行整流后，再变成低压直流的，称为原边整流。先将电压经变压器降压后，在变压器降压后的输出端(付边)再整流的，称为付边整流。原边高压整流时，半导体元件承受的电流小，但要求整流元件耐压高；付边整流则刚好相反。

1.5 调压

调整输出直流电压大小的过程叫调压。对于市电输入电压，可以通过自耦式调压器(接触式带碳刷的)或感应式调压器连续调压来改变交流变压器原边电压来调压，也可以通过改变低压直流波形来改变输出平均电压的方法来调压。

1.6 直流纹波系数

由于整流后的直流电不可能是纯直流，其中总存在交流成分，为了比较直流中交流成分的多少，引进了"直流纹波系数"的概念。它是指非纯直流的直流电中交流成分占总直流的百分比。纹波系数越小，交流成分越少。一般将纹波系数小于5%的直流称为低纹波直流。

1.7 滤波

将非纯直流电中的交流成分去掉或转化为直流成分，从而降低直流纹波系数的过程称为滤波。在直流电输出的正、负极间并接大容量电容器的方法叫电容滤波。单纯的电容滤波只适于功率很小的整流电源在输出直流电路中串接一个大电感量的电感器(又叫平波电抗器)进行滤波，则称为电感滤波。大电流必须采用电感滤波才行。若在电感器的输入与输出两端均再采用电容滤波，则成为π型滤波，其效果更好。

1.8 整流效率

整流器中存在的许多发热器件及耗能器件，会消耗部分输入的交流功率，使直流输出功率小于交流输入功率。整流效率则是输出直流功率与输入交流功率之比(以百分数表示)。整流效率小于100%，其值越大，说明整流器自身耗电越少，性能越好。

由于整流器内器件的发热，不但耗电、降低整流效率，而且器件温升过大时易损坏或缩短使用寿命，因此要对整流器采用降温措施，如风冷、水冷、油冷、油浸加水冷等。风冷较为简单，但风扇不断鼓入或吸入电镀车间的腐蚀性空气，易腐蚀整流器的元器件，故障率高。水冷或油浸加水冷可做到整流器全密封而具有好的防腐能力，且比风冷效果好，宜提倡。但要接进水和出水。出水可用于电镀清洗水或收集冷却后循环使用。

1.9 平均电压与平均电流

将不同输出波形的导电部分面积加起来再作平均计算，则得到平均电压或平均电流。整流器电压表或电流表反映的都是平均值。某一吋刻的实际电压只能用示波器进行测定。

1.10 有效值

实际起作用的是电流的有效值。有效值不好测定，特定波型的可以计算。一般只能凭电镀效果来判断有效值在平均值中所占的比例。譬如，可控硅整流后不经滤波，输出的是切割正弦波。此时，输出平均电流越小，则有效值与平均值的比值越大。对于相同峰值电流的方波脉冲电流而言，方波的占空比(见7.2.1)越小，有效值与平均值之比越大。

2 电镀直流电源的发展历程

一般认为电镀用直流电源的发展经历了5个阶段或称五代。

2.1 直流发电机组

直流发电机组是最早应用的电镀直流电源。它是由交流电动机带动直流发电机来发岀低压直流电的。优点是直流纹波系数较小，结构简单，过载能力强，不易损坏。缺点是电能转化效率低，为高耗能设备(特别是"大马拉小车"时)，占地面积大，是国家早已明令取缔的设备。但至今仍有极少数电镀厂用其在近满负荷运行下镀硬铬。

2.2 非硅半导体整流器

在大功率硅半导体二极管问世前，曾采用半导体氧化铜、硒片作整流元件，其体积庞大，在20世纪70年代还有应用，现已完全被淘汰。

2.3 硅整流器

硅整流器利用接触式或感应式调压器调整变压器原边电压，付边再用大功率硅二极管低压整流成直流输出。其调压器与变压器在50~60Hz工频下工作，本身耗电大，故整流效率低。但其结构简单，无繁杂的电子控制系统，一般电工均能维修，故小型企业、个体户目前仍有应用。

2.4 可控硅整流器

可控硅(又称晶闸管)，是一种三端四层硅半导体器件，比硅二极管多了一个控制极。与硅二极管不同的是，当其处于正向运行状态时还不能导通，必须对其控制极输入一触发脉冲信号后才导通。去除触发脉冲后仍继续导通，直到交流电近零伏电压时才关断。关断后又待下一个触发脉冲到来且处于正向工作状态时才再度导通。改变通入触发脉冲的时刻即可控制其导通时间的长短(改变其导通角)，从而形成正弦切割波，由此调整平均电流大小。与硅整流器相比，它甩掉了调压器。但变压器仍存在较大损耗(铁损和铜损)，不经滤波时直流纹波系数大，而电感滤波又需体积庞大的硅钢片平波电抗器，用铜量大。

可控硅整流器也处在不断发展之中。早期是用晶体管分立元件制作触发控制与同步控制器，用低压大电流可控硅管作付边调压。后来采用了耐高压的可控硅作原边调压，控制部分采用了集成电路，并赋予过压、过热、过流等电子保护功能及稳压、稳流选择等功能。为降低直流纹波系数，三相整流在变压器上作了改进，出现五柱芯十二相整流等整流程式，使滤波器体积减小，可作出纹波系数小于5%的低纹波直流输出，整流效率也可提高到95%。由于新型可控硅整流器的控制部分不用易损的大功率器件，且同一厂家生产的控制板可通用，互换性好，因而其可靠性、可维修性比高频开关电源好，故障率较低。所以，尽管其因用铜、用铁量大而造价比高频开关电源高许多，某些要求电源可靠性高的电镀厂(特别是采用自动线连续生产的)仍乐于采用可控硅整流器，其所占的市场份额还相当大。

2.5 高频开关电源

高频开关电源被称为第五代新型节能直流电源，有必要对其作较全面介绍，详见第7部分的讨论。

3 常用直流电流的波形

纯直流难以获得，纹波系数越小的直流越接近于纯直流。

尽管可以制出多种波型的直流电源，但诸如锯齿波、三角波、交直流叠加等波形在大生产中应用较少，只在某些特殊工艺的研究中偶有应用。图1示出了大生产常用的直流波形。为清晰起见，未画出三相整流的波形。

3.1 单相(或三相)半波整流

将如图1a所示的单相正弦交流的负半波去掉，则成为如图1b所示的单相半波直流，其正半波仍按正弦规律变化。

3.2 单相(或三相)全波整流

将如图1a所示的单相正弦波通过单相全波或桥式整流，把负半波翻上去加以利用，则成为单相全波直流，如图1c所示。

3.3 单相(或三相)可控硅整流

利用可控硅改变其导通时刻，可改变正弦波切割的时刻，从而改变平均电流。图1d示出了单相全波可控硅整流改变导通角后的切割正弦波波形。

3.4 方波脉冲

图1g为改变方波脉冲导通时间或占空比(见7.2.1)而改变平均输出电流的波形。高频开关电源正是由此来调整电流的。

3.5 周期换向

周期换向是指直流电有周期性地颠倒输出。在反向期间，工件作为阳极，结晶粗糙之处发生阳极溶解，从而对镀层起到光亮整平作用。例如，氰化镀铜以硫氰酸钾加铅盐作光亮剂时，正向15~25s，反向5s，能得到较光亮镀层。一些无氰碱铜工艺也用周期换向电流。但要对大电流直流换向，整流器的制作成本很高。

3.6 间隙电镀

将周期换向的负半周去掉，则成为间隙电镀。在间歇期间，阴极界面液层中消耗的组分得以及时补充，能扩大允许阴极电流密度，而且还有其他优点。例如，氰化镀铜与HEDP镀无氰碱铜时，采用通电10s、断电1~2s的间隙镀，能大大提高抗杂质干扰能力，扩大半光亮区的范围。对可控硅整流器及高频开关电源的控制部分稍加改造，即可获得间歇电流，附加成本很低(可将间歇电镀视为超低频的、频率与占空比固定的方波脉冲镀)。

4 不同电镀工艺对直流波形的要求及影响

这是电镀工作者应具备的基本知识。举例如下：

【例1】镀锌、镀镍对直流波形无严格要求，但镀锌(特别是滚镀锌)时，低纹波直流能减少镀液升温，降低添加剂的消耗，效果更好一些。

【例2】装饰性套铬必须用纹波系数小于5%的低纹波直流，并且不允许有波形残缺(如三相缺相、整流管损坏等)，否则因铬太易钝化，在高纹波直流的波谷处也可能局部钝化，而导致镀铬层起黄斑、白斑，出现深镀能力大大下降等问题。简单件镀硬铬，可用未经滤波的高频开关电源，但频率宜高些；复杂模具镀硬铬，最好采用低纹波直流。

【例3】硫酸盐光亮酸性镀铜要采用低纹波直流。对于任何光亮性电镀，如何扩展低电流密度区的光亮整平性及光亮范围，始终是添加剂研制、工艺研究与维护的重点和难点，不能顾此失彼。笔者非常赞赏20世纪70年代无氰低铬电镀攻关时对工艺、设备、材料等研究的深入性和全面性。当年国内在推出M、N、SP、P体系光亮酸铜工艺时，工作很细，其中对采用不同波形直流的影响也作过系统试验。结论很明确：直流纹波系数越小，低电流密度区镀层光亮整平性越好，光亮范围越宽。现在一些人见效果不好，只知道怪光亮剂不行，却不愿从包括电源在内的设备影响上动动脑筋。

【例4】合金电镀时，若电流密度对合金比例的影响大，低纹波直流更易保持合金比例的一致性。

【例5】业已证明：对于氰化镀铜、焦磷酸盐镀铜及一些无氰碱铜工艺，低纹波直流所得电镀层的光亮性反而比高纹波系数的差。如焦磷酸盐镀铜，单相全波的比三相全波的效果更好。

【例6】对于硫酸盐光亮镀锡，有两种截然相反的结果：一些工艺采用低纹波直流的效果好，而另一些工艺在赫尔槽试验中用单相全波硅整流器时试片光亮性好，低区发灰雾范围更窄。这可能与所用光亮剂中表面活性剂、主光剂、稳定剂等物质的种类、含量、质量等有关。一切以试验结果为准。

不同工艺对直流波形的要求不一样，在新工艺研制时就应试验其最佳波形，在选择电源时也应具备这方面知识。

其他影响：

(1) 直流谐波的影响

理论与实践均证明，任何非正弦波的高纹波系数直流，均可分解出许多"谐波"。例如，方波电流可以按数学上的傅立叶级数分解为正弦基波与3次、5次、7次等无穷多个奇次谐波。谐波不但会污染供电电源，而且3次、5次谐波是过零的、具有反向的正弦波。谐波在电镀液中会增加镀液的发热量及汇流铜排的发热量(对供电电网的不良影响见7.3.5)。

(2) 波形对直流有效值的影响

当初刚以未经滤波的可控硅整流器取代硅整流器时，生产中发现，同样多的同种工件，在镀镍时开同样大的平均电流，原来镀层并不烧焦，换用可控硅整流器时却会烧焦，只好减小平均电流。原因是可控硅整流器输出的是切割正弦的间断波，纹波系数大，有效值比平均值高，而起作用的是有效值(输出平均电流越小，波形越差，有效值与平均值的比值越大)。

对于方波脉冲，计算公式如下：

$$ 电流平均值 = 峰值电流 × 占空比 $$

$$ 电流有效值 = \sqrt{峰值电流^2 ×占空比}$$

例如，峰值电流为800A、占空比为25%时，算出平均电流为200A，而电流有效值为400A。

电流有效值远大于平均值时，至少带来两个问题：

(1)镀液发热量加大，这对氯化物镀锌、锌酸盐镀锌、硫酸盐光亮酸性镀铜与镀锡均十分不利；(2)外电路汇流排、铜杆等发热加剧。如上例，汇流排截面积的设计应以有效值400A为准，而不能以平均电流200A为准。有一实例：某电镀厂原用硅整流器时铜排发热不明显，后改为高频开关电源后铜排却严重发热，不知究竟。后对高频开关电源加装电感滤波器，输出为低纹波时，汇流排发热又不明显了。所以，低纹波直流在多数情况下对电镀是有利的。

5 整流器额定输出电压与电流的选择

5.1 一般原则

(1) 不能"大马拉小车"。任何整流器一旦开机，在无负载的空载情况下，也有一定的功耗。整流器的额定功率越大，空耗也越大。越是落后的整流方式，空耗也越大。例如，采用感应调压器的3000A硅整流器，其空载损耗就不小于5kW。"大马拉小车"不但造成整流器一次投资加大，还有其他副作用。无论是可控硅整流器还是高频开关电源，未经良好滤波的情况下，直流纹波系数都加大，此时有效值与平均值的比值更高，发热损失大，浪费电。加装有滤波器的，滤波效果也变差。

(2) 直流输出波形应符合相应工艺要求。

(3) 对于冷却方式，水冷比风冷好。水冷的冷却效果好，整流器可全密封，因而防腐性好。

(4) 应有良好的防蚀措施。电镀车间空气总有腐蚀性。整流器安装位置离工艺槽越近，虽汇流排可短些，但腐蚀越严重。现代可控硅整流器及高频开关电源多设有有线遥控设施，就是希望整流器能放在隔离的、腐蚀轻的位置。现为节省成本，风冷的散热器均直接截取铝型材用，而未氧化着黑色。有些厂的散热片因腐蚀而连成一块，这样不但冷却效果差，而且易损坏功率器件。

(5) 电压应从0V起连续可调。

5.2 额定电压的选择

主要依相应工艺及操作方式而定。

【例1】工艺正常的硫酸盐光亮镀锡，镀液电导率很高，大生产实际槽电压不大于4V，选6V的即可。

【例2】工艺正常的硫酸盐光亮酸铜，当阳极无钝化时，槽电压不应大于6V，选9V即可。有的厂电流大但汇流排与铜杆截面积太小，外电路压降过大，造成电压过高，属不正常现象。

【例3】挂镀时，氯化物镀锌、镀镍选12V：锌酸盐镀锌液的电导率较低时，选15V。

【例4】对于六价铬装饰镀铬，正常槽电压不应大于8V，选12V即可。若需大电流冲击镀，可选18V。硬铬选18~20V。

【例5】普通的铝阳极氧化，18~24V：低温硬质氧化，应60~70V；微孤氧化，大于100V。

【例6】工程电泳涂装时，生成的漆膜绝缘，只能通过孔隙继续加厚，电压不低于100V，但电流小。

【例7】同样的工艺，滚镀电压高于挂镀电压，原因是滚镀的导电部位仅为浸入液中滚筒孔眼总表面积。滚筒开孔率越低，电阻越大。例如滚镀亮镍应15~18V，否则电流开不上去。

若采用手工作业，槽电压大于24V安全电压时，入槽取槽应先关机，以免造成电击。

5.3 额定电流的选择

以工艺允许电流密度上限值及最大装载量计算，不同情况下差别很大。如大型件镀硬铬及铝型材阳极氧化，有时要万安以上。原则仍是不宜大马拉小车。

6 整流效率的测定

节能减排是电镀厂必行之路。电镀厂都是耗水、耗电大户，其中直流电源又是主要的耗电设备。如镀硬铬时，整流器的电耗成本可能超过总成本的50%。因此，采用节电整流器势在必行。整流器是否节电，取决于2个因素：

(1) 整流效率；

(2) 输入功率因数。

6.1 整流效率与直流功率

整流器的整流率用百分比表示，算式如下：

$$电流有效值 = \frac{输出直流工率}{输入直流功率} × 100\%$$

直流功率的计算比较简单，为整流器输出平均电流(A)乘以整流器输出平均电压(V)，单位以VA(伏安)表示。

6.2 交流功率

交流电的功率计算比较复杂，与负载性质、负载接法等有关。

6.2.1 有功功率

当交流电的负载是纯电阻时，电流通过电阻将电能转变为热能，消耗的电能可以全部用来做功。流过纯电阻时消耗的功率称为有功功率，又称为平均功率，简称功率，其计算方法与直流功率相同，等于交流的电流有效值与电压有效值的乘积，即：

$$ p = U_RI = I^2R=\frac{U_{R}^{2}}{R} $$

交流电的"有效值"是这样定义的：当正弦交流电与直流电通过大小相同的同一电阻时，若其发热量相等，则直流电的数值就是该正弦交流电的有效值。

6.2.2 无功功率

一般交流电的负载很少是纯电阻(电加热器接近于纯电阻)，而是电阻-电容(R-C)或电阻-电感(R-L)混合型的。交流电动机、调压器、变压器均为R-L型当交流电通过电感负载时，电源提供的功率有部分做有用功(如电动机将电能转换为机械能)，而另一部分是无用的，它会不断在交流电源与负载之间来回传输而不做有用功。这部分无用的功率称为交流电的无功功率，其值等于电流有效值与电感上电压有效值的乘积，以Q表示，即：

$$Q = IU_L$$

Q的单位为乏尔(Var)，简称乏。

由于无功功率在供电的输电线路上来回传输，会造成输电线路上的功率损耗，这部分的损耗会由供电部门来负担，因此要求用户尽量降低无功功率，否则测出来的1度无功功率要收10度的电费。其办法是在电感上并联电容(比如日光灯要求在电感镇流器上并接一个日光灯电容器)。在配电房中设有依据无功功率大小来自动增减并联电容器大小的补偿柜来减少输电线路上的无功功率损耗(用户输电线路上的无功功率损耗只能自负)。

6.2.3 功率因数

负载为R-C和R-L的串联回路中，电阻上消耗的功率$p=I^2R = U_RI = UI_{cosφ}$。式中cosφ称为功率因数，其值在0~1之间，是可以用功率因数计测量的。功率因数越接近1，则无功功率越小，相对有用的有功功率就越大。

6.2.4 视在功率

一般情况下，交流电路的电压有效值与电流有效值的乘积UI称为视在功率，又称表观功率，用S表示，单位为VA或kVA(千伏安)。平时说的供电变压器大小为125kVA、200kVA、315 kVA ，均指变压器的额定视在功率，即：

$$S = UI = \frac{有功功率p}{功率因素_{cosφ}}$$

我国供电采用三相四线制，即有三根火线一根零线。火线与火线之间的电压称为线电压，用户使用的标准值为380V(即平时所说的动力电)，火线与火线之间的电流称为线电流，用I_线表示。任何一根火线与零线之间的电压称为相电压，以U_相表示，标准值为220V(即平时所说的照明电，一般家用均采用照明电，而不供给动力电)。线电压与相电压的一般关系为：$U_线 = \sqrt3U_相 = 1.7U_相$ 。火线与零线之间的电流称为相电流，以I_相表示。

6.2.5 交流功率的测量

6.2.5.1 单相整流器功率的测量

粗略测量不考虑功率因数，可用交流电压表测定实际相电压U_相，同时用交流电流表(简单测定可用钳形电流表)测定相电流I相，二者的乘积作为交流电功率(VA)。较精确的测定可用单相功率表。

6.2.5.2 三相整流器交流功率的测量

从用电角度讲，都要求三相交流电每相的负载尽量相同。在三相电器设计时，一般都是三相负载平衡的。此时，用交流电压表测定三组火线与火线之间的线电压U_线，同时测定流过三根火线的电流(也可用准确的钳形电流表)I_线，取其平均值，按下式计算视在功率(单位VA)：

$$S = \sqrt{3}U_线I_线 = 1.7U_线I_线$$

以视在功率作为交流功率，再与同时测得的直流功率相除，即可得出整流器的整流效率。

一般线电压为380V，负载均为星形(Y形)接法。若接成三角形(Δ形)，有功、无功、视在功率均为星形接法的3倍。只有当线电压为220V、相电压为127V时，才接成三角形。

7 关于高频开关电源

高频开关电源正作为推广的第五代"节能"整流器。其是否真的节电？有什么优缺点？如何选择？诸多问题都需讨论，否则会带来许多后遗症。

"高频"是相对于市电工频(我国采用50Hz，国外有用60Hz的)而言的，一般频率设计在20~40kHz之间。与脉冲电源不同，其频率是在设计制作电源时固定死的，不可调整。频率越高，输出越易滤波，高频电感元件体积越小，但对元器件的可靠性要求越高，制作难度越大。设计频率的高低，可反映出电源生产厂家的技术与制作水平。

高频开关电源与可控硅整流器一样，去掉了耗电的调压器，在可控硅整流器基础上又以体积小的高频电感器件代替了体积和重量都大的硅钢片制作的变压器与电感滤波器，用铜量少，相应的铜损也小(这是认为其节电的主要原因)，且整流器体积和重量俱小。

7.1 高频开关电源的整流程式

高频开关电源先直接用高压硅二极管(或组件桥堆)按全波或桥式将市电整流成高压直流，再经控制保护电路及大功率器件转换为可调占空比的高压方波脉冲，经高频变压器降压为低压方波脉冲直接输出，或再经快速恢复二极管作二次整流，经滤波器滤波成低纹波直流输岀。其设计方案很多，暂无标准化设计，各家采用的方案可能相差很大，但多附有过流、过压、过热等电子保护功能及稳流、稳压输出状态选择。

7.2 高频开关电源的调压方式

高频开关电源未经滤波时，都以脉冲方波形式出现。为了解其调压方式，先应了解方波脉冲的基本参数。

方波又称矩形波。如图1所示的单向方波脉冲具有以下基本参数：

导通时间：有直流输出的一段时间，以t_on表示。

关断时间：无直流输出，即直流为零的时间，以t_off表示。

脉冲周期：为一个方波导通时间与关断时间之和，以T表示，则T=t_on+t_off。

脉冲频率：为脉冲周期的倒数，以f表示，则$\frac{1}{T}$。

脉冲占空比：脉冲导通时间与周期之比，以V表示，即$V = \frac{t_{on}}{T} × 100\%$

峰值电流：方波导通时的最大电流(或顶部电流)，以I_p表示。

平均电流：方波导通面积与关断面积之和与周期之比，以I_m表示，即：

$$I_m = \frac{I_m × t_{on}}{T} = I_p × V$$

显然，当方波频率与峰值电流固定时，占空比越大，平均电流越大。高频开关电源大多是在固定峰电流与频率的条件下，以调整事空比来调整平均电流的。

实际方波波形并不如图2那样呈理想的矩形，其顶部不平而有倾斜，上升沿角顶与下降沿角底可能有尖峰状过冲现象，右上角有呈衰减振荡形。用数字式高频示波器很容易观测出其缺陷。

7.3 高频开关电源的复杂性

尽管高频开关电源的生产厂家已很多，但其质量与可靠性相差可能很大，这与其复杂性有关。

7.3.1 控制部分

高频开关电源通过改变方波占空比来调整输出平均电压与电流，这一技术称为PWM(脉冲宽度调制)技术。它又有多种控制模式，分别配合采用不同的集成电路。为了减少大功率控制组件的功耗，要求采用"软启动"(谐振启动)方式。控制部分还赋予各种保护功能、稳流稳压输出模式转换功能等。由于控制部分复杂，所用元器件也多。一个元件损坏甚至焊接有虚焊点，都可能造成整机失灵。作者遇见一事：购一大厂产品，不慎损坏，售后服务修了两次都修不好；找本地一厂家修，两月修不好；后找另一厂家，由很内行的设计人员亲自修，才发现是一只小电阻坏了(不值一毛钱)，而且多次维修后调整乱了套。换了该电阻，重新用仪器调整，3天就修好了。

7.3.2 大功率控制器件

开关电源或稳压电源大功率控制器件最初采用双极性大功率三极管，其放大倍数小，为电流控制型，每只管子所需驱动电流很大，且并联应用时均流麻烦，只能用作很小功率输出。第二代为大功率绝缘栅型场效应管(VMOS管)。其优点是仅需电压驱动，驱动电流很小，具负温度系数与恒流特性，并联应用不必均流；但其缺点是源极与漏极间内阻比双极性三极管发射极与集电极之间的内阻大很多，因而自身发热与功耗大，且不耐高压。大功率开关电源得以工业化应用，应归功于发明了既耐高压、又同时具备ⅤMOS管驱动电流很小和双极性晶体管内阻小等诸多优点的"绝缘栅双极晶体管"(即IGBT )。单只IGBT 率也小，实际使用的是内部由多支IGBT管并联而成的"IGBT模块"，要求质量良好，留有较大功率余量，散热条件好。它是电源的开关主件，其高频特性很重要，高频特性达不到要求则很容易损坏(因此有的厂家只敢把开关电源频率设计到下限20kHz)。目前国内还只能选用德国、美国等发达国家大公司的产品。

7.3.3 高频变压器与滤波器所用电感材料

普通硅钢片电感材料只能在低频下使用。早期的高频电感磁芯采用软磁性铁氧体材料，在大功率条件下发热严重甚至断裂，现仍有应用。性能最好的是钴基非晶、超细晶(纳米晶)软磁合金材料，我国已能自行生产，其体积更小、质量更轻，综合性能良好，正逐步获得推广应用。

7.3.4 高频整流二极管

普通硅整流二极管只能在低频下使用。高频开关电源原边对50Hz市电整流时可用这类二极管或桥堆。但转换成高频脉冲后的交流-直流及直流-直流变换器用的功率二极管，要求具有正向压降低、反向漏电小、反向恢复时间短等特点。可用快速恢复二极管(FRD)、超快速恢复二极管(UFRD)、肖特基二极管(SRD)等，目前SRD应用较多。整流电压低(4~5V)可用硅肖特基二极管；电压较高(12~24V)时宜用砷化镓肖特基二极管。

7.3.5 功率因数校正器

变压器原边整流的交流-直流开关电源的输入端含有大量谐波。谐波电流分量越大，输入端的功率因数越低，无功功率越大，有功功率越小。如谐波总量达95.6%时，功率因数只有0.683，不但造成高频开关电源不节电，而且大量谐波分量倒流入电网，会造成谐波污染，使电网原有的正弦波发生畸变。这样，方面造成电路故障，使变电设备损坏；另一方面造成零线过流损坏。变电设备的线路及配电变压器过热，导致电网LC谐振或高次谐波流过电网的高压电容，使之过热、过流而爆炸。因此，一个完善设计的高频开关电源应设有功率因数校正器。功率因数校正器有两类：一类为无源滤波器，如在输入交流侧接入谐振滤波器，其主要优点是简单、成本低、可靠性高，但尺寸大、质量重，功率因数最多提高到0.9左右；另一类为有源滤波器(或称有源功率因数校正器)，其优点是功率因数可提高到0.97~0.99，可在90~264V单相宽电压范围内工作，体积小、质量轻；但缺点是电路复杂、成本高。

上面的简介，对于缺乏电子技术基础知识的人而已，可能深奥难懂。但这无所谓，能理解多少算多少。之所以要讲，是为了说明高频开关电源并不是那么好造的。性能良好者，既要有高技术人才，还要有良好设计，选择优质可靠的元件以及有高超的生产、调试能力。一分钱一分货，过于追求低成本、低售价，决不会是优质产品。赶水货更不可信。

7.4 高频开关电源的选择和使用

前述高频开关电源的复杂性注定了对其选择及使用的慎重性。

7.4.1 如何选择

7.4.1.1 尽量选择技术实力雄厚的大厂产品

技术力量不足的单位是无力自行设计高频开关电源的，即使能生产也多为测绘仿制品，更何况未必能仿到家。能生产的也未必能调试好、装配好，有维修能力。故最好先调研一下，选用多家电镀厂已应用并反映良好的产品。

7.4.1.2 选择有良好售后服务的产品

电镀厂是无法自行维修高频开关电源的。换件后往往还要重新调试，不但要求售后服务及时，而且要求售后服务人员技术水平高。7.3.1所举作者亲历一例，电源也是外地大厂生产，未坏时也好用，但一旦坏了，售后服务人员水平低，找不准原因也修不好，整整停用了半年(好在只是小功率的，还可用老电源替代)。

最好不要舍近求远。若需发回生产厂维修，往返时间长，会影响生产。小功率的还可准备一两台备用电源，大功率的则不可能。若本地确无可靠生产厂家，选用外地产品时尤应注重可靠性。

7.4.1.3 注意防腐好坏与冷却方式

高频开关电源控制部分复杂且要用高输入阻抗的集成电路，不要说受腐蚀性气体腐蚀，就是受潮都有可能失灵。对控制电路调试好后，最好整个线路板双面喷几遍绝缘清漆，能用有机硅胶封固成一体则更好。风冷式的用起来简单，但至少存在两个问题：一是机内不断更新电镀车间的腐蚀性气体，会加速腐蚀；二是一般用轴流风机风冷，良品的寿命也不过5000h，劣质品的寿命则不到3000h，一旦损坏且热保护又失灵，电源会很快损坏。水冷式可做到全密封，故防腐蚀性好。但水冷必须对高频变压器也作水冷才行。

7.4.1.4 检查输出纹波系数

当工艺对直流纹波系数大小有要求时，应在有负载下对纹波系数进行检查。最直接的方法是采用示波器检查直流波形，在高频情况下最好用高频数字式示波器。最简单粗略的检查是拆开机箱，看直流输出的机内结构：若直流是从高频变压器付边直接输出的，则必是高纹波系数的。原因很简单：低纹波直流是无法通过变压器来降压的。若高频变压器付边还串接有高频电感(一般直接串穿一个圆形或矩形高频磁环)，或再有滤波电容等元件作滤波的，则直流纹波系数应较低(其大小与滤波器设计相关)。

7.4.1.5 检查节电与否

不要误以为一切高频开关电源都很节电。要采用第6部分所述方法，测定整流器的整流效率。因整流器内的整流元器件、大功率控制元件和高频变压器都是发热严重的组件，其功率热损耗不容忽视。选择的元器件质量越差、设计装配水平越低，则热损失越严重。若整流效率不及85%，则谈不上节电。

用功率因数表测定输入交流的功率因数cosφ，其值应不低于0.85；否则，不但无功功率占视在功率的比重大，有功功率下降，而且会破坏供电电网。设有功率因数补偿器的电源，则功率因数应在0.95以上。不少产品由于技术不足或为了降低成本，并未设功率因数补偿器。

以笔者拙见，若1000A以下小功率直流电源无明显节电效果，还不如选用易损元件少、相对可靠性更高、更易于维修的优质可控硅整流器。

7.4.2 使用注意事项

7.4.2.1 安放位置

由于高频开关电源结构复杂、易因腐蚀而失灵，因此安放位置应尽量避免有腐蚀气氛(特别是风冷的)。放在槽边虽汇流排短，但最不适宜。现多设有有线遥控设施，最好放在车间外专用整流器房间内。

7.4.2.2 及时检查冷却状况

风冷的应及时检查冷却风机是否运转正常(特别是积木式或并接多只轴流风机的)。若有损坏，应及时检修、改换。水冷的则要求易于随时检查出水是否正常。开机前应先开冷却水，停用后应及时关闭冷却水，以免造成浪费。考虑完善的水冷式，设有与电源联动的供水管道泵，可实现自动关停水，但也要注意管道泵是否失灵、损坏。

7.4.2.3 稳流稳压状态的选择

稳流稳压只在一定范围内起作用，难在全量程范围内起作用。自动线生产定型产品，可选稳流状；手工作业时边取边放，则应置于稳压状，否则槽中只有部分工件时，电流会过大而导致工件烧焦。设有稳流稳压选择的可控硅整流器亦应照此原则执行。

7.4.2.4 时间预置与定时报警

高频开关电源多设有拨码开关预置的长时间数字显示时间报警器。要搞清楚两个问题：

(1) H、M、S的含义。H小时，M分钟，S为秒。笔者曾见一操作工不懂其意义，要求预置10分钟，本应设置为00H10M00S，却设置成了10H00M00S，变成了10小时。

(2) 只有在槽中工件取完时，时间继电器才自动归零报警，新放入工件后又重新开始计时，到时报警若手工作业时边取边放，槽中始终有电流，则报警后时间不能自动归零，而是连续计时。这种情况下定时报警是不起什么作用的。

7.4.2.5 热效应问题

第4部分已论及，未经滤波的方波脉冲，其占空比越小，电流有效值与平均值之比越大，此时镀液与外电路汇流排、铜杆等的发热量越大。镀液发热量大，对镀锌、光亮酸铜、光亮酸锡及需降温的硬铬镀液均十分不利。外电路发热会损耗直流功率而不节电。当"大马拉小车"时，占空比小，问题更大。故最好都选用低纹波直流。

8 脉冲电源

脉冲电源的诞生远早于高频开关电源，其研究也不少。

8.1 脉冲电镀的优点

脉冲电镀改普通电镀的连续电沉积为周期性沉积，一般采用方波脉冲。方波脉冲同时提供了丰富的谐波分量，暂态的谐波激励对电极反应与镀层结晶形态有着很大的影响，某些现象还无法用经典的电化学理论来明确解释。

脉冲镀的优点在许多电镀文献中都有报道，比如：

(1) 降低镀层孔隙率。周期脉冲相当于不断间歇冲击镀，瞬时阴极极化值很大，镀层结晶更细小，晶粒细化后，镀层缺陷与孔隙率相应下降，防蚀力提高。在贵金属电镀中采用脉冲电源，可获得良好的经济效益，因为在同样防蚀能力下可减薄贵金属镀层的厚度。

(2) 提高镀层结合力。脉冲的峰值电压为直流的数倍，有可能击穿钝化膜而在基体上电沉积。也可从电位活化理论角度考虑：瞬时大电流密度能使制件电流密度大于活化电流密度，使基体瞬时快速活化，从而提高镀层结合力。

(3) 改善深镀能力与分散能力。脉冲瞬时高的阴极负电位能在直流镀时难以活化的小阴极电流密度的工件深凹处也发生活化，而易沉积上镀层(类似于装饰镀铬的冲击镀)，因而能提高深镀能力。在脉冲关断期间，阴极界面液层中消耗的主盐金属离子等得以补充，能减小浓差极化，从而减少烧焦。而开通瞬间的大阴极电流密度不但提高了深镀能力，也加快了深凹处的镀速，从而提高分散能力。

(4) 降低镀层内应力。脉冲电镀减少了晶格缺陷和杂质积累，有利于变形时晶格的自由滑移，从而降低脆性，也使内应力下降。

(5) 有利于获得成分稳定的合金镀层。原因可能是在脉冲关断期间，镀液中合金组分金属离子在阴极界面液层中可能不按比例消耗时，易于获得按比例的补充。

(6) 改善阳极溶解。在脉冲关断期间，阳极溶解产物易于向镀液深处扩散、对流，而不致形成过大的浓差极化，阳极不易钝化。

(7) 减少添加剂用量。脉冲导通时段已有较大阴极极化值，而脉冲关断期间，低浓度的添加剂也可以满足对阴极界面液层中消耗的及时补充，故可少用添加剂。

(8) 改善镀层外观。晶粒细化后，镀层外观得以改善。普通氰化镀铜，一般电镀时间超过5min，镀层易呈砖红色；而采用频率300Hz、占空比30%的脉冲镀，镀1h以上，镀层仍呈半光亮。对含硅铝件阳极氧化着色的试验表明，直流氧化后染料着色，色泽灰暗；而用脉冲氧化后着色，色泽鲜艳。

(9) 改善镀层物理机械性能。如降低表面电阻与体电阻，提高密度、韧性、耐磨性，控制镀层硬度等。

(10) 有利于某些工艺生产应用。如采用双脉冲(在脉冲正向关断期间产生反向负脉冲)电镀时，在负脉冲期间，镀层作为阳极溶解，不但外观、整平性提高，而且是一些工艺的必备手段。例如，现代高密度印制板多层板孔金属化时，因孔径越来越小、径深比越来越小，镀铜时必须采用双脉冲电源，才能基本保证孔内镀层厚度的均匀性，否则不但厚度差别大，甚至造成表面堵孔。

8.2 脉冲电镀的应用局限性

既然脉冲镀有许多优点，为何又无法大面积推广开来呢？

8.2.1 脉冲电源结构复杂、造价高，难以大功率化

8.2.1.1 脉冲镀的可调参数多

高频开关电源都是单向正脉冲，且振荡频率与峰值电压是固定的，只调整占空比一个参数。而脉冲镀时不同工艺有不同的最佳参数。就单向脉冲而言，峰流(或峰压)、频率、占空比均应可调。对于双脉冲电源，反向脉冲同样要调整多个参数，总的应可调参数更多，控制部分十分复杂。

8.2.1.2 整流程式复杂

脉冲电源是先经可调电压(或电流)的整流(也可用高频开关电源)后，经良好滤波变为低纹波直流，再经可调频率、占空比控制器来控制大功率器件，最后斩波成方波脉冲的。双脉冲电源更是两个这类整流器的恰当组合。故整个程式很复杂。对于单脉冲镀金、镀银，若频率为1000Hz，平均电压要达5V而占空比又仅10%，则直流低纹波输出电压应达50V，电源的制作难度很大。

因此，脉冲电源的造价很高，要求可靠性更高，难以做成大功率电源。即使能做出，对于电镀附加值低的镀种(如镀锌、镀铜等)而言，也无法承受。

迄今为止，脉冲电镀也多仅限于小功率贵金属电镀或国防、科研特殊用途及某些特定工艺，工业化推广应用相当困难。

8.2.2 难于确定最佳参数

在使用脉冲电源时，对某一具体工艺而言，其频率、占空比、峰流(或峰压)等多个参数，到底确定成什么组合才能达到最佳效果或赋予镀层某一特定性质，需要大量试验来确定。河北邯郸大舜电镀设备厂是国内较早开发、生产工业应用脉冲电源的厂家。他们在推广脉冲电源时最头痛的是用户要求提供具体工艺的最佳脉冲参数。而电镀工艺又五花八门，作为电源生产厂，不可能附设一个庞大的电镀工艺研究所来做这项工作。对于应用单位，只能大量参考脉冲电镀研究文献，对已研究透彻的具体工艺，照搬研究成果应用，其局限性很大。

8.2.3 脉冲镀所用添加剂尚不完善

脉冲镀时，瞬时高阴极电流密度会促进常规有机添加剂的分解，分解产物积累过快。有人认为，脉冲镀工艺不适于采用有机添加剂。而现代电镀中有机添加剂又不可或缺。国外还在对脉冲镀专用添加剂作大量研究，其研制难度相当大，而困内的研究还很薄弱。