飛機直流28V固態功率控制器（SSPC）的研發設計

李劍+吳曉輝

【摘 要】 本文介紹了一種航空級直流28V固態功率控制器的設計方法，闡述了固態功率控制器的主要組成部分、功能、特點和未來的發展應用。

【關鍵詞】 固態功率控制器 電力MOSFET

1 引言

隨著全電/多電飛機的發展，國內、外先進飛機的配電系統已由常規配電向固態配電發展。常規配電采用熱保護開關、繼電器、接觸器、斷路器等機電式器件對負載控制，其優點是技術成熟、器件工作穩定，缺點是電路過流、短路等故障響應慢，不能實現負載的自動管理。因此必須采用新技術實現配電系統的匹配發展，固態配電技術應運而生，該技術以微型計算機為控制中心，通過多路傳輸和固態功率控制器（SSPC）來控制和保護負載，這種配電方式大大提高了配電系統的自動化和可靠性，實現了負載的自動管理功能，是今后配電系統的發展趨勢。

2 固態配電技術

固態配電技術的核心器件是固態功率控制器（SSPC），早在20世紀70年代，國外就開始研究SSPC，但多年后仍未得到實際應用，主要原因是半導體三極管的通態壓降較大。近幾年來，隨著電力電子器件的發展，功率MOS器件有突破性進展，為SSPC的發展打下了基礎，特別是功率MOSFET管的發展，它驅動功率小，無二次擊穿且具有自均流能力，具有優良的動態特性。在直流電源系統中，由于沒有交流系統的電流過零點特性，電流通斷瞬間對配電系統影響很大，因此使用SSPC對負載進行控制，能夠解決常規配電系統中電路轉換、保護方面的缺陷問題。

3 固態功率控制器（SSPC）研發設計

固態功率控制器作為先進飛機配電系統中的重要配電設備，主要用于接通或關斷用電設備的電源，同時還具有過載保護功能和自檢測功能，指示負載是否已經發生跳閘或出現了故障，取代了常規配電的機械開關、繼電器和熱斷路器。SSPC能夠實現負載的快速接通和斷開，內部沒有活動部件，無機械磨損，不產生電弧；過載時按“反延時”特性跳閘，具有電氣隔離措施，抗干擾能力強，其性能大大優于常規配電，本文針對直流28V、電流不超過10A的負載進行研究設計。

3.1 SSPC的組成

固態功率控制器（SSPC）主要由控制和邏輯部件、固態開關部件和電流感受部件組成。各組成部分主要完成：控制和邏輯部件通過總線接受指令信號，并根據接受的指令激勵開關部件斷開或閉合，依據SSPC的狀態和來自電流感受部件的信息，控制和邏輯部件提供狀態信號；固態開關部件由固態電子元件組成的無觸點開關，用于接通和斷開電路；電流感受部件測定負載電流的大小，通過總線將電流信息上傳，如果判斷負載過電流，將發送跳閘信號。固態功率控制器功能框圖如圖1所示。

固態功率控制器（SSPC）可為28V，不大于10A的負載提供控制和饋電線保護，實現功能如下：通過總線接收控制計算機發出的控制指令，并準確動作；對每個供電通道的電流值進行分別判斷，并將電流大小通過總線反饋；過流時，自動保護，并進行斷電恢復；具有良好的電磁兼容性和可靠性；設計體積小型化，便于小空間的安裝。

3.2 SSPC的設備選型

3.2.1 控制器

固態功率控制器采用單片機為內核，開關執行器件BTS6142D芯片，硬件電路包括微處理器最小電路、RS485電平轉換電路、光耦隔離輸出電路、模擬量輸入電路等。

SSPC具有8路數字量輸出和8路模擬量輸出，數據采集模塊i-87017W：8通道差分輸入模擬量采集，通過功率控制器板上的采樣電阻獲取電流參數。數據采集模塊i-8069PW：8通道的PhotoMOS繼電器輸出。功率控制板：單個控制板包含4路負載控制，控制端連接控制計算機，輸入端和輸出端連接外部負載，保護電路的關鍵作用就是在負載（特別是容性負載）接通時，減小電流沖擊。

3.2.2 電力MOSFET管

固態功率控制器（SSPC）的開關執行器件選用N溝道增強型MOSFET管，MOSFET管的基本特性：非常小的漏電流、單級型電流控制、良好的電磁兼容性、感性負載迅速去磁。其優點如下：單極型控制，驅動電路簡單；沒有電荷存儲效應，工作速度快；沒有二次擊穿失效機理，溫度越高耐力越強，發生熱擊穿的可能性越低；具有自關斷能力，安全工作區寬。

MOSFET管的導通電阻具有正的溫度特性，可自動調節電流，易于并聯應用。BTS6142D芯片的額定工作電流為7A，如果負載工作電流大于7A時，芯片則不能滿足負載功率。出于對系統的擴展性、可靠性，以及減小MOSFET承受能力方面的考慮，可以采用多路MOSFET并聯工作的方式。采用此方式：一方面可以減小流過每個MOSFET的負載電流，使其工作在理想的條件下；另一方面，可以提高SSPC工作的可靠性，當一個MOSFET出現故障，不至于使整個SSPC失效。

4 試驗及結論

SSPC通過理論研究，提出具體設計方案，目前已制作出小型模塊，下一步需進行功能驗證試驗。地面試驗設備主要有：28V直流穩壓電源、SSPC、負載、電流表等。試驗內容包括：單路負載過流自保護，自恢復驗證；雙路并聯過流自保護，自恢復驗證；負載過壓自保護，自恢復驗證；負載欠壓自保護，自恢復驗證；長時間工作可靠性驗證。

通過地面試驗驗證，SSPC的遠程邏輯控制正確，負載過流、欠壓保護響應速度快，自保護功能強，能夠長時間保持運行可靠。

5 應用前景

直流28V固態功率控制器（SSPC）的研制，突破了傳統的配電模式，實現了負載的自動管理和遠程控制，大大提高了配電系統的可靠性，達到一個質的飛躍，為未來航空飛機的固態配電系統實現打下基礎，后續可進一步研發交流115V、高壓直流270V的SSPC。

參考文獻：

[1]吳曉輝.分布式智能配電系統.工程碩士學位論文.2012.endprint

【摘 要】 本文介紹了一種航空級直流28V固態功率控制器的設計方法，闡述了固態功率控制器的主要組成部分、功能、特點和未來的發展應用。

【關鍵詞】 固態功率控制器 電力MOSFET

1 引言

隨著全電/多電飛機的發展，國內、外先進飛機的配電系統已由常規配電向固態配電發展。常規配電采用熱保護開關、繼電器、接觸器、斷路器等機電式器件對負載控制，其優點是技術成熟、器件工作穩定，缺點是電路過流、短路等故障響應慢，不能實現負載的自動管理。因此必須采用新技術實現配電系統的匹配發展，固態配電技術應運而生，該技術以微型計算機為控制中心，通過多路傳輸和固態功率控制器（SSPC）來控制和保護負載，這種配電方式大大提高了配電系統的自動化和可靠性，實現了負載的自動管理功能，是今后配電系統的發展趨勢。

2 固態配電技術

固態配電技術的核心器件是固態功率控制器（SSPC），早在20世紀70年代，國外就開始研究SSPC，但多年后仍未得到實際應用，主要原因是半導體三極管的通態壓降較大。近幾年來，隨著電力電子器件的發展，功率MOS器件有突破性進展，為SSPC的發展打下了基礎，特別是功率MOSFET管的發展，它驅動功率小，無二次擊穿且具有自均流能力，具有優良的動態特性。在直流電源系統中，由于沒有交流系統的電流過零點特性，電流通斷瞬間對配電系統影響很大，因此使用SSPC對負載進行控制，能夠解決常規配電系統中電路轉換、保護方面的缺陷問題。

3 固態功率控制器（SSPC）研發設計

固態功率控制器作為先進飛機配電系統中的重要配電設備，主要用于接通或關斷用電設備的電源，同時還具有過載保護功能和自檢測功能，指示負載是否已經發生跳閘或出現了故障，取代了常規配電的機械開關、繼電器和熱斷路器。SSPC能夠實現負載的快速接通和斷開，內部沒有活動部件，無機械磨損，不產生電弧；過載時按“反延時”特性跳閘，具有電氣隔離措施，抗干擾能力強，其性能大大優于常規配電，本文針對直流28V、電流不超過10A的負載進行研究設計。

3.1 SSPC的組成

固態功率控制器（SSPC）主要由控制和邏輯部件、固態開關部件和電流感受部件組成。各組成部分主要完成：控制和邏輯部件通過總線接受指令信號，并根據接受的指令激勵開關部件斷開或閉合，依據SSPC的狀態和來自電流感受部件的信息，控制和邏輯部件提供狀態信號；固態開關部件由固態電子元件組成的無觸點開關，用于接通和斷開電路；電流感受部件測定負載電流的大小，通過總線將電流信息上傳，如果判斷負載過電流，將發送跳閘信號。固態功率控制器功能框圖如圖1所示。

固態功率控制器（SSPC）可為28V，不大于10A的負載提供控制和饋電線保護，實現功能如下：通過總線接收控制計算機發出的控制指令，并準確動作；對每個供電通道的電流值進行分別判斷，并將電流大小通過總線反饋；過流時，自動保護，并進行斷電恢復；具有良好的電磁兼容性和可靠性；設計體積小型化，便于小空間的安裝。

3.2 SSPC的設備選型

3.2.1 控制器

固態功率控制器采用單片機為內核，開關執行器件BTS6142D芯片，硬件電路包括微處理器最小電路、RS485電平轉換電路、光耦隔離輸出電路、模擬量輸入電路等。

SSPC具有8路數字量輸出和8路模擬量輸出，數據采集模塊i-87017W：8通道差分輸入模擬量采集，通過功率控制器板上的采樣電阻獲取電流參數。數據采集模塊i-8069PW：8通道的PhotoMOS繼電器輸出。功率控制板：單個控制板包含4路負載控制，控制端連接控制計算機，輸入端和輸出端連接外部負載，保護電路的關鍵作用就是在負載（特別是容性負載）接通時，減小電流沖擊。

3.2.2 電力MOSFET管

固態功率控制器（SSPC）的開關執行器件選用N溝道增強型MOSFET管，MOSFET管的基本特性：非常小的漏電流、單級型電流控制、良好的電磁兼容性、感性負載迅速去磁。其優點如下：單極型控制，驅動電路簡單；沒有電荷存儲效應，工作速度快；沒有二次擊穿失效機理，溫度越高耐力越強，發生熱擊穿的可能性越低；具有自關斷能力，安全工作區寬。

MOSFET管的導通電阻具有正的溫度特性，可自動調節電流，易于并聯應用。BTS6142D芯片的額定工作電流為7A，如果負載工作電流大于7A時，芯片則不能滿足負載功率。出于對系統的擴展性、可靠性，以及減小MOSFET承受能力方面的考慮，可以采用多路MOSFET并聯工作的方式。采用此方式：一方面可以減小流過每個MOSFET的負載電流，使其工作在理想的條件下；另一方面，可以提高SSPC工作的可靠性，當一個MOSFET出現故障，不至于使整個SSPC失效。

4 試驗及結論

SSPC通過理論研究，提出具體設計方案，目前已制作出小型模塊，下一步需進行功能驗證試驗。地面試驗設備主要有：28V直流穩壓電源、SSPC、負載、電流表等。試驗內容包括：單路負載過流自保護，自恢復驗證；雙路并聯過流自保護，自恢復驗證；負載過壓自保護，自恢復驗證；負載欠壓自保護，自恢復驗證；長時間工作可靠性驗證。

通過地面試驗驗證，SSPC的遠程邏輯控制正確，負載過流、欠壓保護響應速度快，自保護功能強，能夠長時間保持運行可靠。

5 應用前景

直流28V固態功率控制器（SSPC）的研制，突破了傳統的配電模式，實現了負載的自動管理和遠程控制，大大提高了配電系統的可靠性，達到一個質的飛躍，為未來航空飛機的固態配電系統實現打下基礎，后續可進一步研發交流115V、高壓直流270V的SSPC。

參考文獻：

[1]吳曉輝.分布式智能配電系統.工程碩士學位論文.2012.endprint

【摘 要】 本文介紹了一種航空級直流28V固態功率控制器的設計方法，闡述了固態功率控制器的主要組成部分、功能、特點和未來的發展應用。

【關鍵詞】 固態功率控制器 電力MOSFET

1 引言

隨著全電/多電飛機的發展，國內、外先進飛機的配電系統已由常規配電向固態配電發展。常規配電采用熱保護開關、繼電器、接觸器、斷路器等機電式器件對負載控制，其優點是技術成熟、器件工作穩定，缺點是電路過流、短路等故障響應慢，不能實現負載的自動管理。因此必須采用新技術實現配電系統的匹配發展，固態配電技術應運而生，該技術以微型計算機為控制中心，通過多路傳輸和固態功率控制器（SSPC）來控制和保護負載，這種配電方式大大提高了配電系統的自動化和可靠性，實現了負載的自動管理功能，是今后配電系統的發展趨勢。

2 固態配電技術

固態配電技術的核心器件是固態功率控制器（SSPC），早在20世紀70年代，國外就開始研究SSPC，但多年后仍未得到實際應用，主要原因是半導體三極管的通態壓降較大。近幾年來，隨著電力電子器件的發展，功率MOS器件有突破性進展，為SSPC的發展打下了基礎，特別是功率MOSFET管的發展，它驅動功率小，無二次擊穿且具有自均流能力，具有優良的動態特性。在直流電源系統中，由于沒有交流系統的電流過零點特性，電流通斷瞬間對配電系統影響很大，因此使用SSPC對負載進行控制，能夠解決常規配電系統中電路轉換、保護方面的缺陷問題。

3 固態功率控制器（SSPC）研發設計

固態功率控制器作為先進飛機配電系統中的重要配電設備，主要用于接通或關斷用電設備的電源，同時還具有過載保護功能和自檢測功能，指示負載是否已經發生跳閘或出現了故障，取代了常規配電的機械開關、繼電器和熱斷路器。SSPC能夠實現負載的快速接通和斷開，內部沒有活動部件，無機械磨損，不產生電弧；過載時按“反延時”特性跳閘，具有電氣隔離措施，抗干擾能力強，其性能大大優于常規配電，本文針對直流28V、電流不超過10A的負載進行研究設計。

3.1 SSPC的組成

固態功率控制器（SSPC）主要由控制和邏輯部件、固態開關部件和電流感受部件組成。各組成部分主要完成：控制和邏輯部件通過總線接受指令信號，并根據接受的指令激勵開關部件斷開或閉合，依據SSPC的狀態和來自電流感受部件的信息，控制和邏輯部件提供狀態信號；固態開關部件由固態電子元件組成的無觸點開關，用于接通和斷開電路；電流感受部件測定負載電流的大小，通過總線將電流信息上傳，如果判斷負載過電流，將發送跳閘信號。固態功率控制器功能框圖如圖1所示。

固態功率控制器（SSPC）可為28V，不大于10A的負載提供控制和饋電線保護，實現功能如下：通過總線接收控制計算機發出的控制指令，并準確動作；對每個供電通道的電流值進行分別判斷，并將電流大小通過總線反饋；過流時，自動保護，并進行斷電恢復；具有良好的電磁兼容性和可靠性；設計體積小型化，便于小空間的安裝。

3.2 SSPC的設備選型

3.2.1 控制器

固態功率控制器采用單片機為內核，開關執行器件BTS6142D芯片，硬件電路包括微處理器最小電路、RS485電平轉換電路、光耦隔離輸出電路、模擬量輸入電路等。

SSPC具有8路數字量輸出和8路模擬量輸出，數據采集模塊i-87017W：8通道差分輸入模擬量采集，通過功率控制器板上的采樣電阻獲取電流參數。數據采集模塊i-8069PW：8通道的PhotoMOS繼電器輸出。功率控制板：單個控制板包含4路負載控制，控制端連接控制計算機，輸入端和輸出端連接外部負載，保護電路的關鍵作用就是在負載（特別是容性負載）接通時，減小電流沖擊。

3.2.2 電力MOSFET管

固態功率控制器（SSPC）的開關執行器件選用N溝道增強型MOSFET管，MOSFET管的基本特性：非常小的漏電流、單級型電流控制、良好的電磁兼容性、感性負載迅速去磁。其優點如下：單極型控制，驅動電路簡單；沒有電荷存儲效應，工作速度快；沒有二次擊穿失效機理，溫度越高耐力越強，發生熱擊穿的可能性越低；具有自關斷能力，安全工作區寬。

MOSFET管的導通電阻具有正的溫度特性，可自動調節電流，易于并聯應用。BTS6142D芯片的額定工作電流為7A，如果負載工作電流大于7A時，芯片則不能滿足負載功率。出于對系統的擴展性、可靠性，以及減小MOSFET承受能力方面的考慮，可以采用多路MOSFET并聯工作的方式。采用此方式：一方面可以減小流過每個MOSFET的負載電流，使其工作在理想的條件下；另一方面，可以提高SSPC工作的可靠性，當一個MOSFET出現故障，不至于使整個SSPC失效。

4 試驗及結論

SSPC通過理論研究，提出具體設計方案，目前已制作出小型模塊，下一步需進行功能驗證試驗。地面試驗設備主要有：28V直流穩壓電源、SSPC、負載、電流表等。試驗內容包括：單路負載過流自保護，自恢復驗證；雙路并聯過流自保護，自恢復驗證；負載過壓自保護，自恢復驗證；負載欠壓自保護，自恢復驗證；長時間工作可靠性驗證。

通過地面試驗驗證，SSPC的遠程邏輯控制正確，負載過流、欠壓保護響應速度快，自保護功能強，能夠長時間保持運行可靠。

5 應用前景

直流28V固態功率控制器（SSPC）的研制，突破了傳統的配電模式，實現了負載的自動管理和遠程控制，大大提高了配電系統的可靠性，達到一個質的飛躍，為未來航空飛機的固態配電系統實現打下基礎，后續可進一步研發交流115V、高壓直流270V的SSPC。

參考文獻：

[1]吳曉輝.分布式智能配電系統.工程碩士學位論文.2012.endprint