固態器件在直升機配電系統的應用研究

胡水才

(海軍駐景德鎮地區航空軍事代表室，江西 景德鎮 333000)

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固態器件在直升機配電系統的應用研究

胡水才

(海軍駐景德鎮地區航空軍事代表室，江西 景德鎮 333000)

從介紹固態器件的發展出發，重點分析了固態開關技術，固態繼電器、固態功率控制器的原理及組成，結合在直升機配電系統的實際運用，通過與常規器件、系統的對比分析，驗證了其優勢，給出了研究結論。它有助于推動固態器件在直升機配電系統設計的選用，有利于固態器件的推廣，為配電系統的發展提供了便利。

配電系統；固態開關；固態繼電器；固態功率控制器

0 引言

固態電子器件是指由固態不動的物質構成，且其電流載體(自由電子或空穴)也是在固態的材料中流動的元器件[1]。固態器件通常是指半導體制成的元件。

隨著固態電子學理論和材料科學的快速發展，固態電子器件在20世紀后半葉得到了飛速發展。從第一代的半控型的普通晶閘管到第二代全控型器件，固態器件已經發展到了現如今第三代的高壓大功率的固態器件[2]。

伴隨著工業的發展以及電氣系統功率需求的提高，對固態器件的要求也不斷提高，涌現出了各種新型的固態元器件。在二極管類，比如PIN二極管、肖特基二極管(Schottky Barrier Diode-SBD)。在可控型器件[3]方面，從以前的場效應晶體管(MOSFET、JFET)、雙極結型晶體管(BJT)、晶閘管(SCR)衍生出了很多新型器件，如絕緣柵雙極晶體管(IGBT)、增強柵晶體管(IEGT)、可關斷晶閘管(GTO)、MOS控制晶閘管(MCT)等。

相比于真空電子元器件與常規的機械元器件，固態電子器件具有體積小、重量輕、功耗小、可靠性高等特點，有利于提高電氣系統的微型化，是現代集成電路設計的基礎。因此，它可以廣泛應用于大規模的集成電路[4]，也可應用在其他各領域，包括微波通訊、紅外檢測、固體成像等方面。

本文從現有的文獻資料出發，結合已有的研究成果，分析了這些固態器件的工作原理、特點；結合幾種常用的固態器件在直升機配電系統中的實際應用，對其應用及優勢給出了研究結論，對固態器件在直升機配電系統中的應用具有指導意義。

1 固態開關技術

固態開關技術主要分為兩大類：場效應管(FET)和PIN二極管[5]。場效應管工作原理為創建一條通道，即耗盡層，允許電流從FET管的漏極流到源極，來實現開關的通斷功能。PIN二極管則是由高摻雜正電荷(P)材料、負電荷(N)材料以及它們之間的高固有電阻率(I)層構成。

現在市面上流行的開關有三種，分別為機械開關、真空電子開關和固態開關。固態開關與另兩者相比，其優勢在于它沒有機械零部件，但具備觸點功能，因此在電路開閉的時候不會有電弧產生，提高了使用壽命和可靠性，同時切換速度也遠高于常規開關。

固態開關在應用中也存在幾個劣勢，包括：對過電壓、過電流較為敏感；對于溫度及電子線路的抗干擾能力不足，需要采取有效措施來進行保護；成本比機械開關高。

在直升機配電系統中，固態開關已經得到了成功的應用。在某兩種機型的配電系統中，電源轉換盒已經采用了該項技術。

在常規設計方案中，電源轉換盒采用的是機械開關，在地面電源轉換到機上電源的過程中，切換時間經測量約為33ms，可以滿足GJB181A中要求的供電系統中斷供電不得超過50ms的要求。在正常的應用中，任務設備需配合儲能元件使用，來應對切換過程中出現的33ms斷電。但是在直升機系統設計中，考慮到減重的原因，往往會取消儲能元件。因此在地面電源轉機上電源的過程中，任務設備會出現黑屏、死機的問題。

采用了固態開關的新型電源轉換盒，有效地利用了固態開關切換速度快的特點(一般在微秒級)，在滿足了GJB181A中要求的供電系統中斷供電不得超過50ms要求的基礎上，既實現了減重的初衷，又從根本上解決了任務設備在外電源轉機上電源過程中出現的黑屏、死機問題，極好地實現了地面電源轉換工作模式下的不間斷供電。同時，固態開關的壽命及可靠性提高，減少了維護的工作量，有利于直升機的維護。

從該應用研究可以看出，固態開關在直升機的配電系統中具有遠大的應用前景。在實際的直升機配電系統設計中，選用固態開關需要綜合考慮固態開關的優勢與劣勢，從插入損耗、隔離度、開關速度、工作壽命以及具體所處的特殊工作環境(高沖擊、振動、高溫)等多方面考慮，適當地結合機械開關，混合使用，這樣就可以提高配電系統的總體性能，推動直升機的發展。

2 固態繼電器(SSR)

固態繼電器(Solid-State Relay，SSR)是一種全部由固態電子器件組成的無觸點開關元器件，內部無任何可動器件。它的工作原理是利用電子器件的特性(電、磁、光等)來實現輸入與輸出的有效隔離，利用諸如大功率三極管、功率場效應管以及單向或雙向可控硅等器件來達到無觸點、無火花地接通、斷開/接通被控電路等目的。

固態繼電器在具體使用時，通常配合以下三種應用電路工作[7]：

1) 輸入保護(控制)電路：為輸入控制信號提供一個回路，是固態繼電器的觸發信號源。輸入回路多為直流輸入，個別為交流輸入。

2) 驅動電路：當控制信號較小時，為保證驅動功率滿足固態繼電器的要求，可在前級增加晶體管驅動。

3)輸出保護電路：當負載為非純阻性、感性或容性時，固態繼電器很可能產生遠大于它所能承受的瞬態電壓、浪涌電流，SSR失控或永久性失效。

鑒于固態繼電器(SSR)的自身特點，與常規的機電繼電器(EMR)性能對比，主要有以下幾點優勢[8]：

1) 高壽命、高可靠性：SSR無運動零部件，決定了其壽命高、可靠性強的特性，適應于高沖擊、振動的環境；

2) 靈敏度高，控制/驅動功率小，可與大多數邏輯集成電路兼容；

3) 開關切換速度快，一般在幾毫秒至幾微妙之間；

4) 無觸點燃環及回跳，電磁干擾小，電磁兼容性好；大多數SSR是零電壓開關，減少了電流波形的突然中斷，減少了開關的瞬態效應。

SSR也存在以下幾點劣勢，在實際應用時需要綜合考慮：

1) 成本較EMR高，無法全面替代EMR的使用；

2) 導通管壓降大，導通電阻較EMR的高，因此導通后的功耗及發熱量也大；

3) 半導體器件關斷后仍有數微安～數毫安的漏電流，不能實現理想的電隔離；

4) SSR對過載較敏感，必須配合快速熔斷器或RC阻尼器使用，也導致成本提高。環境溫度升高，SSR的負載能力下降。

在目前的直升機配電系統中，SSR已得到了部分應用。在某型號防除冰系統設計方案中，主槳配電器采用了新型的固態繼電器代替傳統的機電繼電器。傳統的機電繼電器使用壽命為5000～10000次，而在防除冰系統中，主槳配電器在工作時間內要配合槳葉的旋轉保持給槳葉上的加熱組件單元供電，因此使用無觸點形式的固態繼電器可以很好地適應這樣的工作環境，有利于提高全機的可靠性。在電氣實驗室中的交直流電源模擬負載控制電路中也采用了固態繼電器，利用了其無觸點、無火花接通的優點，很好地實現了電源模擬控制。

針對固態繼電器在直升機配電系統的推廣及應用，結合已有的配電系統的研究成果，有以下幾種主要形式可供將來的直升機配電系統方案選用：電機起動開關，切換高感應負載，過壓欠壓感測器，抑制回跳的特殊功能切換開關，溫度控制器，用于相位控制的調光電路，雙電源切換。相信隨著直升機的發展，固態繼電器憑借其無可比擬的優勢，在未來的直升機配電系統中一定可以大放異彩。

3 固態功率控制器(SSPC)

固態功率控制器(Solid-State Power Controller，SSPC)，是一種全部由固體電子器件組成的新型的無觸點開關器件，是集繼電器的轉換功能和斷路器的電路保護功能于一體的固態元器件，是飛機電源和固態配電系統配套的控制負載通斷的開關裝置，可以應用于新一代的飛機高壓直流配電系統。

國外固態功率控制器在20世紀70年代已開始研制。國外在研的公司有：法國E.C.E公司、德國DILL公司、美國的DDC(Data Device Cooporation)和立奇(LEACH)。國內對SSPC的研究大部分還處于工程樣機階段。

SSPC的內部原理框圖如圖1所示。內部結構有內部輔助電源、隔離控制電路、驅動控制電路和執行及反饋電路四部分構成[9]。

圖1 SSPC內部原理框圖

內部輔助電源：由外電源輸入(+5V)經DC/DC變換而得，為SSPC提供內部工作的電源電壓；也可以起到電源隔離的作用。

隔離控制電路：作為SSPC與上位機(負載管理中心-ELMC)的輸入輸出接口部分，實現了與配電系統的狀態變換。

驅動控制電路：SSPC的核心部分，可以實現跳閘延時、短路保護、過溫保護、狀態檢測與鎖存、功率管的驅動控制等功能。

執行及反饋電路：當SSPC接收到ELMC的控制指令時，根據控制指令激勵MOSFET管導通或關斷，驅動控制電路根據電流傳感器測得的負載電流大小、MOSFET管的實時狀態解算出跳閘狀態，實現對負載線路的過流保護。

其中，電流檢測一般是通過串聯在功率電路中的電阻實現，阻值約為幾十毫歐；對于大功率的SSPC，可以通過檢測IGBT的集電極和發射極之間的電壓實現對電流的檢測，以避免檢測電阻的壓降和功耗。

若檢測結果大于設定的最大值，則立即關斷MOSFET/IGBT的驅動電路進行過流保護，否則根據I2t限制曲線對電路進行延時保護(見圖2)。

圖2 典型的SSPC的I2t保護曲線

基于固態功率控制(SSPC)的自動配電方式又稱固態配電方式。早在20世紀70年代初，美國就提出了這種固態配電方式。這種固態配電方式具有更好的性能，是今后直升機配電系統的發展趨勢。此種固態配電系統需建立電氣多路傳輸系統，由數據處理機、遠置終端、數據總線、固態功率控制器、控制/顯示裝置等部件組成。固態配電技術已成功地在運用在美國RAH-66武裝直升機、B—1B轟炸機、P—7A反潛機和其他一些武裝直升機上。

這種采用固態功率控制器的新型配電技術也已成功應用于我所研發的直升機配電系統中。圖3為某型號直升機的配電系統結構原理框圖。該系統以自動配電為主，輔以常規配電，一般和重要負載采用自動配電，關鍵負載采用常規配電。自動配電系統主要由負載監控器和ELMC(電氣負載管理中心)等組成。

負載監控器具體功能如下：

① 具有負載控制按鍵，通過按鍵可完成負載供電/斷電/復位控制指令輸出；

② 通過RS-422A總線與ELMC通訊，完成下發控制指令、接收上傳數據等操作；

③ 可通過按鍵或地面維護設備查看或重新設定各負載通道的額定電流值、正常電流值；

圖3 某型機電源自動管理系統控制結構原理框

④ 具有上電BIT、維護BIT、連續BIT功能。

ELMC(電氣負載管理中心)的具體功能如下：

①電力輸出的通/斷控制；

②產品可通過配電總線接收負載監控器下發的控制指令，來控制內部SSPC(固態功率控制器)的通/斷；

③保護供電線路；

④采用SSPC(固態功率控制器)保護供電線路及用電設備，防止因過載、短路造成的導線損壞和其它危害；

⑤檢測電力輸出的電流值和負載狀態；

⑥每個SSPC(固態功率控制器)通道均具有負載健康管理功能，實時監測負載電流，提前判斷線路完好程度；

⑦具有自主工作功能，如接收不到控制指令，則維持最后一次收到控制指令時的工作狀態；

⑧可通過RS-422A總線實現對指定SSPC(固態功率控制器)通道I2T保護曲線的編程；

⑨每個SSPC(固態功率控制器)通道的額定電流值及保護曲線可以通過軟件重新設定，在發現機上負載的額定電流設定值與實際工作狀態偏差較大時，可通過修改軟件進行解決，以提高故障保護的準確性；

⑩ 能夠存儲故障記錄，掉電后不遺失；

從圖3可以看出，在整個配電系統中，固態功率控制器提供控制負載的通斷及保護，與電氣負載管理中心 (ELMC)組成二次配電系統，實現就近區域的各類負載的供電與保護。工作時，固態功率控制器(SSPC)接收電氣負載管理中心(ELMC)的指令，從而實現對相應負載的供電和保護，并實時向電氣負載管理中心 (ELMC)反饋狀態信息，實現配電系統的信息化[10]。

通過對比常規配電系統，可以得出結論，配電系統采用SSPC后具有下面幾個優點：

① 就近供電，采用多路傳輸技術，系統電線長度和重量將大大減少；

② 提高了人機工效，減輕了飛行人員的負擔，避免了由于誤操作引起的事故，縮短了負載監控時間；

③ SSPC通過與ELMC、PSP的搭配使用，可完成所需要的控制和監控功能，可提高配電系統的效率和可靠性；有序地加載與卸載，避免了多個大容量負載同時突加或突卸，改善了供電品質；

④ 固態功率控制器具有接通斷開負載、實現電路故障保護和提供開關狀態信息的功能，保護作用通過直接檢測電流來實現，而不是熱保護方式，改善了保護選擇性。

因此，可以得到結論，新型的固態功率控制器(SSPC)在配電系統中具有廣闊的應用前景，固態功率控制器將成為新型直升機配電系統必不可缺的一部分。

4 結論

本文從固態器件在配電系統的應用研究出發，介紹了固態器件的優勢與發展，并著重研究了固態開關技術以及固態繼電器、固態功率控制器的原理與組成，通過與常規器件的對比分析總結了其優勢，最后結合到直升機配電系統中，分析了其具體應用并得出結論，可以為固態器件在配電系統的設計及器件的選用起一定的推動作用，有利于固態器件的推廣，為未來的配電系統的發展提供便利。

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Research of Solid Sate Devices’ Application in Helicopter Power Supply Distribution system

HU Shuicai

(Navy Aviation Military Representative Office in Jingdezhen Region, Jingdezhen 333002, China)

The aim of this article was to make a research about solid state devices’ application in helicopter’s power supply distribution system. At beginning, it introduced the development of solid state devices. Then, it analyzed principles and components of solid state switch technique、solid state relay and solid state power controller; By studying heir concrete application in power supply distribution system in helicopter and comparing with general devices or systems, it made a research conclusion and gives their advantage. So it could accelerate solid state devices applying in power supply distribution system; and was helpful for solid state devices’ spreading, and gave convenient to power supply distribution system’s development in future.

power supply distribution system; solid state switch; solid state relay; solid state power controller

2014-10-08

胡水才(1976-)，男，江西樂平人，本科，工程師，主要研究方向：直升機質量控制。

1673-1220(2015)01-039-05

V242.4

A