民用飛機配電單元概述及其功耗分析

張沁心

【摘 要】縱觀現今民用飛機的發展及現狀可以發現，飛機的用電負載越來越多，對用電量的需求也越來越大。這一現狀除了對發電系統提出了更高的要求，對于配電系統也是一個挑戰。傳統的常規配電系統已無法滿足增長的負載數量以及增大的配電需求，因此對于新型配電方式的研究十分必要。本文介紹了一種新型的自動遠程配電系統，闡述了其特性及架構，同時也通過分析給出了其關鍵部件功耗的簡要計算方式。

【關鍵詞】民用飛機；配電系統；固態功率控制器；配電單元；功率損耗

0 概述

飛機電氣系統是現代飛機的一個重要組成部分，它由供電系統和用電設備組成。其中，供電系統又可以分為電源系統和輸配電系統兩大部分[1]。隨著民用飛機的發展可以發現，飛機的用電負載數量增加，對用電量的需求也越來越大。這一現狀除了對發電系統提出了更高的要求，對于傳統的配電系統也是一個挑戰。一種更高效，更可控的配電模式是大勢所趨的。本文基于傳統的民用飛機配電系統，介紹了一種新型的自動遠程配電系統，主要闡述了其特性及架構，同時也通過分析給出了其關鍵部件功耗的簡要計算方式。

1 民用飛機配電系統簡介

飛機配電系統是現在民用飛機系統的一個重要組成部分，對于保證機載設備可靠工作、保障飛機安全飛行起著關鍵作用[2]。電源分配功能，是指電源系統將交直流電源產生的電能分配至用電設備輸入端，以支持用電設備的正常運行。

常規的配電系統采用繼電器，接觸器及斷路器等配電設備，配電線纜的敷設是從匯流條到駕駛艙的。通過駕駛艙的控制開關控制用電負載。這種配電方式較適合小型飛機。對于大型的民用飛機，若采用傳統的配電方式，會導致配電線纜的重量增加明顯。

2 配電單元（PDU）

2.1 配電單元（PDU， Power Distribution Unit）概念及其硬件構型

隨著民用飛機的不斷發展，對于獨立控制的用電負載的需求量也因此增大，配電單元的概念隨之出現。通過計算機軟件、飛機本地網絡及固態功率控制器的結合，形成了一個具有獨立性的配電單元（PDU）。這些配電單元分散在飛機中的不同位置，他們各自臨近其配電的目標負載群組。這種配電方式減輕了線纜重量，能夠更好地保護過流及電弧故障現象，斷路器的狀態與指示也是通過軟件實現控制。

每一個配電單元（PDU）包括了n個帶有固態功率控制器（SSPC， Solid State Power Controller）的AC和/或DC功率模塊（PM， Power Module）。系統的控制器發出指令，通過控制相應SSPC的通斷以實現對于電氣負載的切斷與加載。

配電單元（PDU）的構架如圖1所示。

2.2 配電單元（PDU）的限制

配電單元（PDU）的分布及數量也受到如系統設備總重量，電源與負載間距離，負載卸載模式及邏輯，系統硬件的限制等諸多的影響與限制。

參考圖1可以看出，對于配電單元（PDU）本身，其主要的限制因素來源于交直流輸入端饋電電流的限制（28V直流匯流條及115V交流匯流條端），固態功率控制器（SSPC）原件功耗的限制（功率模塊1到n中）以及內部功率控制耗散的限制（各個模塊與數據及構型控制總線之間）。為了進一步研究與了解配電模塊，下文將對其主要的功耗加以簡要的分析。

3 配電單元（PDU）功耗

3.1 固態功率控制器（SSPC）架構

固態功率控制器（SSPC）是一種“無觸點”開關。采用電力MOSFET作為軟開關[3]。它取代了陳貴配電系統中的繼電器，斷路器等器件。其優勢是響應快，電磁干擾小，可靠性高，壽命長，便于計算及遠程控制等。一個SSPC的基本結構如圖2所示。

由于其導通阻抗Ron的存在，在一個較高的環境溫度下，大電流將造成顯著的功率耗散。在高功耗的情況下，半導體的結溫將會急劇上升，最終將導致器件永久性的損壞。因此，SSPC以及所有其他的半導體設備在設計時均有一個與最高工作溫度相關的功耗限制。

3.2 配電單元（PDU）功耗定義

考慮到上述功率模塊中包含了多個SSPC通道，那么每個PDU也有其對應的功耗限制。

對于一個PDU來說，他的總功耗包括了每一個功率模塊的功耗，即為每一個功率模塊中的SSPC產生的功耗RonI2與控制功率損耗的總和。各參數定義如下：

一個SSPC的控制功率：

功率模塊的控制功率：

3.3 配電單元總功耗計算

基于上述參數設定，一個PDU的總功耗應為供電系統（PSS， Power Supply System）的功耗與所有的n個功率模塊的功耗之和：

其中，供電功率損耗包括了：處理器功率、供電效率以及控制開關功率損失。

4 結論

基于上述闡述可以看出，與傳統的配電系統相比，配電單元（PDU）在配電系統的應用將簡化配電過程，優化配電模式，提高配電效率，增強了配電系統的可控性，這使得其在民用飛機，尤其是大型民用飛機中具有很好的應用前景。基于耗散分析，后續也可對配電模式進行進一步地優化。

【參考文獻】

[1]周潔敏.飛機電氣系統.科學出版社，2010.

[2]馮建朝，任仁良，趙尊全.民用飛機配電系統的研究.測控技術，2012年第31卷第12期.

[3]Dave Proli.Overcoming Power Challenges With Power Distribution.Power Electronics Technology May 31 2012.

[4]林文，牛云，等.飛機配電系統中交流模擬固態功率控制器設計.計測技術 2005年第25卷第4期.

[5]D. Izquierdo， R. Azcona etc. Electrical Power Distribution Architecture for All Electric Aircraft. International Congress of the Aeronautical Science ICAS 2010.

[責任編輯：朱麗娜]