基于功率MOSFET的供電狀態(tài)轉(zhuǎn)換技術研究

左向梅，武 亮

（中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089）

1 研究背景

隨著飛行試驗任務要求的不斷提高，不僅系統(tǒng)的用電需求不斷增加，而且越來越多的測試設備需在飛行階段滿足不間斷供電。現(xiàn)階段試飛改裝應急供電系統(tǒng)設計主要采用兩種方式，一種是轉(zhuǎn)換供電，即通過接觸器切換供電通道的方式，在飛機給測試系統(tǒng)供電異常時切換到蓄電瓶供電模式。這種方式的優(yōu)點是蓄電瓶的電能不會出現(xiàn)損壞，缺點是轉(zhuǎn)換過程中測試設備會出現(xiàn)短時掉電，造成試飛測試數(shù)據(jù)丟失。另一種方式為飛機電源與蓄電瓶同時向測試系統(tǒng)供電，優(yōu)點是飛機供電出現(xiàn)異常時，蓄電瓶能不間斷地為測試設備供電，不會出現(xiàn)掉電現(xiàn)象；缺點是如果蓄電瓶電壓高于飛機端電壓，會出現(xiàn)蓄電瓶先耗電的情況，這樣導致飛機供電異常時蓄電瓶由于電量低而無法滿足測試設備用電需求的情況[1]。

2 基于功率MOSFET的供電狀態(tài)轉(zhuǎn)換技術

MOSFET和普通的晶體三極管相比，有以下四項優(yōu)點：（1）輸入阻抗高，驅(qū)動功率小，功率MOSFET導通后，它的驅(qū)動電流幾乎為0；（2）開關速度快；（3）無二次擊穿；（4）MOSFET導通后特性呈純阻性，且阻值小，導通壓降低[2]。

基于上述功率MOSFET的優(yōu)點，文章提出了一種基于功率MOSFET及電解電容的大電流不間斷供電狀態(tài)轉(zhuǎn)換技術，并研制了供電狀態(tài)轉(zhuǎn)換器。該技術核心為使用大功率電子開關代替?zhèn)鹘y(tǒng)接觸器，引入電解電容，使得電解電容處入在線狀態(tài)，蓄電瓶處于備用狀態(tài)，通過實時監(jiān)控飛機供電狀態(tài)來控制電子開關，在飛機供電異常時自動切斷飛機供電通道，并接通蓄電瓶供電通道，且在電子開關轉(zhuǎn)換過程中由電解電容為關鍵測試設備供電，保證關鍵設備的不間斷供電。供電狀態(tài)轉(zhuǎn)換器主要由電壓檢測單元、控制采集單元、輔助電源單元、儲能單元、電子開關組成。通過控制單元監(jiān)測飛機供電狀態(tài)，在機載28V供電異常時，電壓檢測單元判斷機上電壓低于25V或接收到可供電信號無效時，反饋指令信號切斷機載28V供電，并接通電子開關使用電設備切換到蓄電瓶供電，電子開關轉(zhuǎn)換過程中由電解電容為關鍵測試設備供電；當監(jiān)測到機載電壓回升至25V且可供電信號有效時，接通機載28V供電，同時斷開電子開關，切斷蓄電瓶供電，關鍵設備繼續(xù)由機載28V電源供電，以此保證用電設備的不間斷供電。其原理如圖1所示。

圖1 供電狀態(tài)轉(zhuǎn)換器原理圖

2.1 電壓檢測單元

電壓檢測單元是邏輯控制單元，通過運算放大器作用，施加三級管基級正向電壓，導通三級管，使光耦輸出驅(qū)動電子開關導通，從而接通蓄電瓶給設備供電。

2.2 控制單元

控制單元主要包括系統(tǒng)初始化模塊、自檢模塊、控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、總線通訊模塊。自檢模塊用于轉(zhuǎn)換器的自檢，判斷設備內(nèi)部接口或單元是否工作正常。

2.3 電子開關（功率MOSFET）

電子開關是狀態(tài)轉(zhuǎn)換器的功率通斷控制器件，具有反應速度快的特點（傳統(tǒng)接觸器動作時間大約為50ms）；接觸器的開關次數(shù)一般為500次，而電子開關的動作時間為ns級，開關次數(shù)遠遠大于接觸器的開關次數(shù)。文章選用型號NCEP85T35T功率MOSFET作為轉(zhuǎn)換器的開關器件，為提高系統(tǒng)可靠性，選用3組MOSFET并聯(lián)使用，內(nèi)阻為3.7Ω。

2.4 輔助電源單元

輔助電源單元是為轉(zhuǎn)換器控制單元、電子開關、電壓檢測單元提供工作電源的器件，輔助電源的輸入由機載輸入28V提供。考慮到機載電源電壓變動的因素，選取具有輸入范圍寬的電源模塊，在輸入6～60V時，可穩(wěn)定輸出+12V，為MOSFET和檢測電路、控制單元供電。

2.5 儲能單元(電解電容)

儲能單元是轉(zhuǎn)換器中為滿足因電子開關通斷需要一定的反應時間，補償電容可以保證電子開關在動作之前對用電設備的不間斷供電。文章選用電解電容作為補充電容。電子開關反應時間不大于1μs，經(jīng)計算，補償電容僅需2只50V/10000μF的電解電容，減輕電源的體積和重量，滿足用電需求[3]。

3 不間斷應急供電系統(tǒng)設計

文章將上述基于功率器件的供電狀態(tài)器與改裝標準配電裝置組成一套適用于大電流要求的通用測試改裝不間斷應急供電系統(tǒng)，系統(tǒng)原理如圖2所示。

試驗結果證明，該系統(tǒng)可滿足機上電源供電異常時自動切換到蓄電瓶為關鍵設備供電的功能，且轉(zhuǎn)換器件

圖2 不間斷應急供電系統(tǒng)原理圖

4 試驗分析

4.1 試驗方法

上電后選擇自動模式，完成電容充電程序，觀察轉(zhuǎn)換器顯示狀態(tài)；調(diào)節(jié)地面直流電源電壓緩慢從28V降至0V，監(jiān)測記錄系統(tǒng)正常轉(zhuǎn)應急供電過程，觀察轉(zhuǎn)換器狀態(tài)顯示；1min后，調(diào)節(jié)地面電源電壓上升至25V以上，監(jiān)測系統(tǒng)應急轉(zhuǎn)正常供電過程。

4.2 試驗結果

按上述試驗方法進行試驗，上電選擇自動模式后，當?shù)孛嬷绷麟娫措妷旱陀?5V時，正常供電指示燈熄滅，應急供電指示燈亮；1min后，當?shù)孛骐娫措妷夯謴椭?5V時，應急供電指示燈滅，正常供電指示燈亮。幾個關鍵時刻負載端電壓值如表1、表2所示。從表1中可以看出，當直流電源電壓高于25V時，一般負載和關鍵負載電壓正常，當直流電源電壓低于25V時，一般負載掉電，關鍵負載端電壓未低于22V，且電壓值穩(wěn)定。從表2可以看出，當直流電源從低電壓恢復至25V時，一般負載恢復供電，期間關鍵負載端電壓未低于22V。關鍵負載供電不間斷，電壓符合要求。經(jīng)多次反復試驗驗證，該不間斷應急供電系統(tǒng)運行正常，邏輯正確，滿足使用需求。

表1 自動模式正常轉(zhuǎn)應急供電過程

表2 自動模式應急轉(zhuǎn)正常供電過程

5 總結與展望

文章針對目前試飛過程中對改裝應急供電系統(tǒng)提出的新需求，提出了一種將功率MOSFET與電解電容相結合的供電狀態(tài)轉(zhuǎn)換技術，并研制出供電狀態(tài)轉(zhuǎn)換器，與已有的改裝標準配電裝置組成一套不間斷應急供電系統(tǒng)，實現(xiàn)試飛改裝中大電流關鍵負載的不間斷應急供電。通過試驗驗證了該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、控制有效，具有在飛機測試供電系統(tǒng)中應用的前景。后續(xù)將進一步進行裝機試驗，驗證系統(tǒng)裝機運行功能是否滿足要求。