朱 煜

(陜西群力電工有限責任公司，陜西寶雞721300)

1 引言

近年來，由于飛機用電設(shè)備的增加和自動化程度的提高，已經(jīng)提出多電飛機、全電飛機的研究(1991年美國國防部和國家航空與航天局開始立項發(fā)展全電飛機)，多電飛機、全電飛機的供電系統(tǒng)所研究的技術(shù)主要集中在具有高功率密度的機載電源、高可靠及容錯能力的配電技術(shù)等方面。固態(tài)配電系統(tǒng)實現(xiàn)了配電系統(tǒng)的高度自動化、智能化和對電氣負載的管理，系統(tǒng)關(guān)鍵之一是具有高可靠固態(tài)功率控制器，固態(tài)功率控制器的應(yīng)用，使配電系統(tǒng)操控簡單，維護方便，且大大減輕了電網(wǎng)重量。

固態(tài)功率控制器具有固體繼電器和過流斷路器的功能，是一種新型的控制部件，在國外(尤其是在美國)，該類控制器已經(jīng)經(jīng)歷了一定的發(fā)展，多家知名公司生產(chǎn)的控制器已經(jīng)成功應(yīng)用于飛機、戰(zhàn)車及其它裝備的配電系統(tǒng)，其開關(guān)速度快、無電弧、電磁干擾小、可靠性高以及便于計算機控制的特點得到了軍方的認可，近幾年發(fā)展很快，市場需求旺盛。筆者收集了部分國外該類產(chǎn)品的資料，針對其工作原理、產(chǎn)品性能、技術(shù)發(fā)展狀況等方面資料為大家作簡要介紹。

2 定義及分類

固態(tài)功率控制器(Solid State Power Controllers，簡稱SSPC)是一種由半導體器件組成的集各種保護、狀態(tài)指示和復位多功能組合于一體具有控制功率通斷能力的無觸點開關(guān)部件。它是集繼電器的切換功能和斷路器的電路保護功能于一體的智能開關(guān)部件，實現(xiàn)了斷路器由可動觸點形式向固體靜態(tài)形式的發(fā)展。

固態(tài)功率控制器是在智能固體繼電器的基礎(chǔ)之上擴展了斷路器的功能而產(chǎn)生的一種復合式部件。其特點是采用功率MOSFET輸出、導通電壓降低，跳閘時間受控于過載電流，具有短路保護、過流保護和跳閘、負載狀態(tài)指示功能，易于實現(xiàn)自動控制和在線檢測，使得SSPC具有無觸點、無電弧、無噪聲、開關(guān)速度快、電磁干擾小、壽命長、可靠性高以及便于計算機遠程控制等優(yōu)點。SSPC主要用于武器系統(tǒng)的主電源及分系統(tǒng)電源的控制開關(guān)和過載保護，因而可應(yīng)用于航天、航空、艦船、兵器、電子等各類軍事裝備中。

按照供電系統(tǒng)電源的不同，固態(tài)功率控制器分為:(1)直流固態(tài)功率控制器，細分為:28V直流固態(tài)功率控制器和270V高壓直流固態(tài)功率控制器;(2)交流固態(tài)功率控制器，細分為:單相交流固態(tài)功率控制器(飛機交流電源為115V/400Hz)，三相交流固態(tài)功率控制器(飛機交流電源為208V/400Hz)。

按照輸出電路組數(shù)的不同，固態(tài)功率控制器分為:單路輸出固態(tài)功率控制器和多路輸出固態(tài)功率控制器。

固態(tài)功率控制器的控制電路在發(fā)展過程中經(jīng)歷了傳統(tǒng)的模擬電路和數(shù)字智能電路，按照控制電路的不同，分為模擬式固態(tài)功率控制器和數(shù)字式固態(tài)功率控制器。

3 工作原理及結(jié)構(gòu)

3.1 工作原理

固態(tài)功率控制器(SSPC)是集斷路器線路保護功能和固態(tài)繼電器可靠性于一體的智能開關(guān)裝置。它一般由控制和邏輯部分、固態(tài)開關(guān)部分和電流檢測部分組成?？刂坪瓦壿嫴糠謴纳衔粰C接收控制指令，根據(jù)接收的指令激勵開關(guān)部件閉合或斷開，同時依據(jù)SSPC的狀態(tài)和來自電流檢測部件的信息，向上位機提供負載狀態(tài)、開關(guān)狀態(tài)和跳閘信號。電流檢測部分測定負載電流的大小，如果存在過流，電流感受部件就向控制和邏輯部件發(fā)送跳閘信號。固態(tài)開關(guān)部分采用功率MOSFET或IGBT作為開關(guān)，實現(xiàn)對外接負載的通斷控制。其原理框圖見圖1。

圖1 原理框圖

SSPC的電流檢測一般是通過串聯(lián)在功率輸出電路的檢測電阻或電流傳感器(霍爾元件)實現(xiàn)，也可采用以上兩者雙重采樣檢測。檢測電阻通常為幾毫歐至數(shù)十毫歐，根據(jù)負載電流選取。對于采用IGBT作為輸出開關(guān)器件的大功率SSPC，可以通過檢測IGBT集電極和發(fā)射極之間的電壓對電流進行檢測。對于檢測的電流信號通常采取差分放大，與設(shè)定的電流值比較，若檢測電流大于設(shè)定電流的最大值，驅(qū)動電路立即關(guān)斷輸出功率器件，實現(xiàn)短路保護(立即跳閘保護)功能;若檢測電流在最大保護電流和最小保護電流之間時，根據(jù)設(shè)定的曲線實現(xiàn)I2t反時限保護。

圖2是LEACH公司的P150系列SSPC跳閘特性曲線。從圖中可以看出，當負載電流較大時，相應(yīng)的保護時間就較短。這也說明I2t保護對于配電系統(tǒng)來說作為一定值，它真實地反映了配電系統(tǒng)線路的熱量累計情況，SSPC具有該特性就不會出現(xiàn)超過該值可能會導致配電線路損壞的現(xiàn)象。

圖2 I2t特性曲線

3.2 封裝與結(jié)構(gòu)

從國外廠商生產(chǎn)的SSPC產(chǎn)品分析，主要有以下封裝和結(jié)構(gòu)。

1)超小型熔焊密封結(jié)構(gòu)見圖3。該類SSPC具有過負載保護和輸出狀態(tài)反饋功能，內(nèi)部采用厚膜電路組裝元器件與管帽封裝在金屬殼體內(nèi)。

圖3 超小型熔焊密封結(jié)構(gòu)

2)小型熔焊密封結(jié)構(gòu)見圖4。該類SSPC具有過負載保護和短路保護功能，反饋負載電流、電壓狀態(tài)和跳閘狀態(tài)信息，內(nèi)部控制電路采用厚膜電路組裝元器件和陶瓷覆銅電路組裝功率輸出器件，兩部分組裝在管殼內(nèi)與蓋板封焊在金屬殼體內(nèi)。

圖4 小型熔焊密封結(jié)構(gòu)

3)模塊型封裝結(jié)構(gòu)見圖5。該類為大功率SSPC，單路負載電流在60A以上，采用先進的微處理器和功率MOSFET技術(shù)，適合于切換各種性質(zhì)的負載，具有過負載保護和短路保護功能，并具有BIT檢查啟動和整個工作工程中的關(guān)鍵特性，輸出開關(guān)采用壓接螺栓接口，輸入信號及狀態(tài)反饋信號采用標準的數(shù)字接口。

圖5 模塊型封裝結(jié)構(gòu)

4)板卡式結(jié)構(gòu)見圖6。該類卡板式SSPC為標準尺寸和接口，單路負載電流在25A～40A，多路輸出，具有過負載保護和短路保護功能，并具有BIT檢查啟動和整個工作過程中的關(guān)鍵特性，引出采用標準接口。該類SSPC一般用于配電系統(tǒng)電源控制柜，作為某功能的一個插件。

圖6 板卡式結(jié)構(gòu)

5)集成控制盒式封裝結(jié)構(gòu)見圖7。該類為多路SSPC，有幾種負載電流，每種均為多路輸出，各個通道是相互絕緣的并行通道，輸出電流可編程，具有10%～100%通道最大電流的變化范圍。所以，該類SSPC具有電流適應(yīng)范圍廣和多路輸出通道的特點。該類SSPC還具有擴展的BIT功能，檢查啟動、連續(xù)工作過程中的關(guān)鍵特性，其信號采用標準多種雙重數(shù)據(jù)線，可選擇不同類型的數(shù)據(jù)線，如MILSTD －1553D、ARINC429、ARINC485、RS －232/422和CAN(J1939)等數(shù)據(jù)線，可滿足各種需求。

圖7 集成控制盒式封裝結(jié)構(gòu)

4 產(chǎn)品執(zhí)行的標準和規(guī)范

對于固態(tài)功率控制器美軍標有相應(yīng)的通用規(guī)范，即MIL－P－81653B(14 February 1980)固態(tài)功率控制器總規(guī)范(MILITARY SPECIFICATION POWER CONTROLLER，SOLID STATE，GENERAL SPECIFICATION FOR)。該規(guī)范為1980年2月14日發(fā)布，用于代替1974年8月30日發(fā)布的MIL－P－81653A。雖然有相應(yīng)的總規(guī)范，但是部分國外廠商(如TELEDYNE公司)也采用MIL－PRF－28750作為該類產(chǎn)品的總規(guī)范，MIL－PRF－28750是固體繼電器總規(guī)范(PERFORMANCE SPECIFICATION RELAYS，SOLID － STATE，GENERAL SPECIFICATION FOR)，最新版的是 MIL－PRF－28750E，MIL－PRF－28750D與我們的GJB1515A－2001固體繼電器總規(guī)范相同。所以說該類產(chǎn)品在國外存在執(zhí)行兩種總規(guī)范的情況。

5 國外廠商主要產(chǎn)品簡介

TELEDYNE公司是超小型密封電磁繼電器和固態(tài)開關(guān)產(chǎn)品制造商，生產(chǎn)該類產(chǎn)品已有幾十年，其早期的小型智能固體繼電器具有短路保護和跳閘狀態(tài)功能。近幾年，生產(chǎn)了小型SSPC產(chǎn)品，主要產(chǎn)品如下。

LEACH公司是平衡旋轉(zhuǎn)式銜鐵結(jié)構(gòu)和平衡力結(jié)構(gòu)電磁繼電器、螺線管式和功率型接觸器、晶體罩繼電器和時間繼電器的專業(yè)生產(chǎn)廠商，其生產(chǎn)的主要SSPC產(chǎn)品如下。

DDC公司為全球最大的SSPC供應(yīng)商之一。其板卡、模塊和部件式SSPC產(chǎn)品可用作智能開關(guān)、電路保護和一級和二級功率分配。產(chǎn)品主要特性有:多組輸出通道，負載電流10:1可編程，大電流負載通道可并聯(lián)應(yīng)用，通道遠程控制，過負載(I2t)和短路(立即跳閘)保護，上升下降時間可控，持續(xù)的BIT監(jiān)測，遠程監(jiān)控負載電流、電壓和溫度數(shù)據(jù)，測量精度在5%以內(nèi)，功耗低等，其主要產(chǎn)品如下。

Sensitron公司生產(chǎn)的SSPC產(chǎn)品結(jié)合了電磁斷路器、固態(tài)繼電器的功能和系統(tǒng)監(jiān)控的功能外，還具有以下優(yōu)點:測量電流、電壓、溫度對負載進行電氣保護和監(jiān)測，通過預兆診斷和基本條件維護改善運行狀況，通過功率預算和負載分布增強產(chǎn)品的工作范圍。其生產(chǎn)的SPDP系列SSPC產(chǎn)品在5:1的范圍內(nèi)負載電流編程可控，負載電流達到30A，無任何散熱器時，模塊式SSPC在工作溫度范圍內(nèi)負載電流不降額。其主要產(chǎn)品如下。

Magic公司的系列SSPC產(chǎn)品是一種TTL控制的具有可編程跳閘特性的功率開關(guān)，提供低導通電阻和短路及過負載流保護功能。主要產(chǎn)品如下。

6 特點及應(yīng)用

固態(tài)功率控制器是結(jié)合了電磁斷路器和固態(tài)繼電器的功能并擴展了與上位機通訊及系統(tǒng)監(jiān)控等的功能的一種復合式部件，除了具有無觸點、無噪聲、輸出電壓降低、開關(guān)速度快、電磁干擾小、壽命長、可靠性高以及便于計算機遠程控制等優(yōu)點外，還具有以下特點:

1)SSPC的上升或下降反應(yīng)時間可控，減少EMI，能驅(qū)動電容性、電感性負載較復雜的負載，具有較佳的MTBF;

2)接通和關(guān)斷電流狀態(tài)輸出，便于系統(tǒng)運行監(jiān)控;

3)電流可編程，使負載控制更有靈活性;

4)可反饋BIT信息及負載狀態(tài);

5)測量電流、電壓、溫度對負載進行電氣保護和監(jiān)測;

6)通過功率預算和負載分布增強產(chǎn)品的工作范圍;

7)通過預兆診斷和基本條件維護改善運行狀況;

8)通道群組功能，未來系統(tǒng)升級需要;

9)計算器遠程控制，減輕機員工作負荷。

在常規(guī)配電系統(tǒng)中，配電裝置主要采用繼電器、接觸器、斷路器、過載保護器等實現(xiàn)對用電設(shè)備的控制，這就導致配電線路長，線路壓降大;如果配電元件故障，無法遙控獲得系統(tǒng)故障信息，難以對系統(tǒng)進行監(jiān)控和修復。采用SSPC的新型固態(tài)配電系統(tǒng)實現(xiàn)了配電系統(tǒng)的智能化管理，對系統(tǒng)提供短路保護、可編程I2t過流保護、過熱保護、過壓保護等更加全面的保護功能，可以根據(jù)裝備任務(wù)情況合理分配電源功率，實現(xiàn)對負載的自動管理，采用SSPC可以減少了配電系統(tǒng)的器件數(shù)量、重量和成本，使配電系統(tǒng)操控簡單，維護方便，提升了系統(tǒng)的電磁兼容特性和配電系統(tǒng)運行可靠性。

目前，在國外新型配電技術(shù)已經(jīng)取得很大進展，SSPC產(chǎn)品已廣泛應(yīng)用于航空、航天、艦船、裝甲車輛等交直流配電系統(tǒng)，能夠完全替代傳統(tǒng)的機械式斷路器。在車輛、飛機或飛船、船舶、能源勘探設(shè)備、通信通訊及救援車輛等方面SSPC用于裝備系統(tǒng)主電源及分系統(tǒng)電源的控制開關(guān)。在新型飛機空客A380、波音787、F22、F35及 AH －D64武裝直升機和M1A2及M2戰(zhàn)車上SSPC產(chǎn)品已得到應(yīng)用，其中DDC 公司的28V、80A SSPC 產(chǎn)品、28V、0.5A ～25A SSPC產(chǎn)品和多通道板卡SSPC產(chǎn)品已被廣泛應(yīng)用于M1A2及M2Bradley坦克上，產(chǎn)品性能得到美國軍方的認可。

7 結(jié)束語

目前，國外生產(chǎn)SSPC的廠商有十幾家，其產(chǎn)品已經(jīng)成功應(yīng)用于新型飛機和戰(zhàn)車，且已批量生產(chǎn);在國內(nèi)也有廠家在研制該類產(chǎn)品，但其SSPC產(chǎn)品還沒有成功列裝且批量供貨。由于該技術(shù)正處于研制期，其工作原理、設(shè)計方案均未經(jīng)受市場和實際工況的考驗。因此，本文僅提供國外SSPC的概況，僅供大家參考。

［1］ MIL － P － 81653B，POWER CONTROLLER，SOLID STATE，GENERAL SPECIFICATION FOR(固態(tài)功率控制器通用技術(shù)規(guī)范)［S］.1980.

［2］ 徐懋生等編著.過電流保護原理及應(yīng)用［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2011.

［3］ 李敏.直流固態(tài)功率控制器的研究［D］.南京:南京航空航天大學碩士學位論文，2008.

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