飞机直流28V固态功率控制器（SSPC）的研发设计

李剑+吴晓辉

【摘 要】 本文介绍了一种航空级直流28V固态功率控制器的设计方法，阐述了固态功率控制器的主要组成部分、功能、特点和未来的发展应用。

【关键词】 固态功率控制器 电力MOSFET

1 引言

随着全电/多电飞机的发展，国内、外先进飞机的配电系统已由常规配电向固态配电发展。常规配电采用热保护开关、继电器、接触器、断路器等机电式器件对负载控制，其优点是技术成熟、器件工作稳定，缺点是电路过流、短路等故障响应慢，不能实现负载的自动管理。因此必须采用新技术实现配电系统的匹配发展，固态配电技术应运而生，该技术以微型计算机为控制中心，通过多路传输和固态功率控制器（SSPC）来控制和保护负载，这种配电方式大大提高了配电系统的自动化和可靠性，实现了负载的自动管理功能，是今后配电系统的发展趋势。

2 固态配电技术

固态配电技术的核心器件是固态功率控制器（SSPC），早在20世纪70年代，国外就开始研究SSPC，但多年后仍未得到实际应用，主要原因是半导体三极管的通态压降较大。近几年来，随着电力电子器件的发展，功率MOS器件有突破性进展，为SSPC的发展打下了基础，特别是功率MOSFET管的发展，它驱动功率小，无二次击穿且具有自均流能力，具有优良的动态特性。在直流电源系统中，由于没有交流系统的电流过零点特性，电流通断瞬间对配电系统影响很大，因此使用SSPC对负载进行控制，能够解决常规配电系统中电路转换、保护方面的缺陷问题。

3 固态功率控制器（SSPC）研发设计

固态功率控制器作为先进飞机配电系统中的重要配电设备，主要用于接通或关断用电设备的电源，同时还具有过载保护功能和自检测功能，指示负载是否已经发生跳闸或出现了故障，取代了常规配电的机械开关、继电器和热断路器。SSPC能够实现负载的快速接通和断开，内部没有活动部件，无机械磨损，不产生电弧；过载时按“反延时”特性跳闸，具有电气隔离措施，抗干扰能力强，其性能大大优于常规配电，本文针对直流28V、电流不超过10A的负载进行研究设计。

3.1 SSPC的组成

固态功率控制器（SSPC）主要由控制和逻辑部件、固态开关部件和电流感受部件组成。各组成部分主要完成：控制和逻辑部件通过总线接受指令信号，并根据接受的指令激励开关部件断开或闭合，依据SSPC的状态和来自电流感受部件的信息，控制和逻辑部件提供状态信号；固态开关部件由固态电子元件组成的无触点开关，用于接通和断开电路；电流感受部件测定负载电流的大小，通过总线将电流信息上传，如果判断负载过电流，将发送跳闸信号。固态功率控制器功能框图如图1所示。

固态功率控制器（SSPC）可为28V，不大于10A的负载提供控制和馈电线保护，实现功能如下：通过总线接收控制计算机发出的控制指令，并准确动作；对每个供电通道的电流值进行分别判断，并将电流大小通过总线反馈；过流时，自动保护，并进行断电恢复；具有良好的电磁兼容性和可靠性；设计体积小型化，便于小空间的安装。

3.2 SSPC的设备选型

3.2.1 控制器

固态功率控制器采用单片机为内核，开关执行器件BTS6142D芯片，硬件电路包括微处理器最小电路、RS485电平转换电路、光耦隔离输出电路、模拟量输入电路等。

SSPC具有8路数字量输出和8路模拟量输出，数据采集模块i-87017W：8通道差分输入模拟量采集，通过功率控制器板上的采样电阻获取电流参数。数据采集模块i-8069PW：8通道的PhotoMOS继电器输出。功率控制板：单个控制板包含4路负载控制，控制端连接控制计算机，输入端和输出端连接外部负载，保护电路的关键作用就是在负载（特别是容性负载）接通时，减小电流冲击。

3.2.2 电力MOSFET管

固态功率控制器（SSPC）的开关执行器件选用N沟道增强型MOSFET管，MOSFET管的基本特性：非常小的漏电流、单级型电流控制、良好的电磁兼容性、感性负载迅速去磁。其优点如下：单极型控制，驱动电路简单；没有电荷存储效应，工作速度快；没有二次击穿失效机理，温度越高耐力越强，发生热击穿的可能性越低；具有自关断能力，安全工作区宽。

MOSFET管的导通电阻具有正的温度特性，可自动调节电流，易于并联应用。BTS6142D芯片的额定工作电流为7A，如果负载工作电流大于7A时，芯片则不能满足负载功率。出于对系统的扩展性、可靠性，以及减小MOSFET承受能力方面的考虑，可以采用多路MOSFET并联工作的方式。采用此方式：一方面可以减小流过每个MOSFET的负载电流，使其工作在理想的条件下；另一方面，可以提高SSPC工作的可靠性，当一个MOSFET出现故障，不至于使整个SSPC失效。

4 试验及结论

SSPC通过理论研究，提出具体设计方案，目前已制作出小型模块，下一步需进行功能验证试验。地面试验设备主要有：28V直流稳压电源、SSPC、负载、电流表等。试验内容包括：单路负载过流自保护，自恢复验证；双路并联过流自保护，自恢复验证；负载过压自保护，自恢复验证；负载欠压自保护，自恢复验证；长时间工作可靠性验证。

通过地面试验验证，SSPC的远程逻辑控制正确，负载过流、欠压保护响应速度快，自保护功能强，能够长时间保持运行可靠。

5 应用前景

直流28V固态功率控制器（SSPC）的研制，突破了传统的配电模式，实现了负载的自动管理和远程控制，大大提高了配电系统的可靠性，达到一个质的飞跃，为未来航空飞机的固态配电系统实现打下基础，后续可进一步研发交流115V、高压直流270V的SSPC。

参考文献：

[1]吴晓辉.分布式智能配电系统.工程硕士学位论文.2012.endprint

【摘 要】 本文介绍了一种航空级直流28V固态功率控制器的设计方法，阐述了固态功率控制器的主要组成部分、功能、特点和未来的发展应用。

【关键词】 固态功率控制器 电力MOSFET

1 引言

随着全电/多电飞机的发展，国内、外先进飞机的配电系统已由常规配电向固态配电发展。常规配电采用热保护开关、继电器、接触器、断路器等机电式器件对负载控制，其优点是技术成熟、器件工作稳定，缺点是电路过流、短路等故障响应慢，不能实现负载的自动管理。因此必须采用新技术实现配电系统的匹配发展，固态配电技术应运而生，该技术以微型计算机为控制中心，通过多路传输和固态功率控制器（SSPC）来控制和保护负载，这种配电方式大大提高了配电系统的自动化和可靠性，实现了负载的自动管理功能，是今后配电系统的发展趋势。

2 固态配电技术

固态配电技术的核心器件是固态功率控制器（SSPC），早在20世纪70年代，国外就开始研究SSPC，但多年后仍未得到实际应用，主要原因是半导体三极管的通态压降较大。近几年来，随着电力电子器件的发展，功率MOS器件有突破性进展，为SSPC的发展打下了基础，特别是功率MOSFET管的发展，它驱动功率小，无二次击穿且具有自均流能力，具有优良的动态特性。在直流电源系统中，由于没有交流系统的电流过零点特性，电流通断瞬间对配电系统影响很大，因此使用SSPC对负载进行控制，能够解决常规配电系统中电路转换、保护方面的缺陷问题。

3 固态功率控制器（SSPC）研发设计

固态功率控制器作为先进飞机配电系统中的重要配电设备，主要用于接通或关断用电设备的电源，同时还具有过载保护功能和自检测功能，指示负载是否已经发生跳闸或出现了故障，取代了常规配电的机械开关、继电器和热断路器。SSPC能够实现负载的快速接通和断开，内部没有活动部件，无机械磨损，不产生电弧；过载时按“反延时”特性跳闸，具有电气隔离措施，抗干扰能力强，其性能大大优于常规配电，本文针对直流28V、电流不超过10A的负载进行研究设计。

3.1 SSPC的组成

固态功率控制器（SSPC）主要由控制和逻辑部件、固态开关部件和电流感受部件组成。各组成部分主要完成：控制和逻辑部件通过总线接受指令信号，并根据接受的指令激励开关部件断开或闭合，依据SSPC的状态和来自电流感受部件的信息，控制和逻辑部件提供状态信号；固态开关部件由固态电子元件组成的无触点开关，用于接通和断开电路；电流感受部件测定负载电流的大小，通过总线将电流信息上传，如果判断负载过电流，将发送跳闸信号。固态功率控制器功能框图如图1所示。

固态功率控制器（SSPC）可为28V，不大于10A的负载提供控制和馈电线保护，实现功能如下：通过总线接收控制计算机发出的控制指令，并准确动作；对每个供电通道的电流值进行分别判断，并将电流大小通过总线反馈；过流时，自动保护，并进行断电恢复；具有良好的电磁兼容性和可靠性；设计体积小型化，便于小空间的安装。

3.2 SSPC的设备选型

3.2.1 控制器

固态功率控制器采用单片机为内核，开关执行器件BTS6142D芯片，硬件电路包括微处理器最小电路、RS485电平转换电路、光耦隔离输出电路、模拟量输入电路等。

SSPC具有8路数字量输出和8路模拟量输出，数据采集模块i-87017W：8通道差分输入模拟量采集，通过功率控制器板上的采样电阻获取电流参数。数据采集模块i-8069PW：8通道的PhotoMOS继电器输出。功率控制板：单个控制板包含4路负载控制，控制端连接控制计算机，输入端和输出端连接外部负载，保护电路的关键作用就是在负载（特别是容性负载）接通时，减小电流冲击。

3.2.2 电力MOSFET管

固态功率控制器（SSPC）的开关执行器件选用N沟道增强型MOSFET管，MOSFET管的基本特性：非常小的漏电流、单级型电流控制、良好的电磁兼容性、感性负载迅速去磁。其优点如下：单极型控制，驱动电路简单；没有电荷存储效应，工作速度快；没有二次击穿失效机理，温度越高耐力越强，发生热击穿的可能性越低；具有自关断能力，安全工作区宽。

MOSFET管的导通电阻具有正的温度特性，可自动调节电流，易于并联应用。BTS6142D芯片的额定工作电流为7A，如果负载工作电流大于7A时，芯片则不能满足负载功率。出于对系统的扩展性、可靠性，以及减小MOSFET承受能力方面的考虑，可以采用多路MOSFET并联工作的方式。采用此方式：一方面可以减小流过每个MOSFET的负载电流，使其工作在理想的条件下；另一方面，可以提高SSPC工作的可靠性，当一个MOSFET出现故障，不至于使整个SSPC失效。

4 试验及结论

SSPC通过理论研究，提出具体设计方案，目前已制作出小型模块，下一步需进行功能验证试验。地面试验设备主要有：28V直流稳压电源、SSPC、负载、电流表等。试验内容包括：单路负载过流自保护，自恢复验证；双路并联过流自保护，自恢复验证；负载过压自保护，自恢复验证；负载欠压自保护，自恢复验证；长时间工作可靠性验证。

通过地面试验验证，SSPC的远程逻辑控制正确，负载过流、欠压保护响应速度快，自保护功能强，能够长时间保持运行可靠。

5 应用前景

直流28V固态功率控制器（SSPC）的研制，突破了传统的配电模式，实现了负载的自动管理和远程控制，大大提高了配电系统的可靠性，达到一个质的飞跃，为未来航空飞机的固态配电系统实现打下基础，后续可进一步研发交流115V、高压直流270V的SSPC。

参考文献：

[1]吴晓辉.分布式智能配电系统.工程硕士学位论文.2012.endprint

【摘 要】 本文介绍了一种航空级直流28V固态功率控制器的设计方法，阐述了固态功率控制器的主要组成部分、功能、特点和未来的发展应用。

【关键词】 固态功率控制器 电力MOSFET

1 引言

随着全电/多电飞机的发展，国内、外先进飞机的配电系统已由常规配电向固态配电发展。常规配电采用热保护开关、继电器、接触器、断路器等机电式器件对负载控制，其优点是技术成熟、器件工作稳定，缺点是电路过流、短路等故障响应慢，不能实现负载的自动管理。因此必须采用新技术实现配电系统的匹配发展，固态配电技术应运而生，该技术以微型计算机为控制中心，通过多路传输和固态功率控制器（SSPC）来控制和保护负载，这种配电方式大大提高了配电系统的自动化和可靠性，实现了负载的自动管理功能，是今后配电系统的发展趋势。

2 固态配电技术

固态配电技术的核心器件是固态功率控制器（SSPC），早在20世纪70年代，国外就开始研究SSPC，但多年后仍未得到实际应用，主要原因是半导体三极管的通态压降较大。近几年来，随着电力电子器件的发展，功率MOS器件有突破性进展，为SSPC的发展打下了基础，特别是功率MOSFET管的发展，它驱动功率小，无二次击穿且具有自均流能力，具有优良的动态特性。在直流电源系统中，由于没有交流系统的电流过零点特性，电流通断瞬间对配电系统影响很大，因此使用SSPC对负载进行控制，能够解决常规配电系统中电路转换、保护方面的缺陷问题。

3 固态功率控制器（SSPC）研发设计

固态功率控制器作为先进飞机配电系统中的重要配电设备，主要用于接通或关断用电设备的电源，同时还具有过载保护功能和自检测功能，指示负载是否已经发生跳闸或出现了故障，取代了常规配电的机械开关、继电器和热断路器。SSPC能够实现负载的快速接通和断开，内部没有活动部件，无机械磨损，不产生电弧；过载时按“反延时”特性跳闸，具有电气隔离措施，抗干扰能力强，其性能大大优于常规配电，本文针对直流28V、电流不超过10A的负载进行研究设计。

3.1 SSPC的组成

固态功率控制器（SSPC）主要由控制和逻辑部件、固态开关部件和电流感受部件组成。各组成部分主要完成：控制和逻辑部件通过总线接受指令信号，并根据接受的指令激励开关部件断开或闭合，依据SSPC的状态和来自电流感受部件的信息，控制和逻辑部件提供状态信号；固态开关部件由固态电子元件组成的无触点开关，用于接通和断开电路；电流感受部件测定负载电流的大小，通过总线将电流信息上传，如果判断负载过电流，将发送跳闸信号。固态功率控制器功能框图如图1所示。

固态功率控制器（SSPC）可为28V，不大于10A的负载提供控制和馈电线保护，实现功能如下：通过总线接收控制计算机发出的控制指令，并准确动作；对每个供电通道的电流值进行分别判断，并将电流大小通过总线反馈；过流时，自动保护，并进行断电恢复；具有良好的电磁兼容性和可靠性；设计体积小型化，便于小空间的安装。

3.2 SSPC的设备选型

3.2.1 控制器

固态功率控制器采用单片机为内核，开关执行器件BTS6142D芯片，硬件电路包括微处理器最小电路、RS485电平转换电路、光耦隔离输出电路、模拟量输入电路等。

SSPC具有8路数字量输出和8路模拟量输出，数据采集模块i-87017W：8通道差分输入模拟量采集，通过功率控制器板上的采样电阻获取电流参数。数据采集模块i-8069PW：8通道的PhotoMOS继电器输出。功率控制板：单个控制板包含4路负载控制，控制端连接控制计算机，输入端和输出端连接外部负载，保护电路的关键作用就是在负载（特别是容性负载）接通时，减小电流冲击。

3.2.2 电力MOSFET管

固态功率控制器（SSPC）的开关执行器件选用N沟道增强型MOSFET管，MOSFET管的基本特性：非常小的漏电流、单级型电流控制、良好的电磁兼容性、感性负载迅速去磁。其优点如下：单极型控制，驱动电路简单；没有电荷存储效应，工作速度快；没有二次击穿失效机理，温度越高耐力越强，发生热击穿的可能性越低；具有自关断能力，安全工作区宽。

MOSFET管的导通电阻具有正的温度特性，可自动调节电流，易于并联应用。BTS6142D芯片的额定工作电流为7A，如果负载工作电流大于7A时，芯片则不能满足负载功率。出于对系统的扩展性、可靠性，以及减小MOSFET承受能力方面的考虑，可以采用多路MOSFET并联工作的方式。采用此方式：一方面可以减小流过每个MOSFET的负载电流，使其工作在理想的条件下；另一方面，可以提高SSPC工作的可靠性，当一个MOSFET出现故障，不至于使整个SSPC失效。

4 试验及结论

SSPC通过理论研究，提出具体设计方案，目前已制作出小型模块，下一步需进行功能验证试验。地面试验设备主要有：28V直流稳压电源、SSPC、负载、电流表等。试验内容包括：单路负载过流自保护，自恢复验证；双路并联过流自保护，自恢复验证；负载过压自保护，自恢复验证；负载欠压自保护，自恢复验证；长时间工作可靠性验证。

通过地面试验验证，SSPC的远程逻辑控制正确，负载过流、欠压保护响应速度快，自保护功能强，能够长时间保持运行可靠。

5 应用前景

直流28V固态功率控制器（SSPC）的研制，突破了传统的配电模式，实现了负载的自动管理和远程控制，大大提高了配电系统的可靠性，达到一个质的飞跃，为未来航空飞机的固态配电系统实现打下基础，后续可进一步研发交流115V、高压直流270V的SSPC。

参考文献：

[1]吴晓辉.分布式智能配电系统.工程硕士学位论文.2012.endprint