国外固态功率控制器概况

2014-03-05朱煜

机电元件 2014年5期

朱煜

(陕西群力电工有限责任公司，陕西宝鸡721300)

1 引言

近年来，由于飞机用电设备的增加和自动化程度的提高，已经提出多电飞机、全电飞机的研究(1991年美国国防部和国家航空与航天局开始立项发展全电飞机)，多电飞机、全电飞机的供电系统所研究的技术主要集中在具有高功率密度的机载电源、高可靠及容错能力的配电技术等方面。固态配电系统实现了配电系统的高度自动化、智能化和对电气负载的管理，系统关键之一是具有高可靠固态功率控制器，固态功率控制器的应用，使配电系统操控简单，维护方便，且大大减轻了电网重量。

固态功率控制器具有固体继电器和过流断路器的功能，是一种新型的控制部件，在国外(尤其是在美国)，该类控制器已经经历了一定的发展，多家知名公司生产的控制器已经成功应用于飞机、战车及其它装备的配电系统，其开关速度快、无电弧、电磁干扰小、可靠性高以及便于计算机控制的特点得到了军方的认可，近几年发展很快，市场需求旺盛。笔者收集了部分国外该类产品的资料，针对其工作原理、产品性能、技术发展状况等方面资料为大家作简要介绍。

2 定义及分类

固态功率控制器(Solid State Power Controllers，简称SSPC)是一种由半导体器件组成的集各种保护、状态指示和复位多功能组合于一体具有控制功率通断能力的无触点开关部件。它是集继电器的切换功能和断路器的电路保护功能于一体的智能开关部件，实现了断路器由可动触点形式向固体静态形式的发展。

固态功率控制器是在智能固体继电器的基础之上扩展了断路器的功能而产生的一种复合式部件。其特点是采用功率MOSFET输出、导通电压降低，跳闸时间受控于过载电流，具有短路保护、过流保护和跳闸、负载状态指示功能，易于实现自动控制和在线检测，使得SSPC具有无触点、无电弧、无噪声、开关速度快、电磁干扰小、寿命长、可靠性高以及便于计算机远程控制等优点。SSPC主要用于武器系统的主电源及分系统电源的控制开关和过载保护，因而可应用于航天、航空、舰船、兵器、电子等各类军事装备中。

按照供电系统电源的不同，固态功率控制器分为:(1)直流固态功率控制器，细分为:28V直流固态功率控制器和270V高压直流固态功率控制器;(2)交流固态功率控制器，细分为:单相交流固态功率控制器(飞机交流电源为115V/400Hz)，三相交流固态功率控制器(飞机交流电源为208V/400Hz)。

按照输出电路组数的不同，固态功率控制器分为:单路输出固态功率控制器和多路输出固态功率控制器。

固态功率控制器的控制电路在发展过程中经历了传统的模拟电路和数字智能电路，按照控制电路的不同，分为模拟式固态功率控制器和数字式固态功率控制器。

3 工作原理及结构

3.1 工作原理

固态功率控制器(SSPC)是集断路器线路保护功能和固态继电器可靠性于一体的智能开关装置。它一般由控制和逻辑部分、固态开关部分和电流检测部分组成。控制和逻辑部分从上位机接收控制指令，根据接收的指令激励开关部件闭合或断开，同时依据SSPC的状态和来自电流检测部件的信息，向上位机提供负载状态、开关状态和跳闸信号。电流检测部分测定负载电流的大小，如果存在过流，电流感受部件就向控制和逻辑部件发送跳闸信号。固态开关部分采用功率MOSFET或IGBT作为开关，实现对外接负载的通断控制。其原理框图见图1。

图1 原理框图

SSPC的电流检测一般是通过串联在功率输出电路的检测电阻或电流传感器(霍尔元件)实现，也可采用以上两者双重采样检测。检测电阻通常为几毫欧至数十毫欧，根据负载电流选取。对于采用IGBT作为输出开关器件的大功率SSPC，可以通过检测IGBT集电极和发射极之间的电压对电流进行检测。对于检测的电流信号通常采取差分放大，与设定的电流值比较，若检测电流大于设定电流的最大值，驱动电路立即关断输出功率器件，实现短路保护(立即跳闸保护)功能;若检测电流在最大保护电流和最小保护电流之间时，根据设定的曲线实现I2t反时限保护。

图2是LEACH公司的P150系列SSPC跳闸特性曲线。从图中可以看出，当负载电流较大时，相应的保护时间就较短。这也说明I2t保护对于配电系统来说作为一定值，它真实地反映了配电系统线路的热量累计情况，SSPC具有该特性就不会出现超过该值可能会导致配电线路损坏的现象。

图2 I2t特性曲线

3.2 封装与结构

从国外厂商生产的SSPC产品分析，主要有以下封装和结构。

1)超小型熔焊密封结构见图3。该类SSPC具有过负载保护和输出状态反馈功能，内部采用厚膜电路组装元器件与管帽封装在金属壳体内。

图3 超小型熔焊密封结构

2)小型熔焊密封结构见图4。该类SSPC具有过负载保护和短路保护功能，反馈负载电流、电压状态和跳闸状态信息，内部控制电路采用厚膜电路组装元器件和陶瓷覆铜电路组装功率输出器件，两部分组装在管壳内与盖板封焊在金属壳体内。

图4 小型熔焊密封结构

3)模块型封装结构见图5。该类为大功率SSPC，单路负载电流在60A以上，采用先进的微处理器和功率MOSFET技术，适合于切换各种性质的负载，具有过负载保护和短路保护功能，并具有BIT检查启动和整个工作工程中的关键特性，输出开关采用压接螺栓接口，输入信号及状态反馈信号采用标准的数字接口。

图5 模块型封装结构

4)板卡式结构见图6。该类卡板式SSPC为标准尺寸和接口，单路负载电流在25A～40A，多路输出，具有过负载保护和短路保护功能，并具有BIT检查启动和整个工作过程中的关键特性，引出采用标准接口。该类SSPC一般用于配电系统电源控制柜，作为某功能的一个插件。

图6 板卡式结构

5)集成控制盒式封装结构见图7。该类为多路SSPC，有几种负载电流，每种均为多路输出，各个通道是相互绝缘的并行通道，输出电流可编程，具有10%～100%通道最大电流的变化范围。所以，该类SSPC具有电流适应范围广和多路输出通道的特点。该类SSPC还具有扩展的BIT功能，检查启动、连续工作过程中的关键特性，其信号采用标准多种双重数据线，可选择不同类型的数据线，如MILSTD －1553D、ARINC429、ARINC485、RS －232/422和CAN(J1939)等数据线，可满足各种需求。

图7 集成控制盒式封装结构

4 产品执行的标准和规范

对于固态功率控制器美军标有相应的通用规范，即MIL－P－81653B(14 February 1980)固态功率控制器总规范(MILITARY SPECIFICATION POWER CONTROLLER，SOLID STATE，GENERAL SPECIFICATION FOR)。该规范为1980年2月14日发布，用于代替1974年8月30日发布的MIL－P－81653A。虽然有相应的总规范，但是部分国外厂商(如TELEDYNE公司)也采用MIL－PRF－28750作为该类产品的总规范，MIL－PRF－28750是固体继电器总规范(PERFORMANCE SPECIFICATION RELAYS，SOLID － STATE，GENERAL SPECIFICATION FOR)，最新版的是 MIL－PRF－28750E，MIL－PRF－28750D与我们的GJB1515A－2001固体继电器总规范相同。所以说该类产品在国外存在执行两种总规范的情况。

5 国外厂商主要产品简介

TELEDYNE公司是超小型密封电磁继电器和固态开关产品制造商，生产该类产品已有几十年，其早期的小型智能固体继电器具有短路保护和跳闸状态功能。近几年，生产了小型SSPC产品，主要产品如下。

LEACH公司是平衡旋转式衔铁结构和平衡力结构电磁继电器、螺线管式和功率型接触器、晶体罩继电器和时间继电器的专业生产厂商，其生产的主要SSPC产品如下。

DDC公司为全球最大的SSPC供应商之一。其板卡、模块和部件式SSPC产品可用作智能开关、电路保护和一级和二级功率分配。产品主要特性有:多组输出通道，负载电流10:1可编程，大电流负载通道可并联应用，通道远程控制，过负载(I2t)和短路(立即跳闸)保护，上升下降时间可控，持续的BIT监测，远程监控负载电流、电压和温度数据，测量精度在5%以内，功耗低等，其主要产品如下。

Sensitron公司生产的SSPC产品结合了电磁断路器、固态继电器的功能和系统监控的功能外，还具有以下优点:测量电流、电压、温度对负载进行电气保护和监测，通过预兆诊断和基本条件维护改善运行状况，通过功率预算和负载分布增强产品的工作范围。其生产的SPDP系列SSPC产品在5:1的范围内负载电流编程可控，负载电流达到30A，无任何散热器时，模块式SSPC在工作温度范围内负载电流不降额。其主要产品如下。

Magic公司的系列SSPC产品是一种TTL控制的具有可编程跳闸特性的功率开关，提供低导通电阻和短路及过负载流保护功能。主要产品如下。

6 特点及应用

固态功率控制器是结合了电磁断路器和固态继电器的功能并扩展了与上位机通讯及系统监控等的功能的一种复合式部件，除了具有无触点、无噪声、输出电压降低、开关速度快、电磁干扰小、寿命长、可靠性高以及便于计算机远程控制等优点外，还具有以下特点:

1)SSPC的上升或下降反应时间可控，减少EMI，能驱动电容性、电感性负载较复杂的负载，具有较佳的MTBF;

2)接通和关断电流状态输出，便于系统运行监控;

3)电流可编程，使负载控制更有灵活性;

4)可反馈BIT信息及负载状态;

5)测量电流、电压、温度对负载进行电气保护和监测;

6)通过功率预算和负载分布增强产品的工作范围;

7)通过预兆诊断和基本条件维护改善运行状况;

8)通道群组功能，未来系统升级需要;

9)计算器远程控制，减轻机员工作负荷。

在常规配电系统中，配电装置主要采用继电器、接触器、断路器、过载保护器等实现对用电设备的控制，这就导致配电线路长，线路压降大;如果配电元件故障，无法遥控获得系统故障信息，难以对系统进行监控和修复。采用SSPC的新型固态配电系统实现了配电系统的智能化管理，对系统提供短路保护、可编程I2t过流保护、过热保护、过压保护等更加全面的保护功能，可以根据装备任务情况合理分配电源功率，实现对负载的自动管理，采用SSPC可以减少了配电系统的器件数量、重量和成本，使配电系统操控简单，维护方便，提升了系统的电磁兼容特性和配电系统运行可靠性。

目前，在国外新型配电技术已经取得很大进展，SSPC产品已广泛应用于航空、航天、舰船、装甲车辆等交直流配电系统，能够完全替代传统的机械式断路器。在车辆、飞机或飞船、船舶、能源勘探设备、通信通讯及救援车辆等方面SSPC用于装备系统主电源及分系统电源的控制开关。在新型飞机空客A380、波音787、F22、F35及 AH －D64武装直升机和M1A2及M2战车上SSPC产品已得到应用，其中DDC 公司的28V、80A SSPC 产品、28V、0.5A ～25A SSPC产品和多通道板卡SSPC产品已被广泛应用于M1A2及M2Bradley坦克上，产品性能得到美国军方的认可。