固态器件在直升机配电系统的应用研究

胡水才

(海军驻景德镇地区航空军事代表室，江西 景德镇 333000)



固态器件在直升机配电系统的应用研究

胡水才

(海军驻景德镇地区航空军事代表室，江西 景德镇 333000)

从介绍固态器件的发展出发，重点分析了固态开关技术，固态继电器、固态功率控制器的原理及组成，结合在直升机配电系统的实际运用，通过与常规器件、系统的对比分析，验证了其优势，给出了研究结论。它有助于推动固态器件在直升机配电系统设计的选用，有利于固态器件的推广，为配电系统的发展提供了便利。

配电系统；固态开关；固态继电器；固态功率控制器

0 引言

固态电子器件是指由固态不动的物质构成，且其电流载体(自由电子或空穴)也是在固态的材料中流动的元器件[1]。固态器件通常是指半导体制成的元件。

随着固态电子学理论和材料科学的快速发展，固态电子器件在20世纪后半叶得到了飞速发展。从第一代的半控型的普通晶闸管到第二代全控型器件，固态器件已经发展到了现如今第三代的高压大功率的固态器件[2]。

伴随着工业的发展以及电气系统功率需求的提高，对固态器件的要求也不断提高，涌现出了各种新型的固态元器件。在二极管类，比如PIN二极管、肖特基二极管(Schottky Barrier Diode-SBD)。在可控型器件[3]方面，从以前的场效应晶体管(MOSFET、JFET)、双极结型晶体管(BJT)、晶闸管(SCR)衍生出了很多新型器件，如绝缘栅双极晶体管(IGBT)、增强栅晶体管(IEGT)、可关断晶闸管(GTO)、MOS控制晶闸管(MCT)等。

相比于真空电子元器件与常规的机械元器件，固态电子器件具有体积小、重量轻、功耗小、可靠性高等特点，有利于提高电气系统的微型化，是现代集成电路设计的基础。因此，它可以广泛应用于大规模的集成电路[4]，也可应用在其他各领域，包括微波通讯、红外检测、固体成像等方面。

本文从现有的文献资料出发，结合已有的研究成果，分析了这些固态器件的工作原理、特点；结合几种常用的固态器件在直升机配电系统中的实际应用，对其应用及优势给出了研究结论，对固态器件在直升机配电系统中的应用具有指导意义。

1 固态开关技术

固态开关技术主要分为两大类：场效应管(FET)和PIN二极管[5]。场效应管工作原理为创建一条通道，即耗尽层，允许电流从FET管的漏极流到源极，来实现开关的通断功能。PIN二极管则是由高掺杂正电荷(P)材料、负电荷(N)材料以及它们之间的高固有电阻率(I)层构成。

现在市面上流行的开关有三种，分别为机械开关、真空电子开关和固态开关。固态开关与另两者相比，其优势在于它没有机械零部件，但具备触点功能，因此在电路开闭的时候不会有电弧产生，提高了使用寿命和可靠性，同时切换速度也远高于常规开关。

固态开关在应用中也存在几个劣势，包括：对过电压、过电流较为敏感；对于温度及电子线路的抗干扰能力不足，需要采取有效措施来进行保护；成本比机械开关高。

在直升机配电系统中，固态开关已经得到了成功的应用。在某两种机型的配电系统中，电源转换盒已经采用了该项技术。

在常规设计方案中，电源转换盒采用的是机械开关，在地面电源转换到机上电源的过程中，切换时间经测量约为33ms，可以满足GJB181A中要求的供电系统中断供电不得超过50ms的要求。在正常的应用中，任务设备需配合储能元件使用，来应对切换过程中出现的33ms断电。但是在直升机系统设计中，考虑到减重的原因，往往会取消储能元件。因此在地面电源转机上电源的过程中，任务设备会出现黑屏、死机的问题。

采用了固态开关的新型电源转换盒，有效地利用了固态开关切换速度快的特点(一般在微秒级)，在满足了GJB181A中要求的供电系统中断供电不得超过50ms要求的基础上，既实现了减重的初衷，又从根本上解决了任务设备在外电源转机上电源过程中出现的黑屏、死机问题，极好地实现了地面电源转换工作模式下的不间断供电。同时，固态开关的寿命及可靠性提高，减少了维护的工作量，有利于直升机的维护。

从该应用研究可以看出，固态开关在直升机的配电系统中具有远大的应用前景。在实际的直升机配电系统设计中，选用固态开关需要综合考虑固态开关的优势与劣势，从插入损耗、隔离度、开关速度、工作寿命以及具体所处的特殊工作环境(高冲击、振动、高温)等多方面考虑，适当地结合机械开关，混合使用，这样就可以提高配电系统的总体性能，推动直升机的发展。

2 固态继电器(SSR)

固态继电器(Solid-State Relay，SSR)是一种全部由固态电子器件组成的无触点开关元器件，内部无任何可动器件。它的工作原理是利用电子器件的特性(电、磁、光等)来实现输入与输出的有效隔离，利用诸如大功率三极管、功率场效应管以及单向或双向可控硅等器件来达到无触点、无火花地接通、断开/接通被控电路等目的。

固态继电器在具体使用时，通常配合以下三种应用电路工作[7]：

1) 输入保护(控制)电路：为输入控制信号提供一个回路，是固态继电器的触发信号源。输入回路多为直流输入，个别为交流输入。

2) 驱动电路：当控制信号较小时，为保证驱动功率满足固态继电器的要求，可在前级增加晶体管驱动。

3)输出保护电路：当负载为非纯阻性、感性或容性时，固态继电器很可能产生远大于它所能承受的瞬态电压、浪涌电流，SSR失控或永久性失效。

鉴于固态继电器(SSR)的自身特点，与常规的机电继电器(EMR)性能对比，主要有以下几点优势[8]：

1) 高寿命、高可靠性：SSR无运动零部件，决定了其寿命高、可靠性强的特性，适应于高冲击、振动的环境；

2) 灵敏度高，控制/驱动功率小，可与大多数逻辑集成电路兼容；

3) 开关切换速度快，一般在几毫秒至几微妙之间；

4) 无触点燃环及回跳，电磁干扰小，电磁兼容性好；大多数SSR是零电压开关，减少了电流波形的突然中断，减少了开关的瞬态效应。

SSR也存在以下几点劣势，在实际应用时需要综合考虑：

1) 成本较EMR高，无法全面替代EMR的使用；

2) 导通管压降大，导通电阻较EMR的高，因此导通后的功耗及发热量也大；

3) 半导体器件关断后仍有数微安～数毫安的漏电流，不能实现理想的电隔离；

4) SSR对过载较敏感，必须配合快速熔断器或RC阻尼器使用，也导致成本提高。环境温度升高，SSR的负载能力下降。

在目前的直升机配电系统中，SSR已得到了部分应用。在某型号防除冰系统设计方案中，主桨配电器采用了新型的固态继电器代替传统的机电继电器。传统的机电继电器使用寿命为5000～10000次，而在防除冰系统中，主桨配电器在工作时间内要配合桨叶的旋转保持给桨叶上的加热组件单元供电，因此使用无触点形式的固态继电器可以很好地适应这样的工作环境，有利于提高全机的可靠性。在电气实验室中的交直流电源模拟负载控制电路中也采用了固态继电器，利用了其无触点、无火花接通的优点，很好地实现了电源模拟控制。

针对固态继电器在直升机配电系统的推广及应用，结合已有的配电系统的研究成果，有以下几种主要形式可供将来的直升机配电系统方案选用：电机起动开关，切换高感应负载，过压欠压感测器，抑制回跳的特殊功能切换开关，温度控制器，用于相位控制的调光电路，双电源切换。相信随着直升机的发展，固态继电器凭借其无可比拟的优势，在未来的直升机配电系统中一定可以大放异彩。

3 固态功率控制器(SSPC)

固态功率控制器(Solid-State Power Controller，SSPC)，是一种全部由固体电子器件组成的新型的无触点开关器件，是集继电器的转换功能和断路器的电路保护功能于一体的固态元器件，是飞机电源和固态配电系统配套的控制负载通断的开关装置，可以应用于新一代的飞机高压直流配电系统。

国外固态功率控制器在20世纪70年代已开始研制。国外在研的公司有：法国E.C.E公司、德国DILL公司、美国的DDC(Data Device Cooporation)和立奇(LEACH)。国内对SSPC的研究大部分还处于工程样机阶段。

SSPC的内部原理框图如图1所示。内部结构有内部辅助电源、隔离控制电路、驱动控制电路和执行及反馈电路四部分构成[9]。

图1 SSPC内部原理框图

内部辅助电源：由外电源输入(+5V)经DC/DC变换而得，为SSPC提供内部工作的电源电压；也可以起到电源隔离的作用。

隔离控制电路：作为SSPC与上位机(负载管理中心-ELMC)的输入输出接口部分，实现了与配电系统的状态变换。

驱动控制电路：SSPC的核心部分，可以实现跳闸延时、短路保护、过温保护、状态检测与锁存、功率管的驱动控制等功能。

执行及反馈电路：当SSPC接收到ELMC的控制指令时，根据控制指令激励MOSFET管导通或关断，驱动控制电路根据电流传感器测得的负载电流大小、MOSFET管的实时状态解算出跳闸状态，实现对负载线路的过流保护。

其中，电流检测一般是通过串联在功率电路中的电阻实现，阻值约为几十毫欧；对于大功率的SSPC，可以通过检测IGBT的集电极和发射极之间的电压实现对电流的检测，以避免检测电阻的压降和功耗。

若检测结果大于设定的最大值，则立即关断MOSFET/IGBT的驱动电路进行过流保护，否则根据I2t限制曲线对电路进行延时保护(见图2)。

图2 典型的SSPC的I2t保护曲线

基于固态功率控制(SSPC)的自动配电方式又称固态配电方式。早在20世纪70年代初，美国就提出了这种固态配电方式。这种固态配电方式具有更好的性能，是今后直升机配电系统的发展趋势。此种固态配电系统需建立电气多路传输系统，由数据处理机、远置终端、数据总线、固态功率控制器、控制/显示装置等部件组成。固态配电技术已成功地在运用在美国RAH-66武装直升机、B—1B轰炸机、P—7A反潜机和其他一些武装直升机上。

这种采用固态功率控制器的新型配电技术也已成功应用于我所研发的直升机配电系统中。图3为某型号直升机的配电系统结构原理框图。该系统以自动配电为主，辅以常规配电，一般和重要负载采用自动配电，关键负载采用常规配电。自动配电系统主要由负载监控器和ELMC(电气负载管理中心)等组成。

负载监控器具体功能如下：

① 具有负载控制按键，通过按键可完成负载供电/断电/复位控制指令输出；

② 通过RS-422A总线与ELMC通讯，完成下发控制指令、接收上传数据等操作；

③ 可通过按键或地面维护设备查看或重新设定各负载通道的额定电流值、正常电流值；

图3 某型机电源自动管理系统控制结构原理框

④ 具有上电BIT、维护BIT、连续BIT功能。

ELMC(电气负载管理中心)的具体功能如下：

①电力输出的通/断控制；

②产品可通过配电总线接收负载监控器下发的控制指令，来控制内部SSPC(固态功率控制器)的通/断；

③保护供电线路；

④采用SSPC(固态功率控制器)保护供电线路及用电设备，防止因过载、短路造成的导线损坏和其它危害；

⑤检测电力输出的电流值和负载状态；

⑥每个SSPC(固态功率控制器)通道均具有负载健康管理功能，实时监测负载电流，提前判断线路完好程度；

⑦具有自主工作功能，如接收不到控制指令，则维持最后一次收到控制指令时的工作状态；

⑧可通过RS-422A总线实现对指定SSPC(固态功率控制器)通道I2T保护曲线的编程；

⑨每个SSPC(固态功率控制器)通道的额定电流值及保护曲线可以通过软件重新设定，在发现机上负载的额定电流设定值与实际工作状态偏差较大时，可通过修改软件进行解决，以提高故障保护的准确性；

⑩ 能够存储故障记录，掉电后不遗失；

从图3可以看出，在整个配电系统中，固态功率控制器提供控制负载的通断及保护，与电气负载管理中心 (ELMC)组成二次配电系统，实现就近区域的各类负载的供电与保护。工作时，固态功率控制器(SSPC)接收电气负载管理中心(ELMC)的指令，从而实现对相应负载的供电和保护，并实时向电气负载管理中心 (ELMC)反馈状态信息，实现配电系统的信息化[10]。

通过对比常规配电系统，可以得出结论，配电系统采用SSPC后具有下面几个优点：

① 就近供电，采用多路传输技术，系统电线长度和重量将大大减少；

② 提高了人机工效，减轻了飞行人员的负担，避免了由于误操作引起的事故，缩短了负载监控时间；

③ SSPC通过与ELMC、PSP的搭配使用，可完成所需要的控制和监控功能，可提高配电系统的效率和可靠性；有序地加载与卸载，避免了多个大容量负载同时突加或突卸，改善了供电品质；

④ 固态功率控制器具有接通断开负载、实现电路故障保护和提供开关状态信息的功能，保护作用通过直接检测电流来实现，而不是热保护方式，改善了保护选择性。

因此，可以得到结论，新型的固态功率控制器(SSPC)在配电系统中具有广阔的应用前景，固态功率控制器将成为新型直升机配电系统必不可缺的一部分。

4 结论

本文从固态器件在配电系统的应用研究出发，介绍了固态器件的优势与发展，并着重研究了固态开关技术以及固态继电器、固态功率控制器的原理与组成，通过与常规器件的对比分析总结了其优势，最后结合到直升机配电系统中，分析了其具体应用并得出结论，可以为固态器件在配电系统的设计及器件的选用起一定的推动作用，有利于固态器件的推广，为未来的配电系统的发展提供便利。

[1] Streetman B G, Banerjee S K. Solid State Electronic Devices[M]. ISBN 978-7-115-20216-1.

[2] 蒋 超，陈海民. 电力电子器件发展概况及应用现状[J]. 电源技术, 2004(4):74-76.

[3] 石小燕，等. 大功率固态开关的发展现状[J]. 高功率微波技术,2006,14(12).

[4] 陈德桂，童伟雄. 低压电器的技术进展[C]. 中国电工技术学会低压电器专业学术年会, 1998.

[5] 朱鸿志，等. 电压瞬变对高压固态开关的影响. 信息与电子工程, 2010,8(4).

[6] 高 勇, 陈治明. 新型电力电子器件与功率集成电路最新进展[J]. 半导体技术,1997,22(6):12-15.

[7] 王明英. 固态继电器原理综述[J]. 东风航天, 1999(2).

[8] Bishop A. 固态继电器及其应用指南[J]. 机电元件, 1996(3).

[9] 赵建伟, 王 莉. 直流固态功率控制器的建模与仿真[J]. 电力电子器件, 2009, 43(9).

[10] 郑先成, 等. 航天器新型固态配电技术研究[J]. 宇航学报, 2008, 29(7).

Research of Solid Sate Devices’ Application in Helicopter Power Supply Distribution system

HU Shuicai

(Navy Aviation Military Representative Office in Jingdezhen Region, Jingdezhen 333002, China)

The aim of this article was to make a research about solid state devices’ application in helicopter’s power supply distribution system. At beginning, it introduced the development of solid state devices. Then, it analyzed principles and components of solid state switch technique、solid state relay and solid state power controller; By studying heir concrete application in power supply distribution system in helicopter and comparing with general devices or systems, it made a research conclusion and gives their advantage. So it could accelerate solid state devices applying in power supply distribution system; and was helpful for solid state devices’ spreading, and gave convenient to power supply distribution system’s development in future.

power supply distribution system; solid state switch; solid state relay; solid state power controller

2014-10-08

胡水才(1976-)，男，江西乐平人，本科，工程师，主要研究方向：直升机质量控制。

1673-1220(2015)01-039-05

V242.4

A