國(guó)外固態(tài)功率控制器概況

朱 煜

(陜西群力電工有限責(zé)任公司，陜西寶雞721300)

1 引言

近年來(lái)，由于飛機(jī)用電設(shè)備的增加和自動(dòng)化程度的提高，已經(jīng)提出多電飛機(jī)、全電飛機(jī)的研究(1991年美國(guó)國(guó)防部和國(guó)家航空與航天局開始立項(xiàng)發(fā)展全電飛機(jī))，多電飛機(jī)、全電飛機(jī)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(jī)載電源、高可靠及容錯(cuò)能力的配電技術(shù)等方面。固態(tài)配電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了配電系統(tǒng)的高度自動(dòng)化、智能化和對(duì)電氣負(fù)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(jiǎn)單，維護(hù)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(guò)流斷路器的功能，是一種新型的控制部件，在國(guó)外(尤其是在美國(guó))，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(jī)、戰(zhàn)車及其它裝備的配電系統(tǒng)，其開關(guān)速度快、無(wú)電弧、電磁干擾小、可靠性高以及便于計(jì)算機(jī)控制的特點(diǎn)得到了軍方的認(rèn)可，近幾年發(fā)展很快，市場(chǎng)需求旺盛。筆者收集了部分國(guó)外該類產(chǎn)品的資料，針對(duì)其工作原理、產(chǎn)品性能、技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r等方面資料為大家作簡(jiǎn)要介紹。

2 定義及分類

固態(tài)功率控制器(Solid State Power Controllers，簡(jiǎn)稱SSPC)是一種由半導(dǎo)體器件組成的集各種保護(hù)、狀態(tài)指示和復(fù)位多功能組合于一體具有控制功率通斷能力的無(wú)觸點(diǎn)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(hù)功能于一體的智能開關(guān)部件，實(shí)現(xiàn)了斷路器由可動(dòng)觸點(diǎn)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(kuò)展了斷路器的功能而產(chǎn)生的一種復(fù)合式部件。其特點(diǎn)是采用功率MOSFET輸出、導(dǎo)通電壓降低，跳閘時(shí)間受控于過(guò)載電流，具有短路保護(hù)、過(guò)流保護(hù)和跳閘、負(fù)載狀態(tài)指示功能，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和在線檢測(cè)，使得SSPC具有無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)電弧、無(wú)噪聲、開關(guān)速度快、電磁干擾小、壽命長(zhǎng)、可靠性高以及便于計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制等優(yōu)點(diǎn)。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(guò)載保護(hù)，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(xì)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(xì)分為:單相交流固態(tài)功率控制器(飛機(jī)交流電源為115V/400Hz)，三相交流固態(tài)功率控制器(飛機(jī)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(guò)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(hù)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(cè)部分組成。控制和邏輯部分從上位機(jī)接收控制指令，根據(jù)接收的指令激勵(lì)開關(guān)部件閉合或斷開，同時(shí)依據(jù)SSPC的狀態(tài)和來(lái)自電流檢測(cè)部件的信息，向上位機(jī)提供負(fù)載狀態(tài)、開關(guān)狀態(tài)和跳閘信號(hào)。電流檢測(cè)部分測(cè)定負(fù)載電流的大小，如果存在過(guò)流，電流感受部件就向控制和邏輯部件發(fā)送跳閘信號(hào)。固態(tài)開關(guān)部分采用功率MOSFET或IGBT作為開關(guān)，實(shí)現(xiàn)對(duì)外接負(fù)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(cè)一般是通過(guò)串聯(lián)在功率輸出電路的檢測(cè)電阻或電流傳感器(霍爾元件)實(shí)現(xiàn)，也可采用以上兩者雙重采樣檢測(cè)。檢測(cè)電阻通常為幾毫歐至數(shù)十毫歐，根據(jù)負(fù)載電流選取。對(duì)于采用IGBT作為輸出開關(guān)器件的大功率SSPC，可以通過(guò)檢測(cè)IGBT集電極和發(fā)射極之間的電壓對(duì)電流進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)于檢測(cè)的電流信號(hào)通常采取差分放大，與設(shè)定的電流值比較，若檢測(cè)電流大于設(shè)定電流的最大值，驅(qū)動(dòng)電路立即關(guān)斷輸出功率器件，實(shí)現(xiàn)短路保護(hù)(立即跳閘保護(hù))功能;若檢測(cè)電流在最大保護(hù)電流和最小保護(hù)電流之間時(shí)，根據(jù)設(shè)定的曲線實(shí)現(xiàn)I2t反時(shí)限保護(hù)。

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(dāng)負(fù)載電流較大時(shí)，相應(yīng)的保護(hù)時(shí)間就較短。這也說(shuō)明I2t保護(hù)對(duì)于配電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)作為一定值，它真實(shí)地反映了配電系統(tǒng)線路的熱量累計(jì)情況，SSPC具有該特性就不會(huì)出現(xiàn)超過(guò)該值可能會(huì)導(dǎo)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(guó)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(guò)負(fù)載保護(hù)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(guò)負(fù)載保護(hù)和短路保護(hù)功能，反饋負(fù)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(fù)載電流在60A以上，采用先進(jìn)的微處理器和功率MOSFET技術(shù)，適合于切換各種性質(zhì)的負(fù)載，具有過(guò)負(fù)載保護(hù)和短路保護(hù)功能，并具有BIT檢查啟動(dòng)和整個(gè)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(hào)及狀態(tài)反饋信號(hào)采用標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)尺寸和接口，單路負(fù)載電流在25A～40A，多路輸出，具有過(guò)負(fù)載保護(hù)和短路保護(hù)功能，并具有BIT檢查啟動(dòng)和整個(gè)工作過(guò)程中的關(guān)鍵特性，引出采用標(biāo)準(zhǔn)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(gè)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(fù)載電流，每種均為多路輸出，各個(gè)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(diǎn)。該類SSPC還具有擴(kuò)展的BIT功能，檢查啟動(dòng)、連續(xù)工作過(guò)程中的關(guān)鍵特性，其信號(hào)采用標(biāo)準(zhǔn)多種雙重?cái)?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(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范

對(duì)于固態(tài)功率控制器美軍標(biāo)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(guó)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(shuō)該類產(chǎn)品在國(guó)外存在執(zhí)行兩種總規(guī)范的情況。

5 國(guó)外廠商主要產(chǎn)品簡(jiǎn)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(hù)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(shí)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(hù)和一級(jí)和二級(jí)功率分配。產(chǎn)品主要特性有:多組輸出通道，負(fù)載電流10:1可編程，大電流負(fù)載通道可并聯(lián)應(yīng)用，通道遠(yuǎn)程控制，過(guò)負(fù)載(I2t)和短路(立即跳閘)保護(hù)，上升下降時(shí)間可控，持續(xù)的BIT監(jiān)測(cè)，遠(yuǎn)程監(jiān)控負(fù)載電流、電壓和溫度數(shù)據(jù)，測(cè)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(diǎn):測(cè)量電流、電壓、溫度對(duì)負(fù)載進(jìn)行電氣保護(hù)和監(jiān)測(cè)，通過(guò)預(yù)兆診斷和基本條件維護(hù)改善運(yùn)行狀況，通過(guò)功率預(yù)算和負(fù)載分布增強(qiáng)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(fù)載電流編程可控，負(fù)載電流達(dá)到30A，無(wú)任何散熱器時(shí)，模塊式SSPC在工作溫度范圍內(nèi)負(fù)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(dǎo)通電阻和短路及過(guò)負(fù)載流保護(hù)功能。主要產(chǎn)品如下。

6 特點(diǎn)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(kuò)展了與上位機(jī)通訊及系統(tǒng)監(jiān)控等的功能的一種復(fù)合式部件，除了具有無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)噪聲、輸出電壓降低、開關(guān)速度快、電磁干擾小、壽命長(zhǎng)、可靠性高以及便于計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制等優(yōu)點(diǎn)外，還具有以下特點(diǎn):

1)SSPC的上升或下降反應(yīng)時(shí)間可控，減少EMI，能驅(qū)動(dòng)電容性、電感性負(fù)載較復(fù)雜的負(fù)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(yùn)行監(jiān)控;

3)電流可編程，使負(fù)載控制更有靈活性;

4)可反饋BIT信息及負(fù)載狀態(tài);

5)測(cè)量電流、電壓、溫度對(duì)負(fù)載進(jìn)行電氣保護(hù)和監(jiān)測(cè);

6)通過(guò)功率預(yù)算和負(fù)載分布增強(qiáng)產(chǎn)品的工作范圍;

7)通過(guò)預(yù)兆診斷和基本條件維護(hù)改善運(yùn)行狀況;

8)通道群組功能，未來(lái)系統(tǒng)升級(jí)需要;

9)計(jì)算器遠(yuǎn)程控制，減輕機(jī)員工作負(fù)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(guò)載保護(hù)器等實(shí)現(xiàn)對(duì)用電設(shè)備的控制，這就導(dǎo)致配電線路長(zhǎng)，線路壓降大;如果配電元件故障，無(wú)法遙控獲得系統(tǒng)故障信息，難以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控和修復(fù)。采用SSPC的新型固態(tài)配電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了配電系統(tǒng)的智能化管理，對(duì)系統(tǒng)提供短路保護(hù)、可編程I2t過(guò)流保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)等更加全面的保護(hù)功能，可以根據(jù)裝備任務(wù)情況合理分配電源功率，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載的自動(dòng)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(jiǎn)單，維護(hù)方便，提升了系統(tǒng)的電磁兼容特性和配電系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。

目前，在國(guó)外新型配電技術(shù)已經(jīng)取得很大進(jìn)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(jī)械式斷路器。在車輛、飛機(jī)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(jī)空客A380、波音787、F22、F35及 AH －D64武裝直升機(jī)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(guó)軍方的認(rèn)可。

7 結(jié)束語(yǔ)

目前，國(guó)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(jī)和戰(zhàn)車，且已批量生產(chǎn);在國(guó)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(jì)方案均未經(jīng)受市場(chǎng)和實(shí)際工況的考驗(yàn)。因此，本文僅提供國(guó)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(guò)電流保護(hù)原理及應(yīng)用［M］.北京:機(jī)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(xué)碩士學(xué)位論文，2008.

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