民用飛機(jī)配電單元概述及其功耗分析

張沁心

【摘 要】縱觀現(xiàn)今民用飛機(jī)的發(fā)展及現(xiàn)狀可以發(fā)現(xiàn)，飛機(jī)的用電負(fù)載越來越多，對(duì)用電量的需求也越來越大。這一現(xiàn)狀除了對(duì)發(fā)電系統(tǒng)提出了更高的要求，對(duì)于配電系統(tǒng)也是一個(gè)挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的常規(guī)配電系統(tǒng)已無法滿足增長的負(fù)載數(shù)量以及增大的配電需求，因此對(duì)于新型配電方式的研究十分必要。本文介紹了一種新型的自動(dòng)遠(yuǎn)程配電系統(tǒng)，闡述了其特性及架構(gòu)，同時(shí)也通過分析給出了其關(guān)鍵部件功耗的簡要計(jì)算方式。

【關(guān)鍵詞】民用飛機(jī)；配電系統(tǒng)；固態(tài)功率控制器；配電單元；功率損耗

0 概述

飛機(jī)電氣系統(tǒng)是現(xiàn)代飛機(jī)的一個(gè)重要組成部分，它由供電系統(tǒng)和用電設(shè)備組成。其中，供電系統(tǒng)又可以分為電源系統(tǒng)和輸配電系統(tǒng)兩大部分[1]。隨著民用飛機(jī)的發(fā)展可以發(fā)現(xiàn)，飛機(jī)的用電負(fù)載數(shù)量增加，對(duì)用電量的需求也越來越大。這一現(xiàn)狀除了對(duì)發(fā)電系統(tǒng)提出了更高的要求，對(duì)于傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)也是一個(gè)挑戰(zhàn)。一種更高效，更可控的配電模式是大勢(shì)所趨的。本文基于傳統(tǒng)的民用飛機(jī)配電系統(tǒng)，介紹了一種新型的自動(dòng)遠(yuǎn)程配電系統(tǒng)，主要闡述了其特性及架構(gòu)，同時(shí)也通過分析給出了其關(guān)鍵部件功耗的簡要計(jì)算方式。

1 民用飛機(jī)配電系統(tǒng)簡介

飛機(jī)配電系統(tǒng)是現(xiàn)在民用飛機(jī)系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，對(duì)于保證機(jī)載設(shè)備可靠工作、保障飛機(jī)安全飛行起著關(guān)鍵作用[2]。電源分配功能，是指電源系統(tǒng)將交直流電源產(chǎn)生的電能分配至用電設(shè)備輸入端，以支持用電設(shè)備的正常運(yùn)行。

常規(guī)的配電系統(tǒng)采用繼電器，接觸器及斷路器等配電設(shè)備，配電線纜的敷設(shè)是從匯流條到駕駛艙的。通過駕駛艙的控制開關(guān)控制用電負(fù)載。這種配電方式較適合小型飛機(jī)。對(duì)于大型的民用飛機(jī)，若采用傳統(tǒng)的配電方式，會(huì)導(dǎo)致配電線纜的重量增加明顯。

2 配電單元（PDU）

2.1 配電單元（PDU， Power Distribution Unit）概念及其硬件構(gòu)型

隨著民用飛機(jī)的不斷發(fā)展，對(duì)于獨(dú)立控制的用電負(fù)載的需求量也因此增大，配電單元的概念隨之出現(xiàn)。通過計(jì)算機(jī)軟件、飛機(jī)本地網(wǎng)絡(luò)及固態(tài)功率控制器的結(jié)合，形成了一個(gè)具有獨(dú)立性的配電單元（PDU）。這些配電單元分散在飛機(jī)中的不同位置，他們各自臨近其配電的目標(biāo)負(fù)載群組。這種配電方式減輕了線纜重量，能夠更好地保護(hù)過流及電弧故障現(xiàn)象，斷路器的狀態(tài)與指示也是通過軟件實(shí)現(xiàn)控制。

每一個(gè)配電單元（PDU）包括了n個(gè)帶有固態(tài)功率控制器（SSPC， Solid State Power Controller）的AC和/或DC功率模塊（PM， Power Module）。系統(tǒng)的控制器發(fā)出指令，通過控制相應(yīng)SSPC的通斷以實(shí)現(xiàn)對(duì)于電氣負(fù)載的切斷與加載。

配電單元（PDU）的構(gòu)架如圖1所示。

2.2 配電單元（PDU）的限制

配電單元（PDU）的分布及數(shù)量也受到如系統(tǒng)設(shè)備總重量，電源與負(fù)載間距離，負(fù)載卸載模式及邏輯，系統(tǒng)硬件的限制等諸多的影響與限制。

參考圖1可以看出，對(duì)于配電單元（PDU）本身，其主要的限制因素來源于交直流輸入端饋電電流的限制（28V直流匯流條及115V交流匯流條端），固態(tài)功率控制器（SSPC）原件功耗的限制（功率模塊1到n中）以及內(nèi)部功率控制耗散的限制（各個(gè)模塊與數(shù)據(jù)及構(gòu)型控制總線之間）。為了進(jìn)一步研究與了解配電模塊，下文將對(duì)其主要的功耗加以簡要的分析。

3 配電單元（PDU）功耗

3.1 固態(tài)功率控制器（SSPC）架構(gòu)

固態(tài)功率控制器（SSPC）是一種“無觸點(diǎn)”開關(guān)。采用電力MOSFET作為軟開關(guān)[3]。它取代了陳貴配電系統(tǒng)中的繼電器，斷路器等器件。其優(yōu)勢(shì)是響應(yīng)快，電磁干擾小，可靠性高，壽命長，便于計(jì)算及遠(yuǎn)程控制等。一個(gè)SSPC的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由于其導(dǎo)通阻抗Ron的存在，在一個(gè)較高的環(huán)境溫度下，大電流將造成顯著的功率耗散。在高功耗的情況下，半導(dǎo)體的結(jié)溫將會(huì)急劇上升，最終將導(dǎo)致器件永久性的損壞。因此，SSPC以及所有其他的半導(dǎo)體設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)均有一個(gè)與最高工作溫度相關(guān)的功耗限制。

3.2 配電單元（PDU）功耗定義

考慮到上述功率模塊中包含了多個(gè)SSPC通道，那么每個(gè)PDU也有其對(duì)應(yīng)的功耗限制。

對(duì)于一個(gè)PDU來說，他的總功耗包括了每一個(gè)功率模塊的功耗，即為每一個(gè)功率模塊中的SSPC產(chǎn)生的功耗RonI2與控制功率損耗的總和。各參數(shù)定義如下：

一個(gè)SSPC的控制功率：

功率模塊的控制功率：

3.3 配電單元總功耗計(jì)算

基于上述參數(shù)設(shè)定，一個(gè)PDU的總功耗應(yīng)為供電系統(tǒng)（PSS， Power Supply System）的功耗與所有的n個(gè)功率模塊的功耗之和：

其中，供電功率損耗包括了：處理器功率、供電效率以及控制開關(guān)功率損失。

4 結(jié)論

基于上述闡述可以看出，與傳統(tǒng)的配電系統(tǒng)相比，配電單元（PDU）在配電系統(tǒng)的應(yīng)用將簡化配電過程，優(yōu)化配電模式，提高配電效率，增強(qiáng)了配電系統(tǒng)的可控性，這使得其在民用飛機(jī)，尤其是大型民用飛機(jī)中具有很好的應(yīng)用前景?；诤纳⒎治?，后續(xù)也可對(duì)配電模式進(jìn)行進(jìn)一步地優(yōu)化。

【參考文獻(xiàn)】

[1]周潔敏.飛機(jī)電氣系統(tǒng).科學(xué)出版社，2010.

[2]馮建朝，任仁良，趙尊全.民用飛機(jī)配電系統(tǒng)的研究.測控技術(shù)，2012年第31卷第12期.

[3]Dave Proli.Overcoming Power Challenges With Power Distribution.Power Electronics Technology May 31 2012.

[4]林文，牛云，等.飛機(jī)配電系統(tǒng)中交流模擬固態(tài)功率控制器設(shè)計(jì).計(jì)測技術(shù) 2005年第25卷第4期.

[5]D. Izquierdo， R. Azcona etc. Electrical Power Distribution Architecture for All Electric Aircraft. International Congress of the Aeronautical Science ICAS 2010.

[責(zé)任編輯：朱麗娜]