基于功率MOSFET的供電狀態(tài)轉(zhuǎn)換技術(shù)研究

左向梅，武 亮

（中國飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089）

1 研究背景

隨著飛行試驗(yàn)任務(wù)要求的不斷提高，不僅系統(tǒng)的用電需求不斷增加，而且越來越多的測試設(shè)備需在飛行階段滿足不間斷供電?，F(xiàn)階段試飛改裝應(yīng)急供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要采用兩種方式，一種是轉(zhuǎn)換供電，即通過接觸器切換供電通道的方式，在飛機(jī)給測試系統(tǒng)供電異常時(shí)切換到蓄電瓶供電模式。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是蓄電瓶的電能不會出現(xiàn)損壞，缺點(diǎn)是轉(zhuǎn)換過程中測試設(shè)備會出現(xiàn)短時(shí)掉電，造成試飛測試數(shù)據(jù)丟失。另一種方式為飛機(jī)電源與蓄電瓶同時(shí)向測試系統(tǒng)供電，優(yōu)點(diǎn)是飛機(jī)供電出現(xiàn)異常時(shí)，蓄電瓶能不間斷地為測試設(shè)備供電，不會出現(xiàn)掉電現(xiàn)象；缺點(diǎn)是如果蓄電瓶電壓高于飛機(jī)端電壓，會出現(xiàn)蓄電瓶先耗電的情況，這樣導(dǎo)致飛機(jī)供電異常時(shí)蓄電瓶由于電量低而無法滿足測試設(shè)備用電需求的情況[1]。

2 基于功率MOSFET的供電狀態(tài)轉(zhuǎn)換技術(shù)

MOSFET和普通的晶體三極管相比，有以下四項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)：（1）輸入阻抗高，驅(qū)動功率小，功率MOSFET導(dǎo)通后，它的驅(qū)動電流幾乎為0；（2）開關(guān)速度快；（3）無二次擊穿；（4）MOSFET導(dǎo)通后特性呈純阻性，且阻值小，導(dǎo)通壓降低[2]。

基于上述功率MOSFET的優(yōu)點(diǎn)，文章提出了一種基于功率MOSFET及電解電容的大電流不間斷供電狀態(tài)轉(zhuǎn)換技術(shù)，并研制了供電狀態(tài)轉(zhuǎn)換器。該技術(shù)核心為使用大功率電子開關(guān)代替?zhèn)鹘y(tǒng)接觸器，引入電解電容，使得電解電容處入在線狀態(tài)，蓄電瓶處于備用狀態(tài)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)控飛機(jī)供電狀態(tài)來控制電子開關(guān)，在飛機(jī)供電異常時(shí)自動切斷飛機(jī)供電通道，并接通蓄電瓶供電通道，且在電子開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中由電解電容為關(guān)鍵測試設(shè)備供電，保證關(guān)鍵設(shè)備的不間斷供電。供電狀態(tài)轉(zhuǎn)換器主要由電壓檢測單元、控制采集單元、輔助電源單元、儲能單元、電子開關(guān)組成。通過控制單元監(jiān)測飛機(jī)供電狀態(tài)，在機(jī)載28V供電異常時(shí)，電壓檢測單元判斷機(jī)上電壓低于25V或接收到可供電信號無效時(shí)，反饋指令信號切斷機(jī)載28V供電，并接通電子開關(guān)使用電設(shè)備切換到蓄電瓶供電，電子開關(guān)轉(zhuǎn)換過程中由電解電容為關(guān)鍵測試設(shè)備供電；當(dāng)監(jiān)測到機(jī)載電壓回升至25V且可供電信號有效時(shí)，接通機(jī)載28V供電，同時(shí)斷開電子開關(guān)，切斷蓄電瓶供電，關(guān)鍵設(shè)備繼續(xù)由機(jī)載28V電源供電，以此保證用電設(shè)備的不間斷供電。其原理如圖1所示。

圖1 供電狀態(tài)轉(zhuǎn)換器原理圖

2.1 電壓檢測單元

電壓檢測單元是邏輯控制單元，通過運(yùn)算放大器作用，施加三級管基級正向電壓，導(dǎo)通三級管，使光耦輸出驅(qū)動電子開關(guān)導(dǎo)通，從而接通蓄電瓶給設(shè)備供電。

2.2 控制單元

控制單元主要包括系統(tǒng)初始化模塊、自檢模塊、控制模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、總線通訊模塊。自檢模塊用于轉(zhuǎn)換器的自檢，判斷設(shè)備內(nèi)部接口或單元是否工作正常。

2.3 電子開關(guān)（功率MOSFET）

電子開關(guān)是狀態(tài)轉(zhuǎn)換器的功率通斷控制器件，具有反應(yīng)速度快的特點(diǎn)（傳統(tǒng)接觸器動作時(shí)間大約為50ms）；接觸器的開關(guān)次數(shù)一般為500次，而電子開關(guān)的動作時(shí)間為ns級，開關(guān)次數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于接觸器的開關(guān)次數(shù)。文章選用型號NCEP85T35T功率MOSFET作為轉(zhuǎn)換器的開關(guān)器件，為提高系統(tǒng)可靠性，選用3組MOSFET并聯(lián)使用，內(nèi)阻為3.7Ω。

2.4 輔助電源單元

輔助電源單元是為轉(zhuǎn)換器控制單元、電子開關(guān)、電壓檢測單元提供工作電源的器件，輔助電源的輸入由機(jī)載輸入28V提供?？紤]到機(jī)載電源電壓變動的因素，選取具有輸入范圍寬的電源模塊，在輸入6～60V時(shí)，可穩(wěn)定輸出+12V，為MOSFET和檢測電路、控制單元供電。

2.5 儲能單元(電解電容)

儲能單元是轉(zhuǎn)換器中為滿足因電子開關(guān)通斷需要一定的反應(yīng)時(shí)間，補(bǔ)償電容可以保證電子開關(guān)在動作之前對用電設(shè)備的不間斷供電。文章選用電解電容作為補(bǔ)充電容。電子開關(guān)反應(yīng)時(shí)間不大于1μs，經(jīng)計(jì)算，補(bǔ)償電容僅需2只50V/10000μF的電解電容，減輕電源的體積和重量，滿足用電需求[3]。

3 不間斷應(yīng)急供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文章將上述基于功率器件的供電狀態(tài)器與改裝標(biāo)準(zhǔn)配電裝置組成一套適用于大電流要求的通用測試改裝不間斷應(yīng)急供電系統(tǒng)，系統(tǒng)原理如圖2所示。

試驗(yàn)結(jié)果證明，該系統(tǒng)可滿足機(jī)上電源供電異常時(shí)自動切換到蓄電瓶為關(guān)鍵設(shè)備供電的功能，且轉(zhuǎn)換器件

圖2 不間斷應(yīng)急供電系統(tǒng)原理圖

4 試驗(yàn)分析

4.1 試驗(yàn)方法

上電后選擇自動模式，完成電容充電程序，觀察轉(zhuǎn)換器顯示狀態(tài)；調(diào)節(jié)地面直流電源電壓緩慢從28V降至0V，監(jiān)測記錄系統(tǒng)正常轉(zhuǎn)應(yīng)急供電過程，觀察轉(zhuǎn)換器狀態(tài)顯示；1min后，調(diào)節(jié)地面電源電壓上升至25V以上，監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)急轉(zhuǎn)正常供電過程。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

按上述試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)，上電選擇自動模式后，當(dāng)?shù)孛嬷绷麟娫措妷旱陀?5V時(shí)，正常供電指示燈熄滅，應(yīng)急供電指示燈亮；1min后，當(dāng)?shù)孛骐娫措妷夯謴?fù)至25V時(shí)，應(yīng)急供電指示燈滅，正常供電指示燈亮。幾個關(guān)鍵時(shí)刻負(fù)載端電壓值如表1、表2所示。從表1中可以看出，當(dāng)直流電源電壓高于25V時(shí)，一般負(fù)載和關(guān)鍵負(fù)載電壓正常，當(dāng)直流電源電壓低于25V時(shí)，一般負(fù)載掉電，關(guān)鍵負(fù)載端電壓未低于22V，且電壓值穩(wěn)定。從表2可以看出，當(dāng)直流電源從低電壓恢復(fù)至25V時(shí)，一般負(fù)載恢復(fù)供電，期間關(guān)鍵負(fù)載端電壓未低于22V。關(guān)鍵負(fù)載供電不間斷，電壓符合要求。經(jīng)多次反復(fù)試驗(yàn)驗(yàn)證，該不間斷應(yīng)急供電系統(tǒng)運(yùn)行正常，邏輯正確，滿足使用需求。

表1 自動模式正常轉(zhuǎn)應(yīng)急供電過程

表2 自動模式應(yīng)急轉(zhuǎn)正常供電過程

5 總結(jié)與展望

文章針對目前試飛過程中對改裝應(yīng)急供電系統(tǒng)提出的新需求，提出了一種將功率MOSFET與電解電容相結(jié)合的供電狀態(tài)轉(zhuǎn)換技術(shù)，并研制出供電狀態(tài)轉(zhuǎn)換器，與已有的改裝標(biāo)準(zhǔn)配電裝置組成一套不間斷應(yīng)急供電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)試飛改裝中大電流關(guān)鍵負(fù)載的不間斷應(yīng)急供電。通過試驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、控制有效，具有在飛機(jī)測試供電系統(tǒng)中應(yīng)用的前景。后續(xù)將進(jìn)一步進(jìn)行裝機(jī)試驗(yàn)，驗(yàn)證系統(tǒng)裝機(jī)運(yùn)行功能是否滿足要求。