叶雪荣;郑志洪;陈哲;刘明伟;徐军忠;翟国富
【摘 要】航天器的全电化发展对其配电系统提出了更高的要求。固态功率控制器（SSPC）作为集继电器转换功能和断路器保护功能于一体的新型配电与保护执行器件,具有集成化、智能化等诸多优点,是未来航天器用配电器件的必然发展趋势。介绍了SSPC的工作原理,分析了国内外SSPC的发展现状,并对其未来技术发展趋势进行了展望。 【期刊名称】《电器与能效管理技术》
【年(卷),期】2015(000)002
【总页数】5页(P1-5)
【关键词】航天器;配电系统;固态功率控制器;发展现状
【作 者】叶雪荣;郑志洪;陈哲;刘明伟;徐军忠;翟国富
【作者单位】;;;;;;
【正文语种】中 文
【中图分类】TM571
0 引言
随着航天器朝着多电化［1］和全电化［2-3］方向发展，其用电设备数量随之攀升，整机功率也越来越大。这对配电系统的性能和可靠性提出了更高的要求。传统的机电式［4］配电系统采用热保护开关、继电器、接触器、断路器等机电式器件实现对负载的控制，其优点在于技术成熟、器件工作稳定;缺点是电路过流、短路等故障响应慢，自动化、智能化程度低。目前，基于机电式配电系统的遥控配电方式虽然能实现对电气负载的遥控及管理，但这种管理依赖于飞行员的手动操作，自动化程度不高，无法实现负载的智能分配与管理，配电系统的效率和可靠性也受到很大影响［5］。在此背景下，随着功率半导体器件的发展，出现了基于MOSFET、IGBT等的固态功率控制器(Solid State Power Controller，SSPC)，固态配电技术也随之出现。 SSPC是固态配电技术的核心器件，是集继电器的转换功能和断路器的电路保护功能于一
体的智能开关设备。它能够实现负载的快速接通和关断，同时还具有过载保护和自检测功能，可以指示负载是否发生跳闸、出现故障，综合了常规配电的继电器、断路器与机械开关的功能。SSPC内部没有活动部件，无机械磨损，不产生电弧，过载保护可以按反时限特性切断负载，具有电气隔离措施，高空性能好，抗干扰能力强等许多显著优势［6-8］。
手动抽油泵本文介绍了SSPC的工作原理，而后从产品入手总结了国内外SSPC的发展现状，并对其未来技术发展趋势进行了展望。
1 SSPC的工作原理
SSPC主要由功率电路、控制电路和通信电路组成［9］。其中，主功率电路主要由功率开关、电流检测部分、外界用电设备构成。一般选用MOSFET或IGBT作为功率开关实现对功率电路的开通/关断控制。通常，电流检测通过串联在功率电路中的采样电阻或电流传感器来实现。调理电路则需要实现对采集电流信号的放大，若电流大于设定的最大电流，迅速关断功率管的驱动电路，实现短路保护;否则根据反时限曲线实现对电路的延时保护。数字式智能SSPC可以通过软件来实现延时保护并让SSPC具有热记忆功能。SSPC通过隔离电路和通信接口实现与控制计算机之间控制命令和状态信号的传递。典型SSPC结构图［10 ］如图1所示。
图1 SSPC结构图
2 国内发展现状
ilvs国内对SSPC的研究起步较晚，技术比较落后。一些科研院所如航空165厂、航空105厂、791厂、118厂、773所与611所等正在对SSPC进行研究。其中，航空165厂、航空105厂对SSPC的研究较为突出，已经将SSPC应用于智能电源管理。国内高校中南航［11］、西工大［12］、北航［13］等也在对SSPC进行相关研究。
在产品方面，国内的市场并不成熟，研制出SSPC产品的公司不多。其中，上海尊瑞电子和航空165厂等公司均有相关的产品面市。
上海尊瑞电子由瑞典Magic电子公司以技术入股的方式成立，公司所研制的 ZDSPC、ZASPC系列 SSPC模块为国内首创。该系列直/交流SSPC融合了先进的固态功率控制技术和计算机技术，SCI、SPI、I2 C 多种控制总线可选，I2 t保护曲线可编程，可以方便实现远程功率控制，具有过流、短路、过热保护、应急操控功能，符合 MILP81653B、SAE48
05标准。SSPC的额定工作电流大小标志着其大功率发展程度。
(1)型号为ZDSPC28M-40U/YW的SSPC，其典型驱动电压为28 V DC，可覆盖的工作电压区间8～80 V DC，最大额定工作电流能达到40 A，可编程设定12～40 A的额定工作电流。
(2)型号为ZDSPC270M-10U/Y/W的SSPC，典型驱动电压为270 V DC，可覆盖工作电压区间60～400 V DC，最大额定工作电流能达到10 A，可编程设定3～10 A的额定工作电流。
(3)型号为ZASPC115M-8U/YW的SSPC，典型驱动电压为115 V AC，可覆盖工作电压区间50～180 V AC，最大额定工作电流能达到8 A，可编程设定1.6～8.0 A的额定工作电流。
(4)型号为ZASPC220M-8U/YW的SSPC，典型驱动电压为220 V AC，可覆盖工作电压区间120～250 V AC，最大额定工作电流能达到8 A，可编程设定1.6～8.0 A的额定工作电流。
上海尊瑞电子所生产的SSPC作为传统接触器、断路器配电的换代方案，已经被广泛地应用于国际航空航天、防务、工业自动化等二次电源配电领域。
相比之下，航空165厂的SSPC产品种类较少。该公司智能配电盒系列产品有30路SSPC输
mvr蒸发浓缩
出单元，单路输出最小电流1 A，最大电流20 A，最大控制电流150 A，总功耗约42 W，重量3.2 kg，使用温度范围－40～70℃。环境适应性满足GJB 150《军用装备实验室环境试验方法》中对空用电子和通信设备的要求，电磁兼容性满足GJB 151A《军用设备和分系统电磁兼容发射和敏感度要求》中对空中电子设备要求。该产品可切换多路 28、110、270 V DC的直流负载和多路115 V AC/400 Hz的单相/三相交流负载;与主控系统可采用RS-485、RS-422、CAN或1553B总线通信;能够对负载状态实时反馈、保存负载历史状态记录并且具有自检测能力。该公司生产的SSPC被广泛地应用于飞机电源系统的二次配电管理、车载电源系统的二次配电管理、电机控制、火工品控制和检测、火炮发控系统等应用领域。
总的来说，国内SSPC的相关技术并不成熟，仍有许多问题需要进一步深入研究;所研制的SSPC与国外相比也有很大差距，产品的性能指标依然达不到国外产品水平，比如SSPC的通道数、可分配控制的负载额定电流、体积重量等。
3 国外发展现状
早在上世纪70年代，美国就着手研究将SSPC应用在整个飞机配电系统中。90年代末，国外就开始展开对多通道SSPC的研究。目前，国外对SSPC的研究已比较成熟，已经研制出
了DC 28 V低压SSPC、DC 270 V高压SSPC以及AC 115 V等电压等级的SSPC。其中，美国DDC公司和Leach公司在SSPC产品领域占据领先地位，其产品性能优良，且具有很广阔的市场。另外，SENSITRON、NHI等公司也在对相关产品进行开发研究。
3.1 美国DDC公司的SSPC
DDC公司早在1988年开始设计制作SSPC，设计了多于500 000节点的军用SSPC。目前，已经推出了RP-2032151XD0型32通道轻质SSPC，可用于航空及其他空间有限的航空航天和国防领域。该功率电子器件可在28 V DC下提供120 A的连续电流输出，重量为3磅，具有多通道和先进的可编程性。RP-2032系列产品为用户节省了尺寸、重量、功率和成本，并提高了可靠性和功率控制的灵活性。DDC公司的SSPC支持实时数据状态报告和计算机控制，并配有瞬间跳闸功能，真正实现了电路保护，额定连续电流达300 A，多通道板的额定连续电流为每通道25 A。其部分最新产品如下:
(1)型号为RP-26231000N1的16通道SSPC现场可更换模块是基于DDC最新一代的多通道SSPC板卡而设计的。它应用在28 V DC电压下，能够保护、控制和连续监视多达16通道、250 A的电气系统负载。
网络监测系统(2)型号为RR-263XXN0的多通道SSPC板卡能够为4个独立的子系统分配和控制多达300 A的电流，每个系统的额定电流可通过编程至75 A，其SSPC功率水平居于行业领先地位。
(3)型号为RP-2032151XD0的SSPC作为智能的电源管理可以分配和控制32个独立通道子系统，实现对120 A大电流的分配控制。
(4)型号为RP-23031M1的 SSPC应用在28 V DC电压下，可以保护和控制多达35 A负载电流的独立负载通道。
(5)型号为RP-22XXX系列的28 V DC SSPC其最大负载电流可多达100 A。
美国DDC公司2013年推出的第七代SSPC已经能做成轻小的航空电能分配管理单元(PDUs)与标准的现场可更换模块(LRM)，具有国际领先水平。
letm3.2 Leach International公司的 SSPC
早在2006年，Leach公司就已经发布了3个型号的多通道、新一代可编程SSPC。该产品可用于28 V DC系统中，EPM-109、EPM-110和 EPM-111系列的SSPC都整合了微控制器和
手机系统检测功率FET技术。可在所有类型的负载间实现无损耗切换，同时具有过载保护和短路保护功能。此外，每个产品都含有内置的测试功能，在启动以及运行过程中能够校验关键功能。该系列产品具有串行数据总线接口、额定值和行程参数可编程、低压降和功率散耗低以及高压隔离等特点。为了更好地适应客户需求，Leach公司正在研发新一代的SSPC。新型产品能够广泛应用在航空、国防、运输中。该应用领域需要先进的通信方式与“友好系统”接口，具备更高的 MTBF［14］。Leach公司一些相关产品的配电等级与能达到的电流定额如下:
(1)P111系列的SSPC可应用在250 V AC配电系统中，其最大电流定额为25 A。
(2)P140系列的SSPC可应用在28 V DC配电系统中，输出电流可为 1、2、4、5、7、10 A。
(3)P150系列的SSPC可应用在28 V DC配电系统中，其最大电流定额可达30 A。
(4)P170系列的SSPC可应用在28 V DC配电系统中，其最大电流定额可达15 A。
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