高喚梅

(中國西南電子技術(shù)研究所， 成都 610036)

航空電氣系統(tǒng)由供電系統(tǒng)與用電設(shè)備組成[1]。飛機供電系統(tǒng)在現(xiàn)代飛機系統(tǒng)中占有十分重要的地位，是安全飛行的重要保障，隨著多電飛機和全電飛機技術(shù)的發(fā)展[2]，機載用電設(shè)備數(shù)量急劇增多，其中包含眾多大功率負載和非線性負載，用電設(shè)備與飛機供電系統(tǒng)之間的兼容性問題越來越突出[3]，因此供電兼容研究具有實際意義。

供電兼容性研究受到持續(xù)關(guān)注，GJB 181B—2012在GJB 181A—2003和GJB 181—1986的基礎(chǔ)上增加完善了供電系統(tǒng)的相關(guān)負載特性要求：HB 20326—2016規(guī)定了七類供電類型下機載用電設(shè)備與飛機供電系統(tǒng)之間供電適應性的具體試驗方法，飛機供電有六種工作狀態(tài)：供電正常、供電非正常、供電轉(zhuǎn)換、應急供電、電起動和供電故障[4-5]。供電兼容性的兩個基本要素為：

1)用電設(shè)備能夠承受供電系統(tǒng)六種工作狀態(tài)下的供電，不損壞且不產(chǎn)生不安全狀態(tài)。

2)用電設(shè)備不引起供電系統(tǒng)產(chǎn)生超出六種工作狀態(tài)下的供電。

1 供電兼容實現(xiàn)方案

用電設(shè)備供電兼容性試驗驗證項目中，正常和非正常穩(wěn)態(tài)供電、應急供電、電起動、供電故障通常選用合適的變換器及相應的常規(guī)設(shè)計電路即可滿足要求?，F(xiàn)主要從沖擊電流抑制、雙路供電防反流、輸入短路保護、斷電放電、尖峰電壓抑制和供電轉(zhuǎn)換儲能等六方面進行設(shè)計研究，典型的供電兼容設(shè)計拓撲如圖1所示。

圖1 典型供電兼容設(shè)計拓撲圖

1.1 沖擊電流抑制

用電設(shè)備在突加額定電壓時，產(chǎn)生的沖擊電流峰值應不大于額定電流的5倍，并應在0.1s內(nèi)回到額定電流。但是大多數(shù)機載用電設(shè)備是非線性負載，為了滿足電磁兼容性要求，用電設(shè)備輸入端通常要加濾波器[6]，而濾波電容上電瞬間是低阻抗，但電容上的電壓不會突變，因此會產(chǎn)生很大的沖擊電流，同時用電設(shè)備內(nèi)部使用的高頻開關(guān)變換器開電瞬間也會產(chǎn)生較大沖擊電流[7]，可能導致飛機對應的匯流條過流保護而無法為用電設(shè)備正常供電，因此需要設(shè)計沖擊電流抑制電路。沖擊電流抑制電路如圖2所示。

圖2 沖擊電流抑制電路

圖2中Q1為N-溝道MOS(metal-oxide-silicon)管；D1為穩(wěn)壓二極管；R1既是分壓電阻也是限流電阻、R2為分壓電阻；R3為限流電阻；C1為充電電容；Load為等效負載。沖擊電流抑制電路通過電阻R1和電容C1調(diào)整MOS管Q1的G-S端電壓的上升斜率，使MOS管Q1緩慢起動。在MOS管Q1的G-S端電壓達到開啟電壓前，MOS管呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，整個電路通過限流電阻R3為等效負載Load供電，當MOS管Q1完全導通后呈現(xiàn)低阻態(tài)，相當于將電阻R3兩端短路，減少線路功耗，此時沖擊電流抑制電路完成緩起動，達到?jīng)_擊電流抑制作用。設(shè)定用電設(shè)備額定功率(P)為280 W，額定工作電壓(U)為28 V，由此可得額定工作電流(I)為10 A，根據(jù)設(shè)計要求沖擊電流(Is)應為<50A。上電瞬間，電阻R1為電容C1充電，充電時電容C1視為短路，線路阻抗為R3，由公式(1)可得：R3的選值應>0.56 Ω。

(1)

沖擊電流的持續(xù)時間為電容C1兩端電壓從0 V到MOS管的G-S端開啟電壓(UGS)的充電時間，公式(2)為電容充電計算公式：

(2)

式(2)中，Vt為t時刻MOS管G-S端電壓；V0為初始電壓；Vu為最終電壓；R為限流電阻值；C為充電電容值。設(shè)定電壓V0=0 V，Vu的值應小于MOS管G-S端的最大承受電壓(假設(shè)為20 V)，此處設(shè)置Vu=16 V，Vt取常規(guī)功率MOS管的G-S端開啟電壓2 V，t根據(jù)設(shè)計要求<0.1 s，帶入公式(2)可得：RC<0.74 s。公式(3)為Vu的分壓公式：

(3)

式(3)中，R1和R2為分壓電阻，設(shè)置Vu=16 V，由公式(3)可得R2=1.33R1，穩(wěn)壓二極管D1的工作電壓應在Vu和MOS管G-S端的最大承受電壓之間。

1.2 雙路供電防反流

具有多路供電的用電設(shè)備，各供電輸入端應互相隔離，任一電源不應向別的電源供電。不論是用電設(shè)備供電輸入端并聯(lián)還是用電設(shè)備內(nèi)部冗余供電，為避免一路供電斷電時，另一路供電反流到第一路，需設(shè)計防反流電路。防反流有兩種常用方案：方案一是雙路供電線路上分別串接隔離二極管，由于二極管導通壓降較大，此方案適用于功率較小，線路電流較小，且供電電壓較高的情況；方案二是用功率MOS管和驅(qū)動器組成的理想二極管(也稱防反器)，此方案適用于功率較大而供電電壓較低的情況。

隔離二極管方式的防反流電路如圖3所示。

圖3 隔離二極管

圖3中D1和D2均為隔離二極管，利用二極管的單向?qū)щ娞匦裕乐挂宦饭╇姺戳鞯搅硪宦饭╇娚稀８綦x二極管的正向工作電流(Io)應大于用電設(shè)備的最大工作電流(IMAX)，隔離二極管的反向工作峰值電壓(VRWM)應大于用電設(shè)備的最大工作電壓(VMAX)，隔離二極管的正向?qū)妷?VF)越小，熱耗越低，越有利于提升效率，由于用電設(shè)備在聯(lián)試以及供電兼容試驗中均會頻繁瞬時上下電，隔離二極管的反向恢復時間越小越好，應選擇快恢復型二極管，防止頻繁上下電二極管內(nèi)部熱積聚無法散出而導致?lián)舸＠硐攵O管方式的防反流電路如圖4所示。

圖4 理想二極管

圖4中Q1和Q2均為N溝道MOS管，驅(qū)動器為集成電路。正向?qū)〞r，利用N溝道MOS管代替普通二極管，來降低功耗和導通壓降，當Vin1供電，Vin2斷電時，利用N溝道MOS管的寄生二極管特性，防止Vin1供電反灌到Vin2。MOS管的工作電流(ID)應大于用電設(shè)備的最大工作電流(IMAX)，MOS管的漏源擊穿電壓(BVDS)應大于用電設(shè)備的最大工作電壓(VMAX)，MOS管的導通壓降越小，熱耗越低，應選擇低導通內(nèi)阻(RON)的MOS管。驅(qū)動器比較常見的有LTC4357和LTC4364等，目前市面上有一種封裝好的“防反器”，與理想二極管的原理相同，貨架產(chǎn)品。

1.3 輸入短路保護

用電設(shè)備輸入端應設(shè)計輸入過流/短路保護功能，尤其是分布式供電系統(tǒng)[8]，當用電設(shè)備內(nèi)部輸入短路時，自動與對應的飛機匯流條斷開，防止飛機匯流條跳閘，使此匯流條上所有的用電設(shè)備無法上電工作。輸入短路保護常規(guī)的方法是在用電設(shè)備輸入端加保險絲，當用電設(shè)備內(nèi)部短路時，保險絲熔斷，將故障用電設(shè)備自動與對應的飛機匯流條上其他設(shè)備脫開。

假設(shè)用電設(shè)備功耗(P)為56 W，穩(wěn)態(tài)電壓工作范圍為18(VL)～32 V(VH)，則用電設(shè)備的最大穩(wěn)態(tài)輸入電流(Ih)按照公式(4)，計算可得：Ih=3.1 A。

(4)

保險絲在環(huán)境溫度不大于25 ℃，電流大于0.5 A條件下，降額等級為0.45～0.5，在環(huán)境溫度超過25 ℃時，保險絲電流需按0.005/ ℃做附加降額。隨著溫度的增高，保險絲的額定電流值降低[9]。除了考慮降額設(shè)計，保險絲的選擇還需考慮用電設(shè)備的瞬態(tài)輸入電壓范圍以及對應的飛機匯流條的安秒特性是否在保險絲自身安秒特性曲線內(nèi)。

1.4 輸入斷電放電

用電設(shè)備應具有輸入電壓泄放能力(不依靠外部供電系統(tǒng))，在輸入電源掉電或缺少輸入電源100 ms內(nèi)，將用電設(shè)備電源輸入端的電壓：交流115 V和直流270 V降到30 V以下，直流28 V降到5 V以下。斷電泄放常規(guī)方法是在用電設(shè)備輸入端并聯(lián)泄放電阻，當用電設(shè)備輸入斷電后，通過泄放電阻迅速放電，泄放電阻起假負載的作用。公式(5)為電容放電時間計算公式：

(5)

式(5)中，t為電容放電時間；R為放電電阻值；C為電容值；V0為電容兩端初始電壓值；Vt為電容兩端t時刻電壓值。假設(shè)用電設(shè)備額定供電電壓為28 V，輸入等效電容為20 μF，則C=20 μF，V0=28 V，由設(shè)計要求可知t<100 ms，Vt=5 V，根據(jù)公式(5)計算可得：泄放電阻阻值R<2.9 kΩ。

1.5 過壓瞬變尖峰電壓抑制

飛機供電過壓瞬變時，由于用電設(shè)備是非線性負載，經(jīng)過用電設(shè)備后，瞬變電壓值會放大，例如：270 V用電設(shè)備在過壓瞬變(350 V/50 ms)時，其內(nèi)部DC/DC輸入端產(chǎn)生420 V左右，小于1 ms的電壓尖峰；28 V用電設(shè)備在過壓瞬變(80 V/100 ms)時，其內(nèi)部DC/DC輸入端產(chǎn)生130 V左右，小于1 ms的電壓尖峰，超出了DC/DC自身的工作電壓范圍[10]。工作電壓范圍滿足飛機過壓瞬變電壓值的變換器選型比較容易，但是經(jīng)過非線性用電設(shè)備放大后，無法滿足要求，需要設(shè)計尖峰電壓抑制電路，而市面上的浪涌電壓抑制器一般是針對持續(xù)時間較長(100 ms)的過壓瞬變電壓，而非尖峰電壓，其體積重量都比較大，付出很大代價，因此設(shè)計一款小于1 ms的尖峰電壓抑制電路如圖5所示。

圖5 尖峰電壓抑制電路

圖5中R1和R2為分壓電阻；R3和C1組成電壓緩沖電路；D1為比較器；D2為穩(wěn)壓二極管；Q1為功率MOS管；R4為功率電阻，電路中還包含MOS管驅(qū)動電路和DC/DC變換器。當供電輸入電壓低于設(shè)置的尖峰閥值電壓時，MOS管Q1導通，電阻R4被短接，電流直接從Q1流過。當供電輸入電壓超過設(shè)置的尖峰閥值電壓時，驅(qū)動電路控制MOS管截止，此時電流從R4流過，R4起分壓作用，從而使后端DC/DC變換器供電輸入電壓在其安全工作范圍內(nèi)。尖峰閥值電壓VT應大于供電輸入端的最大過壓瞬變電壓，小于變換器的最大工作電壓，VT由電阻R1和R2分壓后的電壓值應與比較器的基準電壓Vref相等，即：

(6)

R3和C1組成的電壓緩沖電路保證電路的反應速度與尖峰電壓的產(chǎn)生同步，防止MOS管還未關(guān)斷時，尖峰電壓已經(jīng)到達并損壞DC/DC變換器輸入端。當供電輸入電壓超過設(shè)置的尖峰閥值電壓時，MOS管截止。變換器的輸入電壓為供電輸入電壓減去R4上的電壓，如公式(7)所示：

(7)

式(7)中，V變換器為變換器輸入端實際的供電電壓；Vin為供電輸入電壓；P為用電設(shè)備的功耗；Vmax為變換器輸入端最大工作電壓。

1.6 供電轉(zhuǎn)換

在匯流條或電源轉(zhuǎn)換狀態(tài)，電壓和頻率的變化應在零和正常工作極限之間，且時間不大于50 ms。對于重要的用電設(shè)備要求飛機50 ms轉(zhuǎn)電時能夠正常工作，因此需要設(shè)計50 ms轉(zhuǎn)電儲能電路。傳統(tǒng)的供電轉(zhuǎn)換儲能方案如圖6所示。

圖6 供電轉(zhuǎn)換儲能方案1

圖6中，D1為防反灌二極管；R1為限流電阻；D2為放電二極管；C1為儲能電容。電容儲能能量計算公式如公式(8)所示：

Pt=1/2C(V12-V22)

(8)

式(8)中，P為轉(zhuǎn)電期間需保的功率；t為放電時間；C為儲能電容；V1為儲能電容充電后的最終電壓值；V2為后端DC/DC變換器最低工作電壓值。在公式(8)中：固定的用電設(shè)備，P、t和V2為恒定值，則V1越大，選用的儲能電容容量越小。如果提高V1付出的代價較小，則可以大大減小儲能電容的數(shù)量，從而降低用電設(shè)備的體積和重量。在儲能電容前增加升壓維持模塊，能有效提高V1，如圖7所示。

圖7 供電轉(zhuǎn)換儲能方案2

圖7中升壓模塊內(nèi)部集成了防反灌二極管、充電回路和放電回路，只需要在其Cext引腳端加外接儲能電容即可，應用簡單方便，升壓維持模塊內(nèi)含快充電路，可滿足三次連續(xù)供電轉(zhuǎn)換試驗的要求，此模塊市面上比較常見，是典型的貨架產(chǎn)品，選型也比較方便。假設(shè)用電設(shè)備P=200 W，穩(wěn)態(tài)工作電壓范圍24～29 V，升壓維持模塊輸出電壓V1=36 V，DC/DC變換器最低工作電壓為18 V，而轉(zhuǎn)電時間t=50 ms，則根據(jù)公式(8)可得：不采用升壓模塊C=79.4 mF，采用升壓模塊C=20.6 mF，儲能電容的容值顯著減少。

2 應用情況

本文提出的機載用電設(shè)備供電兼容性設(shè)計和實現(xiàn)方案，已成功應用于多個機載綜合射頻系統(tǒng)平臺，并根據(jù)HB 20326—2016進行了供電兼容性試驗驗證，驗證結(jié)果如表1、圖8～圖10所示。表1中僅列出了與本文相關(guān)的試驗項目，其他試驗項目選用合適供電范圍的電壓變換器即能滿足要求，實際測試結(jié)果也達到了設(shè)計目標，從表1中數(shù)據(jù)以及實測圖中可以看出，該設(shè)計方案均能滿足要求。

表1 供電兼容試驗測試結(jié)果

圖8 HDC302過壓瞬變尖峰抑制前后對比圖

圖9 HDC101沖擊電流抑制前后對比圖

圖10 LDC101輸入斷電放電及LDC201試驗波形圖

3 總結(jié)

提出了一套機載用電設(shè)備與飛機供電系統(tǒng)之間供電兼容性的解決方案，該方案從沖擊電流抑制、雙路供電防反流、輸入短路保護、輸入斷電放電、過壓瞬變尖峰電壓抑制和供電轉(zhuǎn)換六個方面入手，很好地解決了各類供電兼容性問題，可防止用電設(shè)備的沖擊電流過大造成飛機匯流條保護、雙路供電的用電設(shè)備向飛機匯流條倒灌電流、用電設(shè)備內(nèi)部短路導致飛機匯流條跳閘、輸入斷電后飛機匯流條無泄放回路、過壓瞬變導致用電設(shè)備損壞等問題的發(fā)生，同時也提出了飛機轉(zhuǎn)電過程中用電設(shè)備保持正常工作的解決方法。該方案已在多個機載綜合射頻系統(tǒng)平臺得到成功應用，對其他用電設(shè)備或系統(tǒng)具有普適性借鑒價值。