派克漢尼汾PARKER: 固態功率控制器助力未來飛行
2023-03-11 09:41:44
縱觀當前市場，航空業正在逐步擺脫化石燃料的限制：混合動力飛機和全電飛機已成為發展新趨勢。隨著 “低排放”和“碳中和”的需求不斷增長，OEM制造商希望在保障乘客需求的同時，滿足世界各國的環保目標––這種趨勢催生業界對多電飛機（MEA）的關注。
“傳統”飛機各大機載系統的動力主要來自于航空發動機，而“傳統”航空發動機消耗的正是化石燃料：
- 發動機齒輪箱驅動發電機，為航電、照明和普通機艙電器等機載電力設備提供電力；
- 引氣系統利用發動機高壓空氣為座艙增壓系統、防冰系統和空調系統供電；
- 發動機齒輪箱還驅動著液壓泵，為飛行控制系統、起落架系統、剎車系統、艙門作動系統及各類滑油泵、燃油泵等機械系統提供動力。
在“傳統”飛機的發動機子系統和發動機部件領域，派克宇航已積累數十年的產品和設計經驗。
多電化發展
飛機設計向多電化方向演變后，以上機載系統的實施方式也將隨之改變。無論飛機采用噴氣式發動機、混合動力、抑或全電驅動模式，其液壓、氣動、滑油、燃油系統以及飛控、環控、剎車等系統中使用的機械泵都將被電動泵和電作動器取代。
在多電化發展的初期，以上系統仍將依靠燃氣發動機驅動發電機供能；但最終，燃氣發動機將被全電馬達和電池取代。這一變化將首先從通勤運輸機和城市空中交通等小型平臺開始，最終推廣到全行業。
從氣動、液壓動力轉變到電力驅動，電力處理能力和處理效率是關鍵。多電飛機的系統電壓將從28伏直流電和115伏交流電上升到1000伏直流電，所需電力將由發電機和電池組共同提供，需用一套先進靈活的配電系統管理電力需求。
新需求催生新方案
隨著電能供需增加，設計上須考慮短路或過載條件下可能引發的重大損害。舉個例子，如果270伏鋰離子電池發生短路，幾微秒內短路線路上的電流就能超過2000安培。目前機上使用的典型電氣接口由機械繼電器和連接器組成，其設備速度不僅不能防止故障傳送，更可能在故障中發生不可逆的熔斷。這種現狀推動了業界對耐高電壓和高功率電力總線的需求。
為回應這項需求，派克宇航流體系統分部開發了一種模塊化的固態功率控制器（SSPC）。作為獨立使用的單元，SSPC替代了原來的機械繼電器或連接器。在大型配電系統中，多個固態功率控制器可以整合為一個固態配電單元（SSEDU）。如果把SSPC想象成一個單獨的斷路器，那么SSEDU就是包含多個斷路器的斷路器箱。一個SSEDU可以配置兩個或更多的SSPC，每個SSPC提供一條獨立的控制通道。
利用先進的碳化硅技術，派克宇航的SSPC采用了模塊化架構，延展出適配多種平臺的潛力，顯著降低設計和驗證費用。
SSPC的部分特性如下：
- 每個通道均具備高速度、高效率、高功率密度的特性
- 高速故障緩解及總線重置
- 可編程的I2T故障保護
- 浪涌電流緩解（用于高電容輸入載荷）
- 低RDSon效率大幅提升
- 雙向和雙極SSPC選項
- 離散量輸入或通信總線控制
- 支持ARINC 429、Mil-Std-1553、CAN及其他總線
SSPC的倍增效益
在多通道配置中，每一個SSPC均可單獨編程，也能夠與其他SSPC組合使用，從而提供大量的電源開/關構型。在同一個SSEDU中，可配置上電排序、電源及負載隔離、電源布線、電流雙向流從而實現電池充放電，且每個SSPC上的電壓、電流、溫度和其他性能與故障數據均可讀取。
派克宇航SSPC的原始概念是在配電系統應用中實現一種具備保護和控制功能的模塊，且該設計應具有可擴展性和靈活性。成品SSPC模塊不僅符合概念，更提供超越技術規范的額外收益：
? 減少研發費用（NRE）和研發時間
? 減少平臺取證成本和取證時間
? 在跨平臺和應用中，可基于通用的子部件用相似性進行取證
? 降低對關鍵組件或關鍵供應商的依賴
? 提升集成新技術的可行性
? 能夠在多個應用中使用相同的零件號
派克已完成對第一代SSEDU的測試。第一代SSEDU設計為8通道，每個通道配置為270伏直流電，電流負載為20至150安培，試驗驗證了可程控和手動切換控制、可脫開的短路故障緩解、啟動和運行階段過流保護、持續加載熱效率及單個通道支持雙向電流的功能。
研發中的第二代SSPC采用雙通道設計，體積更緊湊，質量更輕，熱效率更高。全功能演示產品將證明，派克SSPC和SSED適合新一代多電飛機所需的各類控制、保護和拓展性部件應用。
