基于功率MOSFET的供电状态转换技术研究

左向梅，武 亮

（中国飞行试验研究院，陕西 西安 710089）

1 研究背景

随着飞行试验任务要求的不断提高，不仅系统的用电需求不断增加，而且越来越多的测试设备需在飞行阶段满足不间断供电。现阶段试飞改装应急供电系统设计主要采用两种方式，一种是转换供电，即通过接触器切换供电通道的方式，在飞机给测试系统供电异常时切换到蓄电瓶供电模式。这种方式的优点是蓄电瓶的电能不会出现损坏，缺点是转换过程中测试设备会出现短时掉电，造成试飞测试数据丢失。另一种方式为飞机电源与蓄电瓶同时向测试系统供电，优点是飞机供电出现异常时，蓄电瓶能不间断地为测试设备供电，不会出现掉电现象；缺点是如果蓄电瓶电压高于飞机端电压，会出现蓄电瓶先耗电的情况，这样导致飞机供电异常时蓄电瓶由于电量低而无法满足测试设备用电需求的情况[1]。

2 基于功率MOSFET的供电状态转换技术

MOSFET和普通的晶体三极管相比，有以下四项优点：（1）输入阻抗高，驱动功率小，功率MOSFET导通后，它的驱动电流几乎为0；（2）开关速度快；（3）无二次击穿；（4）MOSFET导通后特性呈纯阻性，且阻值小，导通压降低[2]。

基于上述功率MOSFET的优点，文章提出了一种基于功率MOSFET及电解电容的大电流不间断供电状态转换技术，并研制了供电状态转换器。该技术核心为使用大功率电子开关代替传统接触器，引入电解电容，使得电解电容处入在线状态，蓄电瓶处于备用状态，通过实时监控飞机供电状态来控制电子开关，在飞机供电异常时自动切断飞机供电通道，并接通蓄电瓶供电通道，且在电子开关转换过程中由电解电容为关键测试设备供电，保证关键设备的不间断供电。供电状态转换器主要由电压检测单元、控制采集单元、辅助电源单元、储能单元、电子开关组成。通过控制单元监测飞机供电状态，在机载28V供电异常时，电压检测单元判断机上电压低于25V或接收到可供电信号无效时，反馈指令信号切断机载28V供电，并接通电子开关使用电设备切换到蓄电瓶供电，电子开关转换过程中由电解电容为关键测试设备供电；当监测到机载电压回升至25V且可供电信号有效时，接通机载28V供电，同时断开电子开关，切断蓄电瓶供电，关键设备继续由机载28V电源供电，以此保证用电设备的不间断供电。其原理如图1所示。

图1 供电状态转换器原理图

2.1 电压检测单元

电压检测单元是逻辑控制单元，通过运算放大器作用，施加三级管基级正向电压，导通三级管，使光耦输出驱动电子开关导通，从而接通蓄电瓶给设备供电。

2.2 控制单元

控制单元主要包括系统初始化模块、自检模块、控制模块、数据采集模块、总线通讯模块。自检模块用于转换器的自检，判断设备内部接口或单元是否工作正常。

2.3 电子开关（功率MOSFET）

电子开关是状态转换器的功率通断控制器件，具有反应速度快的特点（传统接触器动作时间大约为50ms）；接触器的开关次数一般为500次，而电子开关的动作时间为ns级，开关次数远远大于接触器的开关次数。文章选用型号NCEP85T35T功率MOSFET作为转换器的开关器件，为提高系统可靠性，选用3组MOSFET并联使用，内阻为3.7Ω。

2.4 辅助电源单元

辅助电源单元是为转换器控制单元、电子开关、电压检测单元提供工作电源的器件，辅助电源的输入由机载输入28V提供。考虑到机载电源电压变动的因素，选取具有输入范围宽的电源模块，在输入6～60V时，可稳定输出+12V，为MOSFET和检测电路、控制单元供电。

2.5 储能单元(电解电容)

储能单元是转换器中为满足因电子开关通断需要一定的反应时间，补偿电容可以保证电子开关在动作之前对用电设备的不间断供电。文章选用电解电容作为补充电容。电子开关反应时间不大于1μs，经计算，补偿电容仅需2只50V/10000μF的电解电容，减轻电源的体积和重量，满足用电需求[3]。

3 不间断应急供电系统设计

文章将上述基于功率器件的供电状态器与改装标准配电装置组成一套适用于大电流要求的通用测试改装不间断应急供电系统，系统原理如图2所示。

试验结果证明，该系统可满足机上电源供电异常时自动切换到蓄电瓶为关键设备供电的功能，且转换器件

图2 不间断应急供电系统原理图

4 试验分析

4.1 试验方法

上电后选择自动模式，完成电容充电程序，观察转换器显示状态；调节地面直流电源电压缓慢从28V降至0V，监测记录系统正常转应急供电过程，观察转换器状态显示；1min后，调节地面电源电压上升至25V以上，监测系统应急转正常供电过程。

4.2 试验结果

按上述试验方法进行试验，上电选择自动模式后，当地面直流电源电压低于25V时，正常供电指示灯熄灭，应急供电指示灯亮；1min后，当地面电源电压恢复至25V时，应急供电指示灯灭，正常供电指示灯亮。几个关键时刻负载端电压值如表1、表2所示。从表1中可以看出，当直流电源电压高于25V时，一般负载和关键负载电压正常，当直流电源电压低于25V时，一般负载掉电，关键负载端电压未低于22V，且电压值稳定。从表2可以看出，当直流电源从低电压恢复至25V时，一般负载恢复供电，期间关键负载端电压未低于22V。关键负载供电不间断，电压符合要求。经多次反复试验验证，该不间断应急供电系统运行正常，逻辑正确，满足使用需求。

表1 自动模式正常转应急供电过程

表2 自动模式应急转正常供电过程

5 总结与展望

文章针对目前试飞过程中对改装应急供电系统提出的新需求，提出了一种将功率MOSFET与电解电容相结合的供电状态转换技术，并研制出供电状态转换器，与已有的改装标准配电装置组成一套不间断应急供电系统，实现试飞改装中大电流关键负载的不间断应急供电。通过试验验证了该系统运行稳定、控制有效，具有在飞机测试供电系统中应用的前景。后续将进一步进行装机试验，验证系统装机运行功能是否满足要求。