更快的电源开关确保飞机安全：从毫秒到微秒

　　航空业迫切需要可靠的电弧故障检测和缓解措施。几十年来，关于这个主题的学术和商业研究仍在继续，因为电弧检测是一个很难解决的问题。

　　有时电弧电流与正常工作电流无法区分。虽然电弧故障断路器可用于交流电源系统，但它们并不完善，容易错过检测和误跳闸。此外，交流电弧与直流电弧是一种不同的现象：直流探测器不会受益于交流零电流交叉产生的重复电弧点火。

　　任何检测解决方案都将依靠快速断路作用来消除故障。对于高电压、高电流、直流电源系统，新一代固态电源开关现已上市，可满足这一需求。

　　传统的电源切换方法

　　飞机中的主要配电开关元件通常是某种形式的机械开关。通常，这些是具有过流跳闸功能的断路器或接触器。这些器件设计为高性能和高可靠性。然而，即使具有最小化关断时间的设计功能，高电流关断也可能持续30至50毫秒，这是电弧故障可能导致重大故障的有效永恒。

　　此关断持续时间取决于另一种电弧的寿命 - 在分离触点之间建立的拉弧。为了尽量减少这种情况，大电流机电开关通常包括吹出线圈或吹出永磁体（专用于直流设备），以加速电弧淬灭。这些特征利用洛伦兹力，作用于以速度通过磁场移动的带电粒子。电弧被推到触点的边缘，然后拉伸直到它们熄灭。

　　虽然更强的磁场会更快地将电弧推出，但实用设备必须应对尺寸和重量的限制。电流越大，环路电感越大，快速淬灭拉出的电弧就越困难。

　　固态开关，可更快地缓解电弧放电

　　由于这些挑战，某些应用受益于无弧固态开关或无弧混合开关。固态开关不是打开接触间隙，而是使用晶体管来限制电流。这种截止可以非常迅速地发生 - 短至微秒 - 最大限度地减少主要电弧故障造成的损害。

　　这种速度伴随着一些重要的惩罚：

　　首先，成本。高性能晶体管价格昂贵，尤其是由碳化硅制成的尖端高温、低导通电阻芯片。此外，偏置电源和栅极驱动至少需要一些复杂的电子器件。这些因素使固态解决方案的起始成本超过了同类机电解决方案。

　　其次，固态器件的导通电阻和关断电阻不如机电器件。并联更多的晶体管将改善导通电阻，但会降低关断电阻（增加泄漏）。导通状态和开关损耗可能很大;它们还要求外部冷却，以防止晶体管达到其最大允许结温（Tj，max）。工作在接近或超过Tj，max的晶体管可能会失效。产生的热量必须有效地排出，这需要昂贵的包装材料，这进一步推高了成本。

　　相比之下，TE Connectivity 的 125 A DC 固态电源控制器的标称导通电阻为 4 毫欧，产生 63 瓦的耗散。类似的机电接触器的接触电阻可能为 0.5 毫欧，仅产生 8 瓦的接触损耗，如果包括线圈功率，则为 14 瓦。虽然在这些击穿电压和电流水平下，固态开关的63瓦非常低，但它仍然比传统接触器的损耗大得多。事实证明，对于认识到 30 微秒电弧消除将比 30 毫秒电弧消除造成的损害明显较小的客户来说，这是一个可以接受的权衡。

　　两全其美的方法结合了这两种解决方案。混合接触器将固态晶体管电绑在标准接触器的触点上。晶体管在状态转换期间导通，有效地吸收了本来是接触电弧的能量。在导通期间，这意味着触点反弹期间不会产生电弧，从而进一步延长触点寿命。完全导通时，导通电阻就是接触电阻。完全关闭时，泄漏由触点而不是晶体管定义。

　　精心设计的混合接触器可以比传统接触器更快地切换，并且无需固态解决方案所需的冷却。对于相同的额定值，混合部件也可以更小，不需要吹出硬件，并且具有较小的电枢弹簧和驱动线圈。主要缺点是混合接触器的成本将由其固态含量驱动。

　　随着电源需求的不断提高，飞机需要新一代更快、更高性能的电源开关。因此，固态设备正在成为军事和商业航空航天配电系统现代化的关键要素。

　　审核编辑：郭婷