ICS 49.060 V 40
HB/Z 414-2014
民用飞机供电管理通用指南
General guidance for civil aircraft electrical power management
2014-05-19 发布 2014-10-01 实施
中华人民共和国工业和信息化部发布
前言
本指南编制所依据的起草规则是 GB/T 1.1-2009《标准化工作导则第 1 部分：标准的结构和编写》。
本指南由中国航空综合技术研究所归口。
本指南起草单位：中航工业第一飞机设计研究院、中国航空综合技术研究所。
本指南主要起草人：胡大明、冯愚、孙良、王宏霞、邓健、田玉斌。
民用飞机供电管理通用指南
1 范围
本指南规定了民用飞机供电管理的系统构型设计、功率开关和保护器件选用、软件设计等方面的要求。
本指南适用于民用飞机供电管理的系统设计。
2 规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件， 仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
HB 6096-1986 SZ-01 数字信息传输系统
HB 6167(所有部分) 民用飞机机载设备环境条件和试验方法
HB 7745 飞机电气系统特性
3 术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。
3.1
辅助触点 auxiliary contact
机械连接到主开关机构，能够提供主功率开关触点位置状态或指示的机电开关器件触点。辅助触点的电压和电流开关能力通常低于主功率触点。
3.2
辅助动力装置(APU) auxiliary power unit
产生机械能，用于驱动发电机、液压泵和环控系统压缩机等飞机附件的发动机(典型如燃气涡轮)。驱动方式可以是齿轮传动或采用发动机高压引气。
3.3
反电势(BEMF) back electromagnetic force
电动机或电感线圈接通或切断电源时阻碍正常电流变化的感应电势。
3.4
闭合前断开 break before make
在闭合前完全断开电路的电气开关器件特性。
3.5
机内自检测(BIT) built-in test
设备或外场可更换单元(LRU)对自身电路、功能、输入及输出进行监测或检查的自测试能力。该测
试可以由外部触发，也可以自动连续进行。测试结果传送给显示装置或其他设备， 以提供该设备或 LRU的健康状态。
3.6
汇流条连接 bus tie
两个或多个配电汇流条之间采用开关器件和/或保护器件的连接。
3.7
故障保护协调(级联) coordination fault (cascade)
在多级配电系统中离故障最近的电路保护器件先于更高一级保护器件的跳闸。
3.8
电晕 corona
导体上存在的电压梯度超过了其周围绝缘介质的电离电势时，由绝缘介质电离产生的辉光。电晕效应通常发生在高海拔、高电压的低空气密度区。电晕发生在介质击穿前， 并使绝缘性能降低，最终造成介质失效。
3.9
快速箝位 crowbar
故障时将电源输出电压箝位到零电压附近的输出特性。只有在切除电源并清除故障后，才能恢复输出。
3.10
缺省状态 default state
上电、故障或缺失输入激励造成的开关器件或逻辑电路的初始状态或跳转状态。通常将其有选择地指向一个有效状态。
3.11
电气负载管理中心(ELMC) electrcial load management center
内部设置有配电汇流条并利用功率控制器对配电支路和负载线路进行保护和遥控的设备。例如， ELMC 可以利用远程终端处理机和数据总线，实现系统通信、负载自动管理以及系统的监控。又称为配电装置/中心(PDU/PDC)。
3.12
电磁兼容(EMC) electromagnetic compatibility
在预期的电磁工作环境下，电子设备或系统具备规定安全工作裕度的兼容性。兼容性包括设备发射和敏感度。
3.13
机电功率控制器(EMPC) electromechanical power controller
采用机械触点接通和断开电源到负载间的电流，并包含电子装置来实现跳闸保护功能的一种功率控制器。
3.14
故障阻抗 fault impedance
负载处于故障状态下的负载电路阻抗，这种状态兼有欧姆和时间的综合特性。
3.15
流通状态 flow status
电源到负载的电流是否超过规定的最小电流值的标志。也可以用负载电流的相对值表示。
3.16
地 ground
连接负载，使电流返回电源系统的参考零电位。
3.17
地面电源汇流条 ground power bus
仅在地面由外部电源或辅助动力装置驱动的电源供电，用来完成日常维护与检查功能的飞机电源汇流条。
3.18
初始化 initialization
系统上电时为完成特定功能，命令设备/系统各单元进入已知状态的准备过程。
3.19
组合动力装置(IPU) integrated power unit
与 APU 相似，发电机与发动机整合为一体的装置。
3.20
负载切除 load shedding
根据可用电源容量，配电系统按预先设定顺序断开负载的过程。
3.21
断开前闭合 make before break
电气开关器件在交流电路断开前完全闭合，用于不间断供电转换。
3.22
断开电压 off-state voltage
断开状态下开关器件输出端的开路电压。
3.23
接通压降 on-state voltage drop
闭合或接通状态下开关器件电源输入与输出端测量到的电压差。
3.24
功率控制器 power controller
将传统的继电器和断路器的功能合二为一的器件。接通时电源和负载间为低阻抗， 断开时电源和负载间为高阻抗，功率控制器的功率开关状态取决于施加到控制器的外部信号。功率开关状态由一个状态信号给出。当检测到电气故障时，控制器将负载电路与电源断开。
3.25
功耗 power dissipation
功率控制器处于接通状态时，应为功率开关电路、漏电流和内部电源所损耗的功率之和。功率控制器处于断开状态时，仅为漏电流和内部电源的功率损耗。
3.26
配电盘(PDP) power distribution panel
包含开关保护及监控装置或者功率控制器，用于向各类负载配电的一个外场可更换单元(LRU)。
3.27
遥控断路器 remote control circuit breaker
具有传统断路器跳闸特性和远程控制接通或断开功能的一种断路器。
3.28
远程功率控制器(RPC) remote power controller
可远程控制的功率控制器，例如固态或机电功率控制器。
3.29
软关断 soft turn-off
直流功率开关在关断过程中，其开关控制电路减缓输出电压下降的特性。
3.30
软接通 soft turn-on
直流功率开关在开通过程中，其开关控制电路减缓输出电压上升的特性。
3.31
固态功率控制器(SSPC) solid state power controller
采用固态技术的功率控制器。
3.32
固态继电器 solid state relay
由固态元件构成的继电器。
3.33
热记忆 thermal memory
对于实现电路保护功能的器件，保持先前电流导致线路温度上升的影响，并通过减小跳闸时间，对后续的过流跳闸状态进行校正的特性。
3.34
跳闸 trip
电气过载或短路造成的电流自动切断。
3.35
跳闸曲线 trip curve
表示电气保护器件的过流值与跳闸时间关系的电流-时间曲线。
3.36
自由跳闸 trip free
过载、短路未消失前，即使采取复位措施(例如按下并保持断路器复位按钮)后电路保护器件仍保持电路断开的一种特性。
3.37
跳闸状态 trip status
保护器件处于跳闸时的电气、机械或视觉指示。
3.38
断开时间 turn-off time
功率开关器件从去除接通控制信号到施加在负载上的电压值下降至某一特定值(典型如 10%)的时间。
3.39
接通时间 turn-on time
功率开关器件从施加接通控制信号到施加在负载上的电压值上升至某一特定值(典型如 90%)的时间。
3.40
过零切换 zero crossover
固态功率开关器件通断交流电的一个理想特性，该特性使开关器件仅在接近零电压时接通和接近零电流时断开。
4 系统构型设计指南
4.1 电源类型
4.1.1 通则
电源类型分为交流电源和直流电源。 交流电源分为恒频和变频电源。传统的交流电源为115V/200V、400Hz 恒频，变频电源的频率范围为 360Hz～800Hz。直流电源分为低压和高压直流电源。传统的低压、高压直流电源分别为 28V、270V。有关供电特性的标准可参见 HB 7745、GJB 181 等。
4.1.2 交流系统需考虑因素
在一些三相交流系统(三相 Y 型连接)应用场合，负载不接中线会引起一些问题，特别是对采用零电压顺序接通的固态开关器件。这种应用场合中所使用的固态开关应能够承受住线电压。由于负载中性点没有接地，它将由三相电压矢量合成。当最初的一相接通时，中性点的电位等同于该相电压。在此期间且其他两相接通之前，断开的开关处于两相之间，应能够承受住两相之间的线电压。
另一个考虑因素是 EMI 滤波。交流电源线路上的噪声不易滤除。电容器的漏电流及其引起的功耗限制了可以使用的电容容量。在大电流状态下， 由于磁饱和的缘故，使用电感器或铁氧体磁环也是不切实际的。基于上述考虑，应在组件级抑制部分噪声，更进一步的抗干扰能力应在固态开关器件设计中考虑。开关中的功率部分和控制部分之间的合理隔离应能提供对剩余噪声(传导或发射)足够的抗干扰能力。
4.1.3 高压直流系统需考虑因素
对于高压直流系统，还应关注电弧和电晕抑制，特别是在 6 600m (20 000ft)以上高空;另一考虑因素是故障电流量级。应保持高压和控制线路之间的物理隔离。直流系统的优点之一是易于实现不间断供电转换，但应特别关注高压直流系统的故障扩散。
4.1.4 容量要求
随着电能需求的日益提高，应对发电系统容量及其增长能力进行仔细评估。应用供电管理易于实现对电能需求的合理管理。可以采用选择性地切除单个负载(代替汇流条切除)以减小峰值要求，使电能用在最需要的地方。借助于模块化(分布式)设计，易于增加新的负载。在系统配电组件设计中， 应为将来的扩展预留备用通道，尽可能避免系统重新布线。
4.2 负载类型
4.2.1 分类
负载类型分为无源负载和有源负载两种基本类型。
4.2.2 无源负载
4.2.2.1 通则
无源负载的基本类型有阻性、容性和感性。每种负载类型都有自身特有的要求， 需要采取适当的电能管理措施。
4.2.2.2 阻性负载
负载阻抗为纯电阻，和负载阻抗中的电抗部分与电阻部分相比可以忽略的负载称为阻性负载。对阻性负载的管理一般不需要任何特别的预防措施。白炽灯是阻性负载的一个特例。在冷态时， 灯丝的阻值非常低，能产生高达灯丝热态电流 12 倍的冲击电流。尽管该电流尖峰持续时间很短，其幅值仍可能触发固态开关器件内部的保护电路。
4.2.2.3 容性负载
负载阻抗中的电抗部分呈容性的负载称为容性负载。与白炽灯负载类似，当使用固态开关器件时，应考虑容性负载的冲击电流。特别是在直流系统中， 与稳态用电需求相比，负载电容存储的电能可能相当大。对这类负载应考虑限流。
4.2.2.4 感性负载
负载阻抗中的电抗部分呈感性的负载称为感性负载。固态开关器件快速切换这类负载时将产生相当大的电压尖峰，对固态开关造成危害，应采取预防措施以防止开关损坏。对大负载而言， 系统中即使存在很小的电感也会造成损害。对大电流等级的开关器件应明确其允许的负载电感。
4.2.3 有源负载
大多数有源负载为恒功率负载。恒功率负载呈现负输入阻抗特性。当电压下降时， 恒功率负载电流增加。由于这类负载的输入电流随着输入电压下降而不断增加， 会使得供电系统，特别是直流系统的故障协调和保护难以分析。一种方法是按恒功率负载的输入滤波特性将其分组考虑。在设计中应考虑最低工作电压。大多数现代电子设备的电源模块可归类为有源负载。
当汇流条负载中存在大量的恒功率负载时，可能会影响供电稳定性，如瞬态衰减不良、振荡和发电机误保护。当负阻抗负载增加到与正极性的电源阻抗相当时， 将使系统处于无功传递很大，有效做功很小的不利状态。
4.2.4 负载切除
负载切除是一种断开非重要负载以减小用电量的方案。在传统设计中，负载按其重要性进行分类(如一般、重要、关键)，相应地分配到指定的汇流条。当没有足够的电能可以使用时，选定的汇流条被断开(切除)，该汇流条上连接的所有负载从系统中断开。这种方案切除了一组负载，而没有考虑可用电源容量。通过应用供电管理， 可以自动或由机组人员评估可用电源容量，按照由低到高的优先级顺序断开足够的负载，使供电负载维持在发电系统容量范围之内。后一种方案可以更易于根据任务剖面和可用电源容量对负载分类。
4.2.5 负载恢复
当由于任务剖面改变或原先不可用的电源重新投入使用，使得可用电源容量增加时，通过供电管理能够评估可用电源容量并使先前断电的负载重新供电。重新供电应按照由高至低的优先级顺序完成， 并保持在发电系统容量范围之内。
4.3 配电结构
飞机传统的配电系统结构划分为不同的等级。其中， 一次配电系统向一定数量的交流和直流汇流条供电，每个汇流条按所配电负载分为不同的等级或类别，例如，主汇流条、应急汇流条等。这些配电汇流条一般安装在飞机中央位置。
随着更为智能的固态开关器件的出现，可以优化配电结构，减少馈电线，同时也能为后续阶段改进提供条件。二次配电可以通过按照飞机区域设置的多个航线可更换组件完成。部分二次配电负载可以由一次配电组件配电。为了使配电线路重量最小，配电中心可置于负载附近。
4.4 冗余
4.4.1 通则
在供电控制和配电系统中应考虑多重冗余。关键负载可多重设置， 并应由多个独立电源通过不同的配电通道供电。其他重要负载可不重复设置， 可由同一或不同的电源通过多个配电及控制路径供电。电源级的供电冗余可以通过汇流条转换和汇流条连接来提供。应在系统级考虑冗余以最大程度地减轻重量并满足负载供电冗余要求。
4.4.2 重构
供电管理可能需要具有控制及配电重构的能力，以满足飞机完成不同任务或从电源失效中安全恢复的需要。在进行系统结构和功能概念设计时，该特性是考虑的关键因素之一。
4.5 可靠性
为了提高配电系统的可靠性，可以考虑使用 SSPC。
4.6 控制和决策
4.6.1 关键和敏感负载端
应考虑对关键和敏感负载端的供电品质进行监测。
4.6.2 自主控制
在正常或非正常状态下，不需要其他系统和机组人员的干预，具有维持自身运行能力的系统称为“自主系统”。该系统允许在各分布式负载管理单元中完成逻辑解算，因此能够对关键系统或负载控制更快地作出决策。在这种情况下，对于处理输入、计算逻辑和提供输出结果， 不需要通过多路传输总线通信，但应将决定输出结果需要的所有输入提供给每个负载管理单元。当多个负载管理单元需要提供同一个输入时，会使飞机布线更加复杂。自主控制的另一考虑因素是缺省状态。即使通信链路(多路传输总线)
断开，本机也能够作出决策，将输出设置为缺省模式。在作出本机决策时， 每个负载管理单元都应该考虑各种可能因素，例如最新命令状态或安全缺省状态以及有限的可用离散输入等。每个负载管理单元内部系统结构设计应具备这种能力。
4.6.3 中央控制
这种方案中，由知悉飞机和电源状态的系统(例如飞机管理系统)完成逻辑解算和决策。其采集所有信息，并依此作出相应动作。中央控制应考虑冗余。
4.6.4 分布式控制
这种方案中，系统划分为不同的子系统。每个子系统采集必要的信息， 基于规定算法作出响应。同样，主系统从子系统收集信息，并向子系统发出动作指示。通常随着子系统数量增加，系统更为复杂。这种方案增强了功能和系统可用性，在发生单一或多重故障时不会使整个系统功能丧失。
4.6.5 离散量硬线与多路传输总线
供电管理的一个主要优点是减少了布线，这可以通过在系统/子系统之间和内部采用多路传输总线来实现。在子系统内部， 根据它们的复杂程度，也可以使用离散量信号。多路传输总线可参见 GJB 289A -1997、GJB 2633-1996、HB 6096-1986、ARINC 629 等相关标准。
4.6.6 多路传输供电管理系统
在这种系统中，电源系统和配电中心之间通过同一通信总线进行通信，以实现负载切除运算。 4.6.7 人机界面
人机界面可以通过采用控制板开关、多功能显示器和便携式计算机来实现。
4.6.8 飞机管理系统综合
供电管理子系统可与更高一级的飞机管理系统进行交联，实现命令控制和状态报告。这种方式下，对所有子系统进行综合管理以执行飞机不同阶段的任务。从属、超控和操作人员干预可以作为一个整体来控制。
4.7 故障检测
4.7.1 通则
供电管理应能够测试、监测和报告系统的健康状态， 并识别单个失效的可更换单元或子单元，从而最大程度地减轻整个飞机的维护工作量。上述维护特性在系统设计开发初始阶段就应设计到系统中。由于 SSPC 可以提供负载电流状态，故采用 SSPC 技术的配电系统有助于显著改善飞机级的维护。
4.7.2 维护人员接口
系统应具有向维护人员提供使用记录、跳闸状态和故障信息的通信能力。可通过机载飞机管理控制系统及其显示、专用于供电管理系统的维护显示，或通过与地面支持计算机设备之间的下载端口来实现。维护人员应具备与实现供电管理的系统进行交互的能力从而完成诊断过程。
4.8 多功能的限制
系统传感器也可能同时具有内在的控制功能，一个简单的例子就是热敏电阻。采用这种方式应注意分析这类器件的故障模式及影响以确定这种综合所带来的后果。
4.9 热管理
热管理是供电管理的一个重要方面。由于系统的运行很大程度上取决于固态开关器件， 固态器件的结温应维持在其安全工作区域(SOA)内。为此，推荐下列方法：
a) 尽量减小开关器件的压降及其产生的功耗;
b) 优化功率半导体器件的散热途径;
c) 为内含功率半导体器件的配电组件提供冷却，限制其温度。
为了维持组件温度，可采取三种不同的冷却方式。最经济的方式是对流冷却。然而， 散热所需的表面积会增加组件尺寸。在需考虑组件尺寸和没有足够散热片时推荐采用强迫通风冷却。在安装空间为首要因素时，应考虑使用液体冷却。对于后两种冷却方式，应对丧失冷却及其导致的负载切除进行仔细评估。
4.10 故障隔离
一般情况下，故障隔离通过切断开关(跳闸)停止向故障点传输电能来实现。保护/控制器件(如功率控制器)的主要功能是故障隔离，使受到故障影响的电路最少，防止了单一负载故障扩散及引起其他功能负载失效。
4.11 故障跳闸协调
当保护开关器件串联时，应预先协调好这些器件的选用。例如 SSPC，其跳闸特性的容差带较窄，额定值不同时跳闸特性一般不交叉。一般应保证较低额定值器件(下级)的跳闸特性上限低于较高额定值(上级)器件的跳闸特性下限。应对与上级器件关联的固态器件检查允许流过的电流峰值。三相交流系统可能要求在任一相故障时三相同时跳闸。
4.12 电磁兼容/闪电防护
不同于机电器件，固态开关器件对电磁干扰更为敏感。应对系统各级的电磁干扰性作出规定。主要的噪声抑制应在组件级完成。由于涉及到相当大的电流和电压， 这并不容易实现。由于尺寸受限， 限制了电感器的使用。铁氧体滤波在这种电流等级上易于饱和。旁路电容器应正确接地， 引线电感应尽量减小。在模块级(板级)应进行额外的滤波。开关器件应设计成在不严重影响尺寸的情况下具有足够的抗干扰能力。
由于固态开关器件独有的特性，使得其电磁发射远低于机电器件。直流开关可以实现软接通和软关断，能够最大程度地减小切换时的电磁干扰。采用零电压接通和零电流关断的交流器件可明显减小切换阻性和感性负载时的噪声。对其他电路应采用传统方式尽量减少其噪声。
由于固态开关器件击穿电压有限，闪电会对固态开关器件造成严重危害。这些器件直接与功率线相连，线路上并无串联元件(电阻、电感)以减小闪电引起的电压和电流。若直接对开关器件提出闪电防护要求，将严重影响器件的尺寸和压降，因此应在组件级、模块级(板级)或 LRU 级解决这个问题。闪电电压应在到达固态开关器件之前被抑制到一个可接受的水平。对于闪电引起的浪涌电流， 开关器件应有充分的防护。
4.13 搭接和接地
供电管理系统及其单元良好的电气搭接和接地与整个飞机电气设计同等重要。搭接是确保一个机壳内各点之间低阻抗的方法。应遵守确定的规则， 如将交流电源、直流电源、直流控制电源和壳体分别接地，对低电平信号避免多点接地，避免关键的冗余电路通过同一个接地螺栓接地。对于所有电源输出，每个电源仅使用独立的接地螺栓在机壳附近的一个区域内就近接地。
在飞机电气系统中，机体或机壳被用作法拉第屏蔽以防护电路受到电磁干扰。机壳也用作参考地，但绝不能作为接地回路。机壳上的返回电流会使机壳变成一个非均匀的参考地。机壳电势在某些位置是非零的，机壳上的电流将使它成为一个电磁干扰发生器。噪声和接地环路会使模拟量测量出错。当返回
电流通过信号路径返回电源时，产生接地环路。这就是在很多系统中信号屏蔽仅单端接地的原因。
为了防止电流通过机壳返回，应使用隔离的交流和直流电源。隔离电源的输出仅在一点连接到机壳。隔离电源的输入与输出之间阻抗应在 10MΩ~100MΩ 范围内。电容会引起一些问题。杂散和旁路电容都可能使交流噪声电流在机壳上流动。因此，应使隔离电源到机壳分流的电容尽量减小。
5 功率开关应用指南
5.1 电线和设备保护
当计划和开发一个飞机配电系统，选择一个负载开关器件时，应考虑负载特性。首要关注的是供电汇流条和用电设备之间互联电线的保护。电线规格应由通过电流、布线长度、电缆成束、电线绝缘特性、所处温度和高度环境、汇流条到负载的允许压降等来决定。SSPC 的电子控制电路能够模拟断路器的 I2t反延时热保护特性。一些 SSPC 还具有大电流负载重复故障的热记忆特性。开关/保护器件的 I2t 曲线应与选择的线规相匹配。另外，SSPC 的跳闸时间短于热断路器，能够提供更好的保护，避免着火和冒烟。当然， 由于跳闸时间缩短，更应注意避免误跳闸。SSPC 也可对负载设备提供保护并具有检测快速上升过流的能力，当设备出现局部短路，或灯负载、大电容器件等接通瞬间，一些 SSPC 将进入限流模式或提供瞬时跳闸保护。
5.2 电路/负载需考虑因素
5.2.1 压降
应考虑从供电汇流条到负载的允许电路压降。电源线(回线， 在双线配电系统中)、功率开关及保护器件的压降应进行累计。机械触点可提供更低的阻抗，但固态开关具有接通/断开时间受控、无触点弹跳和高可靠性等其他方面的优势。压降也将影响包含这些器件的 LRU 的热耗散和热管理。
5.2.2 漏电流
一些负载，例如容性负载可能对固态功率开关器件断开状态下的漏电流很敏感，会使负载设备处于不希望有的运行状态。基于安全性考虑， 可使用机械触点完全隔离或设置无电安全面，尤其是对某些有特殊要求的负载。由于漏电流产生输出电压， 应考虑人员安全。必要时应通过采取主动或被动设计维持低电压。
5.2.3 无电安全面要求
应增设一些电路，包括消除电容充电的输出端接地短路等来保证人身安全，同时还使漏电流旁路。
5.2.4 反流
由于物理隔离的原因，使用机电开关时并不关注从负载到电源的反流。然而， 使用固态开关时应考虑反流。反流是直流固态开关特有的问题。大多数情况下， 为减小直流压降，使用了单向开关。当电压极性相反时，场效应晶体管体内固有二极管导通。其他功率半导体器件的击穿电压可能更低， 当承受反向电压时，会造成损坏或导通。
当使用这些器件时，应对两种不同情况进行检测。首先，应检测一个短时反向电压(由于电源错误连接)的影响。在这种模式下， 尽管电流受负载阻抗限制，但是由于体内二极管压降较大(0.7V)，开关内部的功耗非常高。应考虑因疏忽而接反电源期间固态开关的热能力。其次， 开关在正常工作时可能承受反极性电压。在这种情况下，可采用一个阻塞二极管与开关串联，或规定采用双向开关。
5.3 效率和功耗
5.3.1 通则
功率开关器件的效率取决于所使用的开关器件类型，功率控制器件的接通和断开状态以及整个 LRU的工作循环周期都应考虑。SSPC 的一个固有缺点是热损耗，直接影响到 SSPC 的效率。
在 SSPC 中，最大的影响主要取决于功率开关器件的选择。封装形式和混合电路印制线长度及截面也有影响。为了使 SSPC 效率最高、功耗最低， 应进行优化和热平衡设计。未来半导体技术的进步会对提高工作温度和降低冷却要求等带来显著影响。
5.3.2 标称功率和峰值功率要求
器件的标称稳态额定值通常是指在规定的温度范围内工作时的量值。最坏情况通常是在最高连续温度下以最大功率工作。封装和安装是影响标称最大额定值的主要因素。
峰值功率受开关器件特性(通常是其半导体结最大功耗)限制。通过限制电流可以将系统电源功率控制在一定范围内，但会相应增加器件内部的功耗。
虽然负载分析通常采用平均功率，但在配电和开关器件选择和选型时应考虑峰值功率。负载峰值功率的幅值和持续时间同样也是热管理需考虑的重要因素。
5.3.3 热管理
固态开关对开关元件的最大结温非常敏感。应通过合理的设计、装配和使用，保证温度低于最大极限。
应考虑两个不同方面：一个是连续工作时的热管理;另一个是瞬时过载时的热管理。
对于连续工作，应优化散热路径以保证合理的冷却。应重视由不同固态开关产生的综合功耗， 这可能会引起温升过高。组件的机械设计和热设计， 以及包含固态开关的壳体应能够将综合发热传递到飞机冷却系统。
对于瞬时过载，固态开关通常先将耗散的能量短时贮存在器件内部，随后再传到散热器。这种情况下需考虑的是功耗的平均值。平均值(峰值功率乘以工作循环周期)应低于连续工作时的最大值，并且峰值结温应维持在可以接受的极限之内。
通常，由于功率半导体的故障率与结温直接相关，因此合理的冷却方式对整个系统的可靠性有显著影响。
5.4 接口
5.4.1 接口类型
功率开关器件有四种接口类型：控制、状态、电源和负载。
5.4.2 控制接口
控制接口用于系统控制器控制单个开关器件的接通/断开、状态请求、改变输出额定值及复位。该接口可通过离散量信号、数据总线或两者组合来实现。
5.4.3 状态接口
状态接口用于向系统控制器提供器件状态信息，如是否接通/断开、跳闸、内部故障、过热以及是否有电流输出等。该接口可通过离散量信号、数据总线或两者组合来实现， 也可以通过正比于输出电流和电压的线性电压输出(模拟量)实现。
5.4.4 电源接口
5.4.4.1 通则
电源接口有两种不同类型：单个开关器件的工作电源和通过开关接到负载的电源。对于某些器件，电源接口可兼备上述两种功能。开关器件的工作电源通常调节到一个很稳定的直流电压，如 5.0V。通过开关接到负载的输入电源一般由飞机主电源和二次电源系统提供，电压和频率(如果是交流)可能有较大的变化，其特性和变化范围可参见飞机供电系统规范。
5.4.4.2 电压尖峰的敏感性
固态开关器件对电压瞬变十分敏感，因此，器件上应有相应的标注。电压瞬变一般由电气系统正常扰动引起，如电气负载变化、瞬时供电中断或故障清除等。系统级选择开关器件时， 应在系统要求中明确器件的电压、电流、热性能和非正常瞬态条件下的安全工作区域(SOA)。对于 SSPC 断开感性线路短路时产生的电压尖峰，其应具有防护措施。
5.4.4.3 馈线电源和控制电源的隔离
功率控制器接通/断开用的控制电源应与通过控制器接到负载上的馈线电源隔离。这向功率控制器状态电路供电提供了一种独立途径，能够提供馈线电源故障信息。
5.4.5 负载接口
功率控制器通过负载接口与负载连接。负载接口应与负载类型相匹配，负载类型见 4.2。
5.5 初始化状态和顺序
系统设置初始条件和参数的过程称为初始化。除了内部参数(内存分配、堆栈大小、定时器等)， 上电时还会设置各种外部(系统)参数，包括：缺省(失效安全)表、负载额定值、负载切除表和预先规划的任务(任务剖面)。当供电管理系统初始上电时， 可以使负载分别处于通电或不通电的初始状态，这可以通过硬件或固件实现，从而能够向飞机或乘员提供一个安全初始状态。同样， 可要求为某些确定负载起动提供延时，从而使管理系统(负载、传感器、输入等)在作出起动这些负载的逻辑判断前达到稳定。负载的有序切换有利于减小汇流条瞬变。
5.6 缺省状态
缺省状态定义为系统处于非正常状态或无监控时应恢复的状态。这可能会导致接通一些负载，同时断开另外一些负载。当与控制相关的传感器、输入或通讯丧失时， 确定的关键负载可能需要恢复到一个规定的缺省状态。这个缺省状态可事先设定，或是最终命令状态，并由系统结构和负载的关键程度决定。
5.7 自检测(BIT)
5.7.1 通则
供电管理系统自检测能力是维护复杂硬件和软件必需的关键特性。BIT 可能需要在设计中增加硬件和软件。增加的硬件和软件应尽量少并具有隔离， 不应对系统的可靠性产生不利影响。飞机总体设计要求中应对分配到飞机所有功能子系统的故障检测和隔离等级有明确要求。该要求可以典型用下列术语表达：“所有系统故障的检测率为 XX%，隔离到一个确定的可更换单元或模块的准确度为YY%”。在系统设计时应考虑这个分配指标，对软硬件选择与设计作好规划。
5.7.2 初始 BIT
供电管理系统上电时，通过运行一个自测试程序提供系统的初始健康状态，可以作为操作人员判断系统是否处于任务执行就绪状态的依据。
5.7.3 周期 BIT
以一定的时间间隔或按照命令周期运行从而判断系统健康状态的 BIT。周期 BIT 不应影响系统正常
功能或改变系统输出状态。
5.7.4 维护 BIT
由外部命令启动，用于检测、记录和存储故障以便于采取适当维护措施的 BIT。
5.8 电气测试要求
电气测试内容包括 BIT、工作、故障、短路、供电循环、供电瞬变， 在系统级和元器件级应考虑上述测试和环境试验。
5.9 环境要求
环境要求按 HB 6167(所有部分)的规定，项目选取按设备自身规范的规定。
5.10 故障电流及分断电流
5.10.1 固态器件
固态器件在短路(故障)期间，不需要具备与传统热断路器跳闸所需的同等故障电流。电流降低可减小发电及电源变换系统的额定值，其尺寸/重量也相应减小。在器件输出端直接短路使电源产生一个典型故障电流的情况下，器件应具有隔离故障及不被损坏的能力。应对器件的故障电流跳闸时间进行评估，确保器件不受损坏并正常工作。
5.10.2 机电器件
机电器件应明确分断电流，分断电流是器件处于接通短路或断开故障电流时器件触点实际流过的最大电流。由于故障一般不会发生，应当规定一个较少的分断电流下的工作次数，例如 50 次，以减轻器件的重量。
5.11 不中断供电
需要时，供电管理可以向配电汇流条分配和维持供电中断时间小于 100μs 的电能。
6 功率开关和保护器件选用指南
6.1 功率控制器
6.1.1 通则
功率控制器是供电管理中的负载控制元件，提供飞机上单个或一组负载的接通/断开转换、过流保护和状态监测。本指南对在供电管理中使用功率控制器给出了应用方法建议。可供使用的功率控制器和固态继电器类型及其相关特性见表 1。
表 1 开关器件应用
6.1.2 固态功率控制器(SSPC)
SSPC 有各种不同的类型，主要区别在于：
a) 额定电压和电流：SSPC 可用于所有常用的供电电压范围(28V 直流、115V/400Hz 交流、270V直流、变频交流系统等);针对各自的供电电压，性能一般符合飞机供电特性标准(参见GJB 181、HB 7745 等);额定电流取决于应用场合，应用于一次配电的器件具有较大的额定电流，应用于二次配电的器件具有较小的额定电流;电流额定值在 1A(小负载)到 350A(一次配电)之间。
b) 封装：主要区别在于封装类型;有为印制电路板安装设计的器件，主要用于小功率和中等功率;大功率器件一般通过汇流条连接到系统。
c) 环境适应性：主要通过封装类型体现，大多数通用器件采用密封封装。
d) 电磁兼容性：为一次配电应用设计的 SSPC 通常比小功率器件具有更高的电磁兼容性。
e) 功能：可以对 SSPC 规定以下各种可能的功能，包括：
1) 状态信息，如：接通/断开、跳闸、电流、器件过热、输出电压等;
2) 过载保护;
3) 通断;
4) 传感器功能综合(欠压、过压、频率等);
5) 瞬时跳闸保护。
SSPC 的基本功能是依据控制命令信号对负载供电进行切换，提供线路过载保护和实时状态。通常，跳闸后远程控制输出复位的能力也被认为是一个核心功能。因此， 器件组合了继电器远程供电切换的功能和断路器在线路电流超过门限电流时在规定时间内通过跳闸断开线路供电的功能。
这些核心功能在细节上可以有各种各样的变化。例如， 可以对供电通断功能进行调整以限制通断时电流的变化率。过载保护可以采用类似于传统热断路器跳闸曲线的 I2t 函数，可以与确定负载的瞬态冲击电流相匹配，可以采用连续跳闸和复位工作过程综合来对其产生的线路温升建模，这通常被称为热记忆。如果环境温度高并且之前发生过跳闸和复位， 使得功率开关半导体器件有高的初始结温，不需进行热降额设计也可控制跳闸时间。
6.1.3 固态继电器
固态继电器仅包含了开关功能(接通/断开)。6.1.2a)～6.1.2d)同样适用于固态继电器。
6.1.4 机电式继电器和接触器
机电式继电器和接触器均是利用电磁操作机械开关触点接通/断开的器件，可用于交流或直流，有多种额定电流和额定电压值。可以规定像采用独立电磁机构改变触点位置和延时来锁定触点等那样的一些功能。
6.1.5 混合式功率控制器
使用固态开关接通/断开电源到负载的电流，并在稳态条件下使用机电开关触点传输电流的一种功率控制器。
6.1.6 遥控断路器
这类器件组合了断路器和继电器的功能，通常安装在电源或负载中心附近。机组人员区域内的一个远程指示器件可以提供状态信息及复位操作。
6.1.7 断路器
6.1.7.1 通则
断路器作为保护器件，主要用于保护飞机配电线路。所选的类型和额定值应与线规、电线绝缘材料和工作环境相适应。断路器中包括了一些对影响跳闸特性环境的温度补偿措施，跳闸时间随着温度升高而缩短。断路器一般不作为主控开关器件使用。
6.1.7.2 热断路器
热断路器使用流过温度敏感元件(典型如双金属片)的负载电流对元件产生的I2R 热变形来使电路断开。过载时，断开或跳闸时间随负载电流增加而相应减少。
6.1.7.3 磁断路器
磁断路器应用螺线管原理来使电路断开。
6.1.8 机电功率控制器
机电功率控制器利用电磁操作机械开关触点的接通/断开，触点的控制采用与 SSPC 相同的固态控制电路。可用于交流或直流，有多种额定电流和额定电压值。
6.2 功率开关和保护器件的可选特性
6.2.1 反馈信息
大多数器件向控制设备反馈接通、流通、断开或跳闸等状态信息。这些信息可用于向机组人员提供显示，和用于控制计算机计算电源负载、可用剩余电源容量、负载切除等， 或用于自动故障检测和隔离系统。
反馈信息包括：
a) 接通状态-器件接通。
b) 电压状态-器件接通且输出电压超过阀值。
c) 流通状态-器件输出电流超过阀值，例如器件额定值的 20%。
d) 负载电流值-器件能够测量且报告负载的电流值。
e) 断开状态-器件切断。
f) 跳闸状态-保护器件的命令信号为接通，但实际输出锁定为断开，表示负载电路发生过载。
g) 故障状态-器件输出与命令信号不一致。例如， 当指令为接通时器件可能断开，但跳闸电路没有锁定，表明器件故障而不是发生了过载。当然， 由命令、接通和断开等状态信息(如果提供)也可能推断出故障状态。
6.2.2 BIT
BIT 提高了功率控制器在工作时能够按要求完成所有主要功能的可信度。理想状态下， BIT 系统应能够验证功率控制器按接通指令接通、按断开指令断开、发生过载时跳闸等各种情况下是否达到已知的可信度水平。BIT 可以完全由功率控制器自身通过运行初始 BIT、周期 BIT 或维护 BIT 来完成。
BIT 可在系统级实现。控制计算机可发出接通和断开命令信号， 并相应检测状态反馈信号。但是这只有在试验时每个单个负载都能够安全瞬时供电的情况下才有可能。如果给功率控制器电流敏感电路提供一个使其偏离的输入(或直接替代敏感电路的输出)，这样就能够模拟过载，控制计算机可以对功率控制器发送输入来进行跳闸测试、检测实际跳闸结果并适时复位。相对于功率控制器自身 BIT，这种跳闸测试被认为具有更高的可信度，因此应优先采用。故障状态信号可用于指示器件有自检测故障。
6.2.3 限流
功率控制器可包括限流控制功能，以防止过大的故障电流流过电线或负载短路电路。限流可用于减小故障电流对汇流条电压的影响、限制特定类型负载设备的冲击电流、限制切断故障电流时产生的感应
尖峰能量。应注意限流功能会对保护器件的尺寸、重量及其安装造成较大影响。
6.2.4 断开状态下输出电压快速箝位
当 SSPC 中的主功率开关断开、但电压施加到功率输入线时， 会有小的漏电流流到负载电路中。漏电流可能会对维护人员产生危险并提供错误的信号。SSPC 中可包含一个无源或有源下拉电路，将漏电流释放到地，维持一个非常低的可控断开电压。
7 软件设计指南
7.1 集中与分布对比
使用集中式还是分布式软件，很大程度上取决于应用场合、系统结构和设计人员的设计思路。每种方法各有优点。通常分布式智能控制提供了更好的供电可用性和可靠性。在这种结构中， 单点失效减小到最低限度。但是， 由于每个单元都需要有自己独特的结构和算法以自主运行，整个软件的数量将会增加。另外， 分布式单元之间很难协调，特别是在负载切除期间。如果各单元之间很难实现通信， 这个问题将进一步恶化。对于集中式控制， 负载算法的协调和处理相对简单得多。但是， 主计算机失效或通信故障会导致整个电气系统不工作。另一种可选方案是使用中央智能单元控制、协调、解算负载， 同时各分布式组件具有足够的智能以便在非正常条件下实施自身管理。
7.2 固定逻辑与可编程逻辑
大多数 SSPC 具有固定的额定值，跳闸特性不能修改。可编程的 SSPC 可以设置成不同的额定值和不同的跳闸特性。可以采用静态(可编程插针)或者动态(通过软件)方式对这类器件的特性编程和设置。通常对跳闸门限和延迟时间进行调整。可编程器件的元组件应按最大的电流额定值和延迟时间进行设计。如额定值为 15A 的可编程器件应设计成能够传输 15A 额定电流并承受住与 15A 器件相关的故障电流。这会显著增加器件的尺寸、重量和费用。当这个器件被编程用作 2A 的开关时，剩余容量就会被浪费。但是， 减少备件需求和降低保障需求是在选择可编程器件时应考虑的一个因素。通常， 在尺寸和重量为首要因素的应用场合，推荐采用固定逻辑的器件。在大型飞机以及在机上有多个 SSPC 应用时，可编程器件具有一定优势。
7.3 扩展能力
系统开发期间硬件设计应保留有足够的备用存储容量，以适应系统开发阶段扩展及系统实际应用和提升原有能力时的预期需要。一个指导准则是在初始设计规范需求评估的存储容量基础上提供 100%容量扩展。
7.4 编程语言
编程语言应符合飞机系统的要求和客户对性能的要求。
参考文献
[1] GJB 181 飞机供电特性
[2] GJB 289A-1997 数字式时分制指令响应式多路传输数据总线
[3] GJB 2633-1996 飞机内部时分制指令响应式多路传输光纤数据总线
[4] GJB/Z 299 电子设备可靠性预计手册
[5] ARINC 629 多发送器数据总线(Multi-transmitter data bus)
