航空業(yè)迫切需要可靠的電弧故障檢測和緩解措施。幾十年來，關(guān)于這個主題的學(xué)術(shù)和商業(yè)研究仍在繼續(xù)，因為電弧檢測是一個很難解決的問題。

有時電弧電流與正常工作電流無法區(qū)分。雖然電弧故障斷路器可用于交流電源系統(tǒng)，但它們并不完善，容易錯過檢測和誤跳閘。此外，交流電弧與直流電弧是一種不同的現(xiàn)象：直流探測器不會受益于交流零電流交叉產(chǎn)生的重復(fù)電弧點火。

任何檢測解決方案都將依靠快速斷路作用來消除故障。對于高電壓、高電流、直流電源系統(tǒng)，新一代固態(tài)電源開關(guān)現(xiàn)已上市，可滿足這一需求。

傳統(tǒng)的電源切換方法

飛機中的主要配電開關(guān)元件通常是某種形式的機械開關(guān)。通常，這些是具有過流跳閘功能的斷路器或接觸器。這些器件設(shè)計為高性能和高可靠性。然而，即使具有最小化關(guān)斷時間的設(shè)計功能，高電流關(guān)斷也可能持續(xù)30至50毫秒，這是電弧故障可能導(dǎo)致重大故障的有效永恒。

此關(guān)斷持續(xù)時間取決于另一種電弧的壽命 - 在分離觸點之間建立的拉弧。為了盡量減少這種情況，大電流機電開關(guān)通常包括吹出線圈或吹出永磁體（專用于直流設(shè)備），以加速電弧淬滅。這些特征利用洛倫茲力，作用于以速度通過磁場移動的帶電粒子。電弧被推到觸點的邊緣，然后拉伸直到它們熄滅。

雖然更強的磁場會更快地將電弧推出，但實用設(shè)備必須應(yīng)對尺寸和重量的限制。電流越大，環(huán)路電感越大，快速淬滅拉出的電弧就越困難。

固態(tài)開關(guān)，可更快地緩解電弧放電

由于這些挑戰(zhàn)，某些應(yīng)用受益于無弧固態(tài)開關(guān)或無弧混合開關(guān)。固態(tài)開關(guān)不是打開接觸間隙，而是使用晶體管來限制電流。這種截止可以非常迅速地發(fā)生 - 短至微秒 - 最大限度地減少主要電弧故障造成的損害。

這種速度伴隨著一些重要的懲罰：

首先，成本。高性能晶體管價格昂貴，尤其是由碳化硅制成的尖端高溫、低導(dǎo)通電阻芯片。此外，偏置電源和柵極驅(qū)動至少需要一些復(fù)雜的電子器件。這些因素使固態(tài)解決方案的起始成本超過了同類機電解決方案。

其次，固態(tài)器件的導(dǎo)通電阻和關(guān)斷電阻不如機電器件。并聯(lián)更多的晶體管將改善導(dǎo)通電阻，但會降低關(guān)斷電阻（增加泄漏）。導(dǎo)通狀態(tài)和開關(guān)損耗可能很大;它們還要求外部冷卻，以防止晶體管達到其最大允許結(jié)溫（Tj，max）。工作在接近或超過Tj，max的晶體管可能會失效。產(chǎn)生的熱量必須有效地排出，這需要昂貴的包裝材料，這進一步推高了成本。

相比之下，TE Connectivity 的 125 A DC 固態(tài)電源控制器的標(biāo)稱導(dǎo)通電阻為 4 毫歐，產(chǎn)生 63 瓦的耗散。類似的機電接觸器的接觸電阻可能為 0.5 毫歐，僅產(chǎn)生 8 瓦的接觸損耗，如果包括線圈功率，則為 14 瓦。雖然在這些擊穿電壓和電流水平下，固態(tài)開關(guān)的63瓦非常低，但它仍然比傳統(tǒng)接觸器的損耗大得多。事實證明，對于認(rèn)識到 30 微秒電弧消除將比 30 毫秒電弧消除造成的損害明顯較小的客戶來說，這是一個可以接受的權(quán)衡。

兩全其美的方法結(jié)合了這兩種解決方案。混合接觸器將固態(tài)晶體管電綁在標(biāo)準(zhǔn)接觸器的觸點上。晶體管在狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間導(dǎo)通，有效地吸收了本來是接觸電弧的能量。在導(dǎo)通期間，這意味著觸點反彈期間不會產(chǎn)生電弧，從而進一步延長觸點壽命。完全導(dǎo)通時，導(dǎo)通電阻就是接觸電阻。完全關(guān)閉時，泄漏由觸點而不是晶體管定義。

精心設(shè)計的混合接觸器可以比傳統(tǒng)接觸器更快地切換，并且無需固態(tài)解決方案所需的冷卻。對于相同的額定值，混合部件也可以更小，不需要吹出硬件，并且具有較小的電樞彈簧和驅(qū)動線圈。主要缺點是混合接觸器的成本將由其固態(tài)含量驅(qū)動。

隨著電源需求的不斷提高，飛機需要新一代更快、更高性能的電源開關(guān)。因此，固態(tài)設(shè)備正在成為軍事和商業(yè)航空航天配電系統(tǒng)現(xiàn)代化的關(guān)鍵要素。

審核編輯：郭婷