基于SiC的综合化直流固态功率控制器的关键技术研究

The DC power supply and distribution systems of aircrafts, spacecrafts, vehicles are developing towards higher levels, which are requiring more safety and high reliability. SiC devices have higher voltage levels, lower conduction loss and switching loss, and can withstand high junction temperature and radiation, which are especially suitable for high voltage and high power application like aircrafts, spacecrafts, and military vehicles in the harsh environment.This project will study the key technologies of SiC based DC Solid State Power Controller (SSPC) with online arc fault detection and arc fault location. The research topics include: the study of load voltage, load current double closed loop control strategy for SiC based DC SSPCs; the study of an online arc fault detection and location method based on the fusion of time and frequency domain characteristics of arc fault, and chaotic spread spectrum time domain reflectometry. A prototype of integrated DC SSPC based on SiC will be fabricated. Achievement of the project can not only accurately detect and locate intermittent arc fault, according to which, fast and reliable protection are conducted，it can also predict and pre-locate the "soft fault" such as insulation damage and crack by aging. This project will improve the safety, reliability and maintainability of the power systems of aircrafts, spacecrafts, vehicles, which are of great scientific significance and high engineering value.

当前航空航天器、车辆等的直流供配电体制从低压向高压发展，系统安全性和可靠性要求越来越高。SiC器件相比Si器件具有更高的电压等级、更低的导通损耗和开关损耗以及耐高温、耐辐射等特点，尤其适合在航空航天器、军用车辆的高压大功率场合和恶劣环境中应用。本项目拟开展集成电缆电弧故障检测和定位功能的基于SiC的直流固态功率控制器的关键技术研究。研究内容包括：开展SiC直流固态功率控制器的负载电压和电流双闭环控制的控制策略研究；开展基于故障电弧电流时频域特征法与混沌扩频时域反射法融合的电弧故障在线检测和定位方法的研究；并研制基于SiC的综合化直流固态功率控制器样机。研究成果不仅能准确检测和定位已发生的间歇式电弧故障，并快速、可靠保护，而且能对电缆绝缘损坏及裂纹等"软故障"预测和预定位。本项目研究成果可提高航空航天器、车辆电气系统安全性、可靠性和可维护性，具有显著的科学意义和较高的实用价值。

SiC器件可以突破传统Si器件的在电压等级、损耗和环境适应性等方面性能的极限，尤其适合在航空航天器、军用车辆高压直流和大功率场合及恶劣环境中应用。本项目开展综合化SiC直流固态功率控制器关键技术研究，提出将电弧故障检测、故障定位功能与SSPC的电路保护功能有机融合，增强飞机配电系统安全性、可靠性和测试性。.开展基于SiC功率管的SSPC驱动、控制和保护技术研究，提出基于数据驱动建模思想的SiC功率管热电耦合建模方法和适用于Si/SiC直流SSPC双闭环控制方法、基于模型状态估计的冲击性负载/短路故障区分方法，研制直流270V/20A直流SSPC样机，相比基于Si CoolMOS直流SSPC带容性负载能力提升约1倍，故障限流响应速度提升20倍。.开展基于时频域特性的高可靠电弧故障在线识别方法研究，研制直流电弧故障信号数据采集及诊断一体化的自动化研究平台，基于FFT、FRFT、HHT三种方法提取直流电弧故障电流频域特征并比较，提出基于马氏距离的直流电弧故障检测算法并研制样机，检测率在95%以上。.开展非接触式方向性耦合反射法电弧故障在线定位方法研究，提出混沌扩频多股电缆故障诊断的方法，实现多股电缆故障诊断。提出容性和感性非接触式方向性一体化耦合器，实现非接触式电缆故障在线诊断。提出宽区间高精度的电缆故障检测定位方法，在0~100m范围内的线缆故障均可测，定位误差在30cm以内。.提出综合化固态功率控制器软硬件架构研究和多源信息融合故障诊断、决策方法，研制直流270V/20A综合化SSPC原理样机及试验平台。相比常规SSPC，综合化SSPC增加了间歇性故障检测能力、电缆故障检测定位能力以及离线故障检测能力，将系统故障覆盖率由58.3%提升至100%，故障隔离率由71.4%提升至100%，提高飞机配电系统的安全性、可靠性和测试性。.成果已成功应用于某舰船直流配电系统、民用光伏系统和宽体客机高压直流系统电弧故障检测和卫星电源母线致命开路、短路故障定位，增加飞机配电系统的安全性和维护性，促进航空、航天、车辆和直流楼宇等新型供配电体制的发展，具有显著的科学意义和工程实用价值。