機載任務設備供配電系統架構、標準及適應性簡析*

張 斐，張 莉，李思潔，楊 平

（1.中國電子科技集團公司第二十九研究所 四川省高效電源變換技術工程研究中心，四川 成都 610036；2.西南交通大學 電氣工程學院，四川 成都 611756）

0 引言

機載供電系統由主電源、應急電源和二次電源組成，有時還包括輔助電源。主電源由航空發動機傳動的發電機、電源控制保護設備等構成，在飛行中供電。當航空發動機不工作時，如在地面測試時，主電源也不工作，這時靠輔助電源供電。飛機蓄電池或輔助動力裝置（一種小型機載發動機、發電機和液壓泵等構成的動力裝置）是常用的輔助電源。飛行中主電源發生故障時，蓄電池或應急發電機即成為應急電源。

機載用電設備要求較高的供電質量，然而，大量大功率非線性用電設備的加入必定導致發電機電壓、電流的畸形問題。因此，針對電壓調整精度、頻率調整精度、交流電壓波形正弦度、電壓浪涌和尖峰等指標都有一定的技術標準。機載供電系統的標準既是飛機電氣系統設計的一項重要內容，也是飛機供電系統與大功率非線性用電設備的接口標準，更是研制、生產、采購、驗收、使用、維護、修理過程中應執行的規范。由于不同年代的機型采用的標準不一致，目前機載用電設備對GJB 181—1986《飛機供電特性及對用電設備的要求》、GJB 181A—2003《飛機供電特性》和GJB 181B—2012《飛機供電特性》的符合性驗證存在較大差異。因此，分析機載供電適應性標準對解決機載用電設備和供電系統的兼容性問題有著重要價值。

本文第1 節介紹了機載供電系統的發展與分類，第2 節介紹了用電設備配電架構及其整流技術，第3 節介紹了供電適應性標準及解析，第4 節進行總結和討論。

1 機載供電系統的發展與分類

隨著發電形式的發展，機載供電系統輸出類別經歷了從低壓直流到交流再到高壓直流的發展歷程，其中交流供電系統從恒速恒頻模式發展為變速恒頻模式再發展為變速變頻模式[1]。機載供電系統輸出電壓包括低壓直流28 V、恒頻交流AC115V/400 Hz、寬變頻交流AC115 V/(360～800 Hz)和高壓直流270 V 這4 種[2]。下面簡要分析這4 種供電系統的特點和應用現狀。

1.1 低壓直流28 V 供電系統

低壓直流供電系統是飛機上最早采用的電源系統，系統輸出電壓從最開始采用的6 V、12 V 逐步改進為28 V，并沿用至今[3]。低壓直流供電系統由航空發動機直接驅動的直流發電機、調壓器和保護控制器組成[4]，具有并聯簡便、控制簡單和保護設備簡單的優點，可用作起動發電機并能夠減輕機載設備重量，但供電系統容量的增加導致其重量也有顯著增加，且存在功率變換設備復雜、效率低等缺點。因此，低壓直流供電系統僅適用于供電容量需求較小的中小型飛機（目前最大功率為18 kW)[2]，而不適用于電子設備較多的大中型飛機上作為主供電系統。

1.2 恒頻交流AC115 V/400 Hz 供電系統

隨著恒速傳動裝置的誕生及迅猛發展，恒速恒頻交流供電系統成為現代飛機供電系統的主流構型[5～7]。恒速恒頻供電系統由飛機發動機通過恒速傳動裝置傳動交流發電機產生，恒速傳動裝置可將變化的發動機轉速轉變為恒定轉速從而傳動交流發電機，進而產生恒頻交流輸出AC115 V/400 Hz，具有容量大、二次電源簡單可靠、重量輕、體積小及可靠性高等優點，是目前大型飛機上應用最多的經典交流供電系統。但恒速傳動裝置存在結構復雜、成本高、效率低及維護困難等缺點，且無法實現起動發電。

變速恒頻交流供電系統[8]是在恒速恒頻交流供電系統的基礎上發展起來的，采用交交型或交直交型功率變換器替換恒速傳動裝置產生恒頻交流輸出，具有電氣性能好、維護費用低等優點，但由于功率變換器主要由大功率電力電子器件組成，存在過載能力差、可靠性低等缺點。

此外，以上兩種恒頻交流供電系統均存在電能變換效率較低的缺點（約為72%～80%）[2,9]，使其不能適應機載供電系統大容量發展需要。

1.3 寬變頻交流AC115 V/(360～800 Hz）供電系統

為了適應不斷增長的負荷用電需求，隨著電力電子技術的發展，載機供電系統逐漸從恒頻向變頻發展。變頻交流供電系統[10]的交流發電機直接連在發動機軸上，輸出寬變頻交流電AC115 V/（360～800 Hz）。相對于恒頻交流供電系統，變頻交流供電系統在保證與恒頻系統相同的供電質量的同時可明顯減小體積和重量，供電效率可達到90%，具有使用穩定、易于維護的優點，已初步達到現代飛機的需求標準[11]，是目前A380 與B787等多電/全電飛機采用的供電方案。

1.4 高壓直流270 V 供電系統

由于交流供電系統難以實現飛行過程中關鍵設備的不間斷供電，為了在減輕供電系統重量的同時實現系統的不間斷供電，誕生了高壓直流270 V 供電系統[12]。該系統由開關磁阻型高壓直流起動/發電機發電，可以省去附件齒輪箱，可極大地減小供電系統的重量。相對于變頻交流供電系統，高壓直流270 V 供電系統具有效率高、體積小及重量輕的優點，且更容易實現不間斷供電，可大幅度提高系統穩定性。但由于全面采用高壓直流供電系統將涉及飛機供電體制的改革，將會出現大量更換用電設備的局面，因此其應用相對較少。目前，F-35 戰斗機已采用了250 kW 的高壓直流270 V 供電系統。

1.5 小 結

恒頻交流AC115 V/400 Hz 供電系統是現代飛機供電系統的主流構型，但對于大容量供電系統，變頻交流AC115 V/（360～800 Hz）供電系統和高壓直流270 V 供電系統因其具有相對較高的效率已成為載機供電系統的發展趨勢[13]。

2 用電設備配電架構及其整流技術

機載配電一般采用常規配電方式，將配電功率線全部引入配電中心或中央配電裝置，用電設備通過繼電器、接觸器、斷路器、限流器等保護裝置從中央配電裝置處獲得電能[13～15]。由于目前機載平臺發電機一般采用交流發電機，輸出電壓為AC115 V/400 Hz；部分新型機載平臺的發電機采用直流發電機，輸出電壓為DC270 V。因此，對于交流輸入電壓，用電設備需設計專用的整流設備將交流供電轉換為DC270V 后，再采用隔離DC-DC 變換技術將DC270 V變換為設備工作需要的DC28 V 等。目前整流設備主要采用6 脈波整流技術、12 脈波整流技術、18 脈波整流技術和有源功率因數校正技術這4種技術體制。

2.1 6 脈波整流技術

傳統設備整流變換采用二極管橋式整流方案，一個工作周期內存在6 個工作脈波，因此也稱其為6 脈波整流。6 脈波整流技術具有簡單、可靠、重量輕的優勢，但由于用電設備的輸入端存在大容量電容而使其輸入特性呈現為容性，會造成用電設備在滿載時的功率因數僅約為0.9，輸入電流總諧波畸變率僅為20%～35%的情況，遠不能滿足GJB181 對功率因數≥0.95、輸入電流總諧波畸變率≤10%的要求，且負載越輕時這兩項指標越差。因此，目前該技術僅用于小功率用電設備。

2.2 12 脈波整流技術

為提高用電設備的功率因數與輸入電流總諧波畸變率，利用移相變壓器（星形變換為三角形）將供電電壓移相，移相后該電壓與原供電電壓存在相位差。將用電設備負載分為相等的兩組，一組由原供電電壓經6 脈波整流后供電，一組由移相后電壓經6 脈波整流后供電，這樣可將用電負載等效為12脈波整流，兩組6 脈波整流產生的電流諧波在相位上互相抵消，可降低輸入電流總諧波畸變率，從而提高功率因數。理論上，12 脈波整流設備的輸入電流總諧波畸變率約為12%，仍不能滿足GJB181對輸入電流總諧波畸變率≤10%的要求。為進一步降低輸入電流總諧波畸變率，往往需要在供電交流側串入額外的濾波電感，會增加系統體積與重量。

12 脈波整流技術具有簡單、可靠的優勢，但星形變三角形變壓器額定容量需要設計為用電設備功率的一半，具有體積大、重量重的缺點，不能滿足機載設備對小型化的需求。此外，由于用電設備的組成與工作模式較復雜，往往較難簡單地分為用電功率完全相等的兩組。當兩組用電設備的用電功率差值較大時，12 脈波整流設備的輸入電流總諧波畸變率將會惡化，極限情況下其值等效為6 脈波整流的輸入電流總諧波畸變率。同樣，12 脈波整流存在負載越輕功率因數與輸入電流總諧波畸變率指標越差的缺點，目前已基本不再使用該技術。

2.3 18 脈波整流技術

為滿足GJB181 標準對于機載用電設備的輸入電流總諧波含量不超過10%的要求，同時滿足航空應用對系統可靠性、過載能力和體積重量的限制要求，衍生出多種多脈波整流技術，其中18 脈波整流技術因變壓器加工制造簡單而得到廣泛應用。18脈波整流技術利用自耦變壓器形成相位差為37°的2 組感應電壓，各自送入整流橋整流后，與原供電電壓經6 脈波整流后輸出并聯，共同向用電設備供電。理論上，18 脈波整流設備的輸入電流總諧波畸變率約為10%，可滿足GJB181 對輸入電流總諧波畸變率≤10%的要求。

18 脈波整流技術同樣具有簡單、可靠的優勢，且自耦變壓器額定容量僅為用電設備功率的0.274倍，具有體積小、重量輕的特點。相比6 脈波整流技術，18 脈波整流技術僅需要額外增加一個自耦變壓器與2 個整流橋；相比12 脈波整流技術，18 脈波整流無須對用電設備進行分組。因此，18 脈波整流技術在大型機載平臺得到廣泛應用。但是，18 脈波整流同樣存在負載越輕功率因數與輸入電流總諧波畸變率指標越差的缺點，目前僅在對尺寸和指標要求不高的場合使用。

2.4 有源功率因數校正技術

隨著電力電子技術的發展，20 世紀90 年代初研究并形成了基于有源功率因數校正技術的高功率因數供電系統方案，該方案可以改善用電設備的輸入電流波形，具有極低的輸入電流總諧波畸變率與高功率因數，在工業及民用50 Hz 的交流用電領域得到了廣泛應用。但當時受限于功率器件的開關頻率與數字處理器的計算能力限制，有源功率因數校正技術在機載400 Hz 的交流用電領域無法得到應用。

2017 年以來，隨著三代半導體技術與數字處理器技術快速發展，適應于機載發電頻率300～800 Hz的有源功率因數校正技術得到了發展與應用。通過高頻開關斬波電路將交流輸入整流變換為直流電，可極大降低磁性元件的體積與重量，提高機載整流電源的功率密度。此外，有源功率因數校正整流器可根據輸入電壓、輸出電流實時調整控制脈沖，在全負載范圍內均具有功率因數高、輸入電流總諧波畸變率低的優點。目前，有源功率因數校正技術實現成本高于18脈波整流技術，但其具有功率密度高、性能指標好、模塊化設計易擴展等優勢，已在部分機載平臺上得到了充分應用與驗證，基本成熟可靠。

2.5 小 結

由于載機發電機的發電功率有限，但用電設備的功率需求較大，為提高功率因數，降低輸入電流諧波，目前整流設備主要采用18 脈波整流技術與有源功率因數校正技術。如表1 所示，18 脈波整流技術成熟度與可靠性較高，但部分工作模式下存在性能指標不滿足GJB181 標準要求；有源功率因數校正技術雖然成本較高、技術難度大，但在全負載范圍內均可滿足GJB181 標準要求，便于模塊化設計，功率可擴展性強，且具有功率密度高和重量輕的優點。

表1 18 脈波整流技術與有源功率因數校正技術對比

3 供電適應性標準及解析

GJB 181《飛機供電特性》是用電設備裝載與機載供電系統的接口標準。大量大功率非線性用電設備的數量增加對機載供電系統的頻率調整精度、交流電壓電流波形正弦度的尖峰的特性指標造成極大的影響。我國陸續編制了GJB 181A-2003 標準、GJB 5189—2003《飛機供電特性參數測試方法》、GJB 5558—2006《飛機供電特性測試要求》《MILHDBK-704 系列標準翻譯研究》和HB20326—2016《機載用電設備的供電特性適應性試驗方法》等機載用電設備與供電系統相關的標準，各類標準之間的關系如圖1 所示[16]。

圖1 供電適應性試驗系列標準組成

3.1 供電特性標準

1986 年，我國發布了第一份供電特性標準——GJB 181—1986《飛機供電特性及對用電設備的要求》，并于1987 年開始實施。2002 年，參照MIL-STD-704E標準調整和新增參數定義，制定了GJB 181A—2003《飛機供電特性》，其中最重要的改變是采用畸變考核供電品質。2009 年，參照MIL-STD-704F 制定了GJB 181B—2012《飛機供電特性》，在原有的基礎上增加了術語和單相220 V/50 Hz 交流供電系統的特性要求，并修訂了交流變頻供電系統的頻率范圍等各個方面，該標準規定了機載用電設備與供電系統的供電特性和相關要求。

3.2 測試標準

考慮到不同的測試方法會形成不同的測試結果，編寫了特性參數采集式測試方法GJB 5189—2003《飛機供電特性參數測試方法》，本標準規定了供電特性的交流電壓、電壓調制和頻率瞬態包絡線等相關參數的測試方法。該標準明確了測試技術和測試設備的最低要求，具有測試精度高、硬件設計容易實現、數據可信度高和良好的操作性等優點。2006 年發布了GJB5189—2006《飛機供電特性測試要求》標準，完善了數字式測驗設備采集式測試的具體操作步驟。2007 年開始編寫的國際標準ISO 12384《飛機供電特性數字式測試設備要求》，于2010 年實施。

3.3 供電適應性試驗方法標準

為保證機載供電系統與用電設備之間的供電特性和電能質量良好，GJB181 標準中的供電適應性試驗方法標準起到了重要作用。鑒于GJB181 標準已發展出3 個版本，各版本在很多現役或改進型號中均可能采用，并對GJB181 標準的不同版本提出了不同的實驗方法需求。此外，不同用電設備的供電適應性也具有不同的要求。因此，2016 年發布了通用標準HB20326—2016《機載用電設備的供電適應性試驗方法》，該標準可適應于滿足各種供電特性要求下的飛機用電設備裝載進行供電兼容性試驗，實現機載供電系統與用電設備相匹配。由總則、單相交流115 V/400 Hz、三相交流115 V/200 V/400 Hz、單相變頻交流115 V、三相變頻交流115 V/200 V、單相交流220 V/50 Hz、直流270 V 及直流28 V這8 部分組成。

3.4 供電適應性試驗標準實施

鑒于GJB181 標準對機載供電系統的特性沒有具體要求，因此供電系統的電氣特性要求應比GJB181 標準中的機載用電設備輸入端的電氣特性要求嚴格。交流發電系統與直流發電系統因其結構和工作原理不同，應采用不同的標準，交流系統執行GJB1392 標準，直流系統執行GJB1477 標準。供電標準和用電標準的不同定義點位置如圖2 所示，從圖2 可以看出，GJB181 標準綜合考慮了發電機端與用電設備端的電氣特性和相互作用時產生的影響，同時適用于機載用電設備和供電系統。

圖2 供電標準和用電標準的不同定義點

隨著大量大功率非線性用電設備的安裝和選用，供電系統的性能會下降或損壞，其他電氣設備也會發生故障。因此，應當對引起電氣設備損害的操作進行限制，對機載供電系統的影響程度可借助HB20326—2016 標準進行驗證，從而在實驗階段解決非線性用電設備與供電系統的適應性問題，確保系統實際應用時穩定工作。

3.5 用電設備適應性設計原則

由于機載供電系統設計迭代周期較長且狀態固化后無法輕易調整，因此對于供配電適應性問題原則上是用電設備進行調整，尤其是對于大功率非線性負載用電設備，在設計時需進行針對性設計。首先，對于交流供電系統，用電設備在設計時需要進行功率因數校正設計，以滿足GJB181 標準對功率因數、輸入電流總諧波畸變率等指標的要求。其次，針對欠壓浪涌與供電短時中斷等試驗項目，用電設備需針對核心計算處理單元進行不間斷供電設計。此外，對于大功率脈沖用電設備，GJB181 標準無定量約束，僅進行了定性約束，要求其使用時需與飛機設計部門協調。但由于用電設備處于脈沖用電工作狀態時，往往會造成電壓調制幅度指標超標，不滿足標準要求，因此在用電設備設計初期需評估脈沖用電的功率變化幅度與頻率，并進行針對性設計。基于聯試結果可知，一般需要將脈沖用電功率的變化幅度控制在供電系統能力的30%以內。因此針對大功率脈沖用電設備，需采取匹配負載等措施來降低脈沖負載的用電功率變化幅度。

3.6 脈沖負載功率匹配解決方案

針對相控陣等設備發送（T）狀態與接收（R）狀態的功率相差巨大（一般為10%～90%的功率變化幅度）、造成其與載機發電機匹配難且不滿足GJB181標準要求的現狀，需考慮脈沖負載匹配技術。目前常用的脈沖負載功率匹配技術有5 種，分別是電容匹配、電阻匹配、斜率匹配、智能匹配與陣陣匹配。

（1）電容匹配。通過在相控陣等設備的電源變換輸出端增加大容量儲能電容，可對大于10 kHz的脈沖用電功率進行平滑，由儲能電容提供R 狀態向T 狀態切換時的瞬間功率。

（2）電阻匹配。對于中低頻率的脈沖用電功率，如仍采用電容匹配技術，由于電容兩端壓差較小，需要采用超大容量的儲能電筒，導致其尺寸重量不滿足機載使用條件限制，此時可使用高功率電阻器作為假負載平滑脈沖用電功率，在R 狀態時假負載工作并抬高其工作點，以降低脈沖功率的變化幅度，具體如圖3 所示。假負載根據T 狀態與R 狀態的功率差進行設計，但由于相控陣工作在寬頻帶范圍內且T 狀態的用電功率是波動變化的，電阻的負載功率設計后就已固化，因此很難調整參數，一般以T 狀態用電功率的中間值作為假負載的匹配設計輸入。對于T 狀態與R 狀態的功率差值，一般以該差值的50%～75%進行匹配設計，電阻匹配功率越大，脈沖功率的變化幅度越小，但此時假負載功耗越大，會造成散熱問題難以解決，同時電阻尺寸也越大。電阻匹配相對簡單可靠，但存在匹配不靈活、熱耗大的缺點。某型機載發電機供電9 kW 脈沖用電設備（功率變換范圍為10%～90%）時，當無匹配電阻時電壓調制系數為10.5 V 左右；電阻匹配功率為54%時，電壓調制系數為4.4 V 左右；電阻匹配功率為86%時，電壓調制系數為2.2 V 左右。

圖3 電阻匹配

（3）斜率匹配。對于寬范圍且低頻率的脈沖用電功率，電阻匹配靈活性不夠，只能針對單一功率點進行匹配，可采用如圖4 所示的DC-DC 雙向變換器的方式進行脈沖功率匹配補償。當T/R 相控陣處于大功率T 狀態時，高壓電容通過DC-DC 雙向變換器放電提供能量，當T/R 相控陣處于小功率R狀態時，通過DC-DC雙向變換器向高壓電容充電。通常受限于尺寸要求，高壓電容容量不大，因此該電容僅可提供功率瞬變時的短時能量。將T 狀態與R 狀態的快速陡直功率變化降低為斜坡功率變化，降低了脈沖負載對載機發電機的沖擊影響，進而降低發電機的電壓調制系數。

圖4 智能匹配

智能匹配是在斜率匹配的基礎上增加高壓電容的容值，使高壓電壓在全頻段范圍內均可進行雙向充放電，進而使脈沖負載等效為恒功率負載。該方案匹配效果最好，但大容量的高壓電容極大地增加了電源變換的尺寸與重量，在某些機載應用場合仍受限。

（4）陣陣匹配。當某個TR 相控陣由多個子陣組成且各子陣不同時刻工作時，可將非工作子陣配置為激勵狀態，該狀態的用電功率接近于T 狀態用電功率且遠大于R 狀態用電功率。如子陣1、2 工作于T 狀態時，子陣3、4 工作于R 狀態；子陣1、2 工作于R 狀態時，子陣3、4 工作于激勵狀態。這樣當子陣1、2 在T 狀態與R 狀態切換時，用電功率由T+R 狀態向激勵+R 狀態切換，可極大地減小脈沖功率的變化幅度。某型載機發電機供電27 kW脈沖用電設備（功率變換范圍為26%～100%)時，當無陣陣匹配時，電壓調制系數為11 V 左右；當有陣陣匹配時，電壓調制系數為3.5 V 左右。

4 結語

機載供電系統是一個對可靠性具有較高要求的復雜系統，其工作環境惡劣且對供電系統電源品質要求非常高。隨著大功率非線性電子設備的大量使用，用電設備與供電系統的兼容性問題頻繁發生。供電適應性實驗系列標準是開展機載用電設備設計的基礎，對解決用電設備與飛機供電系統的兼容性問題具有重要的指導意義。本文介紹了機載供電系統的發展及分類、用電設備配電架構及其整流技術；闡述了供電適應性標準及解析，包括供電特性標準、測試標準、供電適應性試驗方法標準、供電適應性試驗標準實施及用電設備適應性設計原則；探討了脈沖負載功率匹配技術的優缺點，包括電容匹配、電阻匹配、斜率匹配、智能匹配與陣陣匹配，為新一代機載供電系統和用電設備的設計和測試提供了指導和參考。