固态功率控制器的应用研究与技术发展趋势

1 前言

随着各领域用电设备数量与功率攀升，传统机电式配电系统暴露过流短路响应迟缓、智能化低、电网过重、难满足多设备协同配电可靠性等短板。固态功率控制器（SolidState Power Controller，SSPC）应运而生，其集成了继电器转换与断路器保护功能，无活动部件，无机械磨损和电弧，具备快速通断、过载保护、自检测等特性。因此，进行固态功率控制器的应用研究与技术发展趋势研究具有十分重要的现实意义。

2 固态功率控制器的应用研究

2.1 航空航天领域

航空航天领域中，固态功率控制器应用于航天器二次配电及飞机电气改装的负载管理，航天器二次配电需应对多电化带来的用电设备激增，飞机改装则针对小功率设备实现精细管控。分布式配电架构需与控制计算机及总线系统协同，通过总线传输控制指令与状态信号，形成一体化管控网络；高可靠性保障体现在抗干扰设计上，采用隔离电路减少干扰，环境适应性需满足特定温度范围及电磁兼容、环境试验标准。上海尊瑞电子ZDSPC 系列融合固态功率控制与计算机技术，支持多总线控制，具备过流等保护功能，已用于航空航天二次配电[1]。例如，某载人飞船舱内配电系统采用图 1所示的双冗余SSPC 架构，2 组主备模块含2 路支路，双 MOSFET 并联支持 28V/100A，具缓启动、I²t 保护及 422 总线监测，替代继电器后体积减 35% 、重轻 40% ，3 次飞行成功隔离故障，保障必保负载供电。

2.2 军事装备领域

军事装备领域中，固态功率控制器主要应用于自行火炮供配电系统及武器系统电源管理，自行火炮系统需应对用电设备增多带来的配电压力，武器系统则依赖其实现电源的精准管控。技术上采用模块化集成，通过多通道SSPC 板卡集中管控多路负载，如 12 路 DC28V 负载模拟系统可对应不同设备配电需求；实时通信依托 CAN 总线，以 500kbps 波特率、CAN2.0B 协议传输信息，每 20ms 上报通道状态，20S 进行周期自检，出现故障时能快速定位隔离[2]。以某自行火炮的高压配电系统为例，如图2 所示，该系统采用 SSPC 构建：高压配电箱连接多组 SSPC 模块，各 SSPC 集成电流/电压传感、MOSFET 开关及充放电固态继电器；通过火炮上装 CAN 总线与乘员操作面板、炮长终端交互，还支持CAN 总线分析仪、调试机监测，实现 270V 高压下火控、观瞄等多负载的快速通断、过载保护及状态反馈，提升配电响应速度与智能化水平。

2.3 工业与通用领域

工业与通用领域中，固态功率控制器应用于工业自动化二次配电及医疗设备电源管理，工业自动化中需应对多样化负载的分配与保护，医疗设备则依赖稳定电源管控保障运行安全。技术上具备可编程保护特性，可自定义I²t 保护曲线，按反时限特性实现过载延时保护，数字式设计通过软件实现热记忆功能；多总线兼容支持SCI、SPI、CAN 等接口，适配不同控制场景的通信需求。SENSITRON 公司 Cobra 系列最多含 6个通道，通道可独立或并联运行，额定电流可编程设定，并行时总电流达150A，通信接口涵盖 RS-232、RS-422、RS-485 与 CAN 总线，在车辆及工业负载中实现灵活配电，融合电磁断路器与固态继电器功能，兼具状态诊断与故障预测能力。某汽车焊接车间采用图6 架构，3 个 SPDA 组成现场配电中心，接入380V 主配电板，各含20 路SSPC，分别控制焊接机器人、传送带等。支持在线改电流定值，双冗余通信，总重 19.5kg ，体积缩 60% ，故障0.1s 内处理。

图3 基于 SSPC 的现场配电中心架构图

3 固态功率控制器的技术发展趋势

3.1 大功率化与高电压适配

固态功率控制器的大功率化与高电压适配发展，源于全电飞机、大型航天器等平台多电化与全电化推进中用电设备数量攀升、整机功率增大，对配电系统承载能力形成更高要求。技术上通过选用 IGBT 作为功率开关，利用其在高电压、大电流场景下的稳定性能实现功率控制，同时采用多通道并联运行方式，将多个独立通道整合为一体，提升总电流承载水平以适配更大功率需求。此过程中需应对散热与功率密度方面的制约，大功率运行伴随的大量热量需通过优化散热结构消散，同时需在有限体积内提升功率密度，以满足航空航天等领域对设备小型化、轻量化的严格要求，平衡性能提升与空间约束之间的关系[3]。

3.2 集成化与小型化

固态功率控制器的集成化与小型化发展，核心在于通过多通道高密度设计将更多配电通道整合至单一单元，同时让多个通道共享控制芯片以减少冗余部件，从而压缩整体体积与重量。这种设计思路能有效缩减设备占用空间，降低对航天器内部有限布局的依赖，也能减轻飞机配电系统的重量负荷，适配航空领域对减重的需求。通过优化部件布局与整合功能模块，减少分立元件数量，使设备在保持多通道控制能力的同时，更易于集成到各类载具的配电系统中，既提升单位空间内的配电效率，又能降低因设备分散带来的安装与维护复杂度，满足航天器、飞机等平台对配电系统小型化、轻量化的严格要求，为其内部空间规划与载荷平衡提供更灵活的解决方案[4]。

3.3 智能化升级

固态功率控制器的智能化升级体现在自适应保护、预测性维护与协同控制的深度融合。自适应保护通过软件定义反时限曲线，依据不同负载特性调整保护参数，同时动态适配负载兼容性，使保护机制更贴合实际运行需求，数字式设计支持保护逻辑的灵活更新与优化。预测性维护整合电弧故障检测功能，精准捕捉潜在电气隐患，结合实时采集的电流、温度等状态数据进行分析，提前发出故障预警，配合自检测功能实现故障的早期识别与隔离。协同控制依托通信电路与配电管理系统建立联动，传递控制指令与状态信息，依据负载实时需求调整电能分配，多通道设计形成统筹化的电源管理单元，提升整体系统的运行效率与响应速度，这种智能化提升让其在复杂配电场景中更具适应性，既优化自身保护性能，又增强配电系统的综合管控能力。

3.4 应用场景拓展

固态功率控制器的应用场景拓展体现在两个维度，一是从二次配电向初级配电延伸，当前受限于功率与可靠性，多应用于二次配电环节，随着技术突破，其将覆盖更高电压等级，适配 DC270V、AC250V 等场景，实现对初级配电系统的直接管控，形成从初级到二次的全链条配电管理；二是跨领域融合，依托快速负载切换特性，向新能源汽车、智能电网等领域渗透，在新能源汽车中可优化电源分配与保护，在智能电网中能提升负载调控响应速度，通过适配不同领域的配电需求，打破传统应用边界，形成更广泛的技术应用生态，这种拓展既基于自身性能提升，也呼应了多领域对高效配电解决方案的需求[5]。

4 结语

综上所述，SSPC 作为新型配电器件，在航空航天领域、军事装备领域、工业与通用领域中得到了广泛应用，有助于提升配电系统的可靠性。未来 SSPC 将向大功率化与高电压适配、集成化与小型化、智能化升级方向发展，应用场景从二次配电向初级配电延伸并跨领域拓展，需突破散热、功率密度及兼容性等技术瓶颈，为各领域配电系统升级提供关键支撑。

参考文献：

[1] 王俊斌，彭金钟.固态功率控制器在飞机电气改装中的应用浅谈[J].中国新通信，2019，21（22）：88.

[2] 张开新，郑志洪，叶雪荣，等.基于 Saber 的固态功率控制器行为模型及其应用研究[J].电器与能效管理技术，2019，（02）：8-13.

[3] 周星星， 孙丹丹. 固态功率控制器在飞机电气改装中的应用[J]. 机电信息，2017，（30）：63-64.

[4] 章建峰，杨祯，房玲.船舶直流固态功率控制器技术研究[J].现代电子技术，2015，38（13）：125-128.

[5] 叶雪荣，郑志洪，陈哲，等.固态功率控制器国内外发展现状[J].电器与能效管理技术，2015，（02）：1-5.

作者简介：姓名：莫如东（1990.04--）；性别：男，民族：布依族，籍贯：贵州省黔南布依族苗族自治州，学历：本科；现有职称：中级工程师；研究方向：继电器、固态功率控制器技术研究。