Bidirectional 270VDC solid-state power controller for military aircraft

In the aerospace sector, from electric aircraft to satellites and unmanned aerial vehicles (UAVs), it is evident that the need for fuel saving and greenhouse gas reduction continues relentlessly, with growing pressure on performance. As a result, electrification is rapidly catching on in aerospace applications. The overall aircraft electrical power requirements rise substantially, requiring new approaches to safe and intelligent aircraft power distribution. To meet these requirements, Solid-State Power Controllers (SSPCs) are indispensable. On modern aircraft, many SSPCs are installed as replacements for conventional circuit breakers in order to provide a flexible power management system. The primary aims of the SSPCs are to provide a safe and highly reliable interface to the aircraft buses; to provide flexible load management, ensuring rapid fault identification and action; and to provide continuous monitoring. The objective of this project is to realize a bidirectional SSPC at 270VDC capable of handling 20kW for a military aircraft power plant, with a design based on a scalable architecture to ensure compatibility with higher current levels in future applications. Achieving the fastest possible protection response, minimizing power dissipation, and keeping the component temperature within a safe range were fundamental criteria in the system design and component selection. The results show that the SSPC is capable of extinguishing a short-circuit current of 562,5A (7,5 times the nominal current) in approximately 22µs, when used in a system with an equivalent line parasitic inductance of 2,66µH. The device can withstand high current levels for extended periods during overcurrent conditions, and it tolerates an overcurrent just below the instantaneous tripping threshold for around 10ms. It incorporates multiple redundant protection mechanisms, including hardware short-circuit protection, hardware overcurrent protection, hardware desaturation protection, and a software-based I2t curve protection.

Nel settore aerospaziale, dagli aerei elettrici ai satelliti e ai veicoli aerei senza equipaggio (UAV), è evidente che la necessità di risparmio di carburante e di riduzione dei gas serra continua inesorabilmente, con una crescente pressione sulle prestazioni. Di conseguenza, l’elettrificazione sta rapidamente prendendo piede nelle applicazioni aerospaziali. La potenza elettrica richiesta dagli aeromobili aumenta in modo sostanziale, richiedendo nuovi approcci per una distribuzione dell’energia sicura e intelligente. Per soddisfare questi requisiti, i Solid-State Power Controllers (SSPC) sono indispensabili. Sugli aeromobili moderni, molti SSPC sono installati in sostituzione degli interruttori automatici convenzionali al fine di fornire un sistema di gestione dell’energia flessibile. Gli obiettivi principali degli SSPCs sono fornire un’interfaccia sicura e altamente affidabile ai bus dell’aeromobile; fornire una gestione flessibile dei carichi, garantendo l’identificazione e l’azione rapida sui guasti; e fornire un monitoraggio continuo. L’obiettivo di questo progetto è realizzare un SSPC bidirezionale a 270VDC in grado di gestire 20kW per un impianto elettrico di un aeromobile militare, con una progettazione basata su un’architettura scalabile per garantire la compatibilità con livelli di corrente più elevati in applicazioni future. Ottenere la risposta di protezione più rapida possibile, minimizzare la dissipazione di potenza e mantenere la temperatura dei componenti entro un intervallo sicuro sono stati criteri fondamentali nella progettazione del sistema e nella selezione dei componenti. I risultati mostrano che l’SSPC è in grado di estinguere una corrente di cortocircuito di 562,5A (7,5 volte la corrente nominale) in circa 22µs, quando utilizzato in un sistema con un’induttanza parassita equivalente della linea di 2,66µH. Il dispositivo può sopportare alti livelli di corrente per periodi prolungati durante condizioni di sovracorrente, e tollera una sovracorrente appena al di sotto della soglia di intervento istantaneo per circa 10ms. Incorpora molteplici meccanismi di protezione ridondanti, inclusa una protezione hardware di cortocircuito, una protezione hardware di sovracorrente, una protezione hardware di desaturazione e una protezione tramite curva I2t basata su software.