作者：成明
作者单位：空军工程大学信息与导航学院四大队12队
全电飞机或者全电化飞机（AEA，All Electric Aircraft）是指仅采用电力能量动力的飞机，它是航空工业中一个比今天的无人机（Drone）更早的方向和话题。由于各种飞机上存在电动、液压和气压等多种混合性能量动力，因此全电飞机一直在业内广受关注但又进展较慢，航空工业仍然在飞控动作系统、起落架装置、刹车系统和飞机环境控制系统中大量采用液压和气压等非固态装置。而随着碳化硅（SiC）等新一代固态功率电子器件取得长足发展，特别是能够精准且可编程同时又能耐受大电流带来的高温的碳化硅驱动控制器的不断进步，摆脱混合能量动力的全固态全电飞机的研发将进一步加速。
NASA正在开发的第一款全电飞机X-57已通过风洞试验（图片来源：NASA）
为了实现全电飞机，就需要用先进电机产生动能来驱动相应装置去替代液压和气压动能，但是驱动电机的巨大的电流以及相应产生的高温对普通半导体器件形成了巨大的威胁。日前，20多年来一直为各行业提供所需高温半导体解决方案的领导者CISSOID日前宣布，该公司已与南京航空航天大学自动化学院电气工程系达成深度战略合作协议，双方将携手建立联合电驱动实验室，共同研发针对碳化硅功率电子应用的全方位优化、匹配先进电机的电控系统，以充分发挥碳化硅器件的高频、高压、高温、高效率、高功率密度等性能优势，更好地满足航空、工业和新能源汽车等应用的广泛需求。
目前，许多企业和研发人员正在研发用于飞控系统作动器、起落架装置、刹车装置、座舱盖、武器投射和弹舱门控制以及可变机翼和尾翼的变弯度控制等功能设备的非液压动能实现装置。这就需要能够耐受高压和大电流以提供足够动能来驱动电机的化合物半导体器件，特别是产业成熟度已经相当高和市场应用验证过的碳化硅（SiC）器件。根据市场研究公司Markets and Markets的预测，全球SiC市场规模将从2024年的42亿美元增长导2029年的172亿美元，年均复合增长率高达32.6%。SiC产业的快速发展，为全电飞机的实现提供了强有力的支撑。
但是对于飞机设计和制造企业而言，他们不仅需要SiC器件以及它们驱动的电机来取代液压系统，而且更为重要的是能精准控制这套动力系统的基于逆变器的智能驱动系统，从而还可以形成和发挥全电系统比液压系统更精准的新优势。先进电机应用 (如高转速、高频、高功率密度、高温等）需要相匹配的逆变器支持，但业界一直为其开发难度所困扰。CISSOID与南京航空航天大学自动化学院电气工程系建立的联合电驱动实验室近期将推出的基于碳化硅（SiC）功率器仵的完整逆变器参考设计，将很好地解决了这一问题。
智能化、全固态化的电动能系统的另一个难点是开发是整套系统的设计，用户通常需要自己开发所有硬件，然后将第三方控制软件集成到他们的设计环境中。这种传统方式非常耗费时间和工程人力资源，并且需要深入了解基于SiC的功率系统设计以及电机控制系统的设计。此次南京航空航天大学和CISSOID双方携手合作，规划推出一系列参考设计来将相关系统的开发难度降到最低。该参考设计将整合CISSOID 公司的SiC高压功率模块和相匹配的集成化栅极驱动器，南京航空航天大学将开发相应的控制板和软件，超低寄生电感的直流母线电容和EMI滤波器，直流和相电流传感器等其它附件。由此为先进电机应用可提供一个全面集成的完整“傻瓜型”逆变器开发平台。
这样，针对包括航空能量动力系统这样的先进目标电机应用，用户可轻松设置参数与之适配，仅需较少时间即可完成校准，使目标电机正常运转，由此来开展各种测试和实验，为最终电机应用的产品定型提供依据，其简易性将大大节省研发时间和工程人力资源，为用户快速实现先进电机应用的产品化提供强有力的支持。随着SiC功率器件的日趋成熟和普及，将大力推动先进电机的应用，同时也会促使逆变器更加“智能化”和“傻瓜化”。
基于这一“傻瓜型”平台的测试和产品化设计完成后,用户可以按照物料清单选择采购整个逆变器方案的全部材料，或只是购买已整合栅极驱动的碳化硅智能功率模块（IPM)和控制板等核心软硬部件, 而其他组件和逆变器外壳等组件则可从他们的首选供应商处采购。这样，用户即可以迅速地将逆变器整合到目标电机驱动系统中，并快速地投入先进电机动力总成系统的生产。
展望航空工业的在能量动力系统领域内的发展趋势，SiC功率器件的高压、高频、高功率密度和高温等优越性能为先进电机应用奠定了基础。同时，南京航空航天大学和CISSOID合作即将推出的完整逆变器参考设计将为用户完成开发整套电动能系统的费时费力的基础工程工作，使用户可直接利用这一参考设计平台开展测试工作，由此快速地实现先进电机应用的产品化定型。因此，全电飞机的发展速度将会被大大加快，全固态能量动力技术将成为航空工业发展的有一个里程碑。
