Power-Tipp Stromverbrauch bei Satelliten optimieren

Moderne Satelliten benötigen immer leistungsfähigere Stromversorgungs-Systeme, die sowohl die Satelliten-Subsysteme als auch die beförderten Nutzlasten versorgen. Eine Optimierung von Größe, Gewicht und Stromverbrauch ist hier aus mehreren Gründen unumgänglich. Wie eine SWaP-Optimierung funktioniert.

In der Satellitentechnik spielen vorrangig die wachsenden Anforderungen an die Datenrate, Auflösung und Empfindlichkeit eine Rolle. Dies wird begleitet von der Forderung nach möglichst kleinen und leichten Satelliten.

Immerhin können die Kosten für einen Satellitenstart abhängig von der vorgesehenen Umlaufbahn zwischen einigen tausend und einigen zehntausend US-Dollar pro Kilogramm betragen. Hinzu kommt, dass Satelliten ihre elektrische Energie aus Solarpanels beziehen, die ebenfalls nicht beliebig groß und schwer sein dürfen. Insgesamt bewirkt eine sogenannte SWaP-Optimierung (engl.: Size, Weight and Power), dass Satelliten im All effizienter arbeiten, was die Leistungsfähigkeit verbessert und die Einsatzdauer verlängert.

Abgesehen von der Forderung nach einem maximalen Wirkungsgrad wird vom Stromversorgungs-System auch die Eignung für unterschiedliche Spannungen und Ströme verlangt, da viele verschiedene Topologien zum Einsatz kommen (Bild 1). Bild 2 gibt einen Überblick über die Komponenten und Funktionen einer typischen Stromversorgung von Satelliten.

Neben den erwähnten Solarpaneelen ist ein Akku zum Speichern elektrischer Energie vorhanden. Er versorgt den Satelliten, wenn kein Sonnenlicht auf die Paneele fällt oder nicht genügend elektrische Energie aus dem Sonnenlicht gewonnen werden kann.

Die Power-Conditioning Unit (PCU) bereitet die Elektrizität aus dem Solarpanel oder dem Akku so auf, dass die Systeme des Satelliten stabil und konsistent mit Spannung und Strom versorgt werden.

Die Power-Distribution Unit (PDU) ist dafür zuständig, die elektrische Energie aus den Solarpanels und dem Akku an die verschiedenen Subsysteme und Nutzlasten zu verteilen. Die Hilfsstromversorgung kommt bei einem Ausfall der Haupt-Stromversorgung ins Spiel und hält die wichtigsten Funktionen aufrecht, bis die Haupt-Stromversorgung wiederhergestellt ist.

Stromversorgung für Satelliten mit GaN-FETs entwickeln

Für die Entwicklung von Satelliten-Stromversorgungen eignen sich strahlungsfeste GaN-FET-Gate-Treiber wie die Typen TPS7H6003-SP (200 V), TPS7H6013-SP (60 V), TPS7H6023-SP (22 V) (jeweils 100 krad TID, SEL-immun bis 75 MeV⋅cm²/mg) und die strahlungstoleranten Bausteine TPS7H6005-SEP (200 V), TPS7H6015-SEP (60 V), TPS7H6025-SEP (22 V) (jeweils 50 krad TID, SEL-immun bis 43 MeV⋅cm²/mg). Zusätzlich gibt es PWM-Controller wie den strahlungsfesten TPS7H5001-SP und den strahlungstoleranten TPS7H5005-SEP.

Als Hilfestellung beim Design mit diesen Bauelementen bietet Texas Instruments verschiedene Referenzdesigns. Ein mit den oben genannten Bausteinen implementierter, nicht-isolierter synchroner Abwärtswandler mit einer Leistung von 300 W, einem Eingangsspannungsbereich von 50 bis 150 V und einer Ausgangsspannung von 28 V ist für die stark schwankende Ausgangsspannung von 100-V-Solarpanels optimiert.

Ein isolierter Vollbrücken-Wandler mit einer Leistung von 100 W, einem Eingangsspannungsbereich von 22 bis 36 V und einer Ausgangsspannung von 5 V besitzt eine mit GaN-FETs bestückte Leistungsstufe. Mit dieser Architektur lassen sich zahlreiche Implementierungen mit verschiedenen Ausgangsspannungen realisieren.

Ein weiteres Referenzdesign gibt es für einen nicht-isolierten mehrphasigen Abwärtswandler für hohe Stromstärken, bestückt mit einem PWM-Controller und Gate-Treibern. Eingangsspannungen zwischen 11 und 14 V werden in eine Ausgangsspannung von 0,8 V umgewandelt. Auch hier kommen GaN-FETs in der Leistungsstufe zum Einsatz.

Die zweiphasige Implementierung liefert Ströme bis zu 80 A, das Design lässt sich jedoch bei Bedarf durch weitere Phasen ergänzen, um höhere Ausgangsströme von 100 A und mehr zu liefern und niedrige Ausgangsspannungen von unter 0,8 V für moderne FPGAs, ASICs und Multicore-Prozessoren zu erzeugen. (kr)

Nach Unterlagen von Texas Instruments.

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