2020 IEEE International Future Energy Challenge: “Power Supply for Nano Sattelites”

Die Aufgabenstellung für die „International Future Energy Challenge 2020(IFEC)“ ist es, die Energieversorgung für einen Nano-Satelliten zu entwickeln. Dies sind Satelliten die in etwa der „CubeSat“- Norm entsprechen, also ein Gewicht zwischen 1kg bis 10kg haben. Die Nutzung solcher Satelliten ist ein stark wachsender Sektor, da in Kombination mit neuen Reglementierungen und kleineren Raketen, Raumfahrt sehr viel günstiger geworden ist. Dies ermöglicht mehr Institutionen an der Raumfahrt zu partizipieren und eigene Satelliten ins All zu schicken.

Dieses Projekt ist im Bereich der Raumfahrt angesiedelt. Daher ist eine kompakte Bauform, geringes Gewicht und eine hohe Effizienz besonders wichtig. Um diese Ziele zu erreichen wurden Gallium-Nitrit(GaN) Leistungsschalter gewählt. Durch die geringen Schaltverluste ist es möglich Schaltfrequenzen im MHz-Bereich zu nutzen. Dies hat zur Folge, dass die benötigten Induktivitäten und Kondensatoren klein gehalten werden können. Für die Induktivitäten ist ein weiteres Ziel platinenintegrierte Luftspulen zu verwenden, wovon wir uns einen noch größeren Vorteil bei Baugröße und Gewicht versprechen.

Die Energieversorgung soll von zwei Solarpanels gespeist werden, die jeweils bis zu 30W liefern, und zwei Ausgänge mit 5V und 3,3V versorgen. Zum Puffern ist eine Batterie vorgesehen die überschüssige Energie aufnehmen und fehlende Energie ausgleichen soll.

Blockschaltbild des Systems mit Spezifikationen (Bild: IFEC2020 Call for Proposals)

Als Topologie werden mehrere hintereinander geschaltete Tiefsetzsteller verwendet. Jeweils ein Tiefsetzsteller setzt die variable Eingangsspannung der Solarmodule auf die Zwischenkreisspannung herunter, von dem dann die beiden Tiefsetzsteller für die Ausgänge und die Batterie versorgt werden. Um die Anforderungen an Effizienz, Baugröße und Gewicht zu erreichen werden Leistungsschalter aus Galliumnitrid (GaN) verwendet und diese im Bereich von 1MHz und höher betreiben. Dies erlaubt die Nutzung kleinerer Induktivitäten und verspricht Vorteile beim Gewicht und der Baugröße. Um die Schaltverluste weiter zu reduzieren wird „zero voltage switching“(ZVS) genutzt.

Da ein „Field Programmable Gate Array“(FPGA) für die Ansteuerung nicht schnell genug ist, wird ein dsPIC33CK verwendet. Da für diesen Chip kein Development-Board zur Verfügung stand, wurde dies im Formfaktor eines FPGA’s entwickelt und aufgebaut. 

Im nächsten Schritt wurde eine einfache Leistungsplatine mit nur einem Tiefsetzsteller entwickelt, um die Ansteuerung und das generelle Konzept des ZVS zu testen. Daraufhin wurde die nächste Version der Leistungsplatine entworfen. Bei dieser wurden alle benötigten Tiefsetzsteller und alle benötigten Messungen implementiert. Um verschiedene Induktivitäten zu testen, wurden Anschlussklemmen hinter jedem Tiefsetzsteller vorgesehen.

Im weiteren Verlauf des Projektes hat sich gezeigt, dass ZVS für diese Anwendung ungeeignet ist, da der hohe Effektivstrom zu großen Verlusten im Kupfer führt. Eine weitere Herausforderung sind die durch die hohen Frequenzen auftretenden hohen magnetischen Verluste in den Induktivitäten. Um diese zu reduzieren, soll in der nächsten Version der Leistungsplatine Hochfrequenzlitze für die Induktivitäten verwendet werden.