aplicaciones espaciales de la ep - saaei- eclipses durante 46 dias alrededor de e quinoccios. -...

APLICACIONES ESPACIALES DE LA ELECTRONICA DE POTENCIA:

CONCEPTOS BASICOS Y RETOS

2/Julio/2009 1

CONTENIDOS

Ñ1. CONDICIONANTES DE DISEÑO

2. SUBSISTEMAS DE POTENCIA PARA SATELITES: CONCEPTOS BASICOSCONCEPTOS BASICOS

3. REGULADORES DE BUS

4 OTRAS APLICACIONES DE ELECTRONICA DE POTENCIA 4. OTRAS APLICACIONES DE ELECTRONICA DE POTENCIA EN SATELITES

5. RETOS ACTUALES

2/Julio/2009 2

FIABILIDADFIABILIDAD

• NINGUN FALLO DEBE RESULTAR ⇒ EQUIPOS DEBEN ESTAR

REDUNDADOSEN UNA PERDIDA SIGNIFICANTE DE OPERABILIDAD

REDUNDADOS⇒ DISEÑOS MUY BIEN

ANALIZADOS

• OPERACION HASTA 15 AÑOS

LOS COMPONENTES DEBES ESTAR

⇒ “DERATING” (INFRA-UTILIZACION) DE LOS COMPONENTES

• LOS COMPONENTES DEBES ESTAR CALIFICADOS PARA APLICACIONES ESPACIALES

⇒ TECNOLOGIAS “VIEJAS”

• OPERACION AUTONOMA (ENTRE DOS Y SIETE DIAS)

⇒ PROTECCIONES, TELEMETRIAS…

2/Julio/2009 31. CONDICIONANTES DE DISEÑO

OPERACION EN VACIO

LA AUSENCIA DE CONVECCION IMPLICA UN INCREMENTO DE RESISTENCIA TERMICA => ENFASIS ESPECIAL EN ANALISIS TERMICO


RESISTENCIA TERMICA ENFASIS ESPECIAL EN ANALISIS TERMICO

EVACUACION DE LA POTENCIA DISIPADAEVACUACION DE LA POTENCIA DISIPADA

ENERGIA RADIADA POR UNIDAD DE SUPERFICIE:

q T= εσ 4


RADIACION

• LAS CARGAS LIBRES EN EL ESPACIO AFECTAN EN MAYOR O MENOR MEDIDA A LOS COMPONENTES ELECTRONICOS

• LOS COMPONENTES CON ESPECIFICACIONES DE COMPRA CON NIVELES DE RADIACION GARANTIZADOS SON PREFERIDOS

DISPOSITIVOS CUYAS PRESTACIONES SON SENSIBLES A • DISPOSITIVOS CUYAS PRESTACIONES SON SENSIBLES A RADIACION DEBES SER EVITADOS EN LA MEDIDA DE LO POSIBLE

• MEDIDAS DE RADIACION LOTE A LOTE PUEDEN SER NECESARIAS PARA VERIFICAR LA IDONEIDAD DE COMPONENTES

• IMPACTOS CAUSADOS POR PARTICULAS (SEU) REQUIEREN ANALISIS PORMENORIZADO


RADIACION

Ejemplo de un transitorio a la salida de un amplificador de error


2. SUBSISTEMAS DE POTENCIA PARA SATELITES: CONCEPTOS BASICOS:

• REQUISITOS

• TIPOS DE MISIONESOS DE M S ONES

• ELEMENTOS FUNDAMENTALES

• TIPOS DE BUSES DE POTENCIATIPOS DE BUSES DE POTENCIA

2/Julio/2009 82. SUBSISTEMAS DE POTENCIA PARA SATELITES

REQUISITOS ESENCIALES

• PROVEER POTENCIA ININTERRUMPIDAMENTE A LA CARGAUTIL Y AL MODULO DE SERVICIO POR MEDIO DE UNINTERFAZ DE POTENCIA SIMPLE

• DURANTE TODAS LAS FASES DE LA MISION, INCLUYENDOECLIPSES.

• GESTIONANDO DE MANERA AUTOMATICA LA ENERGIADISPONIBLE

• LIBRE DE FALLOS QUE PUEDAN SUPONER LA PERDIDA DE LALIBRE DE FALLOS QUE PUEDAN SUPONER LA PERDIDA DE LAMISION


REQUISITOS SECUNDARIOS

• MINIMO PESO Y DISIPACION DE POTENCIA, PARA PODERMAXIMIZAR LA CARGA UTIL.

MAXIMA REUTILIZACION DE BLOQUES PARA MINIMIZAR EL• MAXIMA REUTILIZACION DE BLOQUES PARA MINIMIZAR ELCOSTE DE NUEVAS MISIONES

• VOLTAGES DE BUS COMPATIBLES CON CARGAS UTILES YAEXISTENTES


TIPOS DE ORBITAS Y MISIONES (I)TIPOS DE ORBITAS Y MISIONES (I)

• GEOSTACIONARIA PARA TELECOMUNICACIONES Y METEOROLOGIA:METEOROLOGIA:- 36 KM DE ALTITUD - ECLIPSES DE <70 MINUTOS EN ORBITAS DE 24 HORAS - ECLIPSES DURANTE 46 DIAS ALREDEDOR DE EQUINOCCIOS. Q- TELECOMMS: TYPICAMENTE 6KW…12 KW & 4000…5500 KG

(AUNQUE MUY DEPENDIENTE DEL MERCADO DE LANZADORES) - METEOROLOGIA TYPICAMENTE < 1KW

• ORBITAS BAJAS PARA OBSERVACION DE LA TIERRA:- ORBITAS DE ~ 90 MINUTOS (GRAN NUMERO DE CICLOS). - RATIO ECLIPSE/SOL MUY ELEVADA (ALREDEDOR DE 30%). - CONSUMO MUY VARIABLE Y CON CARGAS PULSADAS - BREVE CONTACTO CON ESTACION DE TIERRA (6…10 MIN)


DURACION DE ECLIPSE Y ORBITA vs ALTITUDDURA ION DE E LI SE Y ORBI A vs AL I UD

30

1 3

1.4

orbit period (hr)hr) r)

20

25

1.1

1.2

1.3orbit period (hr)max. eclipse time (hr)

orbi

ta (h

se (

hr

15

0.8

0.9

1.0

de

la o

. ecl

ips

5

10

0.5

0.6

0.7

Perio

do

max

.

1000001000010001000 0.4

0.5

altitude (km) GEO

P

2/Julio/2009 125. RETOS ACTUALES DE LA ELECTRONICA DE POTENCIA PARA SATELITES

TIPOS DE ORBITAS Y MISIONES (II)

HEO PARA TELECOMUNICACIONES Y NAVEGACION:• HEO PARA TELECOMUNICACIONES Y NAVEGACION:- RELATIVAMENTE BREVE CONTACTO CON ESTACION TERRENA - FLOTAS DE SATELITES => COSTE (INCLUYENDO OPERACIONES) Y

AUTONOMIA MUY RELEVANTESAUTONOMIA MUY RELEVANTES

• PUNTOS DE LAGRANGE PARA MISIONES CIENTIFICAS: - POCOS Y NO MUY SEVEROS ECLIPSES

CONSUMO TIPICO 600W 1 6 KW- CONSUMO TIPICO 600W…1.6 KW

• MISIONES CIENTIFICAS INTERPLANETARIAS: - GRANDES VARIACIONES DE INTENSIDAD SOLAR

FASES DE CRUCERO Y ORBITA DISTINTOS ECLIPSES Y FASES A LO - FASES DE CRUCERO Y ORBITA => DISTINTOS ECLIPSES Y FASES A LO LARGO DE LA MISION


ELEMENTOS FUNDAMENTALES: LOS PANELES SOLARES COMO FUENTES DE POTENCIA

llCellCurrent

-100ºC / 1 S .C . 25ºC / 1 S .C . 100ºC / 2 S .C .

Cell Voltage

• CELULAS DE SI. EFICIENCIA: ~18%

• CELULAS DE 3J GA/AS EFICIENCIA : ~28% CELULAS DE 3J GA/AS. EFICIENCIA : 28%


ELEMENTOS FUNDAMENTALES: BATERIASELEMENTOS FUNDAMENTALES: BATERIAS

String 1 String 2 String 3 String 4 String ‘m’

LI-ION


SUBSISTEMAS DE POTENCIA: EL BUS NO REGULADO

Solar Array Reg


SUBSISTEMAS DE POTENCIA: EL BUS REGULADO

Solar Array Reg


SUBSISTEMAS DE POTENCIA: EL BUS REGULADO “EN SOL”

Solar Array Reg


SUBSISTEMAS DE POTENCIA: BUSES HIBRIDOS


SUBSISTEMAS DE POTENCIA: PROTECCION DEL BUSSUBSISTEMAS DE POTENCIA: PROTECCION DEL BUS

• FUSIBLES

• LIMITADORES DE CORRIENTE



• PRINCIPIO DE CONTROLPRINCIPIO DE CONTROL

• REGULADORES DE BATERIA

• REGULADORES DE PANEL SOLARREGULADORES DE PANEL SOLAR

2/Julio/2009 213. REGULADORES DE BUS

REGULACION DE BUS: CONTROL DE 3 DOMINIOSREGULACION DE BUS: CONTROL DE 3 DOMINIOS


BDR: DIAGRAMA DE BLOQUES

VBUS

C

Umbilical VBUS

Umbilical VBAT

POWER STAGEVBAT

I/P LCL +BAT UVP

Reset Set

HLCON/OFF

Rdi

Cdi

Cin

Currentsensor

Currentsensor

BUS UVD

CBUSGND

Isolateddriver

OutputLogic

PWM CONDUCTANCE CTRL VMEA

PROTECTIONS

Duty cycle limiterLogic

Clock +SawtoothGenerator

Currentlimiter

A

100 kHz

LatchResetVMEAPWM

POWER STAGE LCL VBUS

TC ON/OFF 1553

+14V

BDR ON/OFF STS

APS


BCR: DIAGRAMA DE BLOQUES


BDR/BCR: ETAPAS DE POTENCIA REDUCTORAS DE TENSION


BDR/BCR: ETAPAS DE POTENCIA ELEVADORAS DE TENSION


REGULADORES DE PANEL SOLAR

• TRANSFERENCIA DIRECTA DE ENERGIA (DET)TRANSFERENCIA DIRECTA DE ENERGIA (DET)

• “SEGUIMIENTO” DEL PUNTO DE MAXIMAPOTENCIA (MPPT)


TRANSFERENCIA DIRECTA DE ENERGIA

• SWITCH-OFF: LP TIIV −=∆SWITCH-OFF:

• SWITCH-ON:

OFFO TC

V ⋅=∆

ONL

O TCIV ⋅−=∆

• MAX SWITCHING FREQUENCY: )(4 LH

PMAX VVC

If−⋅⋅

=

C


E E E E E E TRANSFERENCIA DIRECTA DE ENERGIA: S3R


R N FEREN D RE DE ENERG REG L N ER ETRANSFERENCIA DIRECTA DE ENERGIA: REGULACION SERIE

• CIRCUITO DE CONTROL DE MOSFET MAS COMPLEJO

• “SNUBBER” PARA LIMITAR EL EFECTO DE PARASITOS A “OFF”

• MAYOR TENSION DE OPERACION A LA ENTRADA => RIESGO DE ARCO EN EL SADM

2/Julio/2009 30

ARCO EN EL SADM


LIMITACIONES DE TRANSFERENCIA DIRECTA DE ENERGIA: MPPTs

DETMPPTPMPPTP 1.17 AUs0.86 AUs

P

DET 0.86 AUs 0.7 AUs 0.5 AUs

VBUS

VBUS

UTILIZACION S/A EN BUSES REGULADOS

VUTILIZACION S/A EN BUSES NO REGULADOS

VDET

V

MPPTs SON MAS COMPLEJOS PERO PERMITEN MAXIMA UTILIZACION DE LA ENERGIA DEL PANEL SOLAR

BUSES NO REGULADOSUTILIZACION S/A EN MISIONES INTERPLANETARIAS

V

2/Julio/2009 31

LA ENERGIA DEL PANEL SOLAR


MPPT: IMPLEMENTACION DIGITAL

1 s/div


MPPT: IMPLEMENTACION ANALOGICA MPPT: IMPLEMENTACION ANALOGICA

00 =⋅+⋅⇒= dVIdIVd

dPMAX

VdV

IdI

dIdV

IV

−=→−=

Q

dt VIdII

VSA

Vc

Vsa

-+

C1

C2

-+

Isa

Psa

ROSETTA MPPT ACQUISITION (BASED Ion dI/I = -dV/V)


4. OTRAS APLICACIONES DE ELECTRONICA DE POTENCIA EN SATELITES

• CONVERTIDORES CC-CC

• ACTUADORES DE MOTORESDO ES DE MO O ES

• FUENTES DE ALIMENTACION PARA PROPULSION ELECTRICA

• APLIFICADORES DE TUBOS DE ONDA PROGRESIVA (TWTA)

2/Julio/2009 344. OTRAS APLICACIONES DE ELECTRONICA DE POTENCIA EN SATELITES

CONVERTIDORES CC-CC

• DIFERENTES TENSIONES DE ENTRADA: 22-37V, 28Vreg, 50Vreg, 100Vreg…

• TODO TIPO DE TENSIONES DE SALIDA: ±5V,±15V, 3.3V, 1.5V, 28V…

POTENCIA 2W 50W• POTENCIA: 2W…50W

• TOPOLOGIAS MAS FRECUENTES: FLY-BACK, PUSH-PULL Y HALF-BRIDGE PWMPUSH PULL Y HALF BRIDGE PWM


ACTUADORES DE MOTORES

• DIFERENTES TENSIONES DE ENTRADA: 22-37V,28Vreg, 50Vreg, 100Vreg…

TENSIONES DE SALIDA 16 30V UNIPOLARES Y/O • TENSIONES DE SALIDA: 16…30V, UNIPOLARES Y/O BIPOLARES

• POTENCIA: 10W…50WO EN I 0W…50W

• CON O SON AISLAMIENTO GALVANICO

• PARA MOTORES PASO A PASO O MICRO-STEPSPARA MOTORES PASO A PASO O MICRO STEPS


FUENTES DE ALIMENTACION PARA TUBOS DE ONDA PROGRESIVA (TWTA)

• TENSIONES DE ENTRADA: 50Vreg, 100Vreg…

• TENSIONES DE SALIDA ENTRE 3 kV y 6 kV TENSIONES DE SALIDA ENTRE 3 kV y 6 kV

• POTENCIA: 50W…300W

• ALTO RENDIMIENTO (~5 5k€/W) • ALTO RENDIMIENTO (~5.5k€/W)

• ~ 3.2 – 4.2 g/W (ahorro ~ 55k/kg)

“Alt ” d d ( 1000/ ñ ) • “Alta” demanda (>1000/año)


AMPLIFICADORES PARA TUBOS DE ONDA PROGRESIVA


AMPLIFICADORES DE TUBOS DE ONDA PROGRESIVA (TWTA)

ETAPA DE POTENCIA ETAPA DE ALTA TENSION

2/Julio/2009 39

E DE L ENSION

4. OTRAS APLICACIONES DE ELECTRONICA DE POTENCIA EN SATELITES


PUSH-PULL RESONANTE ZC/ZV



CURRENT-FED PUSH-PLL WITH PWM ACTIVE CLAMP & ZVS


FUENTES DE ALIMENTACION PARA PROPULSION ELECTRICA

• TENSIONES DE ENTRADA: 50Vreg, 100Vreg…

• MULTIPLES TENSIONES DE SALIDA. LA PRINCIPAL ENTRE 300V Y 1000V ENTRE 300V Y 1000V

• POTENCIA: 500W…1500W

• CON AISLAMIENTO GALVANICO Y CAPACIDAD DE PROCESAR MACRO-COMANDOS

• RENDIMIENTO: 94 95%RENDIMIENTO: 94…95%


5. RETOS ACTUALES DE LA ELECTRONICA DE POTENCIA PARA SATELITES

• OPTIMIZACION DE LA REGULACION DE PANELESSOLARES: DET Y MPPT

• CONVERTIDORES DE MUY BAJA TENSION DE SALIDA

• MINIATURIZACIÓN DE LOS ELEMENTOS DE POTENCIA


5.1 OPTIMIZACION DE LA REGULACION DE PANELES SOLARES EFECTO DE LA CAPACIDAD PARASITA

4.0V

MOSFET

SOLARES: EFECTO DE LA CAPACIDAD PARASITA

-4 0V

0V Tensión de la celula con menor Isc,

(1V/div)

MOSFET ON

OFF

4.0AV(KA)- V(AA)

4.0V (1V/div)

8 0 9 0 9 8-4.0A

0A

SEL>>

String current (1A/div)

Time

8.0ms 9.0ms 9.8msI(R1)


2.0V Tensión de la célula con

MOSFET ON: DETALLE

0V

la célula con menor Isc,

(1V/div)

3.0AV(KA)- V(AA)

-2.0VSEL>>

1.0A

2.0A String current (0.5A/div)

Time

7.00ms 7.01ms 7.02ms 7.03ms 7.04msI(R1)

0A

EL DESCARGA DE LA CAPACIDAD PARASITA GENERA UN PICO DE CORRIENTE EXCESIVO PARA LOS DIODOS DE PROTECCION DE CADA

2/Julio/2009 45

CELULA SOLAR


20 0 2

Vds(1V/div)

14 0

16.0

18.0

20.0

1 4

1.6

1.8

2

Vcell

Icell

8 0

10.0

12.0

14.0

0 8

1

1.2

1.4 Icell

MOSFET current (0.2A/div)

2 0

4.0

6.0

8.0

0 2

0.4

0.6

0.8

-2.0

0.0

2.0

-5 0 5 10 15 20 25-0.2

0

0.2

LA LIMITACION DE CORRIENTE DURANTE LA DESCARGA DE LA CAPACIDAD PARASITA GENERA UNA DISIPACION PROBLEMATICA

PARA SECCIONES DE CORRIENTE ELEVADA

2/Julio/2009 46

PARA SECCIONES DE CORRIENTE ELEVADA


MOSFET OFF1.0A String current (100mA/div)

0.5A

(100mA/div)

4.0VI(R1)

0ASEL>> Tension da la

célula con menor Isc,

(1V/div)

0V

2.0V

( )

Time

7.500ms 7.525ms 7.550ms 7.575ms 7.600msV(KA)- V(AA)

0V

LA CAPACIDAD PARASITA IMPIDE LA TRANSFERENCIA INSTANTANEA DE CORRIENTE DEL PANEL AL BUS, LO QUE AUMENTA EL RIZADO


LIMITACIONES DEL S3R

0.20 V

0.25 V

8 kHz

10 kHz

Voltage ripple vs Shunt Duty cycle

8 kHz

10 kHz

16 W

20 W Switching freq. vs shunt duty cycle

SW Dissipation vs Duty cycle

0.10 V

0.15 V

4 kHz

6 kHz

Voltage ripple vs Shunt Duty cycle

Switching freq. vs shunt duty cycle

4 kHz

6 kHz

8 W

12 W

0.00 V

0.05 V

0% 20% 40% 60% 80% 100%0 kHz

2 kHz

0 kHz

2 kHz

0% 20% 40% 60% 80% 100%0 W

4 W

0% 20% 40% 60% 80% 100% 0% 20% 40% 60% 80% 100%


SOLUCIONES PROPUESTAS:

• UTILIZACION DE UN INDUCTOR EN SERIE PARA LIMITAREL PICO DE CORRIENTE

MODIFICACION DEL LAZO DE CONTROL CONVENCIONAL• MODIFICACION DEL LAZO DE CONTROL CONVENCIONAL

• UTILIZACION DE SECCIONES “AUXILIARES” DE MENORCORRIENTE PARA DISMINUIR LA DISIPACION

• UTILIZACION DE UN CONVERTIDOR EN LUGAR DESECCIONES DE S3R


5.2 UTILIZACION DE CONVERTIDORES PARA REGULACION DE PANELES SOLARES

• NECESIDAD DE BUENA RESPUESTA DINAMICA (AO/L[C])• RENDIMIENTO Y MASA EQUIVALENTE A LA DEL S3R• TENSION DE ENTRADA POR DEBAJO DEL BUS

(SADM,MOSFETS…)• CAPACIDAD DE REGULACION POR ENCIMA Y DEBAJO DELCAPACIDAD DE REGULACION POR ENCIMA Y DEBAJO DEL

BUS PARA MEJORAR FLEXIBILIDAD DE USO CONDISTINTOS PANELES SOLARES


CONVERTIDORES PARA REGULACION DE PANELES SOLARES

?2/Julio/2009 515. RETOS ACTUALES DE LA ELECTRONICA DE POTENCIA PARA SATELITES

PARA OPERACION SECUENCIAL DE SECCIONES…

QUASI-CONDUCTANCE CONTROL ????

2/Julio/2009 52

AOL[C] CON QUASI-CONDUCTANCE CONTROL

40

1

180d

270d2

0

20

90d

-20

-90d

0d

-60

-40

-180d

>>

AOL(C) with Quasi-Conductance Control (i.e. Iin,filtered – Isw,filtered) verses fLP,INWith fLP,IN = 20 Hz… FIRST ORDER SYSTEM RESPONSE

-270d >>

2/Julio/2009 53

NOTE: In all cases FLP,SW = 30 kHz

AOL[V] CON QUASI-CONDUCTANCE CONTROL

0

401

360d2

-40

270d

-120

-80 180d

200

-160

>>0d

90d

Con Batería (verde) / Sin Batería (rojo) Los rangos de operación de cada sección no cambian con la tensión del panel!

-200 0d

2/Julio/2009 54

5.3 CONVERTIDORES DE MUY BAJA TENSION DE SALIDA

D bid l li it i té i id d d • Debido a las limitaciones térmicas y necesidades de procesado, las demandas son menores que en aplicaciones

terrestresterrestres• CVs problemáticos debido a SEE: SET en el lazo de control pueden producir sobretensiones no tolerables control pueden producir sobretensiones, no tolerables

para la electronica alimentada.• Topologías de una unica etapa si sólo hacen falta 1 o p g un un p n f

tensiones de alimentacion por módulo


TOPOLOGIA DE ETAPA SIMPLE PARA APLICACIONES DE TOPOLOGIA DE ETAPA SIMPLE PARA APLICACIONES DE BAJA TENSION DE SALIDA


DRIVER DE PUERTA PARA RECTIFICADOR SINCRONO HIBRIDO

ESTE CONCEPTO PERMITE LA OPERACION EN REGIMEN LINEAL DE LOS MOSFETS DEL RECTIFICADOR SINCRONO

VOFFSET= 0V: SR SATURADO

VOFFSET= -15V: RECTIFICACION A TRAVES DEL DIODO INTRINSECO DEL MOSFET

2/Julio/2009 57

OFFSET


5.3 MINIATURIZACION DE LA ELECTRONICA

• La miniaturización conlleva reducción significativa SOLO si supone una reducción sustancial del equipo. p q p

• La reducción de tamaño de una caja sin reducción de di i ió ll EN IBLE i d fl j disipación conlleva un SENSIBLE incremento de flujo


5.3 MINIATURIZACION DE LA ELECTRONICA


aplicaciones espaciales de la ep - saaei- eclipses durante 46 dias alrededor de e quinoccios. -...

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