Системы питания и перспективы использования GaN в космических аппаратах.
Часть 1: питание КА, общие принципы

Коммерческий сектор космического рынка, о чем еще недавно не могли даже и подумать, возглавляемый ныне SpaceX и Blue Origin, а также Northrop Grumman и Boeing, придал отрасли новое дыхание. Эти компании быстро созданы новые носители, спутники, а также грузовые и пилотируемые космические аппараты (КА) взамен старых добрых «Прогресса» и «Союза» — наследия всех народов СССР. Кроме того, свежая кровь еще целого ряда компаний ускорила реализацию планов NASA (Национального управления США по аэронавтике и исследованию космического пространства) по возврату людей на Луну и в не столь уже далекой перспективе — высадке на Марс. Важным этапом для такого путешествия, начало которому планируется положить в 30-х годах, является реализация программы Artemis по созданию уже в середине 2020-х базы на Луне. Она будет предназначена для первого этапа разведки Марса и добычи полезных ископаемых. Роль NASA здесь состоит в том, что пока такая база отсутствует, стартовый комплекс Космического центра имени Кеннеди (Kennedy Space Center) в штате Флорида (США) используют для запусков КА компании SpaceX, Blue Origin и Boeing. Однако NASA — это еще и государственное финансирование, а также большой накопленный опыт, организация НИОКР и сопровождение космических проектов, в том числе в инициативных группах.

Особенность космической отрасли в том, что она, с одной стороны, весьма консервативна, а с другой — требует развития. На сегодня одна из важнейших задач, которые ставят перед собой NASA и осваивающие космос частные коммерческие компании, — снизить массогабаритные показатели КА и обеспечить более высокую эффективность использования электрической энергии, чего очень непросто достичь в космосе. Решить эту проблему лишь за счет более эффективных первичных источников не удастся. Задачу необходимо реализовать комплексно, а именно повысить эффективность добычи энергии и снизить потери при ее применении. Сократить потери, то есть увеличить эффективность в архитектуре управления питанием, позволит переход на современные транзисторы, выполненные на широкозонных полупроводниках, поскольку они устойчивы к радиации и могут экономно работать на очень высоких частотах и скоростях переключения при преобразовании энергии. Таким образом они обеспечивают самую высокую удельную плотность мощности элементов систем питания и уменьшают проблему отвода тепла.

С последней проблемой автор публикации столкнулся лично в середине 70-х прошлого века, работая в отделе надежности одного из всесоюзных КБ, которое занималось проектированием аппаратуры, скажем так, широкого применения. Его коллективу «партия и правительство» поставили задачу — создать профильное изделие для космоса, вернее для наших космонавтов, поскольку качество радиоканала оставляло желать лучшего, а постоянно слушать шум станции было невыносимо (впрочем, полная тишина была бы еще хуже). Задачу выполнили, изделие получилось пусть и некрасивым, но надежным, все заданные характеристики соответствовали ТЗ, и его отправили на орбиту. Менее чем через час работы на космической станции изделие отказало. Причина — отсутствие естественной конвекции и, соответственно, отвода тепла. Элементы системы питания изделия вышли из строя по причине их локального перегрева, хотя и были выбраны с запасом и соответствующей «приемкой». При СССР на товары для народа шло то, из чего пулю слепить нельзя, а для тех радиоэлементов, из которых можно, — была предусмотрена особая разбраковка и отдельная, кроме ОТК, приемка по качеству специальными представителями заказчика, обычно с большими звездами на погонах. На следующем образце, после соответствующей воспитательной работы, проблему решили, сделав в корпусе щели и установив встроенный вентилятор.

С момента открытия полупроводниковых свойств кремния для силовых приборов наиболее перспективными материалами для будущих электронных компонентов выглядят такие полупроводниковые материалы с широкой запрещенной зоной, как нитрид галлия (GaN), карбид кремния (SiC) и… алмаз, что для многих может показаться странным [6]. На рис. 1а изображена диодная матрица на натуральной монокристаллической алмазной пластине, а на ее вставке — осажденный металлический анод поверх легированной кремниевой наномембраны, которая связана с природным монокристаллическим алмазом. На рис. 1б показан перспективный транзистор, представленный Чжэньцзяном (Джеком) Ма (Zhenqiang (Jack) Ma), профессором по электротехнике и вычислительной технике в Университете Висконсин-Мэдисон (University of Wisconsin-Madison) в 2019 году.

Рис. 1. Изображение диодной матрицы на натуральной монокристаллической алмазной пластине (а) и алмазный транзистор (б) (изображение University of Wisconsin-Madison)

У алмаза есть ряд свойств, способных сделать его идеальным полупроводником для производства силовой электроники. Он может использоваться в условиях высоких электрических потенциалов, а низкое удельное сопротивление в случае правильного легирования кристалла позволит проводить большие токи. Алмаз является одним из наилучших провод­ников тепла, поэтому проблема отвода и рассеивания выделяющегося тепла решается достаточно просто. Изготовленные из алмаза и имеющие размеры меньше цента, недавно разработанные устройства могут передавать сигналы с более высокими динамическими диапазонами, чем любые другие существующие технологии. Однако здесь пока остаются технологические проблемы, связанные в первую очередь с легированием. А на подходе еще и такой уникальный материал, как графен [7] и перспективы применения окиси ванадия [8].

Приборы на базе широкозонных полупроводниковых материалов, при соответствующей технологии и в зависимости от их конкретного применения в той или иной конструкции, могут дать существенные с точки зрения эффективного использования мощности преимущества — будь то преобразование напряжения постоянного тока или генерация микроволнового излучения.

Применение таких приборов в космосе связано с их малой чувствительностью к космическому излучению, возможностью работы при высоких температурах и на высоких частотах, более низким уровнем собственных шумов и меньшей генерацией электромагнитных помех (ЭМП). Следовательно, можно с уверенностью сказать, что именно компоненты с широкой запрещенной зоной стратегически важны как для текущих космических систем, так и систем следующего поколения. Однако хотя статья и посвящена космической электронике, спустимся с небес на землю.

В настоящее время для нитрид-галлиевых транзисторов существуют три основные архитектуры:

1. GaN HEMT-транзисторы с собственным, или встроенным (mode transistor, или d-mode), затвором, каскадированные с дополнительным кремниевым полевым транзистором с индуцированным каналом (e-mode или eGaN).
2. GaN HEMT-транзисторы с изолированным затвором и индуцированным каналом (e-mode).
3. GaN HEMT-транзисторы с диффузионным карманом p-типа (p-doped), управляющим p-n-переходом (junction-gate) и индуцированным каналом.

Все эти типы нитрид-галлиевых транзисторов имеют свои особенности и отличаются от кремниевых полевых транзисторов.

Встроенный канал означает, что при нулевом напряжении затвор-исток канал транзистора открыт (то есть проводит ток при минимальном сопротивлении канала сток-исток), а для закрытия канала к его затвору нужно приложить напряжение определенной полярности, что в ряде конкретных применений крайне неудобно. Транзистор с индуцированным каналом будет закрыт и практически не проводит ток при нулевом напряжении затвор-исток, а для открытия к его затвору нужно приложить то или иное напряжение, что повышает помехоустойчивость и отказоустойчивость, поскольку устраняет случайные включения при снятии напряжения управления, обеспечивая надежность уже конечного оборудования, например блока питания. В силовой технике обычно применяются только транзисторы с индуцированным каналом — eGaN (далее по тексту под нитрид-галлиевыми будут подразумеваться транзисторы именно этого типа). Данный режим еще называют улучшенным режимом, и транзисторы на его основе являются предпочтительными коммутирующими и преобразующими элементами источников питания КА.

Причина, по которой именно нитриду галлия принадлежит пальма первенства в энергетических решениях, связанных с космосом, и почему именно эта полупроводниковая технология станет одной из наиболее важных для элементов в источниках питания, кроется в таких показателях, как размер, вес и энерго­эффективность. Эти три наиболее важных элемента в любом КА связаны, конечно же, и с надежностью, поскольку в случае неисправности мы, в космосе, не сможем съехать на обочину и обратиться за помощью на станцию технического обслуживания.

Кроме того, использование полупроводниковых приборов на основе нитрида галлия дает определенные преимущества и в части уменьшения генерации ЭМП и, соответственно, в решении проблем электромагнитной совместимости (ЭМС) в целом. Последнее из сказанного относится к тому, что уменьшение физических размеров ключевых силовых компонентов и внутренних линий связи от кристалла к выходным терминалам уменьшает паразитные эффекты, сокращая количество энергии, запасаемой и выделяемой ими во время каждого цикла переключения. Кроме того, сама топология и архитектура данной схемы занимает меньшую площадь, что предоставляет возможность разработчикам уменьшить индуктивности паразитных контуров, которые могут выступать на плате в качестве передающей и приемной антенн. Еще одним важным свойством приборов на основе нитрида галлия является их более высокая радиационная стойкость, что крайне важно в условиях космического пространства.

Основные потребители электроэнергии КА — это системы терморегуляции, насосы, системы обработки воздуха, оборудование для связи. Однако для начала кратко рассмотрим первичные источники электроэнергии и общую организацию электропитания КА, определив, где, когда и какую роль могут сыграть современные полупроводниковые приборы на основе нитрида галлия. Но откуда КА черпает ту энергию, которую необходимо преобразовать в электрическую, и как потом должным образом раздать ее системам и полезным нагрузкам КА? Что касается источников, их два — Солнце и радиоактивные изотопы. А вот с раздачей электропитания вариантов больше, но начнем с источников.

РИТЭГ

Радиоизотопные источники энергии — это устройства различного конструктивного исполнения, использующие энергию, выделяющуюся при радиоактивном распаде, для нагрева теплоносителя или ее преобразования в электроэнергию. Радиоизотопные источники энергии принципиально отличаются от атомного реактора тем, что в них используется не управляемая цепная ядерная реакция, а энергия естественного распада радиоактивных изотопов. К ним относится и РИТЭГ — многоцелевой радиоизотопный термоэлектрический генератор (Multi-Mission Radioisotope Thermoelectric Generator, MMRTG).

Эти источники применяются на космических аппаратах «Викинг-1 и -2», «Пионер», «Вояджер-1» и «Вояджер-2». РИТЭГ также обеспечивает основную мощность для систем электропитания на многих настоящих и будущих космических кораблях. Данные источники энергии столь же успешно работали и на большинстве как побывавших, так и действующих на Марсе марсоходов. В настоящее время такой источник уже установлен, заправлен и запущен на новом марсоходе NASA по программе Mars 2020. В качестве примера на рис. 2 представлен многоцелевой радиоизотопный термоэлектрический генератор марсохода Curiosity.

Рис. 2. Многоцелевой радиоизотопный термоэлектрический генератор для марсохода Curiosity

Именно эти генераторы станут одним из основных источников длительной поставки энергии как на борту космического корабля, так и на Луне и других планетах. Но РИТЭГ — это хоть и мощная, но, по сути, батарейка. Ее напряжение определено конструкцией, и его нужно эффективно преобразовать и передать нагрузкам космической системы (КА, станции, марсохода-ровера). Как правило, здесь используется архитектура распределенного питания PoL (Point of Load, буквально — «питание в нагрузку»), когда необходимое полезной нагрузке напряжение питания формируется от общей шины непосредственно в точке его потребления, то есть для питания отдельных измерительных приборов, датчиков и других систем.

Соответственно, понадобятся эффективные DC/DC-преобразователи и различные вспомогательные устройства для коммутации. Для приборов на основе нитрида галлия здесь работы просто непочатый край, поскольку именно РИТЭГ — основа системы электропитания не только КА, но и баз на поверхности Луны и Марса.

В настоящее время под эгидой NASA разрабатывается радиоизотопный генератор энергии нового поколения (Advanced Stirling Radioisotope Generator, ASRG), но пока у него имеются проблемы с надежностью. Из-за них от его использования отказались в миссии Clipper на спутник Юпитера Европу. Но то, что его доведут до ума, несомненно, такой генератор нужен.

Солнечные панели

Другим основным источником энергии для КА всегда было Солнце, посылающее свою энергию на ячейки фотоэлементов. На около­земной орбите, находясь на расстоянии примерно в 149 млн км от нашей ближайшей звезды, с каждого квадратного метра можно извлекать более 1 кВт энергии. Солнечные панели собирают энергию Солнца и хранят ее в батареях, и в этом есть проблемы, но пока такие панели — наиболее предпочтительный способ питания спутников (рис. 3) для ближнего космоса, где энергии Солнца достаточно для выработки электричества, нужного КА.

Рис. 3. Панели солнечных батарей, развернутые на спутнике

И здесь нитрид-галлиевые транзисторы просто незаменимы. Они установлены в инверторах, требующихся для преобразования напряжения солнечной панели, и для зарядки буферных аккумуляторных батарей, которые необходимы из-за нерегулярности генерации энергии панелями, а также для преобразования этих напряжений в преобразователях системы распределенного питания архитектуры PoL для питания системы КА.

Как основной элемент энергоснабжения солнечные панели использует Международная космическая станция (МКС). В старом марсоходе Spirit также присутствовали солнечные панели. Аналогично это происходит и в Mars InSight lander — новом космическом аппарате в рамках миссии NASA по программе Discovery. Он станет второй после InSight миссией по исследованию Марса под руководством Американского космического агентства (рис. 4). Для осуществления миссии аппарат имеет две солнечные панели диаметром 7 футов.

Рис. 4. Космический аппарат NASA InSight Mars Lander в «чистой комнате» компании Lockheed Martin. Изображение NASA/JPL-Caltech/Lockheed Martin

Организация раздачи электропитания КА

MicroGrid

Одно решение для КА c питанием от солнечных панелей — MicroGrid. Буквально это означает «микросетка» — локализованная группа источников электричества и нагрузок, которая обычно подсоединена к синхронной сети с традиционной сетью (macrogrid, или макросетка) и синхронна с ней, но может отключаться от «островного режима» и функционировать автономно в зависимости от физических или иных условий, например для экономии энергии. Решение ориентировано на четыре параметра, которые, собственно, и характеризуют MicroGrid на основе преобразования солнечной энергии — напряжение батареи, максимальная мощность фотоэлектрического элемента (PV), напряжение фотоэлектрического элемента, соответствующее точке максимальной мощности солнечного элемента (Maximum Power Point Tracker, MPPT), и количество последовательных элементов в строке панели. В итоге окончательный показатель оптимизации представляет собой отношение среднесуточной доставляемой мощности к общей массе системы (Вт/кг).

Для этой системы был исследован ряд различных миниатюрных DC/DC-преобразователей, в том числе понижающие, повышающие, понижающе-повышающие и неинвертирующие понижающе-повышающие. Именно такая топология оказалась наилучшим вариантом (рис. 5) для данного применения.

Рис. 5. Прототип 400-Вт неинвертирующего понижающе-повышающего (Non-Inverting Buck Boost, NIBB) DC/DC-преобразователя с функцией слежения за максимальной точкой мощности (MPPT)

Архитектура распределенного питания с функцией отслеживания максимальной точки мощности (Distributed Maximum Power Point Tracking, DMPPT) может использоваться с различными конвертерами. В этой конструкции, из-за устойчивости к высокому излучению, для DC/DC-преобразователей предпочтительны полевые eGaN-транзисторы, в отличие от устройств на основе времени. Еще одна, не менее весомая причина выбора в пользу транзисторов на базе нитрида галлия состоит в их более высокой эффективности (КПД) при работе на больших частотах и скоростях переключения.

Кондиционирование электропитания

Кондиционирование электропитания в системе КА становится одной из самых важных задач оптимального управления электро­питанием. Оно направлено на то, чтобы обеспечить эффективный обмен энергией между солнечными панелями, их буферными батареями или РИТЭГ и их нагрузками. Задача кондиционирования заключается в том, чтобы электропитание, подаваемое на нагрузки, оставалось в пределах того диапазона напряжений, при которых данные нагрузки могут функционировать должным образом. Особенно это важно для систем питания от солнечных панелей, поскольку их отдача зависит от освещенности, которая может часто меняться во время полета.

Основной целью должен быть правильный выбор мощности РИТЭГ или размера солнечной панели и емкости батареи, которую понадобится заряжать для бесперебойного обеспечения энергией оборудования КА. Разработчики должны убедиться, что аккумулятор не будет испытывать перезаряд, связанный с чрезмерным током или напряжением. Решающее значение для безопасности космического корабля имеет и возможность отключения его некоторых несущественных функций. Это необходимо для того, чтобы избежать полного разряда батареи, сохраняя возможность КА к пробуждению, когда его панели снова начнут выработку энергии.

Архитектура распределенного питания

Архитектура распределенного питания (Distributed Power Architecture, DPA) способна помочь увеличить эффективность
(в широком смысле) системы энергоснабжения КА, а также в значительной мере решить проблему динамического отклика и негативных эффектов паразитных импедансов. Все это чрезвычайно важно для питания современных высокоскоростных цифровых процессоров, вентильных матриц, программируемых пользователем (field programmable gate array, FPGA — электронный компонент, используемый для создания непосредственно самим пользователем конфигурируемых цифровых электронных схем), и специализированных интегральных схем (application specific integrated circuit, ASIC). Преобразователь промежуточной шины (Intermediate Bus Converter, IBC) с хорошей переходной характеристикой, за которым следуют стабилизаторы технологии PoL, поможет при постоянно растущих потребностях тока создать архитектуру стабильного электропитания при различных колебаниях нагрузки, особенно при падении напряжения ниже 1 В постоянного тока.

Преобразователь промежуточный шины архитектуры систем распределенного питания

Преобразователь промежуточный шины обычно является первым этапом преобразования после РИТЭГ или панели солнечных элементов и может быть выполнен как со стабилизацией выходного напряжения, так и без нее. Он, как правило, представляет собой DC/DC-преобразователь с типичным входным напряжением шины питания космического корабля 28 В постоянного тока. Разработчик должен определить, достаточно ли хорошо стабилизирована входная шина такого преобразователя, и при необходимости проверить его во всем диапазоне входного напряжения.

Преобразователи для работы в системе PoL

Здесь полупроводниковые приборы технологии нитрида галлия используются в системе питания выделенных нагрузок. Как правило, таких нагрузок и, соответственно, преобразователей с различными выходными напряжениями, которые потребуются этим нагрузкам, много, а их производительность в конечном итоге напрямую зависит от силовых нитрид-галлиевых транзисторов, рассчитанных на работу в условиях космического пространства. Эта технология — здесь мы говорим о PoL — успешно используется в центрах обработки данных на Земле, но эта архитектура будет не менее широко применяться и в космосе.

Решения для силовой электроники систем электропитания КА

Как уже было сказано, полевые транзисторы на основе нитрида галлия (в данном случае eGaN) отличаются высокой устойчивостью к космическому излучению, высокими скоростями переключения, имеют лучшую эффективность, что приводит к меньшим и более легким источникам питания, причем не только за счет уменьшения номиналов и, соответственно, габаритных размеров индуктивных компонентов, но и меньших по размерам радиаторов или во многих случаях даже полного отказа от них. Соответственно, разработчики источников питания, для того чтобы уменьшить индуктивные компоненты, повысить эффективность или создать удовлетворительный баланс в обоих направлениях, могут выбрать оптимальное увеличение частоты преобразования. Полевые транзисторы технологии eGaN также меньше, чем эквивалентные им по мощности полевые транзисторы. Увеличение частоты переключения ускоряет и ответ по обратной связи. Более быстрый переходный процесс способен снизить номинальную емкость и габариты входного и выходного конденсаторов. Максимальное напряжение отпирания на затворе для транзисторов технологии eGaN составляет 6 В, но в спутниковых приложениях оно уменьшается до 5 В, что облегчает сопряжение и управление от микросхем цифровой логики и контроллеров.

Спутники

Для организации питания таких КА, как спутники, проблема состоит в том, что их электрические нагрузки могут широко варьироваться в зависимости от того, какие приборы и/или подсистемы функционируют в конкретное время.

Энергосистема на спутнике должна быть защищена от сбоев в работе питаемых ею блоков, способных ухудшить ее характеристики и даже вывести из строя, особенно при коротких замыканиях. Для устранения неконтролируемых скачков тока и бросков напряжения централизованная распределительная архитектура будет иметь автоматические прерыватели или предохранители. На борту КА обычно используются и те и другие.

Ключевые области, в которых на спутниках обычно используются полупроводниковые приборы на основе нитрида галлия, — это радиосвязь, преобразование энергии и переключения. Космическое сообщество обратило внимание на то, что полевые транзисторы с индуцированным каналом eGaN теперь поставляются в виде модулей с уже встроенными драйверами, о чем более детально будет написано в отдельном разделе этой статьи.

Малые спутники и кубсаты

Кубтсаты (CubeSat) — формат малых или сверхмалых искусственных спутников Земли для исследования космоса, имеющих объем не более нескольких литров и массу в единицы килограммов. Спецификации CubeSat были разработаны в 1999 году Калифорнийским политехническим и Стэнфордским университетами, обычно для них требуется всего несколько ватт мощности.

Малые спутники (Smallsat — тип искусственных спутников Земли, имеющих малый вес и размеры) немного больше и, соответственно, требуют немного больше энергии. Они работают на низкой околоземной орбите и могут предоставлять недорогой доступ в Интернет по всему миру. Эти спутники имеют срок службы 3–5 лет. Приборы на основе нитрида галлия также отлично подходят и для этих КА.

Роверы

В течение 9-месячного полета на Марс космический аппарат миссии Mars 2020 (рис. 6) будет питать солнечная энергия, но, на поверхности Марса его основным источником питания станет РИТЭГ, уже установленный на ровер и подготавливаемый к комплексной проверке [3]. При этом из-за экстремально низких температурных условий для передачи тепла от более нагретых частей менее нагретым используются тепловые насосы, которым для функционирования понадобится энергия. Использование РИТЭГ вызвано большими требованиями по мощности, упрощением конструкции и стремлением избежать проблем, наблюдавшихся, например, с марсоходом Opportunity.

Рис. 6. Ровер Mars 2020 (представление NASA)

Обогрев за счет солнечной энергии для электроники ровера на Марсе невозможен, так как для этого ей потребовалось бы много энергии. Планируется, что миссия продлится один марсианский год (составляет около 686,94 земных суток, или 669,56 марсианских солов), но, как мы уже не раз это видели в прошлом, вспомним уже упомянутый Opportunity, роверы обычно выходят далеко за рамки запланированных миссий.

РИТЭГ с эксплуатационным сроком службы в 14 лет обеспечивает роверу мощность 110 Вт (60 Вт для авионики при путешествии к Марсу). Дополнительно имеются две перезаряжаемые литий-ионные резервные батареи, каждая емкостью 43 А•ч.

Основной бортовой источник питания ровера, по сути, работает в диапазоне 22–36 В напряжения постоянного тока, при этом номинальное напряжение шины равно 28 В. В этом случае для силового преобразователя шины использование полупроводниковых приборов на основе нитрида галлия становится огромным преимуществом. Их применение приводит к уменьшению веса, снижению потерь благодаря более высокой эффективности силовых нитрид-галлиевых транзисторов и общему сокращению физических размеров системы электропитания. Размещение источника питания ровера Mars 2020 показано на рис. 7.

Рис. 7. Источник питания РИТЭГ ровера Mars 2020: установка (а) и размещение (б), РИТЭГ выделен синим

Европейское космическое агентство (ESA)

Европейское космическое агентство (European Space Agency, ESA) прекрасно понимает, что для успешных космических миссий нужны эффективные энергетические системы. Они должны обеспечивать не только генерацию электроэнергии, но и ее преобразование, кондиционирование, хранение и распределение. Соответственно ESA, как и работающие на космическом рынке компании США, инвестирует значительные средства в технологию нитрида галлия. Для этого ESA принята Глобальная программа поддержки технологий (Global Support Technology Program, GSTP).

Программа, принятая ESA, направлена на разработку систем электропитания следующего поколения и особое внимание уделяет высоковольтным и быстродействующим DC/DC-преобразователям именно на основе технологии нитрида галлия. Главной целью этой программы является создание высокопроизводительных, допускающих работу в космическом пространстве силовых переключающих транзисторов, выполненных по технологии eGaN. Именно эта задача ставится перед европейской промышленностью. Что касается ближайших планов ESA, на первое место здесь также можно поставить марсианскую миссию — ExoMars 2020 (рис. 8). Марсоход назван в честь английского химика и пионера исследований структуры ДНК Розалинд Франклин.

Рис. 8. Автоматический марсоход миссии ExoMars 2020 (источник: ESA)

ExoMars 2020 — это европейская миссия, реализующаяся в сотрудничестве с корпорацией «Роскосмос» и предусматривающая исследование поверхности вблизи места посадки, проведение геологических проб, изучение атмосферы и обнаружение следов возможного существования жизни на Марсе. Со стороны российской корпорации «Роскосмос» разрабатывается десантный модуль и посадочная платформа, а со стороны Европейского космического агентства — перелетный модуль и автоматический марсоход [4]. Для выработки необходимой электрической мощности в ровере используются солнечные батареи и новые батареи [5].

Аккумуляторные батареи и их роль в системе питания КА

У спутников или других КА с питанием от солнечных панелей будут орбиты, на которых может блокироваться Солнце. Например, КА проходит в тени Земли, другой планеты или Луны или попал в пыльную бурю на Марсе. Именно по этой причине марсоход Opportunity (рис. 9) прекратил связь с Землей, когда сильная пыльная буря на Марсе накрыла его в июне 2018 года. Но, к чести его создателей, этот КА, изначально рассчитанный на эксплуатацию в течение 90 солов (марсианских дней), превысил свой срок службы в 60 раз и вместо 1000 м проехал по поверхности Марса 45 км.

Рис. 9. Солнечные панели марсохода Opportunity — коллаж из селфи, сделанных его панорамной камерой (фото: Reuters/NASA)

По указанной причине КА, например спутники и космические корабли, для поддержания непрерывности их энергопитания нуждаются в перезаряжаемых вторичных источниках — аккумуляторных батареях. Кроме того, заряженные перед запуском батареи могут быть единственным источником питания, доступным сразу после отделения пусковой установки и до тех пор, пока солнечные панели не будут развернуты и должным образом ориентированы на Солнце. Для подобных космических приложений была предложена показанная на рис. 10 двунаправленная топология DC/DC-преобразователей.

Рис. 10. Система электропитания от панелей солнечных батарей, обеспечивающая питание нагрузки космического корабля с помощью промежуточного двунаправленного DC/DC-преобразователя для бесперебойной подачи мощности в нагрузку

Традиционна топология Вайнберга (Weinberg converter) [2], с помощью которой создается двунаправленная топология с добавлением переключающего устройства (здесь идеально подходят GaN-транзисторы) и диода. Эта схема имеет два режима работы: повышения напряжения (оно создается топологией Вайнберга) и понижения (преобразователь работает в обычном режиме). Такое решение позволяет реализовать устройство меньшего размера с более высокой плотностью энергии и небольшим весом (рис. 11).

Рис. 11. Топология двунаправленного DC/DC-преобразователя Вайнберга

Следует отметить, что в настоящее время освоение космоса, причем не только околоземного пространства, не ограничивается лишь исследованиями США и Европы. Активность здесь проявляют Китай, Индия, Япония и ОАЭ, и это касается не только уже привычных, насущных потребностей. Эти страны готовят и отправляют КА к небесным телам, включая их спутники, астероиды, и готовят лунные и марсианские научные миссии. Например, космический аппарат «Хаябуса», созданный Японским агентством аэрокосмических исследований и предназначенный для изучения астероида Итокава, успешно доставил образцы его грунта на Землю. Сейчас аналогичная миссия выполняется на астероиде Рюгу, образцы с его поверхности уже взяты, и зонд «Хаябуса-2» летит домой. Российская Федерация потеряла первенство по запускам и не имеет ни одного действующего космического аппарата в дальнем космосе.

В следующей части статьи читатель ознакомится с практическими «космическими» решениями в области электропитания КА, в том числе Международной космической станции (МКС), и предложениями полупроводниковых приборов и модулей от компании Freebird Semiconductor (США), которая сотрудничает с компанией Efficient Power Conversion (EPC), а также с разработкой уникального блока питания одной из групп под эгидой NASA.

Продолжение статьи.

Перепечатка части публикации [1] сделана с разрешения издательства Power Systems Design. www.powersystemsdesign.com