Kontakt & Service

Projektleiter

Prof. Dr. Christian Dick

Prof. Dr. Christian Dick

Informations-, Medien- und Elektrotechnik
Institut für Automatisierungstechnik (IA)

  • Campus Deutz
    Betzdorfer Straße 2
    50679 Köln
  • Raum HW1-30
  • Telefon+49 221-8275-2262

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

Prototyp der Leistungshardware (Bild: Valentin Wagner, Teammitglied, TH Köln)

Ein Studententeam der TH-Köln nimmt zum zehnten Mal am Internationalen Studentenwettbewerb „International Future Energy Challenge (IFEC)“ teil. Die Aufgabe lautet eine Stromversorgung für Kleinstsatteliten zu bauen. Weichgeschaltete GaN-basierte Halbleiterbauelemente werden im MHz-Bereich getaktet, um den Anforderungen gerecht zu werden.

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.

Auf einen Blick

Kategorie Beschreibung
Forschungsprojekt 2020 IEEE International Future Energy Challenge: “Power Supply for Nano Sattelites” 
Leitung Prof. Dr.-Ing. Christian Dick 
Fakultät Fakultät für Informations- Medien und Elektrotechnik 
Institut Institut für Automatisierungstechnik 
Beteiligte Jonathan Billeke, David Bohne, Claudius Fournier, Maximilian Fröhlich, Valentin Wagner, Philipp Wiesenthal 
Fördermittelgeber PSMA, IEEE, TH Köln 
Laufzeit 10/2019 bis 11/2020 
Website

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 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.

Gesamtaufbau mit Messungen und angeschlossener PV und Batterie Gesamtaufbau mit Messungen und angeschlossener PV und Batterie (Bild: Valentin Wagner, Teammitglied, TH )
Prototyp der Hilfsspannungsversorgung Prototyp der Hilfsspannungsversorgung (Bild: Valentin Wagner, Teammitglied, TH )

Logikplatine

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. 

Prototyp der Logikplatine Prototyp der Logikplatine (Bild: Valentin Wagner, Teammitglied, TH )

Leistungsplatine

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.

Prototyp der Leistungshardware Prototyp der Leistungshardware (Bild: Valentin Wagner, Teammitglied, TH )
M
M