Solar array to High Voltage bus: Resonant power conversion techniques for space applications

Abstract

La evolución del cambio climático durante las últimas décadas ha llevado a la exploración de nuevos métodos de generación eléctrica sin emisiones de CO₂. Una posible solución es desplegar plataformas de energía solar espacial, que supondría utilizar grandes estructuras de paneles solares en órbita capaces de generar electricidad en el orden de GW y transmitirla a estaciones terrenas conectadas a la red eléctrica. Durante los últimos años, diferentes naciones alrededor del mundo, incluyendo los Estados Unidos de América, China y Japón, han iniciado programas para investigar y desarrollar plataformas comerciales de Energía Solar Basada en el Espacio (SBSP). En Europa, la Agencia Espacial Europea (ESA) ha promovido la iniciativa SOLARIS, que busca establecer la viabilidad, el conocimiento fundamental y las tecnologías necesarias para el desarrollo de un demostrador orbital. Para poder procesar y distribuir la potencia de forma efectiva y viable desde las secciones de paneles solares hacia el resto de la plataforma, es necesario disponer de un bus de distribución de alta tensión capaz de alcanzar hasta 20 kV. Las topologías convencionales basadas en la transferencia directa de energía mantienen las secciones de paneles solares a la misma tensión que el bus de distribución. Sin embargo, este tipo de métodos no resulta apropiado para la gestión directa de la potencia en el orden de GW. En la actualidad, la tensión máxima de las secciones de los paneles solares alcanza 120 V, debido a la aparición de efectos de alta tensión a mayores voltajes en entornos espaciales, que degradan de forma significativa las celdas solares. Por lo tanto, es necesario disponer de un sistema de potencia capaz de convertir la baja tensión de los paneles fotovoltaicos en buses de distribución de alta tensión. Dado el contexto y la necesidad de soluciones respecto a la gestión y distribución de potencia en plataformas de alta tensión, el objetivo de esta tesis doctoral es proponer y desarrollar una arquitectura novel para la conversión y regulación de la tensión para las secciones de paneles solares, basado en dos reconocidas técnicas en el sector espacial: el Regulador Shunt de Conmutación Secuencial (S3R) y el convertidor resonante en tensión y corriente (ZVZC) de ganancia fija (DCX). El primer capítulo corresponde a los aspectos académicos respecto al Programa de Doctorado en Tecnologías Industriales y de Telecomunicación (TECNIT) de la Universidad Miguel Hernández de Elche. En el segundo capítulo se presenta el contexto del sistema eléctrico de potencia de los satélites, los efectos de alta tensión en entornos espaciales, y el estado del arte de las plataformas SBSP y sus requisitos eléctricos. El tercer y cuarto capítulo se corresponden a los dos artículos de revistas que conforman el compendio de artículos de la tesis doctoral. Además de los artículos, los resultados han sido desarrollados y analizados en profundidad, siendo los principales temas tratados mostrados a continuación: • Se valida una nueva técnica de regulación de paneles solares para satélites de alta tensión, denominado Regulador Shunt de Conmutación Secuencial DCX (S3DCX). Se analiza el principio de funcionamiento y se modela el sistema. A continuación, se describe una metodología de diseño y se construye un prototipo de 2 kW destinado a secciones de paneles solares de 100 V y tensión de salida de 300 V. El sistema se desarrolla en base a los requerimientos establecidos por European Cooperation for Space Standardization (ECSS) de la ESA para buses de distribución regulados. • Se realiza un análisis exhaustivo de los semiconductores de potencia disponibles y compatibles para aplicaciones de alta tensión en entornos de radiación espacial. Se desarrolla un análisis experimental para incrementar las capacidades de potencia del S3DCX basado en semiconductores de banda ancha prohibida. Se valida y estudia la modularidad de las celdas de potencia para alcanzar tensiones de bus regulado a 600 V y 900 V. También se estudia el aislamiento eléctrico de los transformadores y de la celda de potencia en condiciones de vacío. El último capítulo de la tesis se presentan sus conclusiones, se resumen las principales contribuciones y se proponen futuras líneas de investigación. Por último, la tesis se cierra con cinco anexos que proporcionan detalles respecto al software desarrollado, los esquemáticos de los prototipos y una descripción de los bancos de trabajo.

The evolution of climate change over the last decades has led to the exploration of new methods of generating electricity without CO₂ emissions. One potential solution is the deployment of space-based solar power (SBSP) platforms, which involves the use of large solar array structures in orbit capable of generate electricity in the GW range and transmitting it to a ground station connected to the electrical grid. In recent years, several nations worldwide, including the United States of America, China, and Japan, have initiated programmes to research and develop commercial SBSP systems. In Europe, the European Space Agency (ESA) has promoted the SOLARIS initiative, which aims to establish the feasibility, fundamental knowledge, and necessary technology for the development of an orbital demonstrator. To effectively and reliably distribute power from the solar array sections to the rest of the platform, high voltage distribution buses of up to 20 kV are required. In conventional direct energy transfer topologies, the solar array sections operate at the same voltage as the distribution bus. However, such methods are not well suited to managing power in the GW range. At present, the maximum solar array voltage is 120 V, due to the occurrence of several effects in the space environment at high voltage, which significantly degrade the solar cells. It is therefore necessary to have a power system capable of converting the low voltage from the solar array section to the high voltage distribution bus. Considering the context and the need for power management and distribution solutions for high voltage platforms, the aim of this doctoral thesis is to propose and develop a novel architecture for the voltage conversion and regulation of the solar array sections, based on well established techniques in the space sector: the Sequential Switching Shunt Regulator (S3R) and the Zero Voltage Zero Current Switching (ZVZC) Direct Current Transformer (DCX) converter. The first chapter deals with the academic aspects of the Doctoral Program in Industrial and Telecommunications Technologies (TECNIT) of the Miguel Hernández University of Elche. The second chapter presents the context of electrical power systems in satellites, the effects of high voltage in space environments, and an overview of the state of the art in SBSP platforms and their electrical requirements. The third and fourth chapters correspond to the two journal papers that form the core of this doctoral thesis. In addition to the papers presented, the results are extended and analysed in depth, with the main topics listed below: • A novel technique for solar array regulation in high voltage satellites, called the Sequential Switching Shunt DCX Regulator (S3DCX), has been validated. The operating principle, modelling, and design methodology have been analysed. A 2 kW prototype for 100 V solar array sections and 300 V output has been developed in accordance with the requirements established from the European Cooperation for Space Standardization (ECSS) of ESA for regulated distribution buses.

• A thorough analysis of the available power semiconductors compatible with high voltage applications in space radiation environments has been conducted. An experimental study was carried out to improve the power capabilities of the S3DCX based on wide bandgap semiconductors. The modularity of the power cells has been studied and validated up to 600 V and 900 V regulated distribution buses. The electrical isolation of the transformer and power cell under vacuum conditions was also studied.

The final chapter of the thesis presents the conclusions, summarising the main contributions of this work and proposing future lines of research. Lastly, the thesis closes with five annexes containing details of the developed software, the schematics of the prototypes, and a description of the experimental setups.