مواجهة تحديات الطاقة للأقمار الصناعية LEO/MEO الحالية

البنية التحتية الحالية للاتصالات عبر الأقمار الصناعية غير قادرة على تلبية الحاجة العالمية المستمرة للوصول إلى النطاق العريض عالي السرعة ويمكن الاعتماد عليه. إن وجود هذه الفجوة يدفع إلى الإنشاء السريع والتقدم والتنفيذ لمجموعات الأقمار الصناعية للاتصالات ذات المدار الأرضي المنخفض (LEO) والمدار الأرضي المتوسط ​​(MEO).

لقد أحدثت هذه الأقمار الصناعية تحولًا كبيرًا في الاتصال ونقل البيانات من خلال تبسيط الوصول إلى الإنترنت في جميع أنحاء العالم وتمكين مراقبة الأرض في الوقت الفعلي. ومع ذلك، وفي خضم قدرتهم على إحداث تغيير عميق، فإنهم يواجهون عقبة كبيرة: إدارة السلطة.

في مقابلة مع Power Electronics News، ناقش مات رينولا، المدير الأول لوحدة أعمال Vicor Aerospace and Defense، تحديات شبكة توصيل الطاقة التي تطرحها هذه الفئة الجديدة من الأقمار الصناعية الأصغر حجمًا ولكن الأكثر قوة مع معالجات اتصالات الشبكة المتقدمة ذات الطاقة العالية وطاقتها المحدودة. مساحة للسلطة.

تحديات الأقمار الصناعية ذات المدار المنخفض

على النقيض من الأقمار الصناعية التقليدية المستقرة بالنسبة إلى الأرض والتي تحتاج إلى مكونات مقوية للإشعاع ويتم تشغيلها بواسطة صفائف شمسية موسعة، تعمل الأقمار الصناعية LEO/MEO داخل مدارات، داخل أحزمة Van Allen، والتي تتميز بتقلب التعرض لأشعة الشمس بانتظام. وهذا يتطلب إلكترونيات طاقة تتحمل الإشعاع وقادرة على تحقيق كفاءة عالية في تحويل الطاقة.

بالإضافة إلى ذلك، هناك صعوبات جديدة في توزيع الكهرباء بسبب الاتجاه نحو تقليص حجم تصميم الأقمار الصناعية. لتحقيق أقصى استفادة من المساحة المتاحة، يحتاج المهندسون إلى تصميم أنظمة مدمجة وقوية؛ أي أنها قادرة على التحكم في تدفق الطاقة مع الحفاظ على الوزن والحجم عند الحد الأدنى.

تواجه الأقمار الصناعية أيضًا تحديات في تشتيت الجسيمات عالية الطاقة بسبب نقص المجال المغناطيسي للأرض. وبالإضافة إلى ذلك، فإن غياب حاجز الهواء الأرضي يجعل الأنظمة الفضائية عرضة لمستويات عالية من إشعاع الموجات والجسيمات، مما قد يؤدي إلى حدوث أعطال في المكونات ويحتمل أن يعرض سلامة النظام للخطر. وينشأ تحدٍ آخر من تبديد الحرارة، حيث أن عملية التبريد بالحمل الحراري ليست فعالة في الفضاء، وبالتالي تقيد نقل الحرارة عن طريق التوصيل إلى سطح مشع.

يسبب إشعاع الجسيمات أضرارًا جسدية، وتحديدًا لشبكات بلورات أشباه الموصلات، والتي يمكن أن تكون دائمة أو تراكمية. يمكن ملاحظة الاضطرابات المؤقتة التي يتم فيها نقل الإلكترونات إلى مناطق النضوب، مما يؤدي إلى توصيل منطقة غير موصلة. يمكن أن تحدث الأعطال عندما تحل الأيونات الموجبة محل ذرات المنشطات في مصفوفة بلورية، مما يؤدي إلى حدوث سلوك موصل في أشباه الموصلات في مكان غير مقصود، مما يؤدي في النهاية إلى ضرر لا يمكن إصلاحه للمعدات.

حلول الطاقة فيكور

تم تصميم مجموعة وحدات الطاقة المقاومة للإشعاع من Vicor لتوفير ضوضاء منخفضة وطاقة عالية وكثافة تيار وموثوقية وقابلية للتوسع اللازمة لتوفير الطاقة للأقمار الصناعية LEO وMEO في شكل مضغوط. لا يعتمد الحل على وحدات الطاقة القابلة للتطوير فحسب، بل يعتمد أيضًا على بنيات وطوبولوجيات الطاقة الخاصة لإطلاق العنان للأداء العالي.

وقال رينولا: “لقد استخدمنا بنية الطاقة المقسمة (FPA) الخاصة بنا لتصميم شبكة توصيل طاقة تتحمل الإشعاع للأقمار الصناعية LEO وMEO، حيث يعد توفير المساحة أمرًا بالغ الأهمية”.

تستخدم شبكة توصيل الطاقة Vicor (PDN) وحدات طاقة زائدة عن الحاجة داخليًا تحقق أفضل طاقة وكثافة تيار في الصناعة. علاوة على ذلك، فإن بنيته وتنفيذه مرنان للغاية وقابلان للتطوير (الشكل 1).

تم اختيار حلول وحدات الطاقة المتحملة للإشعاع الحاصلة على براءة اختراع من Vicor لبرنامج Boeing O3b (O3b تعني “3 مليارات شخص آخرين”) الذي يهدف، من خلال اتباع نهج معياري للأقمار الصناعية LEO، إلى توسيع الوصول إلى اتصال واسع النطاق موثوق وعالي السرعة إلى أركان العالم الأربعة، وخاصة للأشخاص الذين لديهم إمكانية وصول محدودة أو معدومة إلى الإنترنت عالي السرعة.

إحدى العوائق الكبيرة التي تمت مواجهتها في بناء الأقمار الصناعية LEO، مثل O3b، تتعلق بتوفير الطاقة الكافية للحفاظ على دوائر الاتصالات الحديثة كثيفة الاستهلاك للطاقة مع تقليل أبعاد وكتلة شبكة توزيع الطاقة. يجب أن يُظهر حل الطاقة أيضًا المرونة وقابلية التوسع للتعامل بشكل فعال مع أي تعديلات أو مراجعات غير متوقعة في التصميم في التكرارات اللاحقة.

“تتطلب أحدث الدوائر المتكاملة الخاصة بتطبيقات دون الميكرون (ASICs) أو صفائف البوابات القابلة للبرمجة ميدانيًا (FPGAs) تيارات عالية جدًا عند جهد منخفض. بنية الطاقة المعامل فيكور (FPA) من محلول ثلاثي الوحدات (BCM®، PRM و VTM) مدمج ومرن للغاية. الميزة الرئيسية لاستخدام هذه الوحدات هي أنها تقوم بتحليل PDN ولا تحتاج إلى أن تكون موجودة بالقرب من بعضها البعض في التصميم. يمكن وضع BCM بالقرب من مصدر الطاقة، ويمكن وضع VTM الذي يتميز بضوضاء منخفضة للغاية في أقرب وقت ممكن من ASIC أو FPGA لتقليل الضوضاء.²قال رينولا: “خسارة R”.

يتضمن مصدر الطاقة Vicor لحل نقطة التحميل (PoL) وحدات الطاقة التالية:

• BCM3423، محول ناقل اسمي 100 فولت، 300 وات K = 1/3 في حزمة 34 مم × 23 مم
• PRM2919، منظم معزز بقوة 33 فولت بقدرة 200 وات في حزمة مقاس 29 مم × 19 مم
• مضاعفا تيار VTM2919، مع تحويل جهد K = 1/32 مع خرج 0.8 فولت عند 150 أمبير وK = 1/8 مع خرج 3.3 فولت عند 50 أمبير.

يمكن لشبكات PDN الفضائية البديلة التي تستخدم توصيل الطاقة 28 فولت استخدام Vicor 28V_في (22 – 40 فولت) محلول FPA.

إن الحل المعياري الذي يتحمل الإشعاع والأخطاء قادر على تشغيل ASICs وFPGA ذات الجهد المنخفض بما يصل إلى 300 واط من مصدر طاقة اسمي 100 فولت، مما يتطلب الحد الأدنى من المكونات الخارجية مع تشغيل منخفض الضوضاء. جميع الوحدات متوفرة في شريحة Vicor عالية الكثافة حزمة مع -30 إلى 125 درجة مئوية درجة حرارة التشغيل.

“إنها نفس البنية التي تستخدمها Vicor مع مركز البيانات الخاص بها وعملاء معالج الذكاء الاصطناعي، مما يوفر تيارًا عاليًا إلى PoL ويقلل بشكل كبير من استهلاك اللوحة الأم²وقال رينولا: “إن فقدان الطاقة يكون أقرب إلى المعالج”.

وفي التطبيقات الفضائية، يعد التكرار المادي مهمًا أيضًا لضمان أنه في حالة فشل نظام ما، يمكن لنظام آخر أن يتولى المسؤولية. تضمن البنية المتكررة داخل كل وحدة من وحدات Vicor الحصانة ضد الاضطرابات التي تحدث في حدث واحد. ويتم تحقيق ذلك من خلال احتواء محركين متماثلين ومتوازيين مع وحدات تحكم مرحلية متسامحة مع الأخطاء في حزمة SM-ChiP واحدة عالية الكثافة (الشكل 2).

في حالة وقوع حدث واحد يتسبب في حدوث اضطراب في أحد مجموعة نقل الحركة، تبدأ دوائر الحماية الخاصة به في إعادة ضبط انقطاع التيار الكهربائي. خلال فترة إعادة الضبط، تتولى مجموعة نقل الحركة الزائدة مسؤولية حمل الحمولة بأكملها، وبعد إعادة الضبط، يستأنف كلا المحركين التشغيل المتوازي.

وقال رينولا: “لقد قمنا بتصميم وبناء التكرار المادي داخل محولاتنا حتى يكون لدينا حلول للتسامح مع الأخطاء”.

ضوضاء منخفضة، جهد صفري وتبديل تيار صفري (ZVS وZCS)

تعد كثافة الطاقة العالية والضوضاء المنخفضة من المتطلبات الأساسية لأقمار الاتصالات المتقدمة. للتخفيف من الضوضاء، فإن تنفيذ أوضاع التبديل مثل التبديل الناعم، بدلاً من محولات الطاقة ذات التبديل الثابت، يمكن أن يقلل بشكل فعال من قابلية النظام للتأثيرات الطفيلية مثل الرنين. هذه التأثيرات لديها القدرة على رفع ضغط الجهد على مكونات التبديل. تعد تقنية تبديل الجهد الصفري (ZVS) مثالًا توضيحيًا للتبديل الناعم، حيث إنها تعزز كفاءة التحويل عبر طبولوجيا الطاقة المختلفة.

إن استخدام مراحل الطاقة ذات التبديل الناعم والتردد العالي وتبديل التيار الصفري (ZCS)/ZVS من Vicor يخفف بشكل فعال من الضوضاء الأرضية داخل نظام الطاقة، وبالتالي يقلل الحاجة إلى التصفية. وهذا بدوره يعزز سلامة الإشارة والأداء العام للنظام مع ضمان مستوى عالٍ من الموثوقية. يتم استخدام بنية ZVS buck-boost بواسطة Vicor لـ PRM، بينما يستخدم BCM وVTM محولات السعة الجيبية ZVS وZCS.

المقالة مواجهة تحديات الطاقة للأقمار الصناعية LEO/MEO اليوم ظهرت للمرة الأولى على Power Electronics News.