Convertidores CC/CC compactos, de alta densidad y alta eficiencia para nuevas aplicaciones espaciales

Los operadores de satélites ofrecen las capacidades cada vez más sofisticadas de procesamiento

a bordo que requieren las FPGA y los ASIC más avanzados de escala submicrónica. Estos dispositivos tienen unas necesidades de alimentación exigentes por su baja tensión y alta corriente que los fabricantes (OEM) han de afrontar para proporcionar una mayor funcionalidad con cargas útiles y plataformas de menor tamaño. El coste y el plazo de comercialización también son dos factores clave.

En términos relativos, los satélites más pequeños captan menos energía y, dado que los operadores utilizan un procesamiento más rápido y a bordo, existe la necesidad de que la carga útil disponga de tanta capacidad de alimentación como sea posible. Las arquitecturas tradicionales de alimentación distribuida que incorporan un convertidor CC/CC aislado para disminuir la entrada externa del bus, seguida de puntos de carga localizados para obtener las tensiones de carga necesarias, son cada vez más ineficientes debido a las fuertes caídas de I²R. La siguiente generación de misiones espaciales exige mejoras, en aspectos como las pérdidas de conversión, la densidad de potencia, el tamaño físico y la respuesta frente a transitorios, que sean compatibles con las velocidades de conmutación de los dispositivos más avanzados de escala submicrónica.

En lugar de la alimentación distribuida convencional intermedia, constituida por un convertidor CC/CC aislado seguido de bricks reductores, la arquitectura FPA^TM (Factorised Power Architecture^TM) patentada por Vicor Corporation recurre a una técnica modular para minimizar las pérdidas de distribución I²R, lograr la máxima eficiencia y mejorar la respuesta frente a transitorios. FPA^TM consta de dos etapas: regulación de tensión y transformación. Primero se usa una topología reductora-elevadora (buck-boost) para generar un carril intermedio de 48 V a partir de una fuente externa, cuyo valor es significativamente más alto que en los buses que se han venido utilizando a la entrada de los puntos de carga. Por ejemplo, un bus de salida de 48 V necesita una corriente cuatro veces más pequeña que un bus intermedio de 12V para la misma potencia (P=VI) y las pérdidas de la red de alimentación son proporcionales al cuadrado de la corriente (P=I²R), que se reduce en un factor 16. Colocar un regulador primero para obtener 48 V consigue la máxima eficiencia, permitiendo así que los satélites más pequeños aprovechen mejor la energía captada.

La segunda etapa de FPA^TM usa un transformador para convertir el carril intermedio de 48 V a la tensión de carga deseada, p.ej., 1 V. La salida es una fracción fija de la entrada (factor K) definida por la relación de vueltas. La reducción de la tensión incrementa la corriente en la misma medida, p.ej., una corriente de entrada de 1 A se multiplicaría hasta 48 A a la salida:

La combinación de un PRM^TM (Pre-Regulation Module) y un multiplicador de corriente VTM^TM (Voltage-Transformation Module) implementan la FPA^TM en la que cada dispositivo desempeña su función especializada para permitir toda la conversión CC/CC. El PRM^TM genera un “bus factorizado” regulado a partir de una entrada no regulada seguida del VTM^TM, que transforma (reduce) los 48 V hasta la tensión de carga deseada.

El gran ancho de banda del VTM acaba con la necesidad de una capacidad elevada en el punto de carga. Incluso sin condensadores de carga externos, la salida de un VTM^TM se caracteriza por una perturbación de tensión limitada como respuesta a un repentino pico de potencia. Una cantidad mínima de la capacidad de derivación externa (en forma de condensadores cerámicos de baja ESR/ESL) basta para eliminar cualquier pico transitorio de tensión. El VTM™, sin imponer las limitaciones del ancho de banda de un lazo de control interno para mantener la regulación, ofrece una función exclusiva de capacidad-multiplicación. Por ejemplo, la capacidad de salida efectiva de derivación es 2304 mayor que la capacidad de entrada cuando se aplica un factor K de 1/48, p.ej., C_sec = C_pri * K². Esto significa que se necesita un desacoplamiento significativamente menor tras el VTM^TM y solo una pequeña cantidad de la capacidad a su entrada ofrece el mismo almacenamiento de energía que los voluminosos condensadores de tantalio que se suelen añadir a la salida de 1V de un brick reductor tradicional como muestra la imagen inferior. La baja impedancia es un requisito fundamental para alimentar cargas de baja tensión y alta corriente de manera eficiente y el uso de un VTM^TM también disminuye la resistencia efectiva vista desde el lado secundario por K². Esto permite colocar el VTM^TM en la carga, bien sea lateral o verticalmente, reduciendo así las pérdidas de potencia en la red de alimentación. El bus intermedio de menor corriente y mayor tensión de FPA permite alejar el PRM^TM del VTM^TM sin que ello perjudique a la eficiencia. Esto aporta una mayor flexibilidad al decidir dónde ubicar el PRM^TM, menos preocupaciones sobre la congestión alrededor de la carga y más libertad para dimensionar los planos de alimentación con el fin de lograr la máxima densidad de corriente. Esta disposición es muy diferente a la tradicional basada en brick, que requiere un convertidor CC/CC aislado y puntos de carga cercanos entre sí para minimizar las pérdidas de distribución I²R.

Figura 1 : Arquitectura FPA^TM frente a la tradicional arquitectura intermedia.

Los actuales convertidores CC/CC aislados y puntos de carga reductores para aplicaciones espaciales son dispositivos basados en PWM cuya potencia de salida es proporcional al ciclo de trabajo de la frecuencia de conmutación. Estos convertidores de conmutación dura utilizan una onda cuadrada para controlar un inductor o un transformador de modo que el MOSFET disipa energía cuando se conecta y desconecta. Una onda cuadrada contiene muchos armónicos que se deben filtrar pues de lo contrario se propagarán por el sistema por conducción o radiación. La topología del VTM usa una corriente sinusoidal en el devanado primario que produce un espectro más limpio del ruido de salida que requiere menos filtrado. Los reguladores reductores y los convertidores CC/CC directos/de retroceso (forward/flyback) existentes homologados para aplicaciones espaciales ofrecen eficiencias del orden del 67 al 95% y del 47 al 87%, respectivamente.

En la actualidad hay una docena de suministradores de puntos de carga de conmutación para aplicaciones espaciales que ofrecen casi una treintena de convertidores no aislados. Sus tensiones de entrada son de 3 a 16 V, mientras que las tensiones y corrientes van de 0,785 a 9,6 V y de 4 a 18 A, respectivamente, con frecuencias de conmutación de 100 kHz a 1 MHz. Con anterioridad he descrito la teoría de conversión para la topología reductora (buck), qué criterios se han de tener en cuenta al seleccionar dispositivos homologados para el espacio y cómo escoger los valores del inductor y la capacidad de entrada y salida.

Actualmente hay siete proveedores de convertidores CC/CC aislados homologados para el espacio que ofrecen más de treinta familias de dispositivos que generan tensiones estándar únicas, dobles o triples, o en algunos casos salidas intermedias reductoras, ajustables y reguladas. Sus potencias oscilan entre 2,5 y 500 W y con anterioridad he descrito la teoría de conversión para las topologías directa y de retroceso.

Con el objetivo de cubrir las necesidades de alimentación distribuida, así como de baja tensión y alta corriente de las futuras constelaciones espaciales, Vicor está homologando su nueva topología SAC^TM (Sine Amplitude Converter) para aplicaciones espaciales. Esta tecnología ZCS/ZVS patentada ofrece frecuencias más altas, mayores densidades de potencia y menores emisiones de EMI que los convertidores CC/CC existentes para el espacio. SAC^TM es una arquitectura directa resonante en serie basada en un transformador que funciona con una frecuencia fija igual a la resonancia de un circuito tanque en el primario como el mostrado a continuación:

Figura 2 : Topología resonante en serie SAC^TM de puente completo.

Los FET del primario están ligados a la frecuencia resonante natural del circuito tanque en serie y conmutan en los puntos de cruce a tensión cero, por lo que eliminan la disipación de potencia e incrementan la eficiencia. En la resonancia, las reactancias inductivas y capacitivas se cancelan, minimizando así la impedancia de salida, que se convierte en puramente resistiva de modo que se reduce la caída. La impedancia de salida resultante es muy baja para que el VTM^TM responda casi instantáneamente (< 1 µs) a las variaciones de la carga. La corriente que atraviesa el tanque es una sinusoide, que contiene menos armónicos y como resultado de ello el espectro del ruido de salida es más limpio por lo que necesita un menor filtrado de la tensión de carga.

SAC^TM tiene una topología directa donde la energía de entrada pasa a la salida. La inductancia de fuga del primario se minimiza y que no hay un elemento de almacenamiento crítico. El funcionamiento exclusivo de la topología directa SAC^TM permite una frecuencia de conmutación más alta y usar componentes magnéticos de menor tamaño con unas pérdidas intrínsecas más reducidas. El aumento resultante de la eficiencia significa que se desperdicia menos potencia durante la conversión, la gestión térmica es más sencilla y tanto la corriente de salida como la densidad de potencia son más elevadas, todo ello en un encapsulado más pequeño. Su mayor velocidad de funcionamiento transfiere energía a la salida con más frecuencia, mejorando así el tiempo de respuesta frente a transitorios ante cambios dinámicos de la carga a unos pocos ciclos.

Vicor tiene previsto poner en órbita diversos convertidores CC/CC. Los dispositivos ya han sido comprobados e incorporados a los diseños de Boeing para un satélite O3b que ofrece internet en el espacio. Inicialmente se suministrarán cuatro convertidores CC/CC resistentes a la radiación:

1. Un Módulo Convertidor de Bus SAC^TM ZVS/ZCS aislado de 300 W, 9 A y 849 W/pulgada³ (BCM3423PA0A35C0S) que admite una fuente CC de 94 a 105 V y suministra una tensión de carga fija equivalente a 1/3 de la entrada, entre 31 y 35 V. Su eficiencia máxima a temperatura ambiente es del 94% en un encapsulado que mide 33,5 x 23,1 x 7,4 mm y pesa 25,9 g.

2. Un regulador reductor-elevador ZVS no aislado de 200 W, 7,7 A y 797 W/pulgada³ (PRM2919P36B35B0S) que admite una entrada de 30 a 36 V y suministra una tensión de carga ajustable de 13,4 a 35 V. Su eficiencia máxima a temperatura ambiente es del 96% en un encapsulado que mide 29,2 x 19,0 x 7,4 mm y pesa 18,2 g.

3. Un convertidor CC/CC SAC^TM ZVS/ZCS aislado de 200 W, 50 A y 1204 W/pulgada³ (VTM2919P32G0450S) que admite una tensión de línea de 16 a 32 V y suministra una tensión de carga fija equivalente a 1/8 de la entrada, entre 2 y 4 V. Su eficiencia máxima a temperatura ambiente es del 93% en un encapsulado que mide 29,2 x 19,0 x 4,9 mm y pesa 11 g.

4. Un convertidor CC/CC SAC^TM ZVS/ZCS aislado de 150 W, 150 A y 903 W/pulgada³ (VTM2919P35K01A5S) que admite una tensión de línea de 13,4 a 35 V y suministra una tensión de carga fija equivalente a 1/32 de la entrada, entre 0,42 y 1,1 V. Su eficiencia máxima a temperatura ambiente es del 91% en un encapsulado que mide 29,2 x 19,0 x 4,9 mm y pesa
   13,3 g.

El diseño de los cuatro convertidores CC/CC se basa en una arquitectura de sistema redundante que contiene dos etapas de potencia paralelas e idénticas con control tolerante a fallos con el fin de cumplir los requisitos SEE. Con el objetivo de reducir los costes de fabricación, los dispositivos se han encapsulado en BGA de resina, chapados y moldeados en epoxy con una excelente conductividad térmica. Este encapsulado, denominado SM-ChiP^TM, se puede ver más abajo y es compatible con procesos estándar de montaje superficial, montaje pick & place y reflujo. Estos convertidores CC/CC son EAR99, su rango de temperatura es de -40 a 125°C e incorporan varias funciones de protección frente a sobretensiones, corrientes de cortocircuito, subtensiones y de tipo térmico. Admiten una dosis total de 50 kRad (Si) y los datos relativos a SEE y de otro tipo sobre fiabilidad se harán públicos este mismo año. Las fichas técnicas ya se encuentran disponibles y también se pueden pedir opciones de entrada/salida personalizadas.

Figura 3 : Los nuevos convertidores CC/CC tolerantes a la radiación BCM^TM, PRM^TM y VTM^TM.

Para destacar las mayores densidades que ofrecen los nuevos convertidores CC/CC tolerantes a la radiación, las Figuras 4 y 5 comparan sus tamaños relativos con los puntos de carga conmutados y los convertidores CC/CC aislados existentes para el espacio, respectivamente. La densidad de potencia de cada convertidor e W/pulgada³, su eficiencia en % y su densidad de corriente en A/pulgada² se han indicado en color azul, naranja y rojo, respectivamente. Su suele indica un rango de eficiencias para diferentes condiciones de carga y los valores máximos de cada ficha técnica se muestran abajo:

Figura 4 : Comparación entre puntos de carga conmutados para aplicaciones espaciales y los VTM2919.

Figura 5 : Comparación entre convertidores CC/CC aislados para aplicaciones espaciales, BCM™ y PRM™.

Los nuevos convertidores CC/CC SAC^TM tolerantes a la radiación son una tecnología innovadora e idónea para las nuevas aplicaciones espaciales. Si se comparan con los convertidores existentes para este segmento, ofrecen un mayor incremento de la potencia de salida, la densidad y la eficiencia en un formato más pequeño y ligero. Las tensiones reguladas son mucho más limpias y con un desacoplamiento menos voluminoso. El próximo año habrá nuevas versiones de los dispositivos y las tarjetas de evaluación disponibles permiten comprobar su idoneidad en futuras misiones.

FPA^TM es un gran avance para reducir las pérdidas de distribución I²R que perjudican a las arquitecturas existentes de alimentación intermedia. Un bus factorizado de baja corriente ofrece mucha más libertad para alejar el BCM™ y el PRM™ de la carga, una zona que suele estar congestionada.

Ahora existe una solución de alimentación modular de 100 V que ofrece grandes ventajas en cuanto a tamaño, peso y consumo para alimentar los semiconductores más avanzados de escala submicrónica para aplicaciones espaciales. Los VTM proporcionan convertidores CC/CC de alto rendimiento y, cuando se combinan con un PRM™, permiten disponer de una FPA^TM completa en lazo cerrado que aprovecha las ventajas en cuanto a eficiencia de un bus factorizado de alta tensión como se ilustra abajo:

Figura 6 : Solución modular de alimentación distribuida de 100 V para vehículos espaciales.

¿Cómo y dónde utilizar los convertidores CC/CC FPA^TM y SAC^TM, y en qué aplicaciones?

Hasta el mes que viene, la primera persona en explicarme la diferencia entre un regulador conmutado síncrono y resonante ganará una camiseta del Courses for Rocket Scientists World Tour. Enhorabuena a Chris, de Canadá, el primero en resolver el acertijo de mi anterior post.

Rajan Bedi es el CEO y fundador de Spacechips, que diseña y construye toda una gama de transpondedores avanzados de muy alto rendimiento para banda L a Ku, procesadores de a bordo y OBC para satélites de telecomunicaciones, observación terrestre, navegación, internet y M2M/IoT. La empresa también ofrece servicios de diseño y consultoría, marketing técnico, inteligencia empresarial y formación para electrónica espacial. (www.spacechips.co.uk). También puede contactar con Rajan en Twitter para comentar sus necesidades de electrónica espacial: https://twitter.com/DrRajanBedi

Los servicios de diseño y consultoría de Spacechips permiten desarrollar subsistemas a medida para satélites y vehículos espaciales, así como asesorar a los clientes sobre cómo utilizar y seleccionar los componentes adecuados, cómo diseñar, comprobar, montar y fabricar electrónica espacial. Spacechips muestra y compara los nuevos convertidores CC/CC en nuestro Power Microelectronics for Space course.