Versatile Array Power Regulator for Electric Propulsion Spacecraft: Feasibility of the Single-Ended Primary Inductor Converter as a High-Power Solar Array Regulator in Spacecrafts
Author
Hebsgaard, Asger Brorsen
Term
4. term
Education
Publication year
2025
Submitted on
2025-05-28
Pages
70
Abstract
Electric propulsion increases the power demand of spacecraft electrical systems. Higher PV string voltages (series-connected solar panels) also raise the risk of electrostatic discharge (ESD) due to spacecraft charging. This project evaluates whether a step-up/step-down power converter can keep the PV string voltage within an acceptable range. The SEPIC topology (Single-Ended Primary-Inductor Converter) was selected because it draws a smooth (continuous) input current from the panels and preserves the output polarity. To assess the SEPIC’s feasibility, a power loss estimation algorithm and a laboratory prototype were developed. To reduce losses, the prototype used a Schottky diode and a GaN HEMT (gallium nitride transistor). Both the algorithm and measurements showed improved efficiency when the two inductors are coupled on the same core. Laboratory tests measured peak efficiencies of 92.2% at 500 kHz and 96.8% at 250 kHz. Small-signal analysis revealed right-half-plane (RHP) zeros, which complicate control and limit bandwidth. By applying peak current-mode control and compensating the control loop with a type-II compensator, sufficient bandwidth was achieved. LTspice simulations indicated that this control strategy can meet ECSS standards (European space standards) for both steady-state and transient regulation.
Elektrisk fremdrift øger strømkravet i rumfartøjers elsystemer. Højere PV-strengspænding (serieforbundne solpaneler) øger samtidig risikoen for elektrostatisk afladning (ESD) på grund af opladning af rumfartøjet. Dette projekt vurderer, om en step-up/step-down-konverter kan holde PV-strengspændingen på et acceptabelt niveau. SEPIC-topologien (Single-Ended Primary-Inductor Converter) blev valgt, fordi den trækker en jævn (kontinuerlig) indgangsstrøm fra solpanelerne og bevarer spændingens polaritet. For at vurdere SEPIC’ens anvendelighed blev der udviklet en algoritme til estimering af effekttab samt en laboratorieprototype. For at minimere tab anvendte prototypen en Schottky-diode og en GaN HEMT (galliumnitrid-transistor). Både algoritmen og eksperimenter viste, at virkningsgraden forbedres, når de to spoler kobles på samme kerne. Under laboratorietest blev der målt topeffektivitet på 92,2% ved 500 kHz og 96,8% ved 250 kHz. De små-signal-egenskaber blev undersøgt og viste højre-halvplan-nulsteder (RHP-nulsteder), som kan gøre regulering vanskeligere og begrænse båndbredden. Ved at anvende peak current-mode kontrol og kompensere reguleringssløjfen med en type-II-kompensator kunne der opnås tilstrækkelig båndbredde. LTspice-simuleringer viste, at denne strategi kan opfylde ECSS-standarderne (europæiske rumfartsstandarder) for både statisk og transient regulering.
[This apstract has been rewritten with the help of AI based on the project's original abstract]
Keywords