作者：高級區域營銷經理 Joe Dussi

介紹

本文將概述設計和製造一款能够在惡劣的太空環境中穩定運行並可靠供電的電源系統所涉及的一些基本挑戰與設計考量。 這些系統極為複雜，有賴於深厚的電源系統設計功底，方能確保其無故障運行。

什麼是供電網路？

“供電網路”（PDN）一詞用於描述面向各類太空應用的發電、儲能、調節、配電與轉換等所有環節（圖 1）。電力貫穿所有太空任務始終，而這些任務的時長與目的各不相同。例如，運載火箭僅在起飛階段需要供電幾分鐘，而衛星、深空探測器及軌道空間站則需要數年乃至數十年的不間斷供電。功率等級從幾瓦到數十千瓦不等，具體取決於航天器規模與任務目標。鑒於功率需求差异懸殊，尋找一次電源與二次電源的最優組合方案，便成為電源系統工程的首要任務。

為充分滿足任務需求，可組合多種電源，以實現最高效的解決方案。目前，大多數衛星依賴效率約為 30% 的先進太陽能電池以及鋰離子電池。核能同樣是一種可行選擇，但僅在超出太陽射線有效範圍（大致在木星軌道之外）時才有必要採用。

在太空中，尺寸與重量是關鍵的設計參數，需要在電源系統設計中予以重點關注。 在許多情况下，供電網路占衛星總重量的相當大比例（圖 2），因此，設計工作始終在持續探索如何減輕解決方案的重量和縮小尺寸，同時提升功率輸出能力。

您或許會問，如何在縮小電源系統尺寸的同時獲取更多可用功率？ 這確實是一個設計難題。 隨著太陽能電池與電池技術的進步，電源設計架構師已能够逐步彌合這一差距。 另一種最大化可用功率預算的方法，是採用最新的先進電力電子電路。 在設計衛星供電網路時，功率密度與效率等因素變得至關重要。 通過提高功率密度與效率，可以縮減電源電路的整體板級空間，並減輕重量（圖 3）。

高效率解決方案的另一優勢在於，可减少設計中需考慮的熱耗散，這意味著可以縮小散熱器的尺寸，甚至完全無需散熱器，從而避免新增設計中的重量和空間佔用。由於太空中不存在空氣或風，熱量必須通過“傳導”管道進行傳遞，即接觸表面應盡可能平整，以最大化有效接觸面積（圖 4）。 氮化鎵（GaN）或碳化矽（SiC）等半導體材料的進步，同樣在助力電源設計人員提升整體電源系統的效能。

為什麼電源系統在新太空領域至關重要？

隨著全球對物聯網頻寬需求的持續攀升，衛星通訊服務提供者與原始設備製造商正積極開發產品，以把握這一爆發式增長機遇。 衛星通訊服務提供者與原始設備製造商計畫在未來五年內部署足够容量，將總頻寬至少提升 20 倍（圖 5）。 為實現這一目標，行業在衛星系統設計方面正經歷一場深刻的模式轉變。 整體問題的關鍵環節之一，在於如何解决供電難題。 新太空衛星通訊解決方案需要高性能處理能力，而高性能處理能力又需要更多電力支撐。因此，有限的空間與重量預算，使得高密度、高效率的先進電源解決方案成為實現先進通訊系統的核心需求。

這些新型低軌（LEO）和中軌（MEO）衛星星座涉及數十億美元的投資。 因此，可靠且不間斷的電力供應對於太空任務的成功至關重要。 在太空中，太陽是主要的能量來源，在地球軌道上每平方米可提供約 1.4 千瓦的功率。 正因如此，大多數航天器都配備了大型太陽能電池陣列，以捕捉太陽光並將其轉化為電能（圖 6）。 這些電池陣列由相互連接的光伏電池網路構成，當光線照射到電池上時，便會產生電流。

即便擁有免費且易於獲取的電能，設計太空電源系統仍是一項艱巨的工程挑戰。 當前光伏電池的效率約為 30%，但在衛星運行期間，由於太陽加熱以及輻射損傷，這一效率會有所下降。 這意味著太陽能電池陣列必須具有較大的尺寸，才能提供所需的功率水准。

使情况更為複雜的是，大多數衛星的軌道會使其離開太陽照射區域，進入地球的陰影區（圖 7）。 這意味著衛星需要二次電源來彌補太陽照射的缺失。 這種二次電源通常為可充電電池，用於在衛星處於地球本影區時持續為其供電。