DC/DC synchronous converters in point of load power distribution for small satellites: power loss analysis and control strategies

As the small satellites industry continues to rise, the design of power distribution sys tems must adapt to meet the increasing demands in terms of reusability and modularity. This thesis investigates the distribution of the Power Distribution Unit (PDU) functions in proximity to their corresponding loads, a strategy that enhances system efficiency and flexibility. The core concept to achieve such requests is the so-called "point of load" (POL) architecture, where the main satellite bus power is routed directly to the payload mod ule input. On-board DC/DC converters are employed to generate the necessary voltages for internal distribution. A significant portion of the research is dedicated to analyzing the performance of DC/DC converters. The thesis provides a detailed examination of the design and operational characteristics of synchronous buck converters, including the estimation of efficiencies and the calculation of losses. Various control methods are eval uated, and compensator transfer functions are designed to ensure stability. The findings highlight the importance of maintaining a well-regulated output voltage, even against fluctuations in input bus voltage and load current. Through simulations and modeling in Simulink, the thesis demonstrates the effectiveness of the proposed control strategies in achieving reliable power delivery for satellite applications.

Poiché l’industria dei piccoli satelliti è in continua crescita, la progettazione dei sistemi di distribuzione dell’energia deve adattarsi alle crescenti esigenze in termini di riutilizzabilità e modularità. Questa tesi indaga la distribuzione delle funzioni dell’unità di distribuzione di potenza in prossimità dei corrispondenti carichi, una strategia che migliora l’efficienza e la flessibilità del sistema. Il concetto centrale per ottenere tali richieste è la cosiddetta architettura "point of load" (POL), in cui la potenza del bus principale del satellite viene indirizzata direttamente all’ingresso del modulo di carico. Per generare le tensioni nec essarie alla distribuzione interna si utilizzano convertitori CC/CC di bordo. Una parte significativa della ricerca è dedicata all’analisi delle prestazioni dei convertitori CC/CC. La tesi fornisce una descrizione dettagliata delle caratteristiche progettuali e operative dei convertitori buck sincroni, compresa la stima delle efficienze e il calcolo delle perdite. Vengono valutati vari metodi di controllo e le funzioni di trasferimento dei compensatori sono progettate per garantire la stabilità. Le conclusioni evidenziano l’importanza di mantenere una tensione di uscita ben regolata, anche contro le fluttuazioni della tensione del bus in ingresso e della corrente di carico. Attraverso simulazioni e modellizzazione in Simulink, la tesi dimostra l’efficacia delle strategie di controllo proposte nel raggiungi mento di una fornitura di energia affidabile per le applicazioni satellitari.