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LEO航天器高壓大功率太陽電池陣靜電放電試驗與分析

1 引言

隨著人類對空間環(huán)境的不斷探索，航天器功率供給能力的需求越來越大，因此高壓大功率太陽電池陣成為未來太陽電池陣的重要發(fā)展方向之一。低地球軌道(LEO)大功率航天器平臺和空間太陽能電站的發(fā)展，對高壓大功率太陽電池陣提出了更高的要求。LEO航天器處于稠密的等離子體區(qū)域，當高壓大功率太陽電池陣電壓超過一定閾值時，太陽電池陣與等離子體相互作用更易發(fā)生靜電放電(ESD)現象。靜電放電現象會引起弧光放電，從而導致太陽電池陣局部或整體失效[1]。1997年，勞拉空間系統(tǒng)公司的4顆通信衛(wèi)星由于靜電放電引起弧光放電，導致太陽電池陣輸出功率減少20%以上[2]，造成衛(wèi)星的功率裕度大幅度降低。因此，為提高LEO航天器高壓大功率太陽電池陣設計的可靠性，應開展靜電放電現象研究，明確產生靜電放電的原因。

一次放電(Primary Discharge)也稱為觸發(fā)放電(Trigger Discharge)，是由于靜電積累造成的電勢差在短暫的放電通道下發(fā)生放電并導致電荷中和的現象。當電池串之間的電勢差高于閾值電壓時，在太陽電池的電路高電位和低電位之間的電流，在毫秒級的時間里流過高濃度的等離子體通路，形成“二次放電”或“持續(xù)放電”。在LEO航天器高壓大功率太陽電池陣靜電放電研究中，一次放電和二次放電電壓閾值的確定，不但對太陽電池陣的設計至關重要，而且對航天器母線電壓的選取具有參考價值。目前，國內外對于上述電壓閾值的研究，主要是通過搭載試驗和地面模擬試驗進行的。文獻[1]中介紹了NASA在航天飛機STS-62飛行任務中進行的搭載試驗，研究了暴露在空間等離子體環(huán)境中的太陽電池邊緣面積變化對靜電放電和電流收集的影響。文獻[3]中研究了LEO等離子體環(huán)境引起的高壓大功率太陽電池陣電弧放電現象，發(fā)現空間等離子環(huán)境造成的偏置電壓與高壓大功率太陽電池陣的放電率存在密切關系。上述文獻主要集中在高壓大功率太陽電池陣靜電放電現象與空間環(huán)境關系的研究，并未涉及一次放電和二次放電的電壓閾值。文獻[4-8]中通過地面模擬試驗研究了靜電放電現象，獲得了高軌航天器太陽電池陣發(fā)生一次放電和二次放電的電壓閾值。由于高軌航天器所處等離子體環(huán)境與LEO航天器不同，因此其放電電壓閾值不能作為LEO航天器的參考。本文對LEO航天器高壓大功率太陽電池陣靜電放電電壓閾值進行研究，獲得了LEO等離子體環(huán)境下高壓大功率太陽電池陣閾值電壓對靜電放電的影響，可作為母線電壓的選取依據，也可作為高壓大功率太陽電池陣防護設計的參考依據。

2 靜電放電試驗

2.1 靜電放電試驗裝置

靜電放電試驗裝置如圖1所示。太陽電池陣試件懸掛于真空罐內，真空罐旁安放有等離子體源；太陽電池陣試件附近裝有等離子體探針，用于探測真空罐內的等離子體濃度，模擬LEO等離子體環(huán)境。試驗采用微波電子回旋共振(ECR)型等離子體源，等離子體濃度為5×1011～5×1012m-3，電子溫度為1.5 eV。利用Nikon Eclipse Lv150相機對放電現象進行事后拍攝，以確定放電位置、放電情況和發(fā)生放電時太陽電池串的間隙。

圖1 靜電放電試驗裝置Fig.1 Electrostatic discharge test device

圖2和圖3為一次放電和二次放電試驗電路，可模擬太陽電池陣放電電弧的產生。其中：CP1～CP4為電流測量探頭(霍爾電流傳感器)，用于測量試件放電脈沖信號，CP4監(jiān)測靜電放電，CP1～CP3監(jiān)測太陽電池串回路中的電流情況，以判斷是否發(fā)生放電現象；電阻R1為模擬基板高阻接地的保護電阻；電源Vb模擬航天器帶電，Rb為Vb的限流電阻，起保護作用。圖2中，Cb為模擬航天器本體與周圍等離子體環(huán)境的電容。圖3中，直流電流源I1和電壓源V2用于模擬太陽電池陣產生的電能；電容Cext、電阻Rext和電感Lext的作用是模擬靜電放電波形；C1，C2，C3為太陽電池陣補償電容，C1為串間補償電容，C2和C3分別為夾層補償電容；可變負載RL模擬航天器負載；二極管D1，D2，D3用于防止放電電弧對器件的損壞。在圖3中，未發(fā)生放電電弧時，電流流經I1、上電池串、可變負載RL和下電池串，再回到I1，此時由于V2低于RL端電壓，電流不流過V2；當產生放電電弧時，放電電弧造成上下電池串短路，此時串間電壓將低于V2兩端電壓，所有電流將由I1流向起始燃弧位置。

圖2 一次放電試驗電路Fig.2 Primary discharge test circuit

圖3 二次放電試驗電路Fig.3 Secondary discharge test circuit

2.2 靜電放電試件

靜電放電試件由一次放電試件和二次放電試件組成。針對可能出現的一次放電現象，設計了1組6串3并的一次放電試件。由于二次放電現象通常發(fā)生在串間，因此設計了6組9串2并的二次放電試件，確保二次放電試驗可以充分模擬在軌的放電模式。靜電放電試件的防護措施采用加寬太陽電池串并聯間隙的方式。

1)一次放電試件

試件尺寸為184.0 mm×247.0 mm，布貼有6串3并的無防護三結砷化鎵太陽電池組件，電池布局如圖4所示。電池組件使用尺寸為40.0 mm×30.3 mm的疊層三結砷化鎵太陽電池。

圖4 一次放電試件布局及實物圖Fig.4 Layout and sample of primary discharge specimen

2)二次放電試件

6組試件如表1所示。試件尺寸均為142.0 mm×340.0 mm。每組布貼有9串2并的三結砷化鎵太陽電池組件，電池布局如圖5所示。電池組件使用尺寸為40.0 mm×30.3 mm的疊層三結砷化鎵太陽電池。

表1 二次放電試件

圖5 二次放電試件布局及實物圖Fig.5 Layout and sample of secondary discharge specimen

3 靜電放電試驗結果及分析

3.1 一次放電試驗結果及分析

在一次放電試驗中，采用負偏壓加等離子體環(huán)境的方法模擬反向電位梯度，引起一次放電，通過逐步提高一次放電試件接地偏壓來確認試件產生一次放電的電壓閾值。試驗中，重點對電池片間、串間的一次放電現象進行觀測。如果在試件的太陽電池電路(圖2的CP4)上監(jiān)測到峰值不低于0.5 A、持續(xù)時間不少于5 μs的電流脈沖，則認為試件上發(fā)生一次放電現象。

一次放電試驗選用-60 V作為起始電壓，等待1.5 h，如果發(fā)生一次放電，則試驗結束；如果未發(fā)生一次放電，則將接地偏壓減小5 V，繼續(xù)等待1.5 h。按照以上步驟進行試驗，當接地偏壓達到-95 V時，發(fā)生一次放電現象，一次放電試驗波形如圖6所示。通道Ch1～Ch4獲得圖2中電流探頭CP1～CP4的數據，分別對應曲線①～④，表示靜電放電發(fā)生時各部位的電流特性。曲線①說明靜電放電發(fā)生在N極附近的電池片上。曲線④用于表征靜電放電發(fā)生時釋放的補償電容(圖3中的C1)中的電量。曲線①與④的放電電流值基本一致，說明靜電放電的電量主要是由電池片導電部位釋放的電荷形成的，根據電流方向可知，放電過程是向空間發(fā)射電子。曲線②和③用于表征電池串間的放電，可以看出，串間沒有發(fā)生靜電放電。

圖6 一次放電試驗波形Fig.6 Waveform of primary discharge test

使用Nikon Eclipse Lv150相機對一次放電試件拍照。多次試驗結果表明，一次放電多發(fā)生在三交結區(qū)，一次放電過程可歸納如下。

(1)光照后，空間環(huán)境的等離子體對玻璃蓋片進行正電流充電，使玻璃蓋片的電勢升高；空間環(huán)境的等離子體對互連片進行負電流充電，使互連片的電勢降低。

(2)玻璃蓋片和互連片之間存在電勢差，導致交結區(qū)附近形成電場。

(3)在電場的作用下，互連片表面多次釋放出電子，電子轟擊玻璃蓋片側面。

(4)隨著電場放電電流的劇增，在玻璃蓋片側面的轟擊電子數量也增加。與此同時，玻璃蓋片側面吸附的氣體脫離，形成薄薄的氣體層。氣體層電離放電，互連片附近的放電電流的正電荷流向互連片。玻璃蓋片周圍蓄積的電荷將放電等離子體的電子中和。

通過放電使玻璃蓋片上的電荷被中和，而等離子體的離子使玻璃蓋片的表面再次處于帶電狀態(tài)，重復(1)～(4)的過程。

一次放電時間極短，放電過程中產生的熱量不會導致電池熱擊穿，所以不會使太陽電池片瞬間失效。但是研究表明，多次的一次放電可能會造成太陽電池陣的性能衰退，影響程度與放電點的位置有關。

3.2 二次放電試驗結果及分析

在二次放電試驗中，采用負偏壓加等離子體環(huán)境的方法模擬反向電位梯度，引起一次放電，在給定串間電流的情況下，通過逐步增加串間電壓的方式確定太陽電池陣的二次放電電壓閾值。

1)電池串并聯間隙1.0 mm

在試驗中，串間電壓達到130 V時發(fā)生二次放電，如圖7所示。通道Ch1～Ch4獲得圖3中電流探頭CP1～CP4的數據，分別對應曲線①～④。曲線②和③的數據相結合，可以判斷串間是否發(fā)生二次放電。曲線②表明，太陽電池串間電流基本保持穩(wěn)定，而曲線③在曲線④出現脈沖尖峰后下降，說明電池串輸出電流在該時刻并未輸出到模擬負載端(RL)，卻因串間出現的電弧具有阻抗而被短路分流。根據曲線②和曲線③的電流特性可知，這種下降過程持續(xù)約90 μs，而曲線④的脈沖寬度約為120 μs，因此該二次放電并未產生自持，而是隨靜電放電的發(fā)生而開始，并在短時間內自行熄滅。

使用Nikon Eclipse Lv150相機對試件拍照，得到二次放電位置的并聯間隙為1.1 mm，該位置上有明顯放電痕跡，實際放電位置串間電壓為120 V，其他放電位置未出現明顯放電痕跡。

圖7 1.0 mm并聯間隙時二次放電波形Fig.7 Waveform of secondary discharge at 1.0mm gap

2)電池串并聯間隙1.5 mm

在試驗中，串間電壓達到143 V時發(fā)生二次放電，如圖8所示。通道Ch1～Ch4獲得圖3中電流探頭CP1～CP4的數據，分別對應曲線①～④。根據曲線②和曲線③可知，發(fā)生了二次放電，放電電弧持續(xù)的時間約為100 μs，此后曲線②約有300 μs時間下降至0，導致曲線③在這段時間內無法恢復至正常狀態(tài)。結合曲線④可知，該二次放電仍然無法自持，但放電產生的電流脈沖對模擬太陽電池陣的電源產生影響(如曲線②所示)，從而引起太陽電池串在短時間內無法維持輸出。

對二次放電試件外觀的檢查結果表明：試驗后未發(fā)現太陽電池和玻璃蓋片碎裂，但可以觀測到較為明顯的放電痕跡。

圖8 1.5 mm并聯間隙時二次放電波形Fig.8 Waveform of secondary discharge at 1.5mm gap

3)電池串并聯間隙2.0 mm

在試驗中，串間電壓達到145 V時發(fā)生二次放電，如圖9所示。通道Ch1～Ch4獲得圖3中電流探頭CP1～CP4的數據，分別對應曲線①～④。根據曲線②和曲線③可知，發(fā)生了二次放電，放電電弧持續(xù)的時間約為120 μs，結合曲線④可知，該二次放電隨即熄滅，因此放電電弧也無法自持。

使用Nikon Eclipse Lv150相機拍照后可知，二次放電位置的并聯間隙為1.8 mm。

圖9 2.0 mm并聯間隙時二次放電波形Fig.9 Waveform of secondary discharge at 2.0mm gap

對二次放電的研究表明：一次放電時間極短，對太陽電池陣造成的損傷是偶發(fā)和少量的；由一次放電誘發(fā)的二次放電，才是導致太陽電池陣局部失效的原因，其可能的失效機理分析如下。

(1)在絕緣體、導體和等離子體三交結區(qū)產生微秒級的一次放電。

(2)玻璃蓋片側面吸附的氣體脫離，形成薄薄的氣體層，使發(fā)生靜電放電的位置出現一個高濃度的等離子體區(qū)域。

(3)當串間的電勢差高于閾值電壓時，太陽電池電路的高電位和低電位之間的電流，流過高濃度的等離子體通路，持續(xù)時間一般為毫秒級，形成二次放電，其電能遠高于一次放電。

(4)上述通路產生足夠的電量，使太陽電池與太陽電池陣基板之間的材料發(fā)生熱解，聚酰亞胺膜熱解炭化留下一個低阻通路，太陽電池串電流流過此低阻通路形成閉環(huán)回路，導致太陽電池陣局部失效。

3.3 小結

對上述試驗結果進行綜合，如表2所示。在無防護措施(太陽電池串并聯間隙1.0 mm)時，發(fā)生一次放電的閾值電壓為95 V，且多發(fā)生在三交結區(qū)；當太陽電池串并聯間隙由1.0 mm增大到2.0 mm時，二次放電電壓閾值由120 V提高到145 V，可以明顯地觀測到放電痕跡。利用相機對試驗后的試件拍照，對比可知：發(fā)生二次放電后的試件上并未發(fā)現太陽電池和玻璃蓋片碎裂，但能夠觀測到較為明顯的放電痕跡，這主要是因為電弧電流較低，燃弧的持續(xù)時間較短，燃弧的總電能較小，對試件的損傷程度較輕。隨著電壓閾值的進一步提高，如果發(fā)生放電自持，那么長燃弧時間和高電能會造成試件的大面積損傷，導致太陽電池串短路。對比一次放電和二次放電可知：產生一次放電的電壓閾值比二次放電的電壓閾值低，而且一次放電的影響較小，電能也較低。增大電池串的并聯間隙，發(fā)生二次放電的電壓閾值會顯著地提高，因此增大并聯間隙對防止二次放電發(fā)生具有明顯的作用。

表2 試驗結果

根據本文的研究結果，當已經確定母線電壓時，可根據發(fā)生一次放電和二次放電的電壓閾值，選取相應的電池串間隙。當母線電壓較高、要采取措施防止靜電放電發(fā)生時，可根據本文的試驗結果選取相應的間隙。以母線電壓100 V、并聯間隙1.0 mm為例，當太陽電池陣輸出電壓大于100 V時，在無任何防護情況下，會發(fā)生一次放電，一次放電也可能引發(fā)二次放電，因此要采取適當的防護措施，包括提高電池串間隙來減少或避免由于靜電放電導致太陽電池陣功率損失。根據試驗結果，當間隙提高到1.5 mm時，發(fā)生二次放電的電壓閾值為143 V，遠高于母線電壓100 V，因而可以減少靜電放電的發(fā)生。

4 結束語

本文針對LEO航天器高壓大功率太陽電池陣靜電放電發(fā)生的機理、放電產生的電壓閾值進行試驗分析，研究了發(fā)生一次放電和二次放電的電壓閾值與電池串并聯間隙的關系，以及一次放電和二次放電對太陽電池片的損傷情況，分析了一次放電和二次放電產生的原因。試驗研究結果表明：加寬并聯間隙可以有效地提高二次放電電壓閾值；在母線電壓較高情況下，可根據上述試驗結果選取相應的并聯間隙，防止靜電放電的發(fā)生。上述試驗結果可為LEO高壓大功率太陽電池陣的設計提供參考。

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(編輯：夏光)

朱立穎1喬明1劉業(yè)楠2陳琦1

(1 北京空間飛行器總體設計部， 北京 100094)(2 北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所， 北京 100094)

為了避免低地球軌道(LEO)航天器的高壓大功率太陽電池陣與等離子體相互作用而發(fā)生靜電放電(ESD)現象，導致太陽電池陣弧光放電引起太陽電池陣失效，須要確定高壓大功率太陽電池陣產生一次放電和二次放電的電壓閾值。文章模擬LEO真空等離子環(huán)境，采用剛性基板三結砷化鎵太陽電池試件，試驗研究了LEO條件下發(fā)生一次放電和二次放電的電壓閾值。試驗結果表明：試件發(fā)生一次放電的電壓閾值為95V；在提高電池串間隙時，發(fā)生二次放電的電壓閾值由120V提高到145V。分析一次放電和二次放電的產生原因可知：一次放電主要發(fā)生在三交結區(qū)；二次放電是由電子轟擊產生的，2.0mm間隙可以有效提高二次放電電壓閾值。此研究結果可為LEO高壓大功率太陽電池陣的設計提供參考。

低地球軌道航天器；太陽電池陣；靜電放電；電壓閾值

Test and Analysis on Electrostatic Discharge of High Voltage and High Power Solar Array for LEO Spacecraft

ZHU Liying1QIAO Ming1LIU Yenan2CHEN Qi1

(1 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering， Beijing 100094， China) (2 Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering， Beijing 100094， China)

The electrostatic discharge is caused by the interactions between high voltage and high power solar array and plasma in the LEO (low earth orbit) space environment. The arcing is caused by the electrostatic discharge which leads to the failures of the solar array. Thus, the threshold voltages of primary discharge and secondary discharge for a high voltage and high power solar array need to be determined. In the paper, the vacuum plasma environment in LEO is simulated to study the threshold voltages of primary discharge and the secondary discharge for high voltage and high power solar array. The triple-junction GaAs solar cell with rigid substrate specimens is used for the test. The test results show that the threshold voltage of primary discharge is 95V, and the threshold voltage of the secondary discharge increases from 120V to 145V with the increased gap of solar cell string. The primary discharge occurs mainly in the three-way cross junction region. Furthermore, the electron bombardment can be the cause of secondary discharge. The tests indicate that a 2.0mm gap can effectively improve the threshold voltage of secondary discharge in solar array. In a word, the study results provide a reference to the design of LEO high voltage and high power solar array.

LEO spacecraft； solar array； electrostatic discharge； threshold voltage

2014-04-11；

2015-06-18

國家自然科學基金(51407008)

朱立穎，女，博士，工程師，研究方向為航天器電源總體設計。Email：zhuliying0123@gmail.com。

V

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2015.04.011