仇恒抗 李淼 劉文輝 鐘漢田 楊帆 張里晟 陳萌炯

(1 上?？臻g電源研究所，上海 200245)(2 上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 200586)

隨著空間科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，航天器對(duì)能源的需求越來(lái)越大，如合成孔徑雷達(dá)(SAR)衛(wèi)星、空間實(shí)驗(yàn)室等功率需求從幾千瓦到幾十千瓦，因此對(duì)作為空間主電源的太陽(yáng)電池陣設(shè)計(jì)提出了更高的要求。地球靜止軌道(GEO)航天器高壓太陽(yáng)電池陣(工作在100 V以上)已經(jīng)普遍應(yīng)用，而低地球軌道(LEO)應(yīng)用相對(duì)較少，LEO航天器高壓大功率太陽(yáng)電池陣也將成為未來(lái)發(fā)展的必然趨勢(shì)，太陽(yáng)電池電路的電壓及電流輸出也會(huì)相應(yīng)隨之大幅提高。

國(guó)內(nèi)外較多研究[1-4]獲得了GEO航天器太陽(yáng)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L(zhǎng)EO航天器的參考。LEO涵蓋軌道高度從100 km到2000 km范圍的廣大區(qū)域，絕大多數(shù)對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星、測(cè)地衛(wèi)星、載人航天器及一些新型通信衛(wèi)星都采用此軌道。在LEO的等離子體環(huán)境中，其帶電粒子濃度為1×1012m-3,通常稱該電離層為稠密的等離子體區(qū)域[5]，當(dāng)高壓太陽(yáng)電池陣電壓超過(guò)一定閾值時(shí)，太陽(yáng)電池電路與等離子體相互作用易發(fā)生靜電放電(ESD)現(xiàn)象，從而可能導(dǎo)致太陽(yáng)電池陣局部或整體失效[6]。等離子體對(duì)太陽(yáng)電池玻璃蓋片和金屬互連片進(jìn)行充電，造成電勢(shì)差，從而產(chǎn)生電場(chǎng)，會(huì)進(jìn)一步導(dǎo)致電子發(fā)射，形成一次放電，而且放電時(shí)間極短，一般為微秒級(jí)；當(dāng)太陽(yáng)電池串之間的電勢(shì)差高于閾值電壓時(shí)，在太陽(yáng)電池電路高電位和低電位之間的電流，會(huì)在毫秒級(jí)的時(shí)間里流過(guò)高濃度的等離子體通路，形成二次放電[7]。文獻(xiàn)[6]中研究了暴露在空間等離子體環(huán)境中的太陽(yáng)電池邊緣面積變化對(duì)ESD和電流收集的影響。文獻(xiàn)[8]中針對(duì)太陽(yáng)電池三聯(lián)點(diǎn)結(jié)構(gòu)提出一次放電一維簡(jiǎn)化模型，用于評(píng)估太陽(yáng)電池設(shè)計(jì)對(duì)放電脈沖強(qiáng)弱的影響。文獻(xiàn)[9]中發(fā)現(xiàn)空間等離子環(huán)境造成的偏置電壓與高壓大功率太陽(yáng)電池陣的放電率存在密切關(guān)系。文獻(xiàn)[10]中獲得了在LEO尺寸為40.0 mm×30.3 mm的太陽(yáng)電池組成的高壓大功率無(wú)防護(hù)太陽(yáng)電池陣發(fā)生一次放電和二次放電的電壓閾值，該規(guī)格太陽(yáng)電池的單串組件輸出電流約為0.198 A。太陽(yáng)電池陣ESD現(xiàn)象不僅與太陽(yáng)電池串間電壓有關(guān)，也與太陽(yáng)電池串輸出電流有直接關(guān)系[11]，太陽(yáng)電池串輸出電流在0.5～1.0 A為閾值安全電流，在此電流區(qū)間太陽(yáng)電池陣串間電壓可設(shè)計(jì)在200 V以上。

目前，大部分航天器太陽(yáng)電池陣采用光電轉(zhuǎn)換效率更高、尺寸更大的太陽(yáng)電池，太陽(yáng)電池組件單串電流顯著增大，國(guó)內(nèi)關(guān)于ESD研究未涉及到二次放電閾值與太陽(yáng)電池組件較大電流之間的關(guān)系，而二次放電是在一次放電的誘導(dǎo)下在太陽(yáng)電池組件之間形成了持續(xù)的電流通路，更容易造成太陽(yáng)電池陣的失效，因此需要對(duì)其進(jìn)行研究和防護(hù)。本文對(duì)采用大尺寸太陽(yáng)電池(60.5 mm×40.0 mm)組成的混聯(lián)高壓太陽(yáng)電池電路進(jìn)行防護(hù)和無(wú)防護(hù)ESD閾值試驗(yàn)研究，獲得了一次ESD與二次ESD閾值，并驗(yàn)證了太陽(yáng)電池組件串間涂膠防護(hù)能提高其ESD閾值，可為L(zhǎng)EO航天器高壓太陽(yáng)電池陣的設(shè)計(jì)提供技術(shù)支持。

1 ESD閾值試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備及試驗(yàn)條件

試驗(yàn)中的設(shè)備配置如圖1所示，在真空容器內(nèi)模擬LEO等離子體環(huán)境，采用微波電子回旋共振型等離子體源，試驗(yàn)配置電路模擬空間太陽(yáng)電池陣，示波器顯示試驗(yàn)過(guò)程中的放電現(xiàn)象，相關(guān)數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)采集存儲(chǔ)，利用攝像設(shè)備確定放電位置、放電情況。

圖1 試驗(yàn)配置Fig.1 Test device

等離子體源安裝在真空容器軸線的封頭上，通過(guò)直徑250 mm的插板閥與真空容器相接。等離子體參數(shù)采用朗繆探針(靜電探針)測(cè)量。試驗(yàn)設(shè)備及等離子體源試驗(yàn)條件如表1所示。

表1 試驗(yàn)條件Table 1 Test conditions

1.2 試驗(yàn)電路及試驗(yàn)工況

1.2.1 試驗(yàn)電路

圖2和圖3分別是一次放電和二次放電試驗(yàn)電路，可模擬太陽(yáng)電池陣放電電弧的產(chǎn)生。

圖2 一次放電試驗(yàn)電路Fig.2 Primary discharge test circuit

圖3 二次放電試驗(yàn)電路Fig.3 Secondary discharge test circuit

在圖2和圖3中：CP1～CP4為電流測(cè)量探頭，用于測(cè)量試驗(yàn)件放電脈沖信號(hào)，CP4監(jiān)測(cè)ESD，CP1～CP3監(jiān)測(cè)太陽(yáng)電池串回路中的放電情況，以判斷是否發(fā)生放電現(xiàn)象；電源Vb模擬航天器帶電，10 kΩ電阻為Vb的限流電阻。圖2中，Cext用于模擬航天器本體與周圍等離子體環(huán)境的電容，N和P分別表示電池組件的負(fù)端和正端。圖3中，直流電流源和電壓源用于模擬太陽(yáng)電池陣產(chǎn)生的電能；電容Cext、電阻R和電感L的作用是模擬ESD波形；C1，C2，C3為太陽(yáng)電池陣補(bǔ)償電容；可變負(fù)載RL模擬航天器負(fù)載；二極管用于防止放電電弧對(duì)器件的損壞。

1.2.2 試驗(yàn)工況

一次放電閾值試驗(yàn)工況為：真空罐真空度達(dá)到2×10-2Pa，等離子體濃度達(dá)到1×1012m-3，接地偏壓從-60 V起，每1.5 h下調(diào)-5 V，直至出現(xiàn)一次放電并由電流探頭CP1～CP4中任一探頭采集到放電波形。

二次放電閾值試驗(yàn)工況為：真空罐真空度達(dá)到2×10-2Pa，等離子體濃度達(dá)到1×1012m-3，給試驗(yàn)件通0.83 A電流；采用負(fù)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(guò)逐步增加串間電壓的方式確定太陽(yáng)電池陣的二次放電電壓閾值,結(jié)合以往試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)將偏壓拉得較低，試驗(yàn)件接地偏壓從-150 V起，未出現(xiàn)一次放電則每1 min下調(diào)接地偏壓-5 V，并在每50次放電后調(diào)節(jié)串間電壓，每次串間電壓升高10 V，直至電流探頭CP1～CP4采集到放電波形。

1.3 試驗(yàn)件狀態(tài)

1.3.1 一次閾值試驗(yàn)件

在一次放電試驗(yàn)件設(shè)計(jì)時(shí)，充分考慮到試驗(yàn)件一次放電可能發(fā)生的位置：太陽(yáng)電池片與太陽(yáng)電池片之間；太陽(yáng)電池組件并聯(lián)間隙處；太陽(yáng)電池與組件銀連接片間。針對(duì)可能出現(xiàn)的一次放電情況，設(shè)計(jì)5串3并的典型一次放電試驗(yàn)件。試驗(yàn)件單板尺寸為220 mm×270 mm，共有2組，采用40.0 mm×60.5 mm的疊層三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池，并聯(lián)間隙1 mm。試驗(yàn)件組成及用途如表2所示，實(shí)物狀態(tài)如圖4所示。其中：T1試驗(yàn)件無(wú)防護(hù)；T2試驗(yàn)件并聯(lián)間隙涂膠。

表2 一次放電試驗(yàn)件組成及用途Table 2 Compositions and purposes of primary discharge specimens

圖4 一次放電試驗(yàn)件Fig.4 Specimen of primary discharge

1.3.2 二次閾值試驗(yàn)件

在二次放電試驗(yàn)件設(shè)計(jì)時(shí)，考慮到二次放電現(xiàn)象一般發(fā)生在串間，因此設(shè)計(jì)3串4并2混2單元12片的三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池組件作為二次放電試驗(yàn)件。它是一種混聯(lián)模式，1個(gè)單元為6片太陽(yáng)電池，電壓是3片串聯(lián)的電壓，電流是2片電池的電流，單元內(nèi)相鄰2片電池都進(jìn)行了相互連接。在混聯(lián)模式的單元內(nèi)，太陽(yáng)電池組件工作時(shí)的電流約為0.83 A，比非混聯(lián)太陽(yáng)電池組件工作電流大1倍。根據(jù)ESD相關(guān)理論，太陽(yáng)電池組件工作時(shí)電流越大，越易發(fā)生ESD。試驗(yàn)件單板尺寸為180 mm×290 mm，共有2組件，采用40.0 mm×60.5 mm的疊層三結(jié)砷化鎵太陽(yáng)電池，混聯(lián)單元內(nèi)間距為1 mm，單元間并聯(lián)間距為1.5 mm，試驗(yàn)件組成及用途如表3所示，試驗(yàn)件實(shí)物狀態(tài)如圖5所示。其中：T3試驗(yàn)件無(wú)防護(hù)；T4試驗(yàn)件并聯(lián)間隙涂膠。

表3 二次放電試驗(yàn)件組成及用途Table 3 Compositions and purposes of secondary discharge specimens

圖5 二次放電試驗(yàn)件Fig.5 Specimen of secondary discharge

試驗(yàn)件制作包含了單片產(chǎn)生、疊層電池組裝、太陽(yáng)電池組件粘貼、板內(nèi)電纜制作、太陽(yáng)電池陣組裝等工藝，均同航天器實(shí)際應(yīng)用的太陽(yáng)電池陣產(chǎn)品制作工藝一致，按照相同工藝標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。太陽(yáng)電池組件引出線為55/0112-24-9宇航級(jí)導(dǎo)線，導(dǎo)線穿過(guò)基板后引出，并與罐內(nèi)電纜相連，穿線孔處用硅橡膠固封，確保無(wú)金屬面裸露，基板采用37.5 kΩ高阻接地。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 一次放電試驗(yàn)閾值

在試驗(yàn)件的太陽(yáng)電池電路上(見(jiàn)圖2)監(jiān)測(cè)到峰值不低于0.5 A、持續(xù)時(shí)間不少于5 μs的電流脈沖，則認(rèn)為試驗(yàn)件上發(fā)生一次放電現(xiàn)象。試驗(yàn)中，示波器通道CH1～CH4與電路圖中CP1～CP4一一對(duì)應(yīng)，其中CP4監(jiān)測(cè)整個(gè)回路的放電現(xiàn)象。

Vb偏壓達(dá)到-110 V時(shí)，T1試驗(yàn)件發(fā)生一次放電，電流探頭CH1～CH3采集到的波形見(jiàn)圖6(a)，探頭CP3采集到約1.4 A(除去基準(zhǔn)電流1.0 A后)，持續(xù)時(shí)間約7 μs；Vb偏壓達(dá)到-120 V時(shí)，T2試驗(yàn)件發(fā)生一次放電，電流探頭CH1～CH3采集到的波形見(jiàn)圖6(b)，探頭CP2采集到了約0.75 A(除去基準(zhǔn)電流1.0 A后)，持續(xù)時(shí)間約8 μs。進(jìn)行涂膠工藝處理的T2試驗(yàn)件，一次放電閾值較T1試驗(yàn)件提升了10.0 V，符合理論上涂膠能提高一次放電閾值。

從圖7放電區(qū)域攝像記錄中可以看出：在三交結(jié)區(qū)，即太陽(yáng)電池玻璃蓋片和太陽(yáng)電池的銀連片之間、太陽(yáng)電池玻璃蓋片和基板之間，由于高濃度的等離子體引起靜電積累造成電勢(shì)差，發(fā)生短暫的放電形成一次放電現(xiàn)象，CP2和CP3均捕捉到了一次放電現(xiàn)象。試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)T1和T2試驗(yàn)件進(jìn)行太陽(yáng)電池電路暗特性和電性能測(cè)試，見(jiàn)圖8與圖9。

圖6 一次放電試驗(yàn)波形Fig.6 Primary discharge test waveforms

圖7 試驗(yàn)件一次放電區(qū)域Fig.7 Primary discharge area of specimen

圖8 一次放電前后試驗(yàn)件的暗特性曲線Fig.8 Dark characterristic curves of specimen before and after primary discharge

圖9 一次放電前后試驗(yàn)件的伏安曲線Fig.9 I-V curves of specimen before and after primary discharge

一次放電試驗(yàn)后，試驗(yàn)件的暗特性曲線幾乎沒(méi)有變化，如圖8所示；試驗(yàn)件的伏安輸出曲線幾乎沒(méi)有變化，在AM0及25 ℃(校準(zhǔn)溫度)下測(cè)試，如圖9所示。

2.2 二次放電試驗(yàn)閾值

當(dāng)T3試驗(yàn)件串間電壓達(dá)到150 V時(shí)，發(fā)生二次放電現(xiàn)象；T4試驗(yàn)件串間電壓達(dá)到160 V時(shí)，發(fā)生二次放電現(xiàn)象，符合理論上涂膠能提高二次放電的電壓閾值。示波器CH1～CH4(對(duì)應(yīng)圖3電路中的CP1～CP4)采集到的放電波形如圖10所示(CP1～CP4放電電流脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成了示波器CH1～CH4通道電位變化信號(hào))。根據(jù)圖10可知：T3試驗(yàn)件放電過(guò)程持續(xù)約0.7 ms，T4試驗(yàn)件放電過(guò)程持續(xù)約0.2 ms，因此二次放電并未產(chǎn)生自持，而是隨ESD的發(fā)生而開(kāi)始，并在短時(shí)間內(nèi)自行熄滅。

在2串太陽(yáng)電池并聯(lián)間隙之間發(fā)生二次放電，即當(dāng)電池串之間的電勢(shì)差高于閾值電壓時(shí)，在太陽(yáng)電池電路高電位和低電位之間的電流，在毫秒級(jí)的時(shí)間里流過(guò)高濃度的等離子體通路，形成二次放電現(xiàn)象。

因二次放電時(shí)太陽(yáng)電池組件進(jìn)行通電，整個(gè)組件發(fā)光，放電現(xiàn)象不易觀察，經(jīng)攝像設(shè)備捕捉，發(fā)現(xiàn)二次放電產(chǎn)生的亮點(diǎn)如圖11所示。

試驗(yàn)結(jié)束后，對(duì)T3和T4試驗(yàn)件進(jìn)行太陽(yáng)電池電路暗特性和電性能測(cè)試，見(jiàn)圖12和圖13。

圖10 二次放電試驗(yàn)波形Fig.10 Secondary discharge test waveforms

圖11 試驗(yàn)件二次放電現(xiàn)象Fig.11 Secondary discharge phenomena of specimen

圖12 二次放電前后試驗(yàn)件的暗特性曲線Fig.12 Dark characterristic curves of specimen before and after secondary discharge

圖13 二次放電前后試驗(yàn)件的伏安曲線Fig.13 I-V curves of specimen before and after secondary discharge

從圖12可以看出：二次放電后，試驗(yàn)件暗特性性能略有衰減。影響太陽(yáng)電池暗伏安特性的基本參數(shù)分別是串聯(lián)電阻、并聯(lián)電阻、反向飽和電流和品質(zhì)因子，本文沒(méi)有具體研究ESD對(duì)太陽(yáng)電池暗特性的哪個(gè)參數(shù)產(chǎn)生了影響，僅是通過(guò)試驗(yàn)表明ESD對(duì)太陽(yáng)電池PN結(jié)性能略有破壞。在AM0及25 ℃(校準(zhǔn)溫度)下測(cè)試，T3和T4試驗(yàn)件試驗(yàn)前后的最佳點(diǎn)電壓、電流測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4?？梢?jiàn)，二次放電現(xiàn)象會(huì)對(duì)太陽(yáng)電池造成不同程度的損傷，降低太陽(yáng)電池工作點(diǎn)電壓和工作點(diǎn)電流。

表4 二次放電試驗(yàn)件試驗(yàn)前后伏安輸出結(jié)果Table 4 I-V output results before and after specimen secondary discharge

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

一次放電為觸發(fā)放電，是由于靜電積累造成的電勢(shì)差在短暫的放電通道下發(fā)生放電并導(dǎo)致電荷中和的現(xiàn)象。當(dāng)電池串之間的電勢(shì)差高于閾值電壓時(shí)，在太陽(yáng)電池的電路高電位和低電位之間的電流，在毫秒級(jí)的時(shí)間里流過(guò)高濃度的等離子體通路，形成二次放電或持續(xù)放電。

對(duì)上述試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合，如表5所示。在無(wú)防護(hù)措施(太陽(yáng)電池串并聯(lián)間隙1 mm)時(shí)，發(fā)生一次放電的閾值電壓為110 V，涂膠防護(hù)后閾值電壓提高到120 V；在無(wú)防護(hù)措施(太陽(yáng)電池串并聯(lián)間隙1.5 mm)時(shí)，電路通0.83 A電流發(fā)生二次放電的閾值電壓為150 V，涂膠防護(hù)后閾值電壓提高到160 V。放電后的試驗(yàn)件上并未發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)電池和玻璃蓋片碎裂。發(fā)生二次放電后，能夠觀測(cè)到較為明顯的放電痕跡，這主要是因?yàn)槎畏烹娔芰枯^高，燃弧時(shí)間增加，造成試驗(yàn)件燒痕。電池串的并聯(lián)間隙涂膠后，放電的電壓閾值會(huì)有所提高，作為防護(hù)手段，在太陽(yáng)電池陣相鄰電池串間涂覆硅橡膠，可以在太陽(yáng)電池和周圍等離子體環(huán)境之間形成勢(shì)壘層[12]，降低太陽(yáng)電池與等離子體之間的相互作用，從而提升閾值電壓。

當(dāng)?shù)入x子體與太陽(yáng)電池陣作用時(shí)，主要是電子對(duì)太陽(yáng)電池陣表面充電，充電過(guò)程導(dǎo)致高壓太陽(yáng)電池陣表面相對(duì)于等離子體呈負(fù)電位，并在高壓太陽(yáng)電池陣光照面和基板間形成反向電場(chǎng)梯度，這種電場(chǎng)分布會(huì)使高壓太陽(yáng)電池陣表面產(chǎn)生ESD。一次放電通常發(fā)生在金屬-介質(zhì)-真空構(gòu)成的“三結(jié)合部”，在發(fā)生放電的地點(diǎn)出現(xiàn)一個(gè)高濃度的等離子體，濃度為1×106～1×107m-3[13]，當(dāng)電池串之間的電勢(shì)差高于閥值電壓時(shí)，在太陽(yáng)電池電路高電位和低電位之間的電流通過(guò)高濃度的等離子體通路，一般能夠維持毫秒級(jí)的時(shí)間，形成二次放電。二次放電能量由高壓太陽(yáng)電池陣自身功率維持，持續(xù)的二次放電會(huì)引起太陽(yáng)電池串的短路，造成太陽(yáng)電池陣輸出功率的下降。

隨著航天器功率的增加，為了減少輸電過(guò)程中的損耗，通常采用高電壓供電(工作在100 V以上)，同時(shí)更大面積的太陽(yáng)電池也逐漸應(yīng)用于航天器太陽(yáng)電池陣；所以高壓太陽(yáng)電池陣的ESD防護(hù)需要高度關(guān)注，在設(shè)計(jì)上要防止高壓太陽(yáng)電池組件間在高濃度等離子體環(huán)境下形成電流通路，從而導(dǎo)致太陽(yáng)電池陣失效。本文試驗(yàn)結(jié)果可提供高壓太陽(yáng)電池陣靜電防護(hù)設(shè)計(jì)的有效措施，即：考慮太陽(yáng)電池在實(shí)際貼片工藝過(guò)程中控制太陽(yáng)電池組件并聯(lián)間隙；設(shè)計(jì)過(guò)程中合理控制相鄰太陽(yáng)電池串壓差；太陽(yáng)電池組件并聯(lián)間隙間涂敷硅橡膠，提高其二次放電閾值。

表5 試驗(yàn)結(jié)果匯總Table 5 Summary of test results

3 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)LEO高壓太陽(yáng)電池電路ESD閾值開(kāi)展了試驗(yàn)研究，設(shè)計(jì)了真空容器內(nèi)模擬LEO等離子體環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)，采用無(wú)防護(hù)和涂膠防護(hù)的一次放電與二次放電試驗(yàn)件，得到了無(wú)防護(hù)一次放電的電壓閾值為110 V，涂膠防護(hù)后電壓閾值為120 V，無(wú)防護(hù)試驗(yàn)件發(fā)生二次放電的電壓閾值為150 V，涂膠防護(hù)后電壓閾值為160 V。上述結(jié)果表明：太陽(yáng)電池組件串間涂膠防護(hù)能提高其ESD的閾值，二次放電與太陽(yáng)電池串輸出電流也有直接關(guān)系。建議設(shè)計(jì)高壓太陽(yáng)電池陣時(shí)考慮ESD的影響，設(shè)計(jì)過(guò)程中合理控制相鄰太陽(yáng)電池串壓差及太陽(yáng)電池組件的電流，合理設(shè)計(jì)太陽(yáng)電池組件并聯(lián)間隙，在太陽(yáng)電池組件并聯(lián)間隙間涂敷硅橡膠等，以提高其ESD閾值。