周荔丹 閆朝鑫 姚 鋼 胡文斌 趙 敏

空間輻射環(huán)境對航天器分布式電力系統(tǒng)關鍵部件的影響及應對策略

周荔丹1閆朝鑫1姚 鋼2胡文斌3趙 敏4

（1. 上海電力大學電氣工程學院上海 200090 2. 上海交通大學電子信息與電氣工程學院 上海 200240 3. 上?？臻g電源研究所 上海 200240 4. 上海交通大學船舶海洋與建筑工程學院 上海 200240）

航天器分布式電力系統(tǒng)在運行過程中會遭受各類高能粒子的持續(xù)輻射，進而出現(xiàn)性能退化和故障激發(fā)，尤其是其集成的關鍵電力部件一旦發(fā)生故障，將嚴重影響在軌航天器的安全可靠運行?；诤教炱魃洗钶d的分布式電力系統(tǒng)，梳理其可能遭受的各種空間輻射環(huán)境及常見的輻射效應，探析系統(tǒng)中太陽電池、鋰電池、電力電子器件、絕緣材料及電能控制器件等關鍵部件在輻射環(huán)境下的性能退化與故障激發(fā)機理，并且基于此機理提出材料、工藝、電路與版圖設計、外部防護、軟件算法、可靠性評估與故障態(tài)勢感知等輻射應對策略，最后指出該領域有待開展深入研究的關鍵問題，為開拓該領域的后續(xù)研究提供參考。

空間輻射 輻射效應 分布式電力系統(tǒng) 抗輻射加固 冗余設計

0 引言

隨著人類空間探索需求的日益增加，空間太陽能電站、宇宙飛船、空間站、通信和導航衛(wèi)星等各種航天器需要長時間地在空間環(huán)境中運行。加之霍爾、離子和電弧等電力推進技術在通信衛(wèi)星和深空探測等領域的廣泛應用，航天器上電力負荷的規(guī)模與重要級別不斷上升，因而需要配置一套可靠性較高的分布式電力系統(tǒng)以保障穩(wěn)定的電能供應，其中包括：①由太陽電池、鋰電池等組成的電源分系統(tǒng)；②由金屬氧化物場效應晶體管（Metal Oxide Semicon- ductor Field Effect Transistor, MOSFET）、絕緣柵雙極晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）和直流-直流變換器（Direct Current-Direct Current converter, DC-DC）等電力電子器件、電纜與絕緣材料等組成的功率變換與電力傳輸分系統(tǒng)；③由鎖相環(huán)（Phase Locked Loop, PLL）、現(xiàn)場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array, FPGA）和數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor, DSP）等控制芯片組成的電能控制分系統(tǒng)等，典型航天器分布式電力系統(tǒng)的拓撲結構如圖1所示。

地面上分布式電力系統(tǒng)的工作條件較穩(wěn)定，目前其相關技術已較為成熟，長期連續(xù)供電的安全性與可靠性較高。然而航天器上關鍵的電力部件在空間中由于脫離了大氣層的保護，會遭受各種惡劣的輻射環(huán)境。由短時的輻射損傷引發(fā)的性能退化并不明顯，但輻射劑量的持續(xù)累積最終將導致其功能失效、故障激發(fā)和器件損毀，進而影響航天器分布式電力系統(tǒng)的安全運行，甚至造成太陽能電站癱瘓、衛(wèi)星斷電失聯(lián)等重大事故。

文獻[1]對1993～2014年國外公開的近6 000次在軌航天器故障進行分析統(tǒng)計，航天器上電氣分系統(tǒng)故障占總故障數(shù)的30.75%，居故障類型首位。因此，在設計航天器的電力系統(tǒng)時必須考慮到空間輻射環(huán)境的影響，根據(jù)輻射損傷效應和作用機理對其關鍵部件進行必要的防輻射應對，以提高航天器分布式電力系統(tǒng)在軌工作的安全性與可靠性。

圖1 航天器分布式電力系統(tǒng)的拓撲結構

本文首先分析了空間環(huán)境下的輻射種類及主要的輻射效應，總結了輻射效應對航天器分布式電力系統(tǒng)中關鍵部件的作用及影響，提出了針對輻射效應作用機理的防輻射應對策略，涵蓋材料、工藝、電路與版圖、外部防護、軟件算法設計、可靠性評估與故障態(tài)勢感知等幾個方面，可為我國航天器分布式電力系統(tǒng)的抗輻射策略設計提供一定的技術參考，最后對該領域未來的研究重點進行展望。

1 空間中的輻射環(huán)境及輻射效應

1.1 空間輻射環(huán)境

空間輻射環(huán)境根據(jù)其分布的位置不同，主要分為電磁輻射、地球輻射帶（即位于赤道上空的內(nèi)、外Van Allen輻射帶）、太陽宇宙射線和銀河宇宙射線等。對處于不同軌道運行的航天器，其遭受的輻射類型也不同，輻射環(huán)境分類見表1。

表1 空間輻射環(huán)境分類

Tab.1 Classification of radiation environment in space

航天器在不同軌道運行時，遭受的輻射強度也不同。如在地球極地軌道運行時，會遭受宇宙射線和太陽耀斑等強烈輻射[2]，任務期的輻射總劑量通常會達到10～100krad。而在低軌道（即高度為100～1 000km）遭受的輻射劑量為平均每年0.1krad，對于預定任務期為3～5年的航天器，總輻射劑量小于0.5krad[3]。

1.2 輻射效應

空間輻射環(huán)境會對電力系統(tǒng)造成不同程度的輻射損傷效應，根據(jù)其作用原理可分為以下幾種效應。

1）單粒子效應

單粒子效應（Single Event Effect, SEE）指單個的高能粒子（如高能質(zhì)子、粒子或重離子等），入射到電力器件的內(nèi)部電路，隨即在空穴（Positive, P）型半導體和電子（Negative, N）型半導體的交界面形成的空間電荷區(qū)PN結（Positive-Negative junction）上產(chǎn)生電離，而電離通道上會出現(xiàn)電荷的累積，當這些電荷聚集到電路的敏感節(jié)點時，就會導致數(shù)字電路邏輯單元狀態(tài)突變，或使模擬電路發(fā)生電壓漂移的現(xiàn)象[4]。

空間電力系統(tǒng)中常見的單粒子效應有單粒子暫態(tài)（Single Event Transient, SET）、單粒子擾動（Single Event Disturb, SED）、單粒子翻轉(zhuǎn)（Single Event Upset, SEU）、單粒子功能中斷（Single Event Functional Interrupt, SEFI）、單粒子閉鎖（Single Event Latchup, SEL）、單粒子燒毀（Single Event Burnout, SEB）以及單粒子柵擊穿（Single Event Gate Rupture, SEGR）等，按照對器件的損傷程度又分為可逆性效應和不可逆性效應，單粒子效應分類見表2。

表2 單粒子效應分類

Tab.2 Classification of single event effects

2）位移損傷效應

位移損傷效應（Displacement Damage effect, DD）指當中子等高能粒子入射到電力器件的內(nèi)部電路時，它會向靶材晶格原子的原子核方向運動，與原子核發(fā)生庫侖碰撞并伴隨有運動能量的傳遞，晶格原子在能量傳遞過程中會發(fā)生位移，從而在原位置形成晶格缺陷，又稱為費蘭克爾（Frenkel）缺陷，引起電力器件的電氣性能逐漸退化[5-6]。

3）電離總劑量效應

電離總劑量效應（Total Ionizing Dose effect, TID）指高能粒子入射到器件的內(nèi)部電路中，隨即發(fā)生電離，在柵氧化層中產(chǎn)生電子空穴對并發(fā)生擴散、漂移與復合。而由于電子與空穴的遷移率相差甚遠，從而形成大量未能與電子復合的空穴，最終在Si-SiO2交界處形成界面陷阱電荷，或者在氧化層中形成氧化物陷阱電荷，TID產(chǎn)生氧化物陷阱和界面態(tài)陷阱過程如圖2所示。而電力器件在空間中遭受輻射總劑量的增加會引起陷阱電荷的累積，進而加劇輻射對電力器件的性能損傷。

4）表面充放電效應

裸露的電力設備表面與周圍環(huán)境中等離子體、太陽輻射、高能電子和磁場相互作用會引起電荷在設備表面累積，造成不同電力部件間或者裸露的太陽電池等設備與周圍環(huán)境的電勢差逐漸增大，當積累的電勢差超過設備的放電閾值時，會發(fā)生一次和二次放電。

圖2 TID產(chǎn)生氧化物陷阱和界面態(tài)陷阱過程

一次放電的電壓和釋放的能量均不大，且一般不會產(chǎn)生電弧，因此其影響較小。但二次放電的電壓高、能量大、溫度高，且伴有電弧，會造成太陽電池陣列等電源系統(tǒng)損壞，二極管等高壓電力變換設備燒毀，供電電纜被擊穿等[7]。

另外，放電效應還可能與設備周圍的磁場相互作用，進而產(chǎn)生較強的電磁輻射，干擾分布式電力系統(tǒng)的正常運行，如造成太陽電池的帆板驅(qū)動機構不能正常工作[8]。

2 空間輻射對航天器分布式電力系統(tǒng)關鍵部件的影響

航天器分布式電力系統(tǒng)涵蓋了電能的產(chǎn)生、變換、傳輸、存儲和控制環(huán)節(jié)，既有功率流，又有信息流，其結構十分復雜。要提升系統(tǒng)的安全性與可靠性，就必須先對其關鍵部件的性能退化與故障激發(fā)機理進行分析。下面主要介紹空間輻射對太陽電池、鋰電池、電力電子器件、絕緣材料以及電能控制系統(tǒng)的作用機理及影響后果。

2.1 輻射對太陽電池的影響

太陽電池是航天器電源分系統(tǒng)的核心設備，空間中強烈而穩(wěn)定的太陽能被航天器搭載的太陽電池陣列收集，通過光生伏特效應轉(zhuǎn)換為電能，為航天器的電力推進系統(tǒng)、通信與導航系統(tǒng)、生命支持系統(tǒng)等提供必要的功率支持，同時還能為儲能電池組充電，以保障航天器處于地影期時仍有充足的電能供應。

空間輻射對太陽電池的影響從作用原理上主要分為帶電粒子輻射和表面充放電效應。

1）帶電粒子輻射

太陽電池對空間高能射線特別是電子、質(zhì)子的輻射非常敏感，它們的能量從幾eV到幾百MeV不等。這些射線會使太陽電池發(fā)生TID和DD效應，進而在電池內(nèi)部形成深能級缺陷，成為俘獲少數(shù)載流子的陷阱，降低載流子的擴散長度、收集效率和壽命，最終導致太陽電池的性能參數(shù)退化，如光電轉(zhuǎn)換效率下降，最大輸出功率與極限輸出功率之比，即填充因子（Fill Factor, FF）降低，反向飽和電流s增大，開路電壓OC、短路電流SC和最大輸出功率m衰減等[9]。

2）表面充放電效應

由于太陽電池需要吸收太陽散發(fā)出的光能，所以航天器上的太陽電池陣列通常都是直接暴露在空間環(huán)境中。而空間中廣泛存在的等離子體會與電池相互作用，導致電池發(fā)生表面充放電效應，其中二次放電會對太陽電池的性能產(chǎn)生較大影響。并且在電池的能量供應下可以持續(xù)一段時間[10]。

表面充放電效應會導致電源系統(tǒng)的輸出功率產(chǎn)生大量損耗，同時放電過程中釋放的熱量會對電池的表面材料造成熱解、熔化等物理損傷，降低電池的光電轉(zhuǎn)換效率。另外，放電電流過大時還會造成電池片和電極熔化燒斷[11]，電池內(nèi)部發(fā)生短路、元件燒毀，甚至有可能直接導致太陽電池報廢、航天器斷電等。

2.2 輻射對鋰電池的影響

當太陽能陣列位于地影期時，太陽電池也就無法收集到穩(wěn)定的太陽能，此時就需要考慮在空間電力系統(tǒng)中加入儲能電池等二次電源以儲存一定的能量，與太陽電池協(xié)同供電。

鋰離子電池由于具有能量密度高、熱效應小、高電壓平臺和無記憶效應等突出優(yōu)點，已經(jīng)成為繼鎘鎳蓄電池、鎳氫蓄電池之后的第三代空間儲能電源，極具戰(zhàn)略應用前景[12]。

然而，鋰電池在空間粒子環(huán)境下會產(chǎn)生嚴重的輻射效應，現(xiàn)有的研究主要是針對正負極等固體材料。鋰電池在輻射環(huán)境下的性能退化機理如圖3所示，以DD和TID效應為主，輻射會對電極造成晶粒尺寸和表面粗糙度增大等各種微觀缺陷，并且輻射缺陷會隨著劑量的累積而逐漸增多，導致鋰離子（Li+）在正負電極內(nèi)部的擴散阻礙增大，鋰（Li）的擴散系數(shù)降低，使電極內(nèi)阻增大，電極的放電能力變?nèi)?，正負電極間的極化增大，一方面導致電池的放電能力和倍率性能逐漸衰退；另一方面也會造成電池容量下降。

圖3 鋰電池在輻射環(huán)境下的性能退化機理

另外，由于鋰離子在正極材料的擴散能力本來就比負極材料強，而輻射又進一步放大了這種鋰離子在正負極上的擴散阻礙差異，導致電池表現(xiàn)出更加嚴重的正負極間不對稱[13-17]。

輻射環(huán)境下鋰電池的失效機理絕不只是簡單地局限于電極材料，這應該是一個多變量耦合的問題，包括外殼材料、隔膜、電解液，甚至內(nèi)部保護電路的綜合影響。文獻[18]研究發(fā)現(xiàn)，電解液也會在輻射影響下發(fā)生變色等現(xiàn)象，但是對于變色的機理以及對電化學性能的影響還未展開深入研究。

2.3 輻射對電力電子器件的影響

航天器分布式電力系統(tǒng)的功率變換與電力傳輸子系統(tǒng)用到了大量的電力電子器件，主要包括各種二極管、功率開關器件、脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation, PWM）集成控制器和DC-DC等。輻射對電力電子器件的主要作用機理包括DD、TID和SEE三種輻射效應，下面介紹幾種常用的電力電子器件受輻射影響的作用機理與后果。

1）雙極型晶體管

雙極型晶體管（Bipolar Junction Transistor, BJT）是電流控制型器件，具有良好的電流驅(qū)動能力、噪聲特性、線性度和匹配特性等，常用作小功率器件驅(qū)動與大功率MOSFET的前級驅(qū)動。

BJT在輻射環(huán)境下的性能退化與故障激發(fā)機理如圖4所示，首先，BJT易受中子輻射的影響產(chǎn)生DD效應，引起多數(shù)載流子的遷移率減少，且濃度開始衰減，進而使BJT內(nèi)部電路的PN結正向動態(tài)電阻z增加，導致電阻率上升，并且內(nèi)部PN結會將一部分中子反射，導致PN結表面損傷，表現(xiàn)為PN結漏電流的增大。另外，BJT在TID效應的作用下會在內(nèi)部電路中產(chǎn)生瞬時光電流，這種突發(fā)的電流會導致BJT的導通狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，造成電流驅(qū)動功能紊亂，若該光電流過大，還可能導致BJT燒毀等永久性損傷。

圖4 BJT在輻射環(huán)境下的性能退化與故障激發(fā)機理

輻射對BJT造成的影響在性能參數(shù)上的外在表征主要是電流增益FE降低、結漏電流增大、飽和壓降CES增大以及擊穿電壓增大等[19]。

2）結形場效應晶體管

結形場效應晶體管（Junction Field Effect Transistor，JFET）是電壓控制型器件，其開關速度快、噪聲系數(shù)低，廣泛應用于電壓反饋放大器等線性集成電路，其放大系數(shù)與跨導m呈正相關。

JFET是多數(shù)載流子器件，高能粒子輻射對它的作用機理主要是DD和TID效應。DD效應對JFET的性能影響主要表現(xiàn)在JFET的m減小、漏極電流增大及夾斷電壓p減小等，其中，p的敏感度較低；而TID的參數(shù)影響則主要集中在JFET的柵極與漏極之間的泄漏電流。

3）MOSFET

MOSFET在高壓工況下仍能保持良好的開關特性，成為了航天器上常用的二次電源功率開關器件。從損傷效應來說，MOSFET器件對TID和SEE效應較為敏感。

TID在MOSFET內(nèi)部電路中會形成氧化層陷阱電荷或Si/SiO2界面態(tài)電荷，它們對MOSFET的性能影響也不盡相同。總的來說，TID對于MOSFET的性能影響有閾值電壓T漂移、m減小、關斷電流增大、遷移率退化、泄漏電流增加、導通電阻增大、柵極電荷水平升高、擊穿電壓降低及閃爍噪聲（1/噪聲）增大等[20-21]。

MOSFET在重離子的作用下會發(fā)生SEB和SEGR。發(fā)生SEB時，其漏極和源極電流出現(xiàn)脈沖式的增大并伴隨很大的發(fā)熱量，最終導致MOSFET燒毀。發(fā)生SEGR時，重離子入射使得柵介質(zhì)SiO2的電場強度突增，超過其臨界擊穿場強時，擊穿會導致MOSFET永久性失效[22]。

4）IGBT

IGBT作為主流的電力電子器件，在10～100kHz的中壓、中電流功率器件中占有十分重要的地位。它內(nèi)部是一種MOS-BJT復合結構，易受到TID和SEE效應的影響。

IGBT在TID的作用下會出現(xiàn)其內(nèi)部的MOS結構對于BJT結構的控制能力退化，柵極持續(xù)工作可靠性降低等。外部參數(shù)變化有T漂移、m減小和正向電流特性變差等[23]。

SEE對IGBT的影響：單粒子入射容易引發(fā)其內(nèi)部的PN-PN結構發(fā)生SEL，柵氧化層電場強度的突增會導致SEGR；IGBT在高壓下對SEB具有更高的靈敏度，會發(fā)生貫通陰極和陽極的器件燒毀[24]。

5）PWM集成控制器

由于內(nèi)部集成了許多邏輯器件，因此容易受到SEE的影響，導致脈沖漏失、控制閉鎖、橋臂直通和PWM控制器損壞等致命性后果，進而影響電力系統(tǒng)中整流、逆變、軟開關、多電平電路、鋰電池并網(wǎng)和電機驅(qū)動等電路的正常工作。

6）DC-DC變換器

作為功率變換分系統(tǒng)的關鍵組成部分，由功率開關管S（IGBT，MOSFET等）、二極管VD、電感和電容等基本元器件構成，開關管的驅(qū)動信號由PWM發(fā)出，雙向DC-DC變換器如圖5所示。

圖5 雙向DC-DC變換器

IGBT等子器件在輻射條件下的參數(shù)退化將引起DC-DC變換器的性能受損，導致其轉(zhuǎn)換效率降低、輸出電壓特性漂移或退化、輸出紋波電壓增大及輸出噪聲增大等。另外，若PWM控制器受SEE的影響發(fā)出的脈沖驅(qū)動信號出錯也將導致DC-DC變換器的輸出不穩(wěn)定甚至突發(fā)性故障[25]。

2.4 輻射對絕緣材料的影響

隨著我國探測衛(wèi)星等航天器對長壽命、高性能和大功率的需求日益增加，星用電纜和一些設備內(nèi)部絕緣介質(zhì)的工作電壓最高可達上千伏，在高能粒子輻射與高工作電壓的環(huán)境下，電纜等絕緣材料將會產(chǎn)生嚴重的內(nèi)帶電現(xiàn)象，空間絕緣材料的擊穿與故障事件數(shù)量呈上升趨勢，嚴重影響電能的穩(wěn)定傳輸。

絕緣材料在輻射環(huán)境下的性能退化與故障激發(fā)機理如圖6所示。一方面，高能粒子會穿過電纜蒙皮及高壓設備的殼體，通過TID和DD效應，在絕緣介質(zhì)的內(nèi)部形成電荷累積；另一方面，上千伏高壓工作環(huán)境下的導體也會將部分電荷注入絕緣介質(zhì)的內(nèi)部，再次形成電荷累積。高能粒子和高工作電壓共同作用帶來內(nèi)部的空間電荷累積將使電介質(zhì)周圍電場發(fā)生畸變，打破材料內(nèi)部的能量平衡狀態(tài)，而能量失衡將加速材料的開裂、絕緣性能下降等老化過程，最終導致絕緣材料局部放電或者擊穿，甚至出現(xiàn)放電脈沖直接耦合進入關鍵電路、引起高壓短路、供電中斷等重大事故[10, 26-27]。

圖6 絕緣材料在輻射環(huán)境下的性能退化與故障激發(fā)機理

電纜等絕緣材料在輻射環(huán)境下發(fā)生內(nèi)帶電效應的嚴重程度，不僅與輻射強度和總輻射時間相關，還受到絕緣介質(zhì)材料特性和工作環(huán)境等因素的影響。實驗表明，電纜的工作電壓越高，其放電電流的幅值越大[28]。

2.5 輻射對電能控制系統(tǒng)的影響

電能控制系統(tǒng)是航天器分布式電力系統(tǒng)的大腦，負責協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)中的電能資源，保障供用電的平衡、改善電能質(zhì)量等。受高能帶電粒子輻射的影響，電能控制系統(tǒng)中的鎖存器、存儲器、運算放大器、PLL、FPGA和DSP等控制器件對SEE十分敏感，導致系統(tǒng)對不同負荷間電能的分配、調(diào)度等控制紊亂或失效，甚至出現(xiàn)重要負荷斷電等嚴重 后果。

2.5.1 輻射對PLL的影響

PLL是一種同步頻率與相位的混合信號電路，具有時鐘生成與同步、頻率合成、時鐘數(shù)據(jù)恢復和獲取相位信息等功能，由于其結構簡單、穩(wěn)定性高，被廣泛應用于FPGA、DSP等各種控制芯片中。但輻射環(huán)境下的PLL對SET十分敏感，容易發(fā)生鎖相環(huán)失鎖，進而造成輸出相位或者頻率出現(xiàn)偏差，甚至導致終值振蕩、系統(tǒng)時鐘樹紊亂等后果。

2.5.2 輻射對FPGA的影響

FPGA電路的集成度高、邏輯規(guī)模大，具有靈活的可重復編程特性、快速產(chǎn)品化特性和強大的并發(fā)處理能力，目前已經(jīng)被廣泛應用于地面與航天的電能控制系統(tǒng)中[29]。

空間電力系統(tǒng)中用到的FPGA的輻射效應以SEE為主，特別是基于靜態(tài)隨機存取存儲器（Static Random-Access Memory, SRAM）的FPGA。以下介紹各種不同的SEE對FPGA造成的影響，F(xiàn)PGA中的單粒子效應見表3[30]。

表3 FPGA中的單粒子效應

Tab.3 Single event effect in FPGA

2.5.3 輻射對DSP的影響

DSP常用于生成功率器件的PWM驅(qū)動信號等，它強大的數(shù)字信號處理功能要借助于其內(nèi)部集成的存儲器、寄存器、地址程序譯碼單元和乘加單元等共同完成。因此如果其中任何一個部件在輻射環(huán)境下發(fā)生失效都可能導致整個DSP功能的紊亂，對DSP影響較大的輻射效應見表4[31]。

表4 DSP中的輻射效應

Tab.4 Radiation effect in DSP

3 輻射應對策略

3.1 太陽電池的抗輻射加固

為了使發(fā)電量能夠滿足航天器上的負荷需求，太陽電池必須在整個任務期間保持正常運轉(zhuǎn)。即使短時間的供電中斷，也可能導致整個航天器發(fā)生重大事故。并且空間電源系統(tǒng)不僅有抗輻射性能的要求，而且還希望太陽電池同時具有質(zhì)量輕、效率高、功率大以及能在空間環(huán)境中運行數(shù)年甚至數(shù)十年的優(yōu)點。根據(jù)2.1節(jié)中關于輻射對太陽電池的作用機理分析，其抗輻射加固主要從以下兩方面考慮。

3.1.1 帶電粒子輻射加固

1）結構優(yōu)化——減薄單體太陽電池的厚度

適當?shù)販p薄子電池厚度，從而降低光生載流子在到達空間電荷區(qū)前的復合率，以提高光生載流子的收集效率，可減緩輻射對光電轉(zhuǎn)換效率的影響。但是過度地減薄其厚度又會導致光載流子的部分流失，因而使用該方法有一定的限制條件。

2）玻璃蓋片

在太陽電池質(zhì)量允許的情況下，在其外表面加裝一定厚度的玻璃蓋片，可以在一定程度上降低帶電粒子對太陽電池的損害。

盡管加裝玻璃蓋片可以阻止部分低能粒子入射到電池內(nèi)部，但是卻無法屏蔽具有極強穿透力的高能（能量級為MeV）粒子[32]。并且玻璃蓋片的光譜透過率會由于輻射粒子在其表面的累積出現(xiàn)明顯的下降，進而影響電池的光電轉(zhuǎn)換效率[33]。另外，一味地增加防護蓋片的厚度還會限制光伏電池的比功率（功率與質(zhì)量比），增加太陽電池陣列的整體質(zhì)量，難以滿足航天器輕量化的要求。

3）新型電池

目前，III-V族的GaInP/GaAs/Ge多結太陽電池由于其光電轉(zhuǎn)換效率高、耐輻射能力強、溫度效應好、光譜透過率高和質(zhì)量輕等優(yōu)點，正逐步替代傳統(tǒng)的單晶硅、多晶硅太陽電池，成為各種航天器太陽能陣列的首選電池[34]。

然而，市場上典型的GaInP/GaAs/Ge三結空間電池的厚度大于200mm，且在實際使用中，一般要加裝額外的輻射屏蔽（如玻璃蓋片），這將會限制光伏電池的比功率和體積。若對于空間太陽電池陣列的輕量化有較高要求，可以考慮采用如圖7所示的納米線（Nano Wire, NW）GaAs太陽電池。

圖7 NW GaAs太陽電池的內(nèi)部結構

它由幾百萬個單一的、垂直的和高縱橫比的半導體納米結構并聯(lián)組成，使用時無需加裝玻璃蓋片，其比功率和耐輻射特性都要強于普通的GaAs太陽電池，特別是其開路電壓OC在質(zhì)子入射引發(fā)DD效應下的恢復能力有所增強[35-36]。此外，還出現(xiàn)了晶格匹配電池、鈣鈦礦電池、多量子阱或量子點電池、反向生長電池及它們的混合電池等新型太陽電池，它們具備較高的轉(zhuǎn)換效率與抗輻射性能，但是受限于技術成熟度，并未大規(guī)模應用[37]。

3.1.2 表面充放電效應防護

防止太陽電池陣列表面充放電效應的發(fā)生，就要盡可能降低太陽電池陣列表面的電勢差。目前，針對等離子體環(huán)境引起太陽電池充放電效應的防護方法大致分為被動防護與主動防護兩種。

1）被動防護

（1）表面材料。對于暴露在等離子體環(huán)境中的玻璃蓋片、太陽電池、金屬互連片以及基底材料表面，可采用具有較高二次電子發(fā)射系數(shù)的材料，有效地降低其表面充電電位，降低二次放電風險。

（2）設計與工藝。從提高放電閾值角度考慮，可在相鄰電池串的間隙均勻地涂覆室溫硫化（Room Temperature Vulcanized, RTV）硅橡膠；優(yōu)化太陽電池陣列電路布片設計（如采用“S”型的布片方式）；在保證功率需求的前提下，降低其工作電壓、增大電池串間隙、減小電池串電流等。

文獻[38]在100.3V高壓母線太陽電池組件的并聯(lián)間隙涂敷RTV硅橡膠，實驗表明，其二次放電閾值能夠達到200V以上。但如果RTV硅橡膠涂覆的均勻度不足，將會使防護效果大幅減弱。

（3）屏蔽。將航天器外表面設計成法拉第籠，為航天器上的太陽電池、線纜等電力器件提供物理與電氣上的電磁干擾屏蔽。

（4）過濾。加裝電磁濾波防護，防止由太陽電池二次放電脈沖誘導電路翻轉(zhuǎn)，引起電力系統(tǒng)故障[39]。

（5）玻璃蓋片。玻璃蓋片不僅可以屏蔽低能粒子，還能防止等離子體直接接觸太陽電池，抑制空間電荷在其表面的累積[39]。

以上五種都是被動防護手段，并未從源頭上解決電荷積累引發(fā)的電勢差上升問題，當電池與周圍環(huán)境的電勢差超過放電閾值時，仍會產(chǎn)生二次放電。

2）主動防護

（1）電子槍。該方法通過安裝等離子體發(fā)生器，向外發(fā)射高密度等離子體云，進而建立電池與周圍環(huán)境的電氣連接通路，及時泄放掉電池表面累積的空間電荷，盡可能實現(xiàn)太陽電池與周圍等離子體環(huán)境的電勢差基本保持平衡，也就不會發(fā)生二次放電。此方法通過控制電勢差抑制電池表面的電荷積累，已成功應用于國際空間站。

（2）導電膜。在玻璃蓋片最外層蒸鍍一層銦錫氧化物（Indium Tin Oxide, ITO）透明導電膜，并將每片蓋片上的導電膜進行電氣連接，再將導電膜網(wǎng)絡經(jīng)引出線與衛(wèi)星“結構地”相接，玻璃蓋片蒸鍍ITO膜如圖8所示。該方法在玻璃蓋片外表面形成了一個電荷的導通網(wǎng)，可及時地將累積到蓋片表面的電荷通過導通網(wǎng)泄放，進而減小太陽電池表面的電勢差，使其接近于等電位。

此方法已成功應用于我國“地球探測雙星計劃”，然而，ITO導電膜本身會降低玻璃蓋片對陽光的透

圖8 玻璃蓋片蒸鍍ITO膜

射率，影響太陽電池的光電轉(zhuǎn)換效率。文獻[40]采用電子束蒸發(fā)法制備了一種網(wǎng)格狀的ITO導電膜，表現(xiàn)出較高的陽光透射率與良好的電位控制性能。

3.2 電力電子器件的抗輻射加固

3.2.1 材料選擇

在器件材料方面，除了傳統(tǒng)的硅（Si）材料，已經(jīng)相繼開發(fā)出在藍寶石絕緣襯底材料上外延生長一層硅材料（Silicon On Sapphire, SOS）、絕緣體上硅（Silicon On Insulator, SOI）材料、GaAs材料、SiC材料、GaN材料、SiGe材料、金剛石及鐵電材料等[41]，常用電力電子器件材料的抗輻射性能與應用見表5。

表5 常用電力電子器件材料的抗輻射性能與應用

Tab.5 Radiation resistance and application of common power electronic device materials

（續(xù)）

3.2.2 器件與工藝加固

針對不同的電力電子器件，目前主要有以下器件與工藝級的加固措施。

（1）BJT?；鶚O：對較敏感的基極表面增加摻雜；減薄基區(qū)表面氧化層；對高摻雜基區(qū)使用保護環(huán)。發(fā)射極：盡量減小其周長；在其氧化層上放置金屬層；設計時保證其周長與面積比最??；其制作材料用多晶硅等[41]。

（2）JFET。針對DD效應，提高溝道摻雜濃度。針對TID效應，在管子周圍增加隔離用的保護環(huán)來減少管子之間的漏電流等。

（3）MOSFET。增加鳥嘴和場氧區(qū)下的摻雜濃度；在絕緣層內(nèi)摻磷；在SiO2中摻鉻；采用Si-SiO2-金屬-SiN-SiO2結構；對P阱使用重摻雜保護環(huán)；減小鳥嘴區(qū)斜率；減薄柵氧化層厚度等[41]。

（4）IGBT。適度減薄柵氧化層厚度；陽極側增加N緩沖層或加大漂移區(qū)摻雜；在柵氧化層注氟等[23]。

3.2.3 電路設計加固

在設計電力電子器件的內(nèi)部電路時，有以下措施：在滿足工作需要的條件下，盡量選用高頻晶體管和小功率晶體管，使用二極管代替三極管，用薄膜電阻代替擴散電阻[5]，降低晶體管的工作電壓或加大負載側電阻。

3.3 絕緣材料的抗輻射加固

未來航天器分布式電力系統(tǒng)中的大功率傳輸電纜需要在1kV甚至10kV以上的高壓環(huán)境下工作，因此必須提高絕緣介質(zhì)在高壓工作條件下的抗輻射性能，抑制空間電荷在絕緣介質(zhì)內(nèi)部的積累，延緩材料老化，提高工作壽命。目前主要的應對思路有三種：

（1）提高絕緣介質(zhì)的電導率。以加快內(nèi)部沉積電荷的泄放速度，但電導率過高會導致功率損耗過大和發(fā)熱量上升，因此這種方法的應用受到很大的限制。

（2）非線性電導改性。即對絕緣介質(zhì)通過加入無機納米氧化物等途徑進行非線性電導改性，它是指當材料承受超過其閾值電場時體積電導率發(fā)生非線性化上升的一種現(xiàn)象[42]。這種特性使絕緣介質(zhì)既能在電荷累積到危險閾值時以暫態(tài)高電導的形式將危險電荷泄放掉，又同時具備了正常工況下較強的絕緣性能。但是該方法可能會導致高壓傳輸電纜正常工作時產(chǎn)生較大的功率損耗，因此需要進一步改進[43]。

（3）磁鞘防護法。原理是利用超導材料制作一組環(huán)形磁鞘，放置在絕緣材料的周圍，給磁鞘通電后其內(nèi)部的電流會在絕緣材料周圍產(chǎn)生較強的磁場。入射的高能電子在磁場中會受到洛倫茲力的作用發(fā)生運動方向偏轉(zhuǎn)，而無法進入絕緣介質(zhì)的內(nèi)部。但是部分能量很高的電子在洛倫茲力作用下的偏轉(zhuǎn)角度很小，最終仍然會進入絕緣介質(zhì)的內(nèi)部，產(chǎn)生內(nèi)帶電效應[44]。

3.4 電能控制系統(tǒng)的輻射應對策略

由于FPGA和DSP都是以單粒子效應而導致的性能退化為主，所以關于電能控制系統(tǒng)的輻射應對策略，主要介紹FPGA和DSP等控制芯片針對單粒子效應的應對機制，其他輻射效應可以參考上述其他電力器件的加固方法。

3.4.1 底層硬件加固

對電能控制系統(tǒng)進行底層硬件的抗輻射加固除了之前提到的各種子器件的抗輻射加固措施，還可以考慮元器件選擇、小電阻限流、整體屏蔽、優(yōu)化電路和版圖設計等方法。

（1）元器件選擇。為減小SEU發(fā)生的概率，在滿足性能要求的前提下，可以選用基于反熔絲的FPGA。

（2）小電阻限流。在電源入口處串聯(lián)一個小電阻，進而可以限制需要較大維持電流的SEL等輻射效應，但是該方法串接的小電阻會間接增加系統(tǒng)的運行功耗。

（3）采用鋁、鉛、鉭等材料對封裝后的控制芯片進行整體屏蔽。

（4）優(yōu)化電路和版圖設計。在芯片設計時采用隔離槽、摻雜阱，同時加入去耦、隔離和補償?shù)入娐罚蕴嵘酒目馆椛淠芰Α?/p>

3.4.2 刷新算法

1）適時刷新程序緩存（Cache）

FPGA、DSP等控制芯片會將執(zhí)行過的指令代碼暫時存儲在Cache中，以在相同指令的頻繁存取時加快運行速度。但是，一旦Cache中發(fā)生了SEU等輻射效應，此時系統(tǒng)調(diào)用Cache中錯誤的指令將導致程序出錯或崩潰，而且由于繞過了程序區(qū)的檢驗，這種錯誤難以被及時發(fā)現(xiàn)。

因此可以設計刷新Cache的算法，使控制系統(tǒng)適時地清空可能包含錯誤代碼的Cache，再將正確的指令代碼重新緩存到Cache中，這樣就可以降低系統(tǒng)調(diào)用Cache中錯誤代碼的風險。但是頻繁地刷新Cache會加重控制系統(tǒng)的運行負擔，所以設計刷新算法時需要合理地配置刷新間隔。

2）適時刷新控制寄存器

同理，控制寄存器中存儲著系統(tǒng)控制標志位和內(nèi)存地址等重要數(shù)據(jù)，可能會受到空間輻射的影響而出錯，因此也可以設計刷新算法對控制系統(tǒng)中的直接數(shù)據(jù)訪問（Enhanced Direct Memory Access, EDMA）、通用輸入/輸出端口（General Purpose In/Out, GPIO）、多通道緩沖串行口（Multichannel Buffered Serial Port, McBSP）、并行通信接口（Host Port Interface, HPI）以及中斷的控制寄存器進行適時刷新，以保證控制系統(tǒng)與其他部件的通信狀態(tài)保持正常[31]。

3.4.3 冗余設計

1）空間冗余

常用的是三模冗余（Triple Module Redundancy, TMR）設計，電路中某一部分發(fā)生SEE時會出現(xiàn)功能紊亂，但其冗余部分仍可保持正常運行。TMR就是將原電路進行3倍復制，然后把原輸入接到這三個并聯(lián)的冗余電路中，這些電路的三組輸出送入一個多數(shù)投票表決器后就可以輸出正確的信號，三模冗余原理示意圖如圖9所示。

只要不出現(xiàn)兩個電路同時出錯的情況，電路的輸出就不會受影響[45]，并且還可以根據(jù)投票結果對錯誤的電路進行反饋糾錯。

但這種方法的缺點是硬件消耗大、額外功耗高、影響運行速度等。考慮到實際成本和運行功耗，可以選取一些包含系統(tǒng)中長時間存在關鍵變量（如主程序的大循環(huán)控制變量）的重要電路進行TMR設計。根據(jù)實際使用需求，還可選擇復數(shù)表決方法、中值表決方法和平均值表決方法等。

圖9 三模冗余原理示意圖

此外，針對系統(tǒng)級冗余還有雙機備份系統(tǒng)，即對控制系統(tǒng)中的關鍵電路或器件設計應急備份，又分為冷備份與熱備份。冷備份方式固有的切換間隔與啟動時間導致其實時性不高，而熱備份又會加大系統(tǒng)的功耗。

2）時間冗余

三模空間冗余無法解決時序電路中在時鐘沿附近發(fā)生SET跳變的問題，這就需要引入時間冗余設計來彌補這個缺陷。

時間冗余的原理是將時鐘生成模塊（Clock Generation Unit, CGU）輸出的三路時鐘之間設計一個時間延遲，從而將三路時鐘錯開，通過避免時鐘跳變邊沿附近的毛刺影響，來提高時序電路的抗輻射性能。設定的延遲時間值越大，可糾錯的毛刺寬度就越大，電路的抗輻射性能就越強。該方法常與TMR結合起來使用，缺點是系統(tǒng)延遲將有所增大[46]。

3）軟件與信息冗余

軟件與信息冗余[47-50]是指用附加的軟件與信息來實現(xiàn)故障檢測及容錯糾錯。典型的例子有看門狗等故障診斷程序、恢復塊技術、N版本程序設計（N-Version Programming, NVP）、檢查點技術、軟件實現(xiàn)的比較器、表決器、奇偶校驗等結果檢驗碼和錯誤檢測與糾正（Error Detection And Correction, EDAC）電路等。美國空軍在“空間試驗計劃-休斯頓5號”（Space Test Program-Houston 5, STP-H5）航天電子器件的抗輻射加固實驗中就采用了EDAC電路，其實驗樣機如圖10所示。

通過上述冗余技術可實現(xiàn)故障工況下的故障檢測、故障定位、容錯運行和自主糾錯，但系統(tǒng)的運行時延會有所增加，正常工況下的運算效率也會有所降低。

3.2.4 預輻射處理

預輻射處理技術是在器件加工完成后，將電力電子器件置于約300℃的高溫下，進行預退火1～4h左右。再將已退火的器件置于輻射環(huán)境中進行預輻射，然后將輻射后的器件進行再退火，可在一定程度上提升器件的抗輻射性能。但并不是所有的器件都能在預輻射處理后有抗輻射性能的提升，甚至有可能造成器件損傷。

圖10 STP-H5電子器件抗輻射加固實驗樣機

3.5 可靠性評估與故障態(tài)勢感知體系

由第2節(jié)可知，輻射效應對電力器件的影響又可分為微觀機理和宏觀表現(xiàn)。微觀機理是指輻射在材料內(nèi)部產(chǎn)生的缺陷、能級變化等；而宏觀表現(xiàn)則是器件的閾值電壓、跨導和噪聲等外部參量變化[51-54]。

通過分析器件的外部參量變化與內(nèi)部輻射損傷之間的對應關系，借助一些易于測量的器件外部參量，實現(xiàn)對材料內(nèi)部缺陷種類、濃度和分布等損傷的靈敏表征，建立器件的輻射損傷模型，為電力器件的可靠性評估與故障態(tài)勢感知提供依據(jù)。由于輻射引入微觀缺陷的時間尺度在ps級，空間尺度為nm級，直接實驗觀測的難度極大，目前一般采用分子動力學方法進行數(shù)學建模和計算機模擬。

文獻[53]推導出MOSFET的閾值電壓漂移量DT與氧化層陷阱和界面陷阱的增量之間的數(shù)學關系。文獻[54]推導出太陽電池的宏觀電學性能OC和m關于少子壽命的表達式，進一步計算得到OC、SC和m出現(xiàn)明顯退化的臨界缺陷濃度。文獻[55]發(fā)現(xiàn)1/噪聲的幅值增量D分別與電離損傷引起的界面陷阱密度、位移損傷引起的體陷阱電荷密度存在線性定量關系，并以此建立輻射損傷評價 模型。

現(xiàn)有的輻射損傷模型建立過程都用到了一些假設條件，驗證數(shù)據(jù)來源大都是在實驗室模擬條件下進行的小劑量單一實驗，難以確保模型在空間大劑量多類輻射耦合環(huán)境下的正確性，且未考慮到運行工況切換引起的正常參量變化。未來需要通過精確建模和大量實驗，不斷提高損傷模型的準確度。

綜上所述，從材料內(nèi)部的微觀輻射損傷到器件外部的宏觀性能退化存在直接或間接的關聯(lián)性，可通過外在的宏觀參數(shù)辨識，實現(xiàn)對輻照下電力器件微觀缺陷的診斷[56-57]。具體可采用小波分析[58]、神經(jīng)網(wǎng)絡、機器學習等人工智能方法[59-60]，以輻射損傷模型為橋梁，構建理論研究與工程實際緊密結合的可靠性評估與故障態(tài)勢感知體系，如圖11所示，且可利用工程實際中的真實環(huán)境對理論研究所建立的模型進行驗證與修正。

圖11 可靠性評估與故障態(tài)勢感知體系

基本原理是：首先通過高可靠性傳感器實時采集電力器件的外部宏觀參量，再利用小波包變換提取該信號中的特征向量，借助經(jīng)大量工況樣本訓練后的神經(jīng)網(wǎng)絡判別器件的運行工況，以避免不同工況下的正常參量變化造成的損傷誤診或漏診；然后將同種工況下的參量變化輸入對應的輻射損傷模型，進而得到可以表征器件內(nèi)部輻射損傷的微觀信號；最后通過處理時間短的機器學習對材料內(nèi)部的微觀損傷做出快速診斷，為可靠性評估、故障態(tài)勢感知、健康管理[61]和壽命預測等提供依據(jù)。

4 結論

航天器分布式電力系統(tǒng)在空間輻射環(huán)境下的性能退化與故障激發(fā)過程是一個多效應耦合的復雜問題，現(xiàn)有的研究大多都僅考慮了單個輻射效應的獨立作用，而缺乏對不同輻射效應相互耦合作用的分析。需要廣大科研人員探析多輻射耦合環(huán)境對航天器電力系統(tǒng)的影響，研究其關鍵部件的微觀輻射損傷與宏觀性能退化之間的內(nèi)在聯(lián)系，并以此建立輻射環(huán)境下空間電力系統(tǒng)的功能可靠性評估指標與分析流程，對器件進行實時健康管理與在線壽命預測。

另外，目前的輻射應對策略主要依賴于屏蔽高能粒子等避錯方法，仍不能有效地保證電力系統(tǒng)的安全可靠性，長期的輻射劑量終將導致各種關鍵電力部件的失效。因此必須構建一套能在輻射環(huán)境下快速有效地進行故障態(tài)勢感知、隔離、容錯運行以及網(wǎng)絡重構的應急容錯自愈體系，才能有效地保障電力系統(tǒng)在空間輻射環(huán)境下的安全穩(wěn)定運行，為我國的空間探索事業(yè)作出貢獻。

[1] 楊康. 航天器關鍵部件故障診斷研究[D]. 西安: 西安工業(yè)大學, 2018.

[2] 孫慧, 徐抒巖, 孫守紅, 等. 航天電子元器件抗輻照加固工藝[J]. 電子工藝技術, 2013, 34(1): 44-46.

Sun Hui, Xu Shuyan, Sun Shouhong, et al. Resist radiation hardening technology on aerospace elec- tronic components[J]. Electronics Process Technology, 2013, 34(1): 44-46.

[3] 羅雁橫, 張瑞君. 空間輻射環(huán)境與光器件抗輻射加固技術進展[J]. 電子與封裝, 2009, 9(8): 43-47.

Luo Yanheng, Zhang Ruijun. Space radiation environment and resist-radiation hardening tech- nology progress of optical devices[J]. Electronics and Packaging, 2009, 9(8): 43-47.

[4] 禹金標. 用于空間探測的電子元器件輻照性能研究[D]. 鄭州: 鄭州大學, 2015.

[5] 馮彥君, 華更新, 劉淑芬. 航天電子抗輻射研究綜述[J]. 宇航學報, 2007, 28(5): 1071-1080.

Feng Yanjun, Hua Gengxin, Liu Shufen. Radiation hardness for space electronics[J]. Journal of Astronautics, 2007, 28(5): 1071-1080.

[6] 賈文遠, 安軍社. COTS器件的空間輻射效應與對策分析[J]. 電子元件與材料, 2015, 34(11): 1-4.

Jia Wenyuan, An Junshe. Analyze of space radiation effect and countermeasures of COTS components[J]. Electronic Components and Materials, 2015, 34(11): 1-4.

[7] 鄭漢生, 蔡明輝, 劉小旭, 等. 星用介質(zhì)材料表面充放電效應試驗研究[J]. 宇航總體技術, 2019, 3(3): 43-47.

Zheng Hansheng, Cai Minghui, Liu Xiaoxu, et al. Experimental research on surface charging and discharging of space-used dielectrics[J]. Astronautical Systems Engineering Technology, 2019, 3(3): 43-47.

[8] 劉尚合, 胡小鋒, 原青云, 等. 航天器充放電效應與防護研究進展[J]. 高電壓技術, 2019, 45(7): 2108-2118.

Liu Shanghe, Hu Xiaofeng, Yuan Qingyun, et al. Research progress in charging-discharging effects and protection of spacecraft[J]. High Voltage Engineering, 2019, 45(7): 2108-2118.

[9] 田鵬宇. 空間輻射及溫度致砷化鎵太陽電池性能衰減分析[D]. 南京: 南京航空航天大學, 2019.

[10] 侯欣賓, 王立, 李慶民, 等. 空間太陽能電站高壓大功率電力傳輸關鍵技術綜述[J]. 電工技術學報, 2018, 33(14): 3385-3395.

Hou Xinbin, Wang Li, Li Qingmin, et al. Review of key technologies for high-voltage and high-power transmission in space solar power station[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(14): 3385-3395.

[11] 馮偉泉, 韓國經(jīng), 劉業(yè)楠, 等. 航天器供配電分系統(tǒng)電弧短路故障及其防護[J]. 航天器工程, 2013, 22(2): 65-70.

Feng Weiquan, Han Guojing, Liu Yenan, et al. Spacecraft EPDS arc short circuit failure and prevention[J]. Spacecraft Engineering, 2013, 22(2): 65-70.

[12] 安曉雨, 譚玲生. 空間飛行器用鋰離子蓄電池儲能電源的研究進展[J]. 電源技術, 2006, 30(1): 70-73.

An Xiaoyu, Tan Lingsheng. Development of lithium ion batteries as new power sources for space application[J]. Chinese Journal of Power Sources, 2006, 30(1): 70-73.

[13] 吳慧. 輻射環(huán)境下鋰電池電極材料的鋰化變形及失效機理研究[D]. 湘潭: 湘潭大學, 2019.

[14] Jones J P, Jones S C, Billings K J, et al. Radiation effects on lithium CFX batteries for future spacecraft and landers[J]. Journal of Power Sources, 2020, 471: 228464.

[15] Qiu Jie, He Dandan, Sun Mingzhai, et al. Effects of neutron and gamma radiation on lithium-ion batteries[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms, 2015, 345: 27-32.

[16] Tan Chuting, Bashian N H, Hemmelgarn C W, et al. Ex-situ and in-situ observations of the effects of gamma radiation on lithium ion battery per- formance[J]. Journal of Power Sources, 2017, 357: 19-25.

[17] 孫丙香, 劉佳, 韓智強, 等. 不同區(qū)間衰退路徑下鋰離子電池的性能相關性及溫度適用性分析[J]. 電工技術學報, 2020, 35(9): 2063-2073.

Sun Bingxiang, Liu Jia, Han Zhiqiang, et al. Performance correlation and temperature applicability of li-ion batteries under different range degradation paths[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(9): 2063-2073.

[18] Tan Chuting, Lyons D J, Pan Ke, et al. Radiation effects on the electrode and electrolyte of a lithium-ion battery[J]. Journal of Power Sources, 2016, 318: 242-250.

[19] 李致遠. 半導體器件輻射效應及抗輻射加固[J]. 現(xiàn)代電子技術, 2006, 19: 138-141.

Li Zhiyuan. Radiation effect and reinforce of radiation resistance for semiconductor device[J]. Modern Electronics Technique, 2006, 19: 138-141.

[20] 樓建設, 蔡楠, 王佳, 等. 典型VDMOSFET單粒子效應及電離總劑量效應研究[J]. 核技術, 2012, 35(6): 428-433.

Lou Jianshe, Cai Nan, Wang Jia, et al. Single event effects and total ionizing dose effects of typical VDMOSFET devices[J]. Nuclear Technology, 2012, 35(6): 428-433.

[21] Shenai K, Galloway K F, Schrimpf R D. The effects of space radiation exposure on power MOSFETs: a review[J]. International Journal of High Speed Electronics and Systems, 2004, 14(2): 445-463.

[22] 于成浩. 功率MOSFET單粒子效應及輻射加固研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學, 2016.

[23] 古云飛. IGBT的輻照效應仿真分析與加固研究[D]. 成都: 電子科技大學, 2016.

[24] Zerarka M, Austin P, Toulon G, et al. Behavioral study of single-event burnout in power devices for natural radiation environment applications[J]. IEEE Transactions on Electronics Devices, 2012, 59(12): 3482-3488.

[25] 唐衛(wèi)斌. 抗輻照加固Boost型DC/DC轉(zhuǎn)換器的設計與實現(xiàn)[D]. 西安: 西安電子科技大學, 2011.

[26] 李宗輝, 陳林艷, 陳藝偉. 10kV交聯(lián)聚乙烯電纜絕緣老化超低頻介損試驗的研究[J]. 電氣技術, 2020, 21(10): 83-87.

Li Zonghui, Chen Linyan, Chen Yiwei. Study on ultra-low frequency dielectric loss detection of 10kV cross-linked polyethylene aged cable[J]. Electrical Engineering, 2020, 21(10): 83-87.

[27] 謝慶, 張采芹, 閆紀源, 等. 不均勻直流電場下絕緣材料表面電荷積聚與消散特性[J]. 電工技術學報, 2019, 34(4): 817-830.

Xie Qing, Zhang Caiqin, Yan Jiyuan, et al. Study on accumulation and dissipation of surface charges of insulating materials under uneven DC field[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(4): 817-830.

[28] 王俊, 李得天, 楊生勝, 等. 1.5MeV電子輻照下高壓電纜內(nèi)帶電效應研究[J]. 真空與低溫, 2015, 21(5): 269-272.

Wang Jun, Li Detian, Yang Shengsheng, et al. Study of high voltage cable internal charging effect under irradiation by 1.5MeV electron beam[J]. Vacuum and Cryogenics, 2015, 21(5): 269-272.

[29] 郝寧, 羅家俊, 劉海南, 等. SOI工藝抗輻照SRAM型FPGA設計與實現(xiàn)[J]. 宇航學報, 2018, 39(9): 1047-1053.

Hao Ning, Luo Jiajun, Liu Hainan, et al. A radiation hardened SRAM-based FPGA implemented in SOI process[J]. Journal of Astronautics, 2018, 39(9): 1047-1053.

[30] 邢克飛, 楊俊, 季金明. 空間輻射效應對SRAM型FPGA的影響[J]. 微電子學與計算機, 2006, 23(12): 107-110.

Xing Kefei, Yang Jun, Ji Jinming. Radiation effect to SRAM-based FPGA in space[J]. Microellectronics & Computer, 2006, 23(12): 107-110.

[31] 邢克飛, 張傳勝, 王京, 等. 數(shù)字信號處理器抗輻射設計技術研究[J]. 應用基礎與工程科學學報, 2006, 14(4): 572-578.

Xing Kefei, Zhang Chuansheng, Wang Jing, et al. Study on the anti-radiation technique for digital signal processor[J]. Journal of Basic Science and Engineering, 2006, 14(4): 572-578.

[32] 高劍鋒, 張恒. 空間太陽電池抗輻照研究[J]. 電源技術, 2017, 41(7): 1100-1103.

Gao Jianfeng, Zhang Heng. Anti-irradiation research of space solar cells[J]. Chinese Journal of Power Sources, 2017, 41(7): 1100-1103.

[33] 孫承月. 太陽能電池板玻璃蓋片的空間帶電粒子環(huán)境損傷效應研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學, 2007.

[34] Espinet-Gonzalez P, Barrigón E, Chen Yang, et al. Nanowire solar cells: a new radiation hard PV technology for space applications[J]. IEEE Journal of Photovoltaics, 2020, 10(2): 502-507.

[35] Espinet-Gonzalez P, Barrigón E, Otnes G, et al. Radiation tolerant nanowire array solar cells[J]. ACS Nano, 2019, 13(11): 12860-12869.

[36] Hubbard S, Bailey C, Polly S, et al. Nanostructured photovoltaics for space power[J]. Journal of Nanophotonics, 2009, 3(1): 031880.

[37] 郁濟敏, 趙志國. 國外空間多結太陽電池技術進展[J]. 電源技術, 2015, 39(6): 1340-1343.

Yu Jimin, Zhao Zhiguo. Development of space multi-junction solar cells at abroad[J]. Chinese Journal of Power Sources, 2015, 39(6): 1340-1343.

[38] 張帆, 葛圣胤, 劉智. 空間高軌高壓太陽電池陣靜電防護技術研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2018, 15(7): 55-60.

Zhang Fan, Ge Shengyin, Liu Zhi. ESD protection of GEO/MEO orbit high-voltage solar cell arrays[J]. Equipment Environmental Engineering, 2018, 15(7): 55-60.

[39] 武明志. 空間等離子體誘發(fā)太陽能電池表面充放電效應的仿真分析[D]. 南京: 南京航空航天大學, 2018.

[40] 劉浩, 劉尚合, 蘇銀濤, 等. 基于網(wǎng)格狀ITO薄膜的航天器太陽電池陣靜電放電防護[J]. 航空學報, 2015, 36(10): 3494-3500.

Liu Hao, Liu Shanghe, Su Yintao, et al. Electrostatic discharge protection of spacecraft solar cell array based on meshed ITO film[J]. Chinese Journal of Aeronautics, 2015, 36(10): 3494-3500.

[41] 趙力, 楊曉花. 輻射效應對半導體器件的影響及加固技術[J]. 電子與封裝, 2010, 10(8): 31-36.

Zhao Li, Yang Xiaohua. The radiation effects and hardened technologies of semiconductor device[J]. Electronics and Packaging, 2010, 10(8): 31-36.

[42] 烏江, 康亞麗, 張振軍, 等. 兩種典型星用聚合物介質(zhì)抗內(nèi)帶電改性防護技術研究[J]. 真空與低溫, 2012, 18(1): 26-32.

Wu Jiang, Kang Yali, Zhang Zhenjun, et al. Study on the deep dielectric charging protection technology of two typical polymers on spacecraft[J]. Vacuum and Cryogenics, 2012, 18(1): 26-32.

[43] 烏江, 白婧婧, 沈賓, 等. 航天器抗內(nèi)帶電介質(zhì)改性方法[J]. 中國空間科學技術, 2010, 30(2): 49-54.

Wu Jiang, Bai Jingjing, Shen Bin, et al. Formation mechanism of anti-deep-charged modification for space dielectric[J]. Chinese Space Science and Technology, 2010, 30(2): 49-54.

[44] 烏江, 白婧婧, 沈賓, 等. 航天器介質(zhì)內(nèi)電場形成機理與防護方法分析[J]. 導彈與航天運載技術, 2009(5): 13-17.

Wu Jiang, Bai Jingjing, Shen Bin, et al. Study on formation mechanism of inner electric field in dielectric of spacecraft and protection methods[J]. Missiles and Space Vehicles, 2009(5): 13-17.

[45] Fay D, Shye A, Bhattacharya S, et al. An adaptive fault-tolerant memory system for FPGA-based architectures in the space environment[C]//The Second NASA/ESA Conference on Adaptive Hard- ware and Systems (AHS 2007), Edinburgh, UK, 2007: 250-257.

[46] 夏輝, 唐威, 黃媛媛, 等. 基于三模冗余加固的ASIC設計與實現(xiàn)[J]. 微處理機, 2015, 36(5): 1-3, 8.

Xia Hui, Tang Wei, Huang Yuanyuan, et al. Research of radiation harden based on triple modular redundancy for ASIC[J]. Microprocessors, 2015, 36(5): 1-3, 8.

[47] 梁賀斌. 基于可信度的DSP軟件冗余容錯表決方法研究[D]. 北京: 中國科學院國家空間科學中心, 2016.

[48] 楊玉辰, 周國昌, 巨艇, 等. 三模冗余反饋糾錯技術在星載電路加固設計中的應用與實現(xiàn)[J]. 空間電子技術, 2017, 14(2): 34-37.

Yang Yuchen, Zhou Guochang, Ju Ting, et al. Design and implementation of TMR and feedback correction technology in satellite’s radiation-hardened circuits[J]. Space Electronic Technology, 2017, 14(2): 34-37.

[49] 祝名, 朱恒靜, 劉迎輝, 等. 一種檢測和校正存儲器雙錯的低冗余加固方法[J]. 宇航學報, 2014, 35(8): 924-930.

Zhu Ming, Zhu Hengjing, Liu Yinghui, et al. A low redundancy radiation hardened scheme for double error detection and correction in memories[J]. Journal of Astronautics, 2014, 35(8): 924-930.

[50] Alkady G I, Amer H H, Daoud R M, et al. An adaptive multi-factor fault-tolerance selection scheme for FPGAs in space applications[C]//The 2018 7th Mediterranean Conference on Embedded Computing (MECO), Budva, Montenegro, 2018: 1-4.

[51] 曾光, 劉許強, 楊娜, 等. 半導體材料輻射效應的表征與分析[J]. 半導體技術, 2017, 42(1): 61-68.

Zeng Guang, Liu Xuqiang, Yang Na, et al. Characterization and analysis of radiation effects of semiconductor materials[J]. Semiconductor Techno- logy, 2017, 42(1): 61-68.

[52] 韓光. 雙極晶體管總劑量輻射效應及其表征方法研究[D]. 西安: 西安電子科技大學, 2010.

[53] 孫鵬. 電子元器件輻射退化靈敏表征方法研究[D]. 西安: 西安電子科技大學, 2013.

[54] 趙鵬飛. GaAs太陽電池在空間輻射條件下性能衰減的研究[D]. 南京: 南京航空航天大學, 2017.

[55] 趙瑛. 基于噪聲的pn結材料輻射損傷評價方法研究[D]. 西安: 西安電子科技大學, 2011.

[56] 張燕, 方瑞明. 基于油中溶解氣體動態(tài)網(wǎng)絡標志物模型的變壓器缺陷預警與辨識[J]. 電工技術學報, 2020, 35(9): 2032-2041.

Zhang Yan, Fang Ruiming. Fault detection and identification of transformer based on dynamical network marker model of dissolved gas in oil[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(9): 2032-2041.

[57] 黃先進, 凌超, 孫湖, 等. 多芯并聯(lián)封裝IGBT缺陷與失效先導判據(jù)[J]. 電工技術學報, 2019, 34(增刊2): 518-527.

Huang Xianjin, Ling Chao, Sun Hu, et al. The leading criterion for defects and failures in multi-chip parallel package IGBTs[J]. Transactions of China Electro- technical Society, 2019, 34(S2): 518-527.

[58] 李兵, 崔介兵, 何怡剛, 等. 基于能量譜熵及小波神經(jīng)網(wǎng)絡的有源中性點鉗位三電平逆變器故障診斷[J]. 電工技術學報, 2020, 35(10): 2216-2225.

Li Bing, Cui Jiebing, He Yigang, et al. Fault diagnosis of active neutral point clamped three-level inverter based on energy spectrum entropy and wavelet neural network[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(10): 2216-2225.

[59] 楊挺, 趙黎媛, 王成山. 人工智能在電力系統(tǒng)及綜合能源系統(tǒng)中的應用綜述[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2019, 43(1): 2-14.

Yang Ting, Zhao Liyuan, Wang Chengshan. Review on application of artificial intelligence in power system and integrated energy system[J]. Automation of Electric Power Systems, 2019, 43(1): 2-14.

[60] 周念成, 廖建權, 王強鋼, 等. 深度學習在智能電網(wǎng)中的應用現(xiàn)狀分析與展望[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2019, 43(4): 180-191.

Zhou Niancheng, Liao Jianquan, Wang Qianggang, et al. Analysis and prospect of deep learning application in smart grid[J]. Automation of Electric Power Systems, 2019, 43(4): 180-191.

[61] 劉賓禮, 肖飛, 羅毅飛, 等. 基于集電極漏電流的IGBT健康狀態(tài)監(jiān)測方法研究[J]. 電工技術學報, 2017, 32(16): 183-193.

Liu Binli, Xiao Fei, Luo Yifei, et al. Investigation into the health condition monitoring method of IGBT based on collector leakage current[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2017, 32(16): 183- 193.

Influence of Space Radiation Environment on Critical Components of Spacecraft Distributed Power System and Countermeasures

11234

（1. College of Electric Power Engineering Shanghai University of Electric Power Shanghai 200090 China 2. School of Electronic Information and Electrical Engineering Shanghai Jiao Tong University Shanghai 200240 China 3. Shanghai Institute of Space Power-Sources Shanghai 200240 China 4. School of Naval Architecture Ocean & Civil Engineering Shanghai Jiao Tong University Shanghai 200240 China）

The distributed power system of spacecraft will suffer continuous radiation from different sorts of high-energy particles during the operation process, which will lead to performance degradation and fault excitation. In particular, once the integrated key power components break down, the safe and reliable operation of spacecraft in orbit will be seriously affected. Based on the distributed power system onboard spacecraft, this paper firstly reviewed various radiation environments and common radiation effects. The performance degradation and fault excitation mechanism of solar cells, lithium batteries, power electronic devices, insulation materials, power control devices and other key components in radiation environment are analyzed. Accordingly, the radiation countermeasures in terms of material, manufacturing process, circuit and layout design, external protection, software algorithm, reliability assessment and fault state perception are proposed. Finally, it points out the key issues to be further studied and provides reference for further research in this field.

Space radiation, radiation effect, distributed power system, radiation hardening, redundancy design

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201634

TM711

周荔丹 女，1973年生，博士，副研究員，研究方向為電能質(zhì)量分析與治理、動態(tài)無功補償與有源濾波技術、新能源并網(wǎng)接入技術。E-mail: zhoulidan@sjtu.edu.cn

姚 鋼 男，1977年生，博士，研究員，研究方向為柔性交流輸電系統(tǒng)FACTS技術、電能質(zhì)量、新能源并網(wǎng)接入技術、儲能技術。E-mail: yaogangth@sjtu.edu.cn（通信作者）

2020-12-14

2021-05-18

國家自然科學基金（52077135）和國家重點研發(fā)計劃（2018YFB2100100）資助項目。

（編輯 陳 誠）