LEO大面積柔性HVSA一次放電研究

張巖松，歐 偉，于 輝，程保義

(中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384)

LEO大面積柔性HVSA一次放電研究

張巖松，歐 偉，于 輝，程保義

(中國電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384)

在低地球軌道(LEO)中充滿著高度稠密的電離層等離子體，在此環(huán)境中，高壓太陽電池陣(HVSA)更容易發(fā)生靜電放電，引起太陽電池和電路的性能衰降。在闡述一次放電機(jī)理的基礎(chǔ)上，介紹了對(duì)采用防護(hù)措施的實(shí)驗(yàn)件進(jìn)行一次放電損傷實(shí)驗(yàn)的情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在LEO上15年壽命中發(fā)生的一次放電不會(huì)對(duì)HVSA造成損傷。

柔性高壓太陽電池陣；低地球軌道；一次放電

隨著人類空間活動(dòng)的日益頻繁，對(duì)空間飛行器太陽電池陣輸出功率的需求也越來越大。太陽電池陣功率輸出的能力已從最初的幾十瓦增加到現(xiàn)今的幾十千瓦乃至幾百千瓦。對(duì)于高功率大面積太陽電池陣來說，為了減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量、減少傳輸線路的歐姆損耗、限制供電電流與地磁場相互作用的影響以及滿足太陽翼的發(fā)射包絡(luò)要求，必須使用柔性高壓太陽電池陣技術(shù)。工作在100 V以上的太陽電池陣稱為高壓太陽電池陣(High Voltage Solar Array)[1]，比如ISS太陽電池陣(美國電源系統(tǒng))，其輸出電壓超過160 V，母線電壓為120 V[2]。

高壓太陽電池陣在LEO等離子體環(huán)境中工作時(shí)會(huì)發(fā)生靜電放電，靜電放電又分為一次放電(Primary Discharge)和二次電弧(Secondary Arc)[3]。一般情況下，一次放電能量較低，不會(huì)對(duì)太陽電池陣產(chǎn)生嚴(yán)重危害，但對(duì)于HVSA來說，由于面積足夠大，參與一次放電的能量足夠高，一次放電會(huì)對(duì)太陽電池產(chǎn)生累積效應(yīng)，在電池邊緣發(fā)生的一定次數(shù)的一次放電會(huì)毀壞P-N結(jié)，造成電池短路，從而降低太陽電池的效率，嚴(yán)重時(shí)會(huì)影響整個(gè)一次電源系統(tǒng)的功率輸出。為此，研究LEO大面積柔性HVSA一次放電效應(yīng)，對(duì)提高LEO軌道高功率、長壽命航天器的可靠性、安全性設(shè)計(jì)具有非常重要的意義。

1 LEO等離子體環(huán)境

當(dāng)空間飛行器工作在300～500 km高度的低地球軌道上，該高度區(qū)空間等離子體主要是電離層等離子體。電離層是地球大氣的一個(gè)重要的層區(qū)，是低軌道空間環(huán)境的一個(gè)重要組成部分。它是由太陽光能電磁輻射，宇宙線和沉降粒子作用于高層大氣，使之電離而成的自由電子、離子和中性粒子構(gòu)成的能量很低的準(zhǔn)中性等離子體區(qū)域。在200～400 km軌道高度之間電子和離子密度有一個(gè)峰值。低地球軌道的等離子環(huán)境其帶電粒子密度要比地球靜止軌道高4～6個(gè)數(shù)量級(jí)，通常稱該電離層為稠密的等離子體(圖1)。

圖1 空間等離子體分布特性[3]

2 一次放電機(jī)理

自上世紀(jì)80年代中后期開始，美、日、法等國先后開展了LEO中HVSA靜電放電的理論研究。目前在國際上得到廣泛認(rèn)可的理論是1991年趙孟佑和Hastings聯(lián)合提出的，其通過實(shí)驗(yàn)研究了太陽電池在反向電位梯度(IPG)下三結(jié)合處(即空間等離子體、玻璃蓋片和互連片)的充電情況，并推導(dǎo)出電弧放電的過程如下[4](圖2)：

(1)在太陽電池陣表面相對(duì)于周圍等離子體電位為負(fù)的區(qū)域?qū)⑹艿絃EO軌道高密度等離子體環(huán)境中正離子的撞擊并在蓋片表面沉積，積累的正電荷形成由蓋片指向金屬互連片的表層電場(圖中的箭頭方向)，形成IPG。此電場被認(rèn)為是LEO軌道太陽電池表面產(chǎn)生放電的觸發(fā)因素。

圖2 三結(jié)合處在反向電位梯度情況下發(fā)生一次放電的示意

(2)由于表層電場的存在，互連片表面的電子會(huì)被激發(fā)出來。由于三結(jié)合處的電勢(shì)結(jié)構(gòu)，這些場發(fā)射電子在玻璃蓋片側(cè)面被吸引到電場表面，從而引起玻璃蓋片側(cè)面絕緣表面的二次電子發(fā)射，在電場的作用下，二次電子發(fā)射系數(shù)大于1，玻璃蓋片側(cè)面帶正電，使得表層電場被增強(qiáng)。增強(qiáng)的電場由會(huì)促進(jìn)導(dǎo)體表面的電子發(fā)射，從而形成正反饋的機(jī)制。

(3)隨著電場放電電流的聚增，在玻璃蓋片側(cè)面轟擊電子的數(shù)量也增加。由于電子的撞擊作用，絕緣表面吸附著的中性氣體會(huì)發(fā)生解吸形成一層很薄的中性氣體層。氣體層電離放電，使得互連片附近的放電電流的電子與玻璃蓋片周圍沉積的正離子發(fā)生中和，靜電放電發(fā)生。

(4)隨著空間飛行器積累的電子通過靜電放電與玻璃蓋片周圍沉積的正離子中和，在飛行器表面和空間環(huán)境之間存儲(chǔ)的電荷會(huì)被迅速釋放掉，航天器表面的電勢(shì)會(huì)快速增長到接近0。

(5)通過表面閃弧(Flashover)的擴(kuò)散，靜電放電會(huì)持續(xù)直到表面閃弧停止時(shí)終止。

(6)空間飛行器表面由于周圍等離子體的充電電流而重新恢復(fù)負(fù)電勢(shì)，整個(gè)靜電放電過程循環(huán)進(jìn)行。

通過上述一次放電產(chǎn)生及發(fā)展的過程可以認(rèn)識(shí)到，在太陽電池陣表面出現(xiàn)的一次放電通常是一種脈沖電流的形式，這種脈沖電流包含兩部分：在放電期間導(dǎo)體表面向空間發(fā)射的負(fù)電荷形成的電流(Blow-off Current)以及太陽電池蓋片周邊吸附的正離子參與放電而產(chǎn)生的表面閃弧電流(Flashover Current)。在反向電勢(shì)梯度下它的能量來源于儲(chǔ)存于絕緣體表面和空間飛行器結(jié)構(gòu)體之間電容中的靜電能，其大小與絕緣體表面電特性及面積有關(guān)[3]。

3 實(shí)驗(yàn)

3.1 一次放電閾值電壓

實(shí)驗(yàn)時(shí)，偏置電壓從-50 V開始，以-5 V為步長進(jìn)行增加，每次偏置電壓調(diào)節(jié)后等待90 min，當(dāng)檢測(cè)到峰值不低于0.5 A、持續(xù)時(shí)間不少于5 μs的電流脈沖時(shí)，認(rèn)為發(fā)生一次放電。經(jīng)實(shí)驗(yàn)，確認(rèn)實(shí)驗(yàn)件的一次放電閾值電壓1th=-110 V。

3.2 一次放電能量

一次放電實(shí)驗(yàn)中需要對(duì)脈沖產(chǎn)生回路進(jìn)行模擬，以在地面實(shí)驗(yàn)設(shè)備中模擬在軌可能產(chǎn)生的靜電放電能量[5]。此最大電流脈沖的確認(rèn)基于以下3個(gè)基本假設(shè)。

(2)等離子體擴(kuò)散所致的玻璃蓋片均對(duì)初始放電點(diǎn)放電；

(3)太陽電池陣表面有效面積內(nèi)特性參數(shù)均按玻璃蓋片估算，其典型的面電容率為28.6 pF/cm2。

根據(jù)模型可以估計(jì)出放電等離子體傳播產(chǎn)生的能量。此能量與太陽電池陣尺寸、表面材料特性及一次放電閾值電壓有關(guān)。為保證后續(xù)一次放電實(shí)驗(yàn)中能夠產(chǎn)生太陽電池陣在軌時(shí)可能出現(xiàn)的最大電流脈沖，根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)情況對(duì)放電能量及補(bǔ)償電路參數(shù)進(jìn)行確認(rèn)。

等離子體的擴(kuò)散具有耗散性，對(duì)于HVSA，其尺寸較大，因此放電脈沖擴(kuò)散時(shí)間一般情況下在一定距離會(huì)衰減耗散，并不能完全擴(kuò)展至整個(gè)太陽電池陣，在這里取2 m作為放電傳播擴(kuò)散的最大半徑。放電脈沖峰值釋放能量應(yīng)包含以2 m為半徑的圓面內(nèi)的靜電能，放電脈沖持續(xù)時(shí)間應(yīng)按在擴(kuò)散至2 m時(shí)耗散。根據(jù)以上結(jié)果，可以計(jì)算獲得放電能量補(bǔ)償電路參數(shù)。

3.3 一次放電次數(shù)

實(shí)驗(yàn)需要對(duì)等離子體環(huán)境下HVSA在一定時(shí)間內(nèi)發(fā)生的一次放電的總次數(shù)進(jìn)行估計(jì)。對(duì)此采用200 V以上偏壓，獲得各組偏壓對(duì)應(yīng)的放電頻率后，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合獲得2 m半徑范圍內(nèi)放電次數(shù)的計(jì)算公式。根據(jù)公式在低壓范圍估計(jì)的情況要比實(shí)際情況加嚴(yán)，因此可以采用上述放電頻率來進(jìn)行初步加嚴(yán)估算。

對(duì)于母線電壓100 V的HVSA，根據(jù)等離子體環(huán)境下電子和離子收集的規(guī)律，可知其航天器結(jié)構(gòu)懸浮電位不會(huì)超過-100 V，根據(jù)仿真的結(jié)果，最惡劣情況按-90 V計(jì)算。對(duì)于LEO上的飛行器，典型受照時(shí)間約為實(shí)際在軌時(shí)間的60%，通過計(jì)算可知，HVSA在半徑2 m的圓形區(qū)域內(nèi)，每年放電次數(shù)約為1 100次，15年放電次數(shù)約為16 500次。

在實(shí)際供電情況下，LEO上HVSA中相對(duì)等離子體偏負(fù)的一部分太陽電池片會(huì)發(fā)生ESD，按航天器-90 V結(jié)構(gòu)電位來估計(jì)，單串電池電路中具有發(fā)生ESD風(fēng)險(xiǎn)的電池?cái)?shù)量最多占20%(約10片)。在一次放電損傷實(shí)驗(yàn)中將條件加嚴(yán)，認(rèn)為ESD僅發(fā)生在單串電池電路負(fù)極的一片電池上。由于LEO上HVSA在半徑2 m的圓形區(qū)域內(nèi)，每年放電次數(shù)約為1 100次，根據(jù)目前大面積柔性陣的典型布片設(shè)計(jì)，在半徑2 m的圓形區(qū)域內(nèi)，最少可布置96串電池電路，故在實(shí)驗(yàn)時(shí)，認(rèn)為在每個(gè)實(shí)驗(yàn)件的9片電池上進(jìn)行1 100÷96×9≈104次ESD能夠充分代表一年壽命期間在LEO的HVSA上發(fā)生的ESD次數(shù)。如果要滿足15年的在軌使用壽命，在實(shí)驗(yàn)件上至少需發(fā)生約1 550次ESD來進(jìn)行考核。

3.4 一次放電損傷實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用微波電子回旋共振(ECR)型等離子體源。

實(shí)驗(yàn)中采用負(fù)偏壓＋等離子體環(huán)境的方法模擬IPG，采用補(bǔ)償電路模擬放電能量，每隔50次的一次放電對(duì)試樣的暗特性進(jìn)行原位測(cè)量，通過暗特性曲線的變化來判斷實(shí)驗(yàn)件是否出現(xiàn)損傷。圖3為一次放電損傷實(shí)驗(yàn)原理圖。

圖3 一次放電損傷實(shí)驗(yàn)原理圖

實(shí)驗(yàn)采用的實(shí)驗(yàn)件具備真實(shí)柔性太陽電池陣的典型特征結(jié)構(gòu)，照片如圖4。

圖4 實(shí)驗(yàn)件照片

3.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

參與實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)件狀態(tài)、實(shí)驗(yàn)條件與實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)表

在對(duì)A#實(shí)驗(yàn)件進(jìn)行2 000次ESD后，實(shí)驗(yàn)件的暗特性沒有發(fā)生明顯變化(圖5)。從實(shí)驗(yàn)設(shè)備取出后進(jìn)行I-V測(cè)試及外觀檢查，其電性能沒有發(fā)生明顯變化(圖6)，外觀也未見明顯損傷。

圖5 A#第一串電池實(shí)驗(yàn)前后暗特性對(duì)比

圖6 A#第一串電池實(shí)驗(yàn)前后I-V測(cè)試圖

通過對(duì)A#實(shí)驗(yàn)件2 000次ESD位置進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可知放電位置主要集中在兩側(cè)匯流條上，其余均勻分布于電池片串間以及外側(cè)邊沿，發(fā)生在匯流條處的ESD次數(shù)與發(fā)生在電池片周邊的ESD次數(shù)之比約為3∶1(圖7)。

圖7 2 000次放電位置示意圖

考慮到匯流條位置放電不會(huì)引起太陽電池?fù)p傷，不能充分反應(yīng)電池受到一次放電引發(fā)的損傷情況，因此又利用B#實(shí)驗(yàn)件將匯流條位置用絕緣膠帶覆蓋后，重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，放電位置記錄見圖8。在進(jìn)行900次ESD后，實(shí)驗(yàn)件的暗特性沒有發(fā)生明顯變化，在進(jìn)行950次ESD后，B#實(shí)驗(yàn)件第二串電池的暗特性有明顯變化。取出后進(jìn)行I-V測(cè)試可知，第二串中第一片電池完全損壞(I-V測(cè)試已無曲線)，其余電池性能正常，第二串電池實(shí)驗(yàn)前后的I-V測(cè)試圖見圖9。對(duì)損壞電池進(jìn)行QE測(cè)試可知，其頂電池、中間電池和底電池均發(fā)生明顯損傷(圖10)。

圖8 放電位置記錄(50次、100次、500次、950次)

圖9 B#第二串電池實(shí)驗(yàn)前后I-V測(cè)試圖

按照發(fā)生在匯流條處的ESD次數(shù)與發(fā)生在電池片周邊的ESD次數(shù)之比約為3∶1計(jì)算，B#實(shí)驗(yàn)件發(fā)生900次ESD對(duì)電池造成的損傷相當(dāng)于匯流條處不貼絕緣膠帶的情況下實(shí)驗(yàn)件發(fā)生3 600次的ESD對(duì)電池造成的損傷，故可認(rèn)為實(shí)驗(yàn)件在匯流條處不貼絕緣膠帶時(shí)，發(fā)生3 600次ESD后性能無明顯變化，發(fā)生3 800次ESD后有一片電池?fù)p壞。

為了進(jìn)一步研究在15年壽命中一次放電對(duì)LEO上HVSA產(chǎn)生的影響，對(duì)C#實(shí)驗(yàn)件進(jìn)行了3 100次(15年壽命期間預(yù)計(jì)發(fā)生不超過1 550次，選取1倍余量)一次放電實(shí)驗(yàn)。每50次一次放電之后進(jìn)行一次暗特性測(cè)試，3 100次一次放電后C#實(shí)驗(yàn)件暗特性沒有明顯變化。取出后進(jìn)行I-V測(cè)試及外觀檢查，其電性能沒有發(fā)生明顯變化，外觀也未見明顯損傷。

圖10 正常電池的QE與損壞電池的QE

4 結(jié)論

本文簡述了LEO大面積柔性HVSA一次放電的地面實(shí)驗(yàn)研究情況。通過上述實(shí)驗(yàn)情況介紹可以得到以下結(jié)論：(1)對(duì)于LEO大面積柔性HVSA，靜電放電發(fā)生位置主要集中在兩側(cè)匯流條上，其余零星分布于電池片串間以及外側(cè)邊沿；(2)一定次數(shù)的一次放電會(huì)產(chǎn)生累積效應(yīng)，使電池?fù)p壞失效；(3)在LEO上15年壽命中發(fā)生的一次放電不會(huì)對(duì)HVSA造成損傷。

[1]劉業(yè)楠，賈瑞金，童靖宇.LEO等離子體環(huán)境中HVSA的電弧放電研究[J].航天器環(huán)境工程，2006,23(6):347-350.

[2]穆肯德.R.帕特爾.航天器電源系統(tǒng)[M].韓波，陳琦，譯.北京：中國宇航出版社，2010:81-82.

[3]LEACH R D,ALEXANDER M B.Failures and Anomalies Attributed to Spacecraft Charging[R].Alabama:NASA Marshall Space Flight Center,1995:3-4.

[4]HASTINGS D E,CHO M,KUNINAKA H.The arcing rate for a high voltage solar array:Theory,experiment and predictions[J]. Spacecr Rockets,1992,29(4):538-554.

[5]IEC.ISO/CD 11221.Space Systems-Space Solar Panels-Spacecraft Charging Induced Electrostatic Discharge Test Methods[S].USA: IEC，2011:12.

Research on primary discharge of large area flexible HVSA used on LEO

LEO was full of highly dense ionosphere plasma in which ESD will happened on HVSA and induce the degradation of solar cell and circuit. On the basis of introduction of primary discharge mechanism, the primary discharge damage test happened on samples which had been protected was presented.The result of the test prove that the primary discharge which appear in 15 years lifetime on LEO will not damage the HVSA.

flexible HVSA;LEO;primary discharge

TM 914

A

1002-087 X(2015)10-2169-04

2015-08-17

張巖松(1980—)，男，河北省人，工程師，學(xué)士，主要研究方向?yàn)樘栯姵仃囋O(shè)計(jì)。