高壓太陽(yáng)電池陣靜電放電產(chǎn)生脈沖信號(hào)的特性研究

李存惠，柳青，楊生勝，苗育君，鄭闊海，秦曉剛

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高壓太陽(yáng)電池陣靜電放電產(chǎn)生脈沖信號(hào)的特性研究

李存惠1，柳青2，楊生勝1，苗育君1，鄭闊海1，秦曉剛1

（1．蘭州空間技術(shù)物理研究所真空技術(shù)與物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；2．蘭州空間技術(shù)物理研究所空間環(huán)境材料行為及評(píng)價(jià)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室：蘭州730000）

研究高壓太陽(yáng)電池陣靜電放電產(chǎn)生脈沖信號(hào)的特性，有助于深入了解太陽(yáng)電池陣充放電形成機(jī)制。在試驗(yàn)中，利用電子槍模擬GEO空間帶電環(huán)境，輻照太陽(yáng)電池樣品表面。利用電流探頭CT-2、單極子天線和數(shù)字存儲(chǔ)示波器測(cè)量靜電放電所產(chǎn)生的脈沖電流、輻射電場(chǎng)并記錄其波形。試驗(yàn)結(jié)果表明：太陽(yáng)電池在靜電放電過程中產(chǎn)生了脈沖寬度為幾μs的瞬態(tài)電流，其峰值幅度為幾A；輻射電場(chǎng)的脈沖信號(hào)持續(xù)時(shí)間幾百ns至幾個(gè)μs，其峰值幅度達(dá)數(shù)百V/m。脈沖信號(hào)的時(shí)域特征表現(xiàn)為脈沖群，其波形具有陡峭的前沿，能量分布的頻率范圍主要集中在0.1～50 MHz之間。最后根據(jù)上述研究對(duì)在軌靜電放電測(cè)試儀的設(shè)計(jì)提出建議。

太陽(yáng)電池陣；靜電放電；輻射電場(chǎng)；試驗(yàn)研究；時(shí)域分析；頻域分析

0 引言

航天器充放電效應(yīng)通常會(huì)引發(fā)故障，嚴(yán)重威脅其在軌安全運(yùn)行。2007年，NASA進(jìn)行了故障統(tǒng)計(jì)，在326起空間環(huán)境引發(fā)的衛(wèi)星故障中，充放電效應(yīng)占54.2%[1]。

航天器太陽(yáng)電池陣由太陽(yáng)電池、玻璃蓋片、聚酰亞胺薄膜、金屬互連片以及基底材料等組成[2]。在空間帶電環(huán)境中，這些單元以不同的速率充電，從而產(chǎn)生差異電位，可導(dǎo)致在玻璃蓋片、互連片與基底材料三者的結(jié)合區(qū)產(chǎn)生靜電放電。過去，GEO航天器采用低壓太陽(yáng)電池陣，空間靜電放電（SESD）一般不會(huì)對(duì)太陽(yáng)電池陣基板結(jié)構(gòu)產(chǎn)生損傷；但隨著高電壓太陽(yáng)電池陣的應(yīng)用，時(shí)常發(fā)生SESD所致的太陽(yáng)電池陣損傷事件[3-6]，由此，SESD問題已引起高度重視。

SESD會(huì)產(chǎn)生高電壓、強(qiáng)電場(chǎng)、瞬態(tài)大電流，脈沖電流的上升沿時(shí)間甚至小于1ns，并伴隨有強(qiáng)電磁輻射，形成ESD電磁脈沖。ESD電磁脈沖可以直接進(jìn)入電子設(shè)備或者通過孔縫、線纜等耦合作用進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部的敏感電路上，引起敏感電路的翻轉(zhuǎn)、損壞，嚴(yán)重影響衛(wèi)星在軌安全[4]。因此，研究SESD產(chǎn)生的脈沖信號(hào)特征對(duì)于監(jiān)測(cè)、控制和抑制靜電放電具有重要的意義。

1 設(shè)備、材料與方法

太陽(yáng)電池靜電放電試驗(yàn)在SCF-900航天器帶電綜合模擬試驗(yàn)裝置中進(jìn)行。試驗(yàn)中，采用聚四氟乙烯材料將太陽(yáng)電池樣品與真空室絕緣隔離，并通過電容接地；另外，真空室壁、太陽(yáng)電池結(jié)構(gòu)均直接接地。當(dāng)真空度優(yōu)于8.0×10-4Pa時(shí)，開啟電子槍電源，對(duì)太陽(yáng)電池樣品進(jìn)行輻照以使其表面充電，當(dāng)累積電荷產(chǎn)生的電位超過閾值時(shí)就會(huì)產(chǎn)生靜電放電。電子槍束流密度選用1.0nA/cm2，電子能量為20keV，以模擬GEO惡劣的帶電粒子環(huán)境。太陽(yáng)電池表面電位采用非接觸式電位計(jì)（TREK 341HV）測(cè)量，電子束流密度采用自制的法拉第杯和微電流計(jì)（KEITHLEY 6517B）測(cè)量。選用GaAs太陽(yáng)電池樣品，單塊電池的外形尺寸為30.6 mm×40.3 mm，以2×3形式組成電路，即2組電路的每一路由3塊電池串聯(lián)，相鄰電池間距為0.9mm。太陽(yáng)電池樣品見圖1，采用碳纖維鋁蜂窩基板，互連片材料為銀。

圖1 放電試驗(yàn)用太陽(yáng)電池樣品

太陽(yáng)電池靜電放電試驗(yàn)電路原理見圖2。試驗(yàn)采用Agilent E4360電源為太陽(yáng)電池樣品供電，其電壓選用100V，為GEO衛(wèi)星一次電源的輸出電壓。為了減小由大電流引起的發(fā)熱，在電路中接入一個(gè)限流電阻R；試驗(yàn)樣品通過電容C與地連接；A1、A2為Keithley 2400數(shù)字萬(wàn)用表，用來監(jiān)測(cè)電路內(nèi)的電流；Tektronix CT-2電流探頭的伏安輸出特性為1mV/mA，帶寬為1.2kHz～200MHz，測(cè)量范圍0～36 A，用以監(jiān)測(cè)太陽(yáng)電池靜電放電產(chǎn)生的傳導(dǎo)耦合電流；將自制的單極子天線放置在距太陽(yáng)電池樣品10cm處，并與靜電放電輻射電場(chǎng)入射方向平行，利用它將輻射電場(chǎng)信號(hào)轉(zhuǎn)化為脈沖電壓信號(hào)，再輸出給TerkDPO4104數(shù)字示波器；每隔10 min的時(shí)間，利用三維伺服傳動(dòng)機(jī)構(gòu)將TREK 3450E非接觸式電位計(jì)探頭移至太陽(yáng)電池樣品上方（距離2cm），以監(jiān)測(cè)樣品不同區(qū)域的表面充電電位直至充電電位達(dá)到平衡[7]。

圖2 太陽(yáng)電池靜電放電試驗(yàn)電路原理

2 太陽(yáng)電池陣靜電放電試驗(yàn)研究

2.1 表面電位與放電頻度

如前述，電子能量20keV，束流密度1.0nA/cm2。試驗(yàn)結(jié)果表明，玻璃蓋片表面和基底表面充電電位顯著不同（見表1），兩者之間產(chǎn)生的電位差可導(dǎo)致SESD。

表1 太陽(yáng)電池樣品表面充放電

2.2 脈沖電流的時(shí)域、頻域波形

在本試驗(yàn)中，太陽(yáng)電池樣品發(fā)生靜電放電時(shí)，產(chǎn)生的瞬態(tài)電流脈沖寬度為幾μs，其峰值幅度為幾A，同時(shí)伴有光、熱等現(xiàn)象。放電過程是蓋片表面充電靜電能的釋放過程，放電電流脈沖的波形特征類似于衰減振蕩，呈現(xiàn)形式為幅度逐漸衰減的振鈴波，如圖3所示。由于空間靜電放電持續(xù)時(shí)間極短，放電過程中釋放的熱量不足以使電池產(chǎn)生熱擊穿，所以不會(huì)使太陽(yáng)電池瞬間失效。但是研究表明，多次的一次放電將造成太陽(yáng)電池性能衰退，影響程度與放電點(diǎn)的位置有關(guān)。

圖3 太陽(yáng)電池發(fā)生靜電放電時(shí)的脈沖電流波形（時(shí)域）

使用MatLab軟件工具編寫程序?qū)臻g靜電放電4μs內(nèi)10000個(gè)點(diǎn)的時(shí)域數(shù)據(jù)（示波器采樣率2.5GHz，采樣間隔0.4ns）進(jìn)行快速傅里葉變換（FFT）。通過計(jì)算得到了該次靜電放電脈沖電流的幅度譜，如圖4所示，可見，太陽(yáng)能電池產(chǎn)生靜電放電時(shí)脈沖電流的能量主要集中在30MHz以下頻段。

圖4 靜電放電時(shí)的脈沖電流幅度譜（頻域）

2.3 輻射電場(chǎng)的波形

靜電放電輻射電場(chǎng)探測(cè)裝置由脈沖電場(chǎng)探頭、數(shù)據(jù)采集電路和數(shù)字示波器組成。其中脈沖電場(chǎng)探頭為單極子天線，可將靜電放電輻射電場(chǎng)轉(zhuǎn)換為脈沖電壓信號(hào)[8-10]。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度為i的電場(chǎng)脈沖以角入射到長(zhǎng)度為的單極子天線上時(shí)，則有

其中：oc()為等效電路的源電壓，等于天線的開路電壓L()；e為天線的有效長(zhǎng)度，對(duì)于單極子天線，e為/2。

利用自制的單極子接收天線對(duì)太陽(yáng)電池靜電放電輻射電場(chǎng)進(jìn)行了測(cè)試，其有效長(zhǎng)度為50 mm。圖5所示的是靜電放電時(shí)的輻射電場(chǎng)波形（時(shí)域），圖6是靜電放電時(shí)的輻射電場(chǎng)幅度譜（頻域）。由圖可以看出，輻射電場(chǎng)呈現(xiàn)衰減振蕩現(xiàn)象，其振蕩幅度約為幾百V/m；從頻域上看，輻射電場(chǎng)的能量主要分布在50 MHz以下，相比脈沖電流，能量分布的頻率范圍有所增加。

圖5 靜電放電時(shí)的輻射電場(chǎng)波形（時(shí)域）

圖6 靜電放電時(shí)的輻射電場(chǎng)幅度譜（頻域）

3 與在軌實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的比較分析

在軌實(shí)測(cè)航天器靜電放電事件的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明[11-12]，頻率在0.1～100 MHz的放電脈沖占大多數(shù)，其中脈沖頻率在10～30 MHz附近為最強(qiáng)。SCATHA衛(wèi)星監(jiān)測(cè)結(jié)果表明[13]，放電脈沖分布集中的頻率范圍為5～32 MHz，電壓振蕩的幅值范圍為0.08～30.1 V。

由2.3節(jié)可知，太陽(yáng)電池陣靜電放電產(chǎn)生輻射電場(chǎng)時(shí)域波形在不同測(cè)試點(diǎn)處（與放電源之間的距離不同）存在一定差異。在距離放電點(diǎn)10 cm處測(cè)試得到的ESD輻射電場(chǎng)能量主要分布在50 MHz以下，且隨著測(cè)試點(diǎn)距離的增加，同一放電產(chǎn)生的輻射電場(chǎng)強(qiáng)度隨之降低。

從連續(xù)統(tǒng)計(jì)的多次太陽(yáng)電池陣靜電放電結(jié)果以及國(guó)外的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來看，靜電放電脈沖信號(hào)分布的主要頻率范圍為0～50 MHz，因此，星載靜電放電測(cè)量?jī)x器的采樣率須達(dá)到100 MHz量級(jí)[14-15]，才可以完整地記錄放電脈沖波形。考慮到記錄脈寬從幾十ns至幾μs的完整波形將產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)，這會(huì)帶來處理時(shí)間和傳輸帶寬的大量增加；因此，出于星上資源的限制，星載靜電放電測(cè)試類儀器僅限于對(duì)放電信號(hào)的典型特征參數(shù)進(jìn)行測(cè)量。

4 結(jié)論

通過靜電放電地面模擬試驗(yàn)對(duì)高壓太陽(yáng)電池的放電特性進(jìn)行了研究，得到如下結(jié)論：

1）靜電放電的脈沖電流時(shí)域波形呈現(xiàn)為幅度逐漸衰減的振鈴波特征，脈沖電流寬度為μs量級(jí)，幅度為A量級(jí)。

2）靜電放電產(chǎn)生的輻射電場(chǎng)能量分布范圍主要集中在50 MHz以下。

3）適用于空間搭載的靜電放電類測(cè)量?jī)x器在置入被測(cè)環(huán)境后對(duì)被測(cè)參量的影響應(yīng)盡量小，測(cè)試系統(tǒng)的采樣率應(yīng)要求在100MHz量級(jí)。

（References）

[1] MIYAKE H, HONJOH M, MARUTA Y. Space charge accumulation in polymeric materials for spacecraft irradiated electron and proton[C]//Annual Report Conference on Electrical Insulation and Dielectric Phenomena. Vancouver, Canada, 2007: 763-766

[2] WILSON P, MA M. Fields radiated by electrostatic discharges[J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, 1991, 33(1): 10-18

[3] PIACENTINI R, RIPOLI C, MEZZOGRI D.Experimental investigation and method of mathematical modeling of electrostatic discharges[J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 2011, 48(2): 266-270

[4] YADLOWSKY E J, CHURCHILL R J, HAZELTON R C. Laboratory simulation of irradiation-induced dielectric breakdown in spacecraft charging[D]. Virginia: Colorado State University, 1980

[5] 李凱, 王立, 秦曉剛, 等. 地球同步軌道高壓太陽(yáng)電池陣充放電效應(yīng)研究[J]. 航天器環(huán)境工程, 2008, 25(2) :125-128

LI K, WANG L, QIN X G, et al. The research of solar array charges and discharges in simulated GEO environment[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2008, 25(2): 125-128

[6] YUAN Q Y, SUN Y W, CAO H F. Electrostatic discharge effects on the high-voltage solar array[J]. Journal of High Voltage Engineering, 2013, 39(10): 2392-2397

[7] STEVENS J N. Modelling of environment induced discharges in geosynehronons satellites[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 1980, 27(6): 1792-1796

[8] 杜磊, 劉衛(wèi)東, 王陽(yáng)陽(yáng), 等. 靜電放電小空間測(cè)試裝置性能分析與驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)[J]．高電壓技術(shù), 2012, 38(9): 2248-2253

DU L, LIU W D, WANG Y Y, et al. Analyzing and validating experiments for the performance of small space electrostatic discharge test device[J]. High Voltage Engineering, 2012, 38(9): 2248-2253

[9] 原青云, 劉尚合, 張希軍, 等. 電暈電流及其輻射信號(hào)特性的研究[J]. 高電壓技術(shù), 2008, 34(8): 1547-1551

YUAN Q Y, LIU S H, ZHANG X J, et al. Corona current and characteristics of radiated signal[J]. High Voltage Engineering, 2008, 34(8): 1547-1551

[10] 周星, 魏光輝, 張希軍, 等. ESD輻射場(chǎng)的計(jì)算及對(duì)傳輸線的耦合研究[J]. 高電壓技術(shù), 2008, 34(4): 670-673

ZHOU X, WEI G H, ZHANG X J, et al. Calculation of ESD radiation fields and coupling of ESD EMP to a transmission line[J]. High Voltage Engineering, 2008, 34(4): 670-673

[11] MIZERA P F, BOYD G B. A summary of spacecraft charging results[J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 2012, 20(5): 438-443

[12] STEVENS J N, VERNON K W, GORET V J. Summary of the CTS transient event counter data after one year of operation[J]. IEEE Transactions on Nuclear Science, 1977, 24(6): 2270-2275

[13] KOONS H C. Characteristics of electrical discharges on the P78-2 satellite (SCATHA)[C]//AlAA 18thAerospace Sciences Meeting. California, USA, 1980: 1-7

[14] HONDA M. A new threat EMI effect by indirect ESD on electronic equipment[J]. IEEE Transactions on Industry Applications, 1994, 25(5): 939-944

[15] MISHRA P K, RAOM N, SHASTRY S K. Antenna for transient pulse monitor subsystem[C]// Proceedings of the 9thInternational Conference on Electro-Magnetic Interference and Compatibility. Bangalore, India, 2006: 25-29

（編輯：肖福根）

Characteristics of electrostatic discharge signal on the high voltage solar array

LI Cunhui1, LIU Qing2, YANG Shengsheng1, MIAO Yujun1, ZHENG Kuohai1, QIN Xiaogang1

(1. Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory, Lanzhou Institute of Space Technology Physics;2. Science and Technology on Material Performance Evaluation in Space Environment Laboratory, Lanzhou Institute of Space Technology Physics: Lanzhou 730000, China)

This paper studies the characteristics of the time and frequency domains of solar arrays during electrostatic discharge, to improve the understanding as well as the technical support of the charge-discharge mechanism of solar arrays. In the test, the main structure of the solar arrays is isolated from the ground of the vacuum chamber and an electron gun is used to simulate the electrified environmental extremes in the geostationary earth orbit. Specimens are electronically irradiated and charged by the electron gun. The current strength and shape are recorded, as well as the electrical field, by the monopoles, the CT-2 current detector(1mV/mA) and the TerkDPO4104 digital storage oscilloscope. The electrostatic discharge is initiated by the electrostatic potential of the surface charged solar arrays. A transient current is activated during the discharge and its pulse width reaches 10-6s. A degraded ring-wave current can be observed and the detected pulse peak reaches several Amperes. The solar array electrostatic discharge field sustains from 10-7to 10-6s. The irradiation field strength is 103V/m and the spectrum ranges up to 102MHz. A pulse cluster is the characteristics of the solar array time domain, showing a steep-front, with the frequency ranging from 0.1~50MHz. Suggestions are made accordingly with regard to the property of onboard ESD test instruments.

solar array; electrostatic discharge; radiation field; test study; time-domain analysis; frequency-domain analysis

V442; V416.5

A

1673-1379(2017)02-0190-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.02.014

2016-08-20；

2017-03-07

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（973計(jì)劃）（編號(hào)：613211）

李存惠（1984—），男，碩士學(xué)位，主要從事空間環(huán)境效應(yīng)及在軌監(jiān)測(cè)技術(shù)研究工作。E-mail: 187396610@qq.com。

http://www.bisee.ac.cn

E-mail: htqhjgc@126.com

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