空間柔性太陽(yáng)電池陣用隔離二極管熱分析

陳志寧

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384)

空間柔性太陽(yáng)電池陣用隔離二極管熱分析

陳志寧

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十八研究所，天津300384)

空間柔性太陽(yáng)電池陣用隔離二極管是專為空間柔性太陽(yáng)電池陣電池電路設(shè)計(jì)的，用于電路間隔離的器件，安裝在每個(gè)單串電路的正極輸出端位置，以避免由于太陽(yáng)電池陣中某串電路發(fā)生短路引起所在分流電路其它電池串功率損失，起到故障隔離作用。通過(guò)開(kāi)展仿真分析結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證工作，驗(yàn)證了隔離二極管產(chǎn)品設(shè)計(jì)狀態(tài)的合理性及環(huán)境適應(yīng)性，為后續(xù)太陽(yáng)電池陣的設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)支持。

柔性太陽(yáng)電池陣；隔離二極管；熱分析

Abstract:Isolation diode for space flexible solar array,which was installed in the solar cell string positive output terminal to prevent power loss of other solar cell strings in a shunt circuit caused by short circuit of a solar cell string in the same shunt circuit,was a circuit isolation device applied to space flexible solar array.The rationality of product design and environmental adaptability of the isolation diode were verified through simulation analysisand experimental verification.This work could provide data support for the design of the subsequent solar array.

Key words:flexible solar array;isolation diode;thermal analysis

太陽(yáng)電池陣是利用半導(dǎo)體的光伏效應(yīng)將光能直接轉(zhuǎn)換為電能的系統(tǒng)，廣泛應(yīng)用于各類航天器，在航天任務(wù)中為航天器提供電能源[1]。隔離二極管作為空間太陽(yáng)電池陣的組成部分之一，安裝在每個(gè)太陽(yáng)電池串的正極輸出端，防止由于某串太陽(yáng)電池發(fā)生短路后導(dǎo)致所在分流電路其它太陽(yáng)電池串的功率損失。

太陽(yáng)電池陣通常分為剛性太陽(yáng)電池陣、半剛性太陽(yáng)電池陣和柔性太陽(yáng)電池陣。其中我國(guó)大型通信衛(wèi)星平臺(tái)東方紅四號(hào)系列衛(wèi)星、導(dǎo)航系列衛(wèi)星等均采用剛性太陽(yáng)電池陣。天宮一號(hào)、二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室等采用半剛性太陽(yáng)電池陣。柔性太陽(yáng)電池陣相對(duì)于前面兩種產(chǎn)品，具有收攏體積小、展開(kāi)面積大、基頻高等特點(diǎn)，適用于空間站等大型長(zhǎng)壽命航天器。柔性太陽(yáng)電池陣通常由幾十塊柔性太陽(yáng)電池板組成，板與板面對(duì)面地以類似手風(fēng)琴折疊方式收攏并壓緊于收藏箱內(nèi)，太陽(yáng)電池電路表面相互緊密接觸，對(duì)電路安裝平整度提出了較為嚴(yán)格的要求，因此傳統(tǒng)的二極管器件厚度不能滿足該產(chǎn)品使用要求。根據(jù)柔性太陽(yáng)電池陣上述結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，將隔離二極管設(shè)計(jì)成扁平封裝結(jié)構(gòu)，其整體厚度與太陽(yáng)電池片一致，粘接在柔性基板表面。

隔離二極管在工作時(shí)，外部太陽(yáng)輻射和內(nèi)部功耗會(huì)導(dǎo)致管芯結(jié)溫升高，在封裝結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中采用表面粘貼空間用光學(xué)太陽(yáng)反射鏡(OSR)的方式進(jìn)行散熱，確保管芯工作溫度不超過(guò)結(jié)溫，具有安全余量，通過(guò)開(kāi)展仿真分析結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證工作，驗(yàn)證了產(chǎn)品設(shè)計(jì)狀態(tài)的合理性及環(huán)境適應(yīng)性，為后續(xù)太陽(yáng)電池陣的整體設(shè)計(jì)提供了數(shù)據(jù)支持。

1 產(chǎn)品簡(jiǎn)介

1.1 工作原理

在絕大部分的航天器電源系統(tǒng)中，太陽(yáng)電池陣和蓄電池組的輸出功率通過(guò)母線直接饋送給負(fù)載，如圖1所示[2]。當(dāng)太陽(yáng)電池電路正常輸出時(shí)，隔離二極管處于正向?qū)顟B(tài)，每個(gè)分電路的電流經(jīng)二極管從電路正極流出，實(shí)現(xiàn)正常的供電功能。如果某個(gè)分電路發(fā)生短路，其所在電路的二極管可阻止其它分電路的電流流入，起到電路隔離的作用，防止太陽(yáng)電池電路之間的相互影響，保證太陽(yáng)電池陣的正常輸出。

圖1 系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

每支隔離二極管內(nèi)部鑲嵌兩支管芯，表面粘接空間用光學(xué)太陽(yáng)反射鏡(OSR)，其兩端伸出互連片用于正負(fù)極焊接。產(chǎn)品如圖2所示。

圖2 產(chǎn)品實(shí)物圖

1.3 產(chǎn)品性能

該產(chǎn)品電性能如表1所示。

表1 產(chǎn)品電性能

2 熱分析

2.1 仿真分析

利用ANSYS仿真軟件，對(duì)隔離二極管在不同工況下達(dá)到熱平衡時(shí)的溫度場(chǎng)分布情況進(jìn)行仿真分析。根據(jù)隔離二極管的實(shí)際設(shè)計(jì)狀態(tài)建立完整幾何模型，對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖3所示。隔離二極管管芯在正常工作條件下，其功耗為0.05 W，利用ANSYS內(nèi)部熱生成功能加載內(nèi)熱源來(lái)模擬管芯通電發(fā)熱，對(duì)模型上下表面加載需要的環(huán)境溫度，設(shè)置上下表面材料的發(fā)射系數(shù)來(lái)模擬輻射散熱。

圖3 整體模型有限元網(wǎng)格劃分

太陽(yáng)電池陣工作溫度約為75℃，分流狀態(tài)下溫度可以達(dá)到90℃，據(jù)此，對(duì)隔離二極管在環(huán)境溫度為75℃和90℃兩種工況下的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行了仿真分析。

當(dāng)環(huán)境溫度為75℃時(shí)達(dá)到熱平衡后溫度場(chǎng)分布如圖4所示，溫度值如表2所示。

圖4 75℃環(huán)境溫度下溫度場(chǎng)分布云圖

表2 75℃環(huán)境溫度下部分仿真溫度值

當(dāng)環(huán)境溫度為90℃時(shí)達(dá)到熱平衡后溫度場(chǎng)分布如圖5所示，溫度值如表3所示。

圖5 90℃環(huán)境溫度下溫度場(chǎng)分布云圖

表3 90℃環(huán)境溫度下部分仿真溫度值

仿真分析結(jié)果表明，在環(huán)境溫度為75℃工況下，隔離二極管管芯最高溫度為82.386℃，在環(huán)境溫度為90℃工況下，隔離二極管管芯最高溫度為97.265℃。從隔離二極管的溫度場(chǎng)分布云圖可見(jiàn)，芯片的熱量從封裝結(jié)構(gòu)中向外散出，由內(nèi)向外變化均勻，無(wú)局部過(guò)熱現(xiàn)象，且芯片的溫度遠(yuǎn)低于最高結(jié)溫175℃，具有1.8倍安全余量，滿足元器件降額準(zhǔn)則中的I級(jí)降額要求，不會(huì)發(fā)生熱擊穿現(xiàn)象，說(shuō)明隔離二極管散熱設(shè)計(jì)合理。

2.2 試驗(yàn)驗(yàn)證與理論計(jì)算

為進(jìn)一步驗(yàn)證仿真分析結(jié)論，利用真空環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備開(kāi)展了隔離二極管熱平衡試驗(yàn)，試驗(yàn)真空度為1×10－2Pa，在環(huán)境溫度分別為75℃和90℃的溫度條件下給每支管芯通電0.1 A，測(cè)試管芯表面溫度及計(jì)算管芯結(jié)溫。

在試驗(yàn)過(guò)程中采用芯片表面粘貼PT100型熱敏電阻的方式近似測(cè)量結(jié)溫，由于管芯非常薄，認(rèn)為其表面溫度非常接近管芯結(jié)溫，芯片表面溫度實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 隔離二極管熱平衡試驗(yàn)數(shù)據(jù)

為了獲得更接近管芯結(jié)溫的數(shù)據(jù)，利用結(jié)溫與正向壓降的關(guān)系來(lái)推算結(jié)溫，在測(cè)試電流恒定的條件下，管芯結(jié)溫的變化與其正向壓降的變化成比例關(guān)系，用系數(shù)K來(lái)表示，即：

式中：K為溫度敏感參數(shù)，mV/℃；Tj為結(jié)溫，℃；VF為在Tj下的正向壓降，mV。

利用半導(dǎo)體測(cè)試設(shè)備在測(cè)試電流為0.1 A的條件下測(cè)得隔離二極管管芯平均K值為－2 mV/℃。將隔離二極管放在環(huán)境溫度為20℃的真空倉(cāng)中進(jìn)行2 h存儲(chǔ)，2 h后認(rèn)為環(huán)境溫度與結(jié)溫相同，即Tj0為20℃，在Tj0下給隔離二極管通一次毫秒級(jí)脈沖電流，電流為0.1 A，測(cè)量其VF0的值為0.641 V。當(dāng)隔離二極管在不同工況下達(dá)到熱平衡狀態(tài)時(shí)，測(cè)試不同結(jié)溫下的正向壓降VF1，利用上述公式即可計(jì)算出不同熱平衡狀態(tài)下的管芯結(jié)溫Tj1。實(shí)際計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

2.3 對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)比三種結(jié)果發(fā)現(xiàn)，溫度實(shí)測(cè)值相對(duì)偏低，理論計(jì)算值和仿真分析值相近。三種結(jié)果均表明不同工況下隔離二極管結(jié)溫均小于100℃，滿足電子元器件降額準(zhǔn)則中的I級(jí)降額要求，說(shuō)明隔離二極管的熱設(shè)計(jì)符合要求。

三種結(jié)果有所差異，分析其原因，在試驗(yàn)中熱敏電阻實(shí)測(cè)值為管芯表面溫度，由于半導(dǎo)體PN結(jié)與外表面之間存在一定熱阻，導(dǎo)致其表面溫度比實(shí)際結(jié)溫低；而利用半導(dǎo)體正向壓降與結(jié)溫的線性關(guān)系，根據(jù)正向壓降的變化來(lái)推導(dǎo)結(jié)溫，所得結(jié)果更接近實(shí)際情況；仿真分析結(jié)果與網(wǎng)格劃分的精細(xì)程度以及加載條件的方式均有關(guān)系，其結(jié)果與實(shí)際情況會(huì)有一定偏差；在本試驗(yàn)中，采用開(kāi)爾文測(cè)試法測(cè)試隔離二極管兩端正向壓降，測(cè)試誤差較小，計(jì)算所得結(jié)果更接近實(shí)際結(jié)溫，所以仿真熱分析和理論計(jì)算的結(jié)果更接近實(shí)際情況。

3 結(jié)論

本文對(duì)柔性空間太陽(yáng)電池陣用隔離二極管產(chǎn)品的工作溫度從仿真分析、熱平衡試驗(yàn)及理論推導(dǎo)三個(gè)方面進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了隔離二極管管芯在不同工況下其工作結(jié)溫均低于最高結(jié)溫，滿足降額要求，說(shuō)明隔離二極管封裝方式有效，散熱能力良好，具備熱環(huán)境適應(yīng)性，同時(shí)為后續(xù)其他類型太陽(yáng)電池陣用隔離二極管的設(shè)計(jì)提供了參考。

[1]漢斯S勞申巴赫.太陽(yáng)電池陣設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：中國(guó)宇航出版社，1987.

[2]李國(guó)欣.航天器電源系統(tǒng)技術(shù)概論[M].北京：中國(guó)宇航出版社，2008.

Thermal analysis of isolation diode for space flexible solar array

CHEN Zhi-ning
(Tianjin Institute of Power Sources,Tianjin 300384,China)

TM 914

A

1002-087X(2017)09-1319-03

2017-02-12

陳志寧(1989—)，男，內(nèi)蒙古自治區(qū)人，助理工程師，主要研究方向?yàn)樘?yáng)電池陣設(shè)計(jì)。