空间柔性太阳电池阵用隔离二极管热分析

2017-10-17陈志宁

电源技术 2017年9期

关键词：管芯结温太阳电池

陈志宁

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384)

空间柔性太阳电池阵用隔离二极管热分析

陈志宁

(中国电子科技集团公司第十八研究所，天津300384)

空间柔性太阳电池阵用隔离二极管是专为空间柔性太阳电池阵电池电路设计的，用于电路间隔离的器件，安装在每个单串电路的正极输出端位置，以避免由于太阳电池阵中某串电路发生短路引起所在分流电路其它电池串功率损失，起到故障隔离作用。通过开展仿真分析结合试验验证工作，验证了隔离二极管产品设计状态的合理性及环境适应性，为后续太阳电池阵的设计提供了数据支持。

柔性太阳电池阵；隔离二极管；热分析

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

太阳电池阵是利用半导体的光伏效应将光能直接转换为电能的系统，广泛应用于各类航天器，在航天任务中为航天器提供电能源[1]。隔离二极管作为空间太阳电池阵的组成部分之一，安装在每个太阳电池串的正极输出端，防止由于某串太阳电池发生短路后导致所在分流电路其它太阳电池串的功率损失。

太阳电池阵通常分为刚性太阳电池阵、半刚性太阳电池阵和柔性太阳电池阵。其中我国大型通信卫星平台东方红四号系列卫星、导航系列卫星等均采用刚性太阳电池阵。天宫一号、二号空间实验室等采用半刚性太阳电池阵。柔性太阳电池阵相对于前面两种产品，具有收拢体积小、展开面积大、基频高等特点，适用于空间站等大型长寿命航天器。柔性太阳电池阵通常由几十块柔性太阳电池板组成，板与板面对面地以类似手风琴折叠方式收拢并压紧于收藏箱内，太阳电池电路表面相互紧密接触，对电路安装平整度提出了较为严格的要求，因此传统的二极管器件厚度不能满足该产品使用要求。根据柔性太阳电池阵上述结构特点，将隔离二极管设计成扁平封装结构，其整体厚度与太阳电池片一致，粘接在柔性基板表面。

隔离二极管在工作时，外部太阳辐射和内部功耗会导致管芯结温升高，在封装结构设计中采用表面粘贴空间用光学太阳反射镜(OSR)的方式进行散热，确保管芯工作温度不超过结温，具有安全余量，通过开展仿真分析结合试验验证工作，验证了产品设计状态的合理性及环境适应性，为后续太阳电池阵的整体设计提供了数据支持。

1 产品简介

1.1 工作原理

在绝大部分的航天器电源系统中，太阳电池阵和蓄电池组的输出功率通过母线直接馈送给负载，如图1所示[2]。当太阳电池电路正常输出时，隔离二极管处于正向导通状态，每个分电路的电流经二极管从电路正极流出，实现正常的供电功能。如果某个分电路发生短路，其所在电路的二极管可阻止其它分电路的电流流入，起到电路隔离的作用，防止太阳电池电路之间的相互影响，保证太阳电池阵的正常输出。

图1 系统拓扑结构图

1.2 结构设计

每支隔离二极管内部镶嵌两支管芯，表面粘接空间用光学太阳反射镜(OSR)，其两端伸出互连片用于正负极焊接。产品如图2所示。

图2 产品实物图

1.3 产品性能

该产品电性能如表1所示。

表1 产品电性能

2 热分析

2.1 仿真分析

利用ANSYS仿真软件，对隔离二极管在不同工况下达到热平衡时的温度场分布情况进行仿真分析。根据隔离二极管的实际设计状态建立完整几何模型，对其进行网格划分，如图3所示。隔离二极管管芯在正常工作条件下，其功耗为0.05 W，利用ANSYS内部热生成功能加载内热源来模拟管芯通电发热，对模型上下表面加载需要的环境温度，设置上下表面材料的发射系数来模拟辐射散热。

图3 整体模型有限元网格划分

太阳电池阵工作温度约为75℃，分流状态下温度可以达到90℃，据此，对隔离二极管在环境温度为75℃和90℃两种工况下的温度场分布进行了仿真分析。

当环境温度为75℃时达到热平衡后温度场分布如图4所示，温度值如表2所示。

图4 75℃环境温度下温度场分布云图

表2 75℃环境温度下部分仿真温度值

当环境温度为90℃时达到热平衡后温度场分布如图5所示，温度值如表3所示。

图5 90℃环境温度下温度场分布云图

表3 90℃环境温度下部分仿真温度值

仿真分析结果表明，在环境温度为75℃工况下，隔离二极管管芯最高温度为82.386℃，在环境温度为90℃工况下，隔离二极管管芯最高温度为97.265℃。从隔离二极管的温度场分布云图可见，芯片的热量从封装结构中向外散出，由内向外变化均匀，无局部过热现象，且芯片的温度远低于最高结温175℃，具有1.8倍安全余量，满足元器件降额准则中的I级降额要求，不会发生热击穿现象，说明隔离二极管散热设计合理。

2.2 试验验证与理论计算

为进一步验证仿真分析结论，利用真空环境试验设备开展了隔离二极管热平衡试验，试验真空度为1×10－2Pa，在环境温度分别为75℃和90℃的温度条件下给每支管芯通电0.1 A，测试管芯表面温度及计算管芯结温。

在试验过程中采用芯片表面粘贴PT100型热敏电阻的方式近似测量结温，由于管芯非常薄，认为其表面温度非常接近管芯结温，芯片表面温度实测数据见表4。

表4 隔离二极管热平衡试验数据

为了获得更接近管芯结温的数据，利用结温与正向压降的关系来推算结温，在测试电流恒定的条件下，管芯结温的变化与其正向压降的变化成比例关系，用系数K来表示，即：

式中：K为温度敏感参数，mV/℃；Tj为结温，℃；VF为在Tj下的正向压降，mV。

利用半导体测试设备在测试电流为0.1 A的条件下测得隔离二极管管芯平均K值为－2 mV/℃。将隔离二极管放在环境温度为20℃的真空仓中进行2 h存储，2 h后认为环境温度与结温相同，即Tj0为20℃，在Tj0下给隔离二极管通一次毫秒级脉冲电流，电流为0.1 A，测量其VF0的值为0.641 V。当隔离二极管在不同工况下达到热平衡状态时，测试不同结温下的正向压降VF1，利用上述公式即可计算出不同热平衡状态下的管芯结温Tj1。实际计算结果见表4。

2.3 对比分析

通过对比三种结果发现，温度实测值相对偏低，理论计算值和仿真分析值相近。三种结果均表明不同工况下隔离二极管结温均小于100℃，满足电子元器件降额准则中的I级降额要求，说明隔离二极管的热设计符合要求。

三种结果有所差异，分析其原因，在试验中热敏电阻实测值为管芯表面温度，由于半导体PN结与外表面之间存在一定热阻，导致其表面温度比实际结温低；而利用半导体正向压降与结温的线性关系，根据正向压降的变化来推导结温，所得结果更接近实际情况；仿真分析结果与网格划分的精细程度以及加载条件的方式均有关系，其结果与实际情况会有一定偏差；在本试验中，采用开尔文测试法测试隔离二极管两端正向压降，测试误差较小，计算所得结果更接近实际结温，所以仿真热分析和理论计算的结果更接近实际情况。