LEO航天器高压太阳电池阵静电放电试验研究

仇恒抗 李淼 刘文辉 钟汉田 杨帆 张里晟 陈萌炯

(1 上海空间电源研究所，上海 200245)(2 上海宇航系统工程研究所，上海 200586)

随着空间科学技术的发展，航天器对能源的需求越来越大，如合成孔径雷达(SAR)卫星、空间实验室等功率需求从几千瓦到几十千瓦，因此对作为空间主电源的太阳电池阵设计提出了更高的要求。地球静止轨道(GEO)航天器高压太阳电池阵(工作在100 V以上)已经普遍应用，而低地球轨道(LEO)应用相对较少，LEO航天器高压大功率太阳电池阵也将成为未来发展的必然趋势，太阳电池电路的电压及电流输出也会相应随之大幅提高。

国内外较多研究[1-4]获得了GEO航天器太阳电池阵发生一次放电和二次放电的电压阈值。由于高轨航天器所处等离子体环境与LEO航天器不同，因此其放电电压阈值不能作为LEO航天器的参考。LEO涵盖轨道高度从100 km到2000 km范围的广大区域，绝大多数对地观测卫星、测地卫星、载人航天器及一些新型通信卫星都采用此轨道。在LEO的等离子体环境中，其带电粒子浓度为1×1012m-3,通常称该电离层为稠密的等离子体区域[5]，当高压太阳电池阵电压超过一定阈值时，太阳电池电路与等离子体相互作用易发生静电放电(ESD)现象，从而可能导致太阳电池阵局部或整体失效[6]。等离子体对太阳电池玻璃盖片和金属互连片进行充电，造成电势差，从而产生电场，会进一步导致电子发射，形成一次放电，而且放电时间极短，一般为微秒级；当太阳电池串之间的电势差高于阈值电压时，在太阳电池电路高电位和低电位之间的电流，会在毫秒级的时间里流过高浓度的等离子体通路，形成二次放电[7]。文献[6]中研究了暴露在空间等离子体环境中的太阳电池边缘面积变化对ESD和电流收集的影响。文献[8]中针对太阳电池三联点结构提出一次放电一维简化模型，用于评估太阳电池设计对放电脉冲强弱的影响。文献[9]中发现空间等离子环境造成的偏置电压与高压大功率太阳电池阵的放电率存在密切关系。文献[10]中获得了在LEO尺寸为40.0 mm×30.3 mm的太阳电池组成的高压大功率无防护太阳电池阵发生一次放电和二次放电的电压阈值，该规格太阳电池的单串组件输出电流约为0.198 A。太阳电池阵ESD现象不仅与太阳电池串间电压有关，也与太阳电池串输出电流有直接关系[11]，太阳电池串输出电流在0.5～1.0 A为阈值安全电流，在此电流区间太阳电池阵串间电压可设计在200 V以上。

目前，大部分航天器太阳电池阵采用光电转换效率更高、尺寸更大的太阳电池，太阳电池组件单串电流显著增大，国内关于ESD研究未涉及到二次放电阈值与太阳电池组件较大电流之间的关系，而二次放电是在一次放电的诱导下在太阳电池组件之间形成了持续的电流通路，更容易造成太阳电池阵的失效，因此需要对其进行研究和防护。本文对采用大尺寸太阳电池(60.5 mm×40.0 mm)组成的混联高压太阳电池电路进行防护和无防护ESD阈值试验研究，获得了一次ESD与二次ESD阈值，并验证了太阳电池组件串间涂胶防护能提高其ESD阈值，可为LEO航天器高压太阳电池阵的设计提供技术支持。

1 ESD阈值试验

1.1 试验设备及试验条件

试验中的设备配置如图1所示，在真空容器内模拟LEO等离子体环境，采用微波电子回旋共振型等离子体源，试验配置电路模拟空间太阳电池阵，示波器显示试验过程中的放电现象，相关数据由计算机采集存储，利用摄像设备确定放电位置、放电情况。

图1 试验配置Fig.1 Test device

等离子体源安装在真空容器轴线的封头上，通过直径250 mm的插板阀与真空容器相接。等离子体参数采用朗缪探针(静电探针)测量。试验设备及等离子体源试验条件如表1所示。

表1 试验条件Table 1 Test conditions

1.2 试验电路及试验工况

1.2.1 试验电路

图2和图3分别是一次放电和二次放电试验电路，可模拟太阳电池阵放电电弧的产生。

图2 一次放电试验电路Fig.2 Primary discharge test circuit

图3 二次放电试验电路Fig.3 Secondary discharge test circuit

在图2和图3中：CP1～CP4为电流测量探头，用于测量试验件放电脉冲信号，CP4监测ESD，CP1～CP3监测太阳电池串回路中的放电情况，以判断是否发生放电现象；电源Vb模拟航天器带电，10 kΩ电阻为Vb的限流电阻。图2中，Cext用于模拟航天器本体与周围等离子体环境的电容，N和P分别表示电池组件的负端和正端。图3中，直流电流源和电压源用于模拟太阳电池阵产生的电能；电容Cext、电阻R和电感L的作用是模拟ESD波形；C1，C2，C3为太阳电池阵补偿电容；可变负载RL模拟航天器负载；二极管用于防止放电电弧对器件的损坏。

1.2.2 试验工况

一次放电阈值试验工况为：真空罐真空度达到2×10-2Pa，等离子体浓度达到1×1012m-3，接地偏压从-60 V起，每1.5 h下调-5 V，直至出现一次放电并由电流探头CP1～CP4中任一探头采集到放电波形。

二次放电阈值试验工况为：真空罐真空度达到2×10-2Pa，等离子体浓度达到1×1012m-3，给试验件通0.83 A电流；采用负偏压加等离子体环境的方法模拟反向电位梯度，引起一次放电；在给定串间电流的情况下，通过逐步增加串间电压的方式确定太阳电池阵的二次放电电压阈值,结合以往试验经验将偏压拉得较低，试验件接地偏压从-150 V起，未出现一次放电则每1 min下调接地偏压-5 V，并在每50次放电后调节串间电压，每次串间电压升高10 V，直至电流探头CP1～CP4采集到放电波形。

1.3 试验件状态

1.3.1 一次阈值试验件

在一次放电试验件设计时，充分考虑到试验件一次放电可能发生的位置：太阳电池片与太阳电池片之间；太阳电池组件并联间隙处；太阳电池与组件银连接片间。针对可能出现的一次放电情况，设计5串3并的典型一次放电试验件。试验件单板尺寸为220 mm×270 mm，共有2组，采用40.0 mm×60.5 mm的叠层三结砷化镓太阳电池，并联间隙1 mm。试验件组成及用途如表2所示，实物状态如图4所示。其中：T1试验件无防护；T2试验件并联间隙涂胶。

表2 一次放电试验件组成及用途Table 2 Compositions and purposes of primary discharge specimens

图4 一次放电试验件Fig.4 Specimen of primary discharge

1.3.2 二次阈值试验件

在二次放电试验件设计时，考虑到二次放电现象一般发生在串间，因此设计3串4并2混2单元12片的三结砷化镓太阳电池组件作为二次放电试验件。它是一种混联模式，1个单元为6片太阳电池，电压是3片串联的电压，电流是2片电池的电流，单元内相邻2片电池都进行了相互连接。在混联模式的单元内，太阳电池组件工作时的电流约为0.83 A，比非混联太阳电池组件工作电流大1倍。根据ESD相关理论，太阳电池组件工作时电流越大，越易发生ESD。试验件单板尺寸为180 mm×290 mm，共有2组件，采用40.0 mm×60.5 mm的叠层三结砷化镓太阳电池，混联单元内间距为1 mm，单元间并联间距为1.5 mm，试验件组成及用途如表3所示，试验件实物状态如图5所示。其中：T3试验件无防护；T4试验件并联间隙涂胶。

表3 二次放电试验件组成及用途Table 3 Compositions and purposes of secondary discharge specimens

图5 二次放电试验件Fig.5 Specimen of secondary discharge

试验件制作包含了单片产生、叠层电池组装、太阳电池组件粘贴、板内电缆制作、太阳电池阵组装等工艺，均同航天器实际应用的太阳电池阵产品制作工艺一致，按照相同工艺标准执行。太阳电池组件引出线为55/0112-24-9宇航级导线，导线穿过基板后引出，并与罐内电缆相连，穿线孔处用硅橡胶固封，确保无金属面裸露，基板采用37.5 kΩ高阻接地。

2 试验结果及分析

2.1 一次放电试验阈值

在试验件的太阳电池电路上(见图2)监测到峰值不低于0.5 A、持续时间不少于5 μs的电流脉冲，则认为试验件上发生一次放电现象。试验中，示波器通道CH1～CH4与电路图中CP1～CP4一一对应，其中CP4监测整个回路的放电现象。

Vb偏压达到-110 V时，T1试验件发生一次放电，电流探头CH1～CH3采集到的波形见图6(a)，探头CP3采集到约1.4 A(除去基准电流1.0 A后)，持续时间约7 μs；Vb偏压达到-120 V时，T2试验件发生一次放电，电流探头CH1～CH3采集到的波形见图6(b)，探头CP2采集到了约0.75 A(除去基准电流1.0 A后)，持续时间约8 μs。进行涂胶工艺处理的T2试验件，一次放电阈值较T1试验件提升了10.0 V，符合理论上涂胶能提高一次放电阈值。

从图7放电区域摄像记录中可以看出：在三交结区，即太阳电池玻璃盖片和太阳电池的银连片之间、太阳电池玻璃盖片和基板之间，由于高浓度的等离子体引起静电积累造成电势差，发生短暂的放电形成一次放电现象，CP2和CP3均捕捉到了一次放电现象。试验结束后，对T1和T2试验件进行太阳电池电路暗特性和电性能测试，见图8与图9。

图6 一次放电试验波形Fig.6 Primary discharge test waveforms

图7 试验件一次放电区域Fig.7 Primary discharge area of specimen

图8 一次放电前后试验件的暗特性曲线Fig.8 Dark characterristic curves of specimen before and after primary discharge

图9 一次放电前后试验件的伏安曲线Fig.9 I-V curves of specimen before and after primary discharge

一次放电试验后，试验件的暗特性曲线几乎没有变化，如图8所示；试验件的伏安输出曲线几乎没有变化，在AM0及25 ℃(校准温度)下测试，如图9所示。

2.2 二次放电试验阈值

当T3试验件串间电压达到150 V时，发生二次放电现象；T4试验件串间电压达到160 V时，发生二次放电现象，符合理论上涂胶能提高二次放电的电压阈值。示波器CH1～CH4(对应图3电路中的CP1～CP4)采集到的放电波形如图10所示(CP1～CP4放电电流脉冲信号转换成了示波器CH1～CH4通道电位变化信号)。根据图10可知：T3试验件放电过程持续约0.7 ms，T4试验件放电过程持续约0.2 ms，因此二次放电并未产生自持，而是随ESD的发生而开始，并在短时间内自行熄灭。

在2串太阳电池并联间隙之间发生二次放电，即当电池串之间的电势差高于阈值电压时，在太阳电池电路高电位和低电位之间的电流，在毫秒级的时间里流过高浓度的等离子体通路，形成二次放电现象。

因二次放电时太阳电池组件进行通电，整个组件发光，放电现象不易观察，经摄像设备捕捉，发现二次放电产生的亮点如图11所示。

试验结束后，对T3和T4试验件进行太阳电池电路暗特性和电性能测试，见图12和图13。

图10 二次放电试验波形Fig.10 Secondary discharge test waveforms

图11 试验件二次放电现象Fig.11 Secondary discharge phenomena of specimen

图12 二次放电前后试验件的暗特性曲线Fig.12 Dark characterristic curves of specimen before and after secondary discharge

图13 二次放电前后试验件的伏安曲线Fig.13 I-V curves of specimen before and after secondary discharge

从图12可以看出：二次放电后，试验件暗特性性能略有衰减。影响太阳电池暗伏安特性的基本参数分别是串联电阻、并联电阻、反向饱和电流和品质因子，本文没有具体研究ESD对太阳电池暗特性的哪个参数产生了影响，仅是通过试验表明ESD对太阳电池PN结性能略有破坏。在AM0及25 ℃(校准温度)下测试，T3和T4试验件试验前后的最佳点电压、电流测试结果见表4。可见，二次放电现象会对太阳电池造成不同程度的损伤，降低太阳电池工作点电压和工作点电流。

表4 二次放电试验件试验前后伏安输出结果Table 4 I-V output results before and after specimen secondary discharge

2.3 试验结果分析

一次放电为触发放电，是由于静电积累造成的电势差在短暂的放电通道下发生放电并导致电荷中和的现象。当电池串之间的电势差高于阈值电压时，在太阳电池的电路高电位和低电位之间的电流，在毫秒级的时间里流过高浓度的等离子体通路，形成二次放电或持续放电。

对上述试验结果进行综合，如表5所示。在无防护措施(太阳电池串并联间隙1 mm)时，发生一次放电的阈值电压为110 V，涂胶防护后阈值电压提高到120 V；在无防护措施(太阳电池串并联间隙1.5 mm)时，电路通0.83 A电流发生二次放电的阈值电压为150 V，涂胶防护后阈值电压提高到160 V。放电后的试验件上并未发现太阳电池和玻璃盖片碎裂。发生二次放电后，能够观测到较为明显的放电痕迹，这主要是因为二次放电能量较高，燃弧时间增加，造成试验件烧痕。电池串的并联间隙涂胶后，放电的电压阈值会有所提高，作为防护手段，在太阳电池阵相邻电池串间涂覆硅橡胶，可以在太阳电池和周围等离子体环境之间形成势垒层[12]，降低太阳电池与等离子体之间的相互作用，从而提升阈值电压。

当等离子体与太阳电池阵作用时，主要是电子对太阳电池阵表面充电，充电过程导致高压太阳电池阵表面相对于等离子体呈负电位，并在高压太阳电池阵光照面和基板间形成反向电场梯度，这种电场分布会使高压太阳电池阵表面产生ESD。一次放电通常发生在金属-介质-真空构成的“三结合部”，在发生放电的地点出现一个高浓度的等离子体，浓度为1×106～1×107m-3[13]，当电池串之间的电势差高于阀值电压时，在太阳电池电路高电位和低电位之间的电流通过高浓度的等离子体通路，一般能够维持毫秒级的时间，形成二次放电。二次放电能量由高压太阳电池阵自身功率维持，持续的二次放电会引起太阳电池串的短路，造成太阳电池阵输出功率的下降。

随着航天器功率的增加，为了减少输电过程中的损耗，通常采用高电压供电(工作在100 V以上)，同时更大面积的太阳电池也逐渐应用于航天器太阳电池阵；所以高压太阳电池阵的ESD防护需要高度关注，在设计上要防止高压太阳电池组件间在高浓度等离子体环境下形成电流通路，从而导致太阳电池阵失效。本文试验结果可提供高压太阳电池阵静电防护设计的有效措施，即：考虑太阳电池在实际贴片工艺过程中控制太阳电池组件并联间隙；设计过程中合理控制相邻太阳电池串压差；太阳电池组件并联间隙间涂敷硅橡胶，提高其二次放电阈值。

表5 试验结果汇总Table 5 Summary of test results

3 结束语

本文针对LEO高压太阳电池电路ESD阈值开展了试验研究，设计了真空容器内模拟LEO等离子体环境试验系统，采用无防护和涂胶防护的一次放电与二次放电试验件，得到了无防护一次放电的电压阈值为110 V，涂胶防护后电压阈值为120 V，无防护试验件发生二次放电的电压阈值为150 V，涂胶防护后电压阈值为160 V。上述结果表明：太阳电池组件串间涂胶防护能提高其ESD的阈值，二次放电与太阳电池串输出电流也有直接关系。建议设计高压太阳电池阵时考虑ESD的影响，设计过程中合理控制相邻太阳电池串压差及太阳电池组件的电流，合理设计太阳电池组件并联间隙，在太阳电池组件并联间隙间涂敷硅橡胶等，以提高其ESD阈值。