LEO航天器高壓太陽電池陣靜電放電試驗研究

仇恒抗 李淼 劉文輝 鐘漢田 楊帆 張里晟 陳萌炯

(1 上海空間電源研究所，上海 200245)(2 上海宇航系統工程研究所，上海 200586)

隨著空間科學技術的發展，航天器對能源的需求越來越大，如合成孔徑雷達(SAR)衛星、空間實驗室等功率需求從幾千瓦到幾十千瓦，因此對作為空間主電源的太陽電池陣設計提出了更高的要求。地球靜止軌道(GEO)航天器高壓太陽電池陣(工作在100 V以上)已經普遍應用，而低地球軌道(LEO)應用相對較少，LEO航天器高壓大功率太陽電池陣也將成為未來發展的必然趨勢，太陽電池電路的電壓及電流輸出也會相應隨之大幅提高。

國內外較多研究[1-4]獲得了GEO航天器太陽電池陣發生一次放電和二次放電的電壓閾值。由于高軌航天器所處等離子體環境與LEO航天器不同，因此其放電電壓閾值不能作為LEO航天器的參考。LEO涵蓋軌道高度從100 km到2000 km范圍的廣大區域，絕大多數對地觀測衛星、測地衛星、載人航天器及一些新型通信衛星都采用此軌道。在LEO的等離子體環境中，其帶電粒子濃度為1×1012m-3,通常稱該電離層為稠密的等離子體區域[5]，當高壓太陽電池陣電壓超過一定閾值時，太陽電池電路與等離子體相互作用易發生靜電放電(ESD)現象，從而可能導致太陽電池陣局部或整體失效[6]。等離子體對太陽電池玻璃蓋片和金屬互連片進行充電，造成電勢差，從而產生電場，會進一步導致電子發射，形成一次放電，而且放電時間極短，一般為微秒級；當太陽電池串之間的電勢差高于閾值電壓時，在太陽電池電路高電位和低電位之間的電流，會在毫秒級的時間里流過高濃度的等離子體通路，形成二次放電[7]。文獻[6]中研究了暴露在空間等離子體環境中的太陽電池邊緣面積變化對ESD和電流收集的影響。文獻[8]中針對太陽電池三聯點結構提出一次放電一維簡化模型，用于評估太陽電池設計對放電脈沖強弱的影響。文獻[9]中發現空間等離子環境造成的偏置電壓與高壓大功率太陽電池陣的放電率存在密切關系。文獻[10]中獲得了在LEO尺寸為40.0 mm×30.3 mm的太陽電池組成的高壓大功率無防護太陽電池陣發生一次放電和二次放電的電壓閾值，該規格太陽電池的單串組件輸出電流約為0.198 A。太陽電池陣ESD現象不僅與太陽電池串間電壓有關，也與太陽電池串輸出電流有直接關系[11]，太陽電池串輸出電流在0.5～1.0 A為閾值安全電流，在此電流區間太陽電池陣串間電壓可設計在200 V以上。

目前，大部分航天器太陽電池陣采用光電轉換效率更高、尺寸更大的太陽電池，太陽電池組件單串電流顯著增大，國內關于ESD研究未涉及到二次放電閾值與太陽電池組件較大電流之間的關系，而二次放電是在一次放電的誘導下在太陽電池組件之間形成了持續的電流通路，更容易造成太陽電池陣的失效，因此需要對其進行研究和防護。本文對采用大尺寸太陽電池(60.5 mm×40.0 mm)組成的混聯高壓太陽電池電路進行防護和無防護ESD閾值試驗研究，獲得了一次ESD與二次ESD閾值，并驗證了太陽電池組件串間涂膠防護能提高其ESD閾值，可為LEO航天器高壓太陽電池陣的設計提供技術支持。

1 ESD閾值試驗

1.1 試驗設備及試驗條件

試驗中的設備配置如圖1所示，在真空容器內模擬LEO等離子體環境，采用微波電子回旋共振型等離子體源，試驗配置電路模擬空間太陽電池陣，示波器顯示試驗過程中的放電現象，相關數據由計算機采集存儲，利用攝像設備確定放電位置、放電情況。

圖1 試驗配置Fig.1 Test device

等離子體源安裝在真空容器軸線的封頭上，通過直徑250 mm的插板閥與真空容器相接。等離子體參數采用朗繆探針(靜電探針)測量。試驗設備及等離子體源試驗條件如表1所示。

表1 試驗條件Table 1 Test conditions

1.2 試驗電路及試驗工況

1.2.1 試驗電路

圖2和圖3分別是一次放電和二次放電試驗電路，可模擬太陽電池陣放電電弧的產生。

圖2 一次放電試驗電路Fig.2 Primary discharge test circuit

圖3 二次放電試驗電路Fig.3 Secondary discharge test circuit

在圖2和圖3中：CP1～CP4為電流測量探頭，用于測量試驗件放電脈沖信號，CP4監測ESD，CP1～CP3監測太陽電池串回路中的放電情況，以判斷是否發生放電現象；電源Vb模擬航天器帶電，10 kΩ電阻為Vb的限流電阻。圖2中，Cext用于模擬航天器本體與周圍等離子體環境的電容，N和P分別表示電池組件的負端和正端。圖3中，直流電流源和電壓源用于模擬太陽電池陣產生的電能；電容Cext、電阻R和電感L的作用是模擬ESD波形；C1，C2，C3為太陽電池陣補償電容；可變負載RL模擬航天器負載；二極管用于防止放電電弧對器件的損壞。

1.2.2 試驗工況

一次放電閾值試驗工況為：真空罐真空度達到2×10-2Pa，等離子體濃度達到1×1012m-3，接地偏壓從-60 V起，每1.5 h下調-5 V，直至出現一次放電并由電流探頭CP1～CP4中任一探頭采集到放電波形。

二次放電閾值試驗工況為：真空罐真空度達到2×10-2Pa，等離子體濃度達到1×1012m-3，給試驗件通0.83 A電流；采用負偏壓加等離子體環境的方法模擬反向電位梯度，引起一次放電；在給定串間電流的情況下，通過逐步增加串間電壓的方式確定太陽電池陣的二次放電電壓閾值,結合以往試驗經驗將偏壓拉得較低，試驗件接地偏壓從-150 V起，未出現一次放電則每1 min下調接地偏壓-5 V，并在每50次放電后調節串間電壓，每次串間電壓升高10 V，直至電流探頭CP1～CP4采集到放電波形。

1.3 試驗件狀態

1.3.1 一次閾值試驗件

在一次放電試驗件設計時，充分考慮到試驗件一次放電可能發生的位置：太陽電池片與太陽電池片之間；太陽電池組件并聯間隙處；太陽電池與組件銀連接片間。針對可能出現的一次放電情況，設計5串3并的典型一次放電試驗件。試驗件單板尺寸為220 mm×270 mm，共有2組，采用40.0 mm×60.5 mm的疊層三結砷化鎵太陽電池，并聯間隙1 mm。試驗件組成及用途如表2所示，實物狀態如圖4所示。其中：T1試驗件無防護；T2試驗件并聯間隙涂膠。

表2 一次放電試驗件組成及用途Table 2 Compositions and purposes of primary discharge specimens

圖4 一次放電試驗件Fig.4 Specimen of primary discharge

1.3.2 二次閾值試驗件

在二次放電試驗件設計時，考慮到二次放電現象一般發生在串間，因此設計3串4并2混2單元12片的三結砷化鎵太陽電池組件作為二次放電試驗件。它是一種混聯模式，1個單元為6片太陽電池，電壓是3片串聯的電壓，電流是2片電池的電流，單元內相鄰2片電池都進行了相互連接。在混聯模式的單元內，太陽電池組件工作時的電流約為0.83 A，比非混聯太陽電池組件工作電流大1倍。根據ESD相關理論，太陽電池組件工作時電流越大，越易發生ESD。試驗件單板尺寸為180 mm×290 mm，共有2組件，采用40.0 mm×60.5 mm的疊層三結砷化鎵太陽電池，混聯單元內間距為1 mm，單元間并聯間距為1.5 mm，試驗件組成及用途如表3所示，試驗件實物狀態如圖5所示。其中：T3試驗件無防護；T4試驗件并聯間隙涂膠。

表3 二次放電試驗件組成及用途Table 3 Compositions and purposes of secondary discharge specimens

圖5 二次放電試驗件Fig.5 Specimen of secondary discharge

試驗件制作包含了單片產生、疊層電池組裝、太陽電池組件粘貼、板內電纜制作、太陽電池陣組裝等工藝，均同航天器實際應用的太陽電池陣產品制作工藝一致，按照相同工藝標準執行。太陽電池組件引出線為55/0112-24-9宇航級導線，導線穿過基板后引出，并與罐內電纜相連，穿線孔處用硅橡膠固封，確保無金屬面裸露，基板采用37.5 kΩ高阻接地。

2 試驗結果及分析

2.1 一次放電試驗閾值

在試驗件的太陽電池電路上(見圖2)監測到峰值不低于0.5 A、持續時間不少于5 μs的電流脈沖，則認為試驗件上發生一次放電現象。試驗中，示波器通道CH1～CH4與電路圖中CP1～CP4一一對應，其中CP4監測整個回路的放電現象。

Vb偏壓達到-110 V時，T1試驗件發生一次放電，電流探頭CH1～CH3采集到的波形見圖6(a)，探頭CP3采集到約1.4 A(除去基準電流1.0 A后)，持續時間約7 μs；Vb偏壓達到-120 V時，T2試驗件發生一次放電，電流探頭CH1～CH3采集到的波形見圖6(b)，探頭CP2采集到了約0.75 A(除去基準電流1.0 A后)，持續時間約8 μs。進行涂膠工藝處理的T2試驗件，一次放電閾值較T1試驗件提升了10.0 V，符合理論上涂膠能提高一次放電閾值。

從圖7放電區域攝像記錄中可以看出：在三交結區，即太陽電池玻璃蓋片和太陽電池的銀連片之間、太陽電池玻璃蓋片和基板之間，由于高濃度的等離子體引起靜電積累造成電勢差，發生短暫的放電形成一次放電現象，CP2和CP3均捕捉到了一次放電現象。試驗結束后，對T1和T2試驗件進行太陽電池電路暗特性和電性能測試，見圖8與圖9。

圖6 一次放電試驗波形Fig.6 Primary discharge test waveforms

圖7 試驗件一次放電區域Fig.7 Primary discharge area of specimen

圖8 一次放電前后試驗件的暗特性曲線Fig.8 Dark characterristic curves of specimen before and after primary discharge

圖9 一次放電前后試驗件的伏安曲線Fig.9 I-V curves of specimen before and after primary discharge

一次放電試驗后，試驗件的暗特性曲線幾乎沒有變化，如圖8所示；試驗件的伏安輸出曲線幾乎沒有變化，在AM0及25 ℃(校準溫度)下測試，如圖9所示。

2.2 二次放電試驗閾值

當T3試驗件串間電壓達到150 V時，發生二次放電現象；T4試驗件串間電壓達到160 V時，發生二次放電現象，符合理論上涂膠能提高二次放電的電壓閾值。示波器CH1～CH4(對應圖3電路中的CP1～CP4)采集到的放電波形如圖10所示(CP1～CP4放電電流脈沖信號轉換成了示波器CH1～CH4通道電位變化信號)。根據圖10可知：T3試驗件放電過程持續約0.7 ms，T4試驗件放電過程持續約0.2 ms，因此二次放電并未產生自持，而是隨ESD的發生而開始，并在短時間內自行熄滅。

在2串太陽電池并聯間隙之間發生二次放電，即當電池串之間的電勢差高于閾值電壓時，在太陽電池電路高電位和低電位之間的電流，在毫秒級的時間里流過高濃度的等離子體通路，形成二次放電現象。

因二次放電時太陽電池組件進行通電，整個組件發光，放電現象不易觀察，經攝像設備捕捉，發現二次放電產生的亮點如圖11所示。

試驗結束后，對T3和T4試驗件進行太陽電池電路暗特性和電性能測試，見圖12和圖13。

圖10 二次放電試驗波形Fig.10 Secondary discharge test waveforms

圖11 試驗件二次放電現象Fig.11 Secondary discharge phenomena of specimen

圖12 二次放電前后試驗件的暗特性曲線Fig.12 Dark characterristic curves of specimen before and after secondary discharge

圖13 二次放電前后試驗件的伏安曲線Fig.13 I-V curves of specimen before and after secondary discharge

從圖12可以看出：二次放電后，試驗件暗特性性能略有衰減。影響太陽電池暗伏安特性的基本參數分別是串聯電阻、并聯電阻、反向飽和電流和品質因子，本文沒有具體研究ESD對太陽電池暗特性的哪個參數產生了影響，僅是通過試驗表明ESD對太陽電池PN結性能略有破壞。在AM0及25 ℃(校準溫度)下測試，T3和T4試驗件試驗前后的最佳點電壓、電流測試結果見表4。可見，二次放電現象會對太陽電池造成不同程度的損傷，降低太陽電池工作點電壓和工作點電流。

表4 二次放電試驗件試驗前后伏安輸出結果Table 4 I-V output results before and after specimen secondary discharge

2.3 試驗結果分析

一次放電為觸發放電，是由于靜電積累造成的電勢差在短暫的放電通道下發生放電并導致電荷中和的現象。當電池串之間的電勢差高于閾值電壓時，在太陽電池的電路高電位和低電位之間的電流，在毫秒級的時間里流過高濃度的等離子體通路，形成二次放電或持續放電。

對上述試驗結果進行綜合，如表5所示。在無防護措施(太陽電池串并聯間隙1 mm)時，發生一次放電的閾值電壓為110 V，涂膠防護后閾值電壓提高到120 V；在無防護措施(太陽電池串并聯間隙1.5 mm)時，電路通0.83 A電流發生二次放電的閾值電壓為150 V，涂膠防護后閾值電壓提高到160 V。放電后的試驗件上并未發現太陽電池和玻璃蓋片碎裂。發生二次放電后，能夠觀測到較為明顯的放電痕跡，這主要是因為二次放電能量較高，燃弧時間增加，造成試驗件燒痕。電池串的并聯間隙涂膠后，放電的電壓閾值會有所提高，作為防護手段，在太陽電池陣相鄰電池串間涂覆硅橡膠，可以在太陽電池和周圍等離子體環境之間形成勢壘層[12]，降低太陽電池與等離子體之間的相互作用，從而提升閾值電壓。

當等離子體與太陽電池陣作用時，主要是電子對太陽電池陣表面充電，充電過程導致高壓太陽電池陣表面相對于等離子體呈負電位，并在高壓太陽電池陣光照面和基板間形成反向電場梯度，這種電場分布會使高壓太陽電池陣表面產生ESD。一次放電通常發生在金屬-介質-真空構成的“三結合部”，在發生放電的地點出現一個高濃度的等離子體，濃度為1×106～1×107m-3[13]，當電池串之間的電勢差高于閥值電壓時，在太陽電池電路高電位和低電位之間的電流通過高濃度的等離子體通路，一般能夠維持毫秒級的時間，形成二次放電。二次放電能量由高壓太陽電池陣自身功率維持，持續的二次放電會引起太陽電池串的短路，造成太陽電池陣輸出功率的下降。

隨著航天器功率的增加，為了減少輸電過程中的損耗，通常采用高電壓供電(工作在100 V以上)，同時更大面積的太陽電池也逐漸應用于航天器太陽電池陣；所以高壓太陽電池陣的ESD防護需要高度關注，在設計上要防止高壓太陽電池組件間在高濃度等離子體環境下形成電流通路，從而導致太陽電池陣失效。本文試驗結果可提供高壓太陽電池陣靜電防護設計的有效措施，即：考慮太陽電池在實際貼片工藝過程中控制太陽電池組件并聯間隙；設計過程中合理控制相鄰太陽電池串壓差；太陽電池組件并聯間隙間涂敷硅橡膠，提高其二次放電閾值。

表5 試驗結果匯總Table 5 Summary of test results

3 結束語

本文針對LEO高壓太陽電池電路ESD閾值開展了試驗研究，設計了真空容器內模擬LEO等離子體環境試驗系統，采用無防護和涂膠防護的一次放電與二次放電試驗件，得到了無防護一次放電的電壓閾值為110 V，涂膠防護后電壓閾值為120 V，無防護試驗件發生二次放電的電壓閾值為150 V，涂膠防護后電壓閾值為160 V。上述結果表明：太陽電池組件串間涂膠防護能提高其ESD的閾值，二次放電與太陽電池串輸出電流也有直接關系。建議設計高壓太陽電池陣時考慮ESD的影響，設計過程中合理控制相鄰太陽電池串壓差及太陽電池組件的電流，合理設計太陽電池組件并聯間隙，在太陽電池組件并聯間隙間涂敷硅橡膠等，以提高其ESD閾值。