LEO航天器高压大功率太阳电池阵静电放电试验与分析



LEO航天器高压大功率太阳电池阵静电放电试验与分析

1 引言

随着人类对空间环境的不断探索，航天器功率供给能力的需求越来越大，因此高压大功率太阳电池阵成为未来太阳电池阵的重要发展方向之一。低地球轨道(LEO)大功率航天器平台和空间太阳能电站的发展，对高压大功率太阳电池阵提出了更高的要求。LEO航天器处于稠密的等离子体区域，当高压大功率太阳电池阵电压超过一定阈值时，太阳电池阵与等离子体相互作用更易发生静电放电(ESD)现象。静电放电现象会引起弧光放电，从而导致太阳电池阵局部或整体失效[1]。1997年，劳拉空间系统公司的4颗通信卫星由于静电放电引起弧光放电，导致太阳电池阵输出功率减少20%以上[2]，造成卫星的功率裕度大幅度降低。因此，为提高LEO航天器高压大功率太阳电池阵设计的可靠性，应开展静电放电现象研究，明确产生静电放电的原因。

一次放电(Primary Discharge)也称为触发放电(Trigger Discharge)，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”。在LEO航天器高压大功率太阳电池阵静电放电研究中，一次放电和二次放电电压阈值的确定，不但对太阳电池阵的设计至关重要，而且对航天器母线电压的选取具有参考价值。目前，国内外对于上述电压阈值的研究，主要是通过搭载试验和地面模拟试验进行的。文献[1]中介绍了NASA在航天飞机STS-62飞行任务中进行的搭载试验，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静电放电和电流收集的影响。文献[3]中研究了LEO等离子体环境引起的高压大功率太阳电池阵电弧放电现象，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。上述文献主要集中在高压大功率太阳电池阵静电放电现象与空间环境关系的研究，并未涉及一次放电和二次放电的电压阈值。文献[4-8]中通过地面模拟试验研究了静电放电现象，获得了高轨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。本文对LEO航天器高压大功率太阳电池阵静电放电电压阈值进行研究，获得了LEO等离子体环境下高压大功率太阳电池阵阈值电压对静电放电的影响，可作为母线电压的选取依据，也可作为高压大功率太阳电池阵防护设计的参考依据。

2 静电放电试验

2.1 静电放电试验装置

静电放电试验装置如图1所示。太阳电池阵试件悬挂于真空罐内，真空罐旁安放有等离子体源；太阳电池阵试件附近装有等离子体探针，用于探测真空罐内的等离子体浓度，模拟LEO等离子体环境。试验采用微波电子回旋共振(ECR)型等离子体源，等离子体浓度为5×1011～5×1012m-3，电子温度为1.5 eV。利用Nikon Eclipse Lv150相机对放电现象进行事后拍摄，以确定放电位置、放电情况和发生放电时太阳电池串的间隙。

图1 静电放电试验装置Fig.1 Electrostatic discharge test device

图2和图3为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。其中：CP1～CP4为电流测量探头(霍尔电流传感器)，用于测量试件放电脉冲信号，CP4监测静电放电，CP1～CP3监测太阳电池串回路中的电流情况，以判断是否发生放电现象；电阻R1为模拟基板高阻接地的保护电阻；电源Vb模拟航天器带电，Rb为Vb的限流电阻，起保护作用。图2中，Cb为模拟航天器本体与周围等离子体环境的电容。图3中，直流电流源I1和电压源V2用于模拟太阳电池阵产生的电能；电容Cext、电阻Rext和电感Lext的作用是模拟静电放电波形；C1，C2，C3为太阳电池阵补偿电容，C1为串间补偿电容，C2和C3分别为夹层补偿电容；可变负载RL模拟航天器负载；二极管D1，D2，D3用于防止放电电弧对器件的损坏。在图3中，未发生放电电弧时，电流流经I1、上电池串、可变负载RL和下电池串，再回到I1，此时由于V2低于RL端电压，电流不流过V2；当产生放电电弧时，放电电弧造成上下电池串短路，此时串间电压将低于V2两端电压，所有电流将由I1流向起始燃弧位置。

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

2.2 静电放电试件

静电放电试件由一次放电试件和二次放电试件组成。针对可能出现的一次放电现象，设计了1组6串3并的一次放电试件。由于二次放电现象通常发生在串间，因此设计了6组9串2并的二次放电试件，确保二次放电试验可以充分模拟在轨的放电模式。静电放电试件的防护措施采用加宽太阳电池串并联间隙的方式。

1)一次放电试件

试件尺寸为184.0 mm×247.0 mm，布贴有6串3并的无防护三结砷化镓太阳电池组件，电池布局如图4所示。电池组件使用尺寸为40.0 mm×30.3 mm的叠层三结砷化镓太阳电池。

图4 一次放电试件布局及实物图Fig.4 Layout and sample of primary discharge specimen

2)二次放电试件

6组试件如表1所示。试件尺寸均为142.0 mm×340.0 mm。每组布贴有9串2并的三结砷化镓太阳电池组件，电池布局如图5所示。电池组件使用尺寸为40.0 mm×30.3 mm的叠层三结砷化镓太阳电池。

表1 二次放电试件

图5 二次放电试件布局及实物图Fig.5 Layout and sample of secondary discharge specimen

3 静电放电试验结果及分析

3.1 一次放电试验结果及分析

在一次放电试验中，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，通过逐步提高一次放电试件接地偏压来确认试件产生一次放电的电压阈值。试验中，重点对电池片间、串间的一次放电现象进行观测。如果在试件的太阳电池电路(图2的CP4)上监测到峰值不低于0.5 A、持续时间不少于5 μs的电流脉冲，则认为试件上发生一次放电现象。

一次放电试验选用-60 V作为起始电压，等待1.5 h，如果发生一次放电，则试验结束；如果未发生一次放电，则将接地偏压减小5 V，继续等待1.5 h。按照以上步骤进行试验，当接地偏压达到-95 V时，发生一次放电现象，一次放电试验波形如图6所示。通道Ch1～Ch4获得图2中电流探头CP1～CP4的数据，分别对应曲线①～④，表示静电放电发生时各部位的电流特性。曲线①说明静电放电发生在N极附近的电池片上。曲线④用于表征静电放电发生时释放的补偿电容(图3中的C1)中的电量。曲线①与④的放电电流值基本一致，说明静电放电的电量主要是由电池片导电部位释放的电荷形成的，根据电流方向可知，放电过程是向空间发射电子。曲线②和③用于表征电池串间的放电，可以看出，串间没有发生静电放电。

图6 一次放电试验波形Fig.6 Waveform of primary discharge test

使用Nikon Eclipse Lv150相机对一次放电试件拍照。多次试验结果表明，一次放电多发生在三交结区，一次放电过程可归纳如下。

(1)光照后，空间环境的等离子体对玻璃盖片进行正电流充电，使玻璃盖片的电势升高；空间环境的等离子体对互连片进行负电流充电，使互连片的电势降低。

(2)玻璃盖片和互连片之间存在电势差，导致交结区附近形成电场。

(3)在电场的作用下，互连片表面多次释放出电子，电子轰击玻璃盖片侧面。

(4)随着电场放电电流的剧增，在玻璃盖片侧面的轰击电子数量也增加。与此同时，玻璃盖片侧面吸附的气体脱离，形成薄薄的气体层。气体层电离放电，互连片附近的放电电流的正电荷流向互连片。玻璃盖片周围蓄积的电荷将放电等离子体的电子中和。

通过放电使玻璃盖片上的电荷被中和，而等离子体的离子使玻璃盖片的表面再次处于带电状态，重复(1)～(4)的过程。

一次放电时间极短，放电过程中产生的热量不会导致电池热击穿，所以不会使太阳电池片瞬间失效。但是研究表明，多次的一次放电可能会造成太阳电池阵的性能衰退，影响程度与放电点的位置有关。

3.2 二次放电试验结果及分析

在二次放电试验中，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。

1)电池串并联间隙1.0 mm

在试验中，串间电压达到130 V时发生二次放电，如图7所示。通道Ch1～Ch4获得图3中电流探头CP1～CP4的数据，分别对应曲线①～④。曲线②和③的数据相结合，可以判断串间是否发生二次放电。曲线②表明，太阳电池串间电流基本保持稳定，而曲线③在曲线④出现脉冲尖峰后下降，说明电池串输出电流在该时刻并未输出到模拟负载端(RL)，却因串间出现的电弧具有阻抗而被短路分流。根据曲线②和曲线③的电流特性可知，这种下降过程持续约90 μs，而曲线④的脉冲宽度约为120 μs，因此该二次放电并未产生自持，而是随静电放电的发生而开始，并在短时间内自行熄灭。

使用Nikon Eclipse Lv150相机对试件拍照，得到二次放电位置的并联间隙为1.1 mm，该位置上有明显放电痕迹，实际放电位置串间电压为120 V，其他放电位置未出现明显放电痕迹。

图7 1.0 mm并联间隙时二次放电波形Fig.7 Waveform of secondary discharge at 1.0mm gap

2)电池串并联间隙1.5 mm

在试验中，串间电压达到143 V时发生二次放电，如图8所示。通道Ch1～Ch4获得图3中电流探头CP1～CP4的数据，分别对应曲线①～④。根据曲线②和曲线③可知，发生了二次放电，放电电弧持续的时间约为100 μs，此后曲线②约有300 μs时间下降至0，导致曲线③在这段时间内无法恢复至正常状态。结合曲线④可知，该二次放电仍然无法自持，但放电产生的电流脉冲对模拟太阳电池阵的电源产生影响(如曲线②所示)，从而引起太阳电池串在短时间内无法维持输出。

对二次放电试件外观的检查结果表明：试验后未发现太阳电池和玻璃盖片碎裂，但可以观测到较为明显的放电痕迹。

图8 1.5 mm并联间隙时二次放电波形Fig.8 Waveform of secondary discharge at 1.5mm gap

3)电池串并联间隙2.0 mm

在试验中，串间电压达到145 V时发生二次放电，如图9所示。通道Ch1～Ch4获得图3中电流探头CP1～CP4的数据，分别对应曲线①～④。根据曲线②和曲线③可知，发生了二次放电，放电电弧持续的时间约为120 μs，结合曲线④可知，该二次放电随即熄灭，因此放电电弧也无法自持。

使用Nikon Eclipse Lv150相机拍照后可知，二次放电位置的并联间隙为1.8 mm。

图9 2.0 mm并联间隙时二次放电波形Fig.9 Waveform of secondary discharge at 2.0mm gap

对二次放电的研究表明：一次放电时间极短，对太阳电池阵造成的损伤是偶发和少量的；由一次放电诱发的二次放电，才是导致太阳电池阵局部失效的原因，其可能的失效机理分析如下。

(1)在绝缘体、导体和等离子体三交结区产生微秒级的一次放电。

(2)玻璃盖片侧面吸附的气体脱离，形成薄薄的气体层，使发生静电放电的位置出现一个高浓度的等离子体区域。

(3)当串间的电势差高于阈值电压时，太阳电池电路的高电位和低电位之间的电流，流过高浓度的等离子体通路，持续时间一般为毫秒级，形成二次放电，其电能远高于一次放电。

(4)上述通路产生足够的电量，使太阳电池与太阳电池阵基板之间的材料发生热解，聚酰亚胺膜热解炭化留下一个低阻通路，太阳电池串电流流过此低阻通路形成闭环回路，导致太阳电池阵局部失效。

3.3 小结

对上述试验结果进行综合，如表2所示。在无防护措施(太阳电池串并联间隙1.0 mm)时，发生一次放电的阈值电压为95 V，且多发生在三交结区；当太阳电池串并联间隙由1.0 mm增大到2.0 mm时，二次放电电压阈值由120 V提高到145 V，可以明显地观测到放电痕迹。利用相机对试验后的试件拍照，对比可知：发生二次放电后的试件上并未发现太阳电池和玻璃盖片碎裂，但能够观测到较为明显的放电痕迹，这主要是因为电弧电流较低，燃弧的持续时间较短，燃弧的总电能较小，对试件的损伤程度较轻。随着电压阈值的进一步提高，如果发生放电自持，那么长燃弧时间和高电能会造成试件的大面积损伤，导致太阳电池串短路。对比一次放电和二次放电可知：产生一次放电的电压阈值比二次放电的电压阈值低，而且一次放电的影响较小，电能也较低。增大电池串的并联间隙，发生二次放电的电压阈值会显著地提高，因此增大并联间隙对防止二次放电发生具有明显的作用。

表2 试验结果

根据本文的研究结果，当已经确定母线电压时，可根据发生一次放电和二次放电的电压阈值，选取相应的电池串间隙。当母线电压较高、要采取措施防止静电放电发生时，可根据本文的试验结果选取相应的间隙。以母线电压100 V、并联间隙1.0 mm为例，当太阳电池阵输出电压大于100 V时，在无任何防护情况下，会发生一次放电，一次放电也可能引发二次放电，因此要采取适当的防护措施，包括提高电池串间隙来减少或避免由于静电放电导致太阳电池阵功率损失。根据试验结果，当间隙提高到1.5 mm时，发生二次放电的电压阈值为143 V，远高于母线电压100 V，因而可以减少静电放电的发生。

4 结束语

本文针对LEO航天器高压大功率太阳电池阵静电放电发生的机理、放电产生的电压阈值进行试验分析，研究了发生一次放电和二次放电的电压阈值与电池串并联间隙的关系，以及一次放电和二次放电对太阳电池片的损伤情况，分析了一次放电和二次放电产生的原因。试验研究结果表明：加宽并联间隙可以有效地提高二次放电电压阈值；在母线电压较高情况下，可根据上述试验结果选取相应的并联间隙，防止静电放电的发生。上述试验结果可为LEO高压大功率太阳电池阵的设计提供参考。

References)

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[3]贾瑞金，童靖宇，刘业楠.等离子体环境中的电弧放电研究[J].装备环境工程, 2006，3(6):18-21

Cao Ruijin, Tong Jingyu, Liu Yenan. Study on the arc discharge of HVSA in LEO plasma environment [J]. Equipment Environmental Engineering， 2006，3(6): 18-21 (in Chinese)

[4]李凯，王立，秦晓刚，等.地球同步轨道高压太阳电池阵充放电效应研究[J].航天器环境工程，2008，25(2):125-131

Li Kai, Wang Li, Qin Xiaogang, et al. The study on high-voltage solar cell array charging and discharging effects in GEO [J]. Spacecraft Environment Engineering, 2008, 25(2): 125-131 (in Chinese)

[5]Gaillot L, Fille M L, Levy L. Secondary arcs on solar array：test results of EMAGS 2 [C]//Proceedings of the 9th Spacecraft Charging Technology Conference. Tokyo：JAXA，2005：345-352

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(编辑：夏光)

朱立颖1乔明1刘业楠2陈琦1

(1 北京空间飞行器总体设计部， 北京 100094)(2 北京卫星环境工程研究所， 北京 100094)

为了避免低地球轨道(LEO)航天器的高压大功率太阳电池阵与等离子体相互作用而发生静电放电(ESD)现象，导致太阳电池阵弧光放电引起太阳电池阵失效，须要确定高压大功率太阳电池阵产生一次放电和二次放电的电压阈值。文章模拟LEO真空等离子环境，采用刚性基板三结砷化镓太阳电池试件，试验研究了LEO条件下发生一次放电和二次放电的电压阈值。试验结果表明：试件发生一次放电的电压阈值为95V；在提高电池串间隙时，发生二次放电的电压阈值由120V提高到145V。分析一次放电和二次放电的产生原因可知：一次放电主要发生在三交结区；二次放电是由电子轰击产生的，2.0mm间隙可以有效提高二次放电电压阈值。此研究结果可为LEO高压大功率太阳电池阵的设计提供参考。

低地球轨道航天器；太阳电池阵；静电放电；电压阈值

Test and Analysis on Electrostatic Discharge of High Voltage and High Power Solar Array for LEO Spacecraft

ZHU Liying1QIAO Ming1LIU Yenan2CHEN Qi1

(1 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering， Beijing 100094， China) (2 Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering， Beijing 100094， China)

The electrostatic discharge is caused by the interactions between high voltage and high power solar array and plasma in the LEO (low earth orbit) space environment. The arcing is caused by the electrostatic discharge which leads to the failures of the solar array. Thus, the threshold voltages of primary discharge and secondary discharge for a high voltage and high power solar array need to be determined. In the paper, the vacuum plasma environment in LEO is simulated to study the threshold voltages of primary discharge and the secondary discharge for high voltage and high power solar array. The triple-junction GaAs solar cell with rigid substrate specimens is used for the test. The test results show that the threshold voltage of primary discharge is 95V, and the threshold voltage of the secondary discharge increases from 120V to 145V with the increased gap of solar cell string. The primary discharge occurs mainly in the three-way cross junction region. Furthermore, the electron bombardment can be the cause of secondary discharge. The tests indicate that a 2.0mm gap can effectively improve the threshold voltage of secondary discharge in solar array. In a word, the study results provide a reference to the design of LEO high voltage and high power solar array.

LEO spacecraft； solar array； electrostatic discharge； threshold voltage

2014-04-11；

2015-06-18

国家自然科学基金(51407008)

朱立颖，女，博士，工程师，研究方向为航天器电源总体设计。Email：zhuliying0123@gmail.com。

V

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2015.04.011