低轨道高压太阳电池阵充放电效应试验

陈益峰，柳 青，杨生胜，秦晓刚，李得天

(兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，兰州730000)

低轨道高压太阳电池阵充放电效应试验

陈益峰，柳 青，杨生胜，秦晓刚，李得天

(兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室，兰州730000)

针对我国空间站采用的高压太阳电池，开展低轨道等离子体环境下高压太阳阵样品充放电效应试验，在实验室复现了高压太阳电池阵静电放电和二次放电现象。结果表明，高压太阳电池偏置电压为-70V时开始出现静电放电，且静电放电次数随着偏置电压的减小而增大，并在高密度的等离子体环境下更容易发生静电放电。当偏置电压为-100V，串间电压为80V时观测到了二次放电。

低轨道等离子体；高压太阳电池；静电放电；偏置电压；二次放电

0 引 言

随着人类空间活动规模的不断增加以及航天器功能的不断丰富，对航天器功率供给能力的要求也随之增加，因此空间使用大功率太阳电池已经成为必然趋势[1]。为降低能量传输损耗并减小电缆重量，空间太阳电池通常采用高工作电压来实现能源系统的功率提高，目前国际空间站太阳电池工作电压高达160V[2-3]，我国“天宫一号”工作电压已达100V，后续空间实验室的工作电压将更高。

空间环境是影响航天器在轨安全的重要因素[4-5]。在低地球轨道(Low Earth orbit, LEO)，空间的等离子体为电离层等离子体，其特性为高密度和低能量，称为冷稠等离子体。在冷稠等离子体作用下，采用高工作电压的空间实验室将产生收集电流增强、结构电位漂移和静电放电等复杂的充放电过程，将影响空间实验室多个舱段的交汇对接和航天员出舱安全，并将诱发太阳电池串间的二次放电，使得太阳电池烧毁，导致航天器功率损失甚至能源系统失效。

在高压太阳电池空间应用初期，国内外已开始关注低温稠密等离子体环境下的高压太阳电池静电放电与二次放电问题，开展了较多研究工作，为高压太阳电池的空间应用提供了有利支持。文献[6-7]主要针对高压太阳电池的电流收集增强效应进行了理论和试验研究，未涉及静电放电与二次放电效应，文献[8]研究了LEO轨道等离子体环境下高压太阳电池易发生静电放电位置，文献[9-10]对高压太阳电池放电后的性能参数进行评价分析，但上述文献未考虑等离子体环境等参数变化对高压太阳电池放电性能的影响。

本文针对LEO轨道环境特点和高压太阳电池工况，开展了高压太阳电池不同偏置电压(相对空间等离子体电位)、串间电压和不同等离子体参数下静电放电与二次放电试验研究，在实验室复现了LEO轨道高压太阳电池阵静电放电和二次放电现象，并获得不同工况和等离子体参数下高压太阳电池放电特性规律，对LEO轨道高压太阳电池的充放电效应防护研究具有非常重要的意义。

1 试验方法

静电放电是指空间等离子体与高压太阳电池相互作用，造成的太阳电池局部位置(主要为等离子体、玻璃盖片和互联片结合处)电弧放电现象；二次放电又称为持续放电，是指静电放电诱发的太阳电池串间放电现象，严重时将造成太阳电池阵基板之间的材料热解，并导致太阳阵电池串间永久性短路。

LEO轨道等离子体环境下高压太阳电池静电放电试验在兰州空间技术物理研究所空间等离子体带电效应模拟设备上进行，如图1(a)所示。低轨道等离子体环境由等离子体源产生的等离子体模拟，并由置于太阳电池附近的朗缪尔探针对等离子体的温度和密度进行监测。LEO轨道等离子体密度约为1010～1012m-3，温度为0.1～1eV，但由于航天器具有一定的轨道运行速度，导致等离子体与航天器的碰撞速度大于等离子体的热运动速度，因此地面试验中将等离子体温度选取为1eV，密度选取为1012m-3。

试验中使用我国空间站采用的GaAs高压太阳阵样品，样品基板为碳纤维铝蜂窝结构，基板上覆盖有Kapton膜作为基底绝缘材料，互联材料为银。通过电路将太阳电池分成两串，组成2×3结构。根据高压太阳阵工作原理，设计的高压太阳阵模拟试验电路如图1(b)所示。利用稳压稳流电源P1在太阳阵提供串间电压，利用高压电源P2提供偏置电压，图1(b)中：表V为电压表，监测回路内电压；T1、T2为电流探头，用来监测放电脉冲；C1、C2、C3为太阳电池阵对基板模拟电容；C4为卫星结构对空间的电容；L1为卫星结构对空间的电感；R为回路可调负载电阻；R1、R2为卫星结构电阻。

试验中高压太阳电池静电放电和二次放电测试主要采用电流探头和高速数字存储示波器相结合的方法实现放电脉冲波形的测试，并利用CCD相机对放电现象进行采集。

2 试验结果与分析

2.1 静电放电试验研究

本文采用等离子体源产生能量为1eV，密度为2.7×1012m-3等离子体，调节直流电源P2设置太阳电池阵样品偏置电压(-100～0V，步进为10V)，从而研究不同高压太阳电池偏置电压下的静电放电现象。试验结果表明，当偏置电压为-70V时高压太阳电池开始出现静电放电，放电波形如图2所示。

图3描述的是偏置电压分别为-70V、-80V、-90V和-100V时，不同串间电压下高压太阳电池样品静电放电次数。

从图3可以看出，由于放电的随机性，虽然同一偏置电压时不同串间电压下高压太阳电池静电放电次数略有不同，但总体而言，高压太阳电池静电放电次数随偏置电压幅值的增大而增大。

在Mengu Cho建立的高压太阳电池三结合处(等离子体、玻璃盖片和互联片)静电击穿模型中[10]，认为当高压太阳电池偏置电位为负值时，空间低温稠密等离子体将在玻璃盖片等介质材料表面积累正电荷，如图4所示。金属互连片为负电位，因此将建立玻璃盖片至金属互连的电场，此时等离子体中离子与材料表面作用产生的二次电子将在该电场加速，并不断与附近材料作用产生更多次级电子，如此循环直至雪崩击穿，诱发静电放电。

随着金属互连片偏置电压幅值变大，将会在太阳电池玻璃盖片表面吸引更多的正电荷，造成“真空-互联-玻璃盖片”结合处的电场强度增强，同时互联片偏置电压越低将吸引更多的离子碰撞，产生更多次级电子，从而导致静电放电更容易发生。

对于LEO轨道，不同高度的轨道环境中等离子体温度均为10-1eV，而等离子体密度存在较大差异[7,10]，因此试验中还研究了等离子体密度对高压太阳电池静电放电的影响。如图5所示，试验研究了当等离子体密度为1.2×1012m-3，能量为1eV，偏置电压为-70V和-80V时的高压太阳电池静电放电特性。

从图5可以看出，高压太阳电池在偏置电压为-80V时的静电放电次数明显多于-70V的次数，这与图4中的研究结果一致。同时，比较分析不同等离子体密度下静电放电情况，当等离子体密度为1.2×1012m-3时太阳电池静电放电次数明显少于密度为2.7×1012m-3时。由此可知，高压太阳电池的静电放电次数随着等离子体密度的增加而增加，这主要是因为随着等离子体密度的增加，等离子体中更多的离子将与金属互联以及玻璃盖片发生碰撞，产生更多的次级电子，更容易诱发静电放电。

2.2 二次放电试验研究

在当偏置电压为固定值时，调节直流电源P1设置串间工作电压(50～160V，每隔10min增加10V)，用于研究高压太阳电池二次放电现象。从图4可以看出，串间工作电压的升高对高压太阳电池静电放电频率影响不大，但对二次放电的发生确是必须的。

当偏置电压为-100V，串间电压为80V时，试验中观测到了高压太阳电池二次放电现象，二次放电刚开始时如图6(a)所示。由于在频繁的静电放电诱发下，静电放电在高压太阳电池放电位置产生高浓度的等离子体。当太阳电池串间工作电压差高于阈值电压时，串间高电位和低电位之间的电流流动通过高浓度的等离子体通路产生能够维持毫秒数量级的二次放电。当通路产生足够高的能量使太阳电池之间或太阳电池与太阳电池阵基板之间的材料发生热解，并导致太阳阵电池串电路永久性短路，如图6(b)所示。因此太阳电池串间电压是产生二次放电的重要条件。

由试验结果可知，高压太阳电池静电放电次数随着偏置电压幅值增大而增加，因此应通过发射电子等电位控制方法提升高压太阳电池相对于空间等离子体的偏置电压，从而减少高压太阳电池静电放电次数；同时试验结果表明,高压太阳电池发生二次放电时的串间电压为80V，因此应将高压太阳电池的串间工作电压设计为80V以内，从而抑制高压太阳电池二次放电发生。

3 结 论

本文利用等离子体源模拟低轨道等离子体环境，完成了我国空间站采用的GaAs高压太阳阵样品充放电效应试验，研究了不同工况和等离子体参数下高压太阳电池放电特性，在实验室重现了高压太阳电池静电放电和二次放电现象，获得高压太阳电池产生静电放电最低偏置电压值和二次放电串间电压值。研究结果表明,高压太阳电池偏置电压为-70V时开始出现静电放电，且静电放电次数随着偏置电压幅值增大而增加，并在高密度的等离子体环境下更容易发生静电放电。在偏置电压为-100V，串间电压为80V时观测到了二次放电。研究结果有助于我国高压太阳电池防护优化设计和进一步空间应用。

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(编辑：牛苗苗)

Experimental Investigation on High-Voltage Solar Arrays Charging/Discharging Effect in Low Earth Orbit

CHEN Yi-feng, LIU Qing, YANG Sheng-sheng, QIN Xiao-gang, LI De-tian

(Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory, Lanzhou Institute of Physics, Lanzhou 730000, China)

This paper studies the charging/discharging effect of the high-voltage solar arrays of the Chinese space station in the low Earth orbit plasma environment experimentally, and the electrostatic discharge and secondary discharge have been measured in the lab. The results indicate that the biased-voltage of the solar arrays electrostatic discharge is -70V. The electrostatic discharge of the high-voltage solar arrays is observed to be more frequent when the biased-voltage decreases, and it easily occurs when the solar arrays in a higher density plasma environment. The secondary discharge has been measured when the biased-voltage is -100V and the string-voltage is 80V.

Low Earth orbit plasma; High-voltage solar arrays; Electrostatic discharge; Biased-voltage; Secondary discharge

2016-09-19;

2017-02-16

国家自然科学基金(11105063)

V416.5

A

1000-1328(2017)05-0550-05

10.3873/j.issn.1000-1328.2017.05.014

陈益峰(1981-)，男，博士，高级工程师，主要从事空间环境效应及防护技术研究。