高压太阳电池阵静电放电产生脉冲信号的特性研究

李存惠，柳青，杨生胜，苗育君，郑阔海，秦晓刚



高压太阳电池阵静电放电产生脉冲信号的特性研究

李存惠1，柳青2，杨生胜1，苗育君1，郑阔海1，秦晓刚1

（1．兰州空间技术物理研究所真空技术与物理重点实验室；2．兰州空间技术物理研究所空间环境材料行为及评价技术重点实验室：兰州730000）

研究高压太阳电池阵静电放电产生脉冲信号的特性，有助于深入了解太阳电池阵充放电形成机制。在试验中，利用电子枪模拟GEO空间带电环境，辐照太阳电池样品表面。利用电流探头CT-2、单极子天线和数字存储示波器测量静电放电所产生的脉冲电流、辐射电场并记录其波形。试验结果表明：太阳电池在静电放电过程中产生了脉冲宽度为几μs的瞬态电流，其峰值幅度为几A；辐射电场的脉冲信号持续时间几百ns至几个μs，其峰值幅度达数百V/m。脉冲信号的时域特征表现为脉冲群，其波形具有陡峭的前沿，能量分布的频率范围主要集中在0.1～50 MHz之间。最后根据上述研究对在轨静电放电测试仪的设计提出建议。

太阳电池阵；静电放电；辐射电场；试验研究；时域分析；频域分析

0 引言

航天器充放电效应通常会引发故障，严重威胁其在轨安全运行。2007年，NASA进行了故障统计，在326起空间环境引发的卫星故障中，充放电效应占54.2%[1]。

航天器太阳电池阵由太阳电池、玻璃盖片、聚酰亚胺薄膜、金属互连片以及基底材料等组成[2]。在空间带电环境中，这些单元以不同的速率充电，从而产生差异电位，可导致在玻璃盖片、互连片与基底材料三者的结合区产生静电放电。过去，GEO航天器采用低压太阳电池阵，空间静电放电（SESD）一般不会对太阳电池阵基板结构产生损伤；但随着高电压太阳电池阵的应用，时常发生SESD所致的太阳电池阵损伤事件[3-6]，由此，SESD问题已引起高度重视。

SESD会产生高电压、强电场、瞬态大电流，脉冲电流的上升沿时间甚至小于1ns，并伴随有强电磁辐射，形成ESD电磁脉冲。ESD电磁脉冲可以直接进入电子设备或者通过孔缝、线缆等耦合作用进入设备内部的敏感电路上，引起敏感电路的翻转、损坏，严重影响卫星在轨安全[4]。因此，研究SESD产生的脉冲信号特征对于监测、控制和抑制静电放电具有重要的意义。

1 设备、材料与方法

太阳电池静电放电试验在SCF-900航天器带电综合模拟试验装置中进行。试验中，采用聚四氟乙烯材料将太阳电池样品与真空室绝缘隔离，并通过电容接地；另外，真空室壁、太阳电池结构均直接接地。当真空度优于8.0×10-4Pa时，开启电子枪电源，对太阳电池样品进行辐照以使其表面充电，当累积电荷产生的电位超过阈值时就会产生静电放电。电子枪束流密度选用1.0nA/cm2，电子能量为20keV，以模拟GEO恶劣的带电粒子环境。太阳电池表面电位采用非接触式电位计（TREK 341HV）测量，电子束流密度采用自制的法拉第杯和微电流计（KEITHLEY 6517B）测量。选用GaAs太阳电池样品，单块电池的外形尺寸为30.6 mm×40.3 mm，以2×3形式组成电路，即2组电路的每一路由3块电池串联，相邻电池间距为0.9mm。太阳电池样品见图1，采用碳纤维铝蜂窝基板，互连片材料为银。

图1 放电试验用太阳电池样品

太阳电池静电放电试验电路原理见图2。试验采用Agilent E4360电源为太阳电池样品供电，其电压选用100V，为GEO卫星一次电源的输出电压。为了减小由大电流引起的发热，在电路中接入一个限流电阻R；试验样品通过电容C与地连接；A1、A2为Keithley 2400数字万用表，用来监测电路内的电流；Tektronix CT-2电流探头的伏安输出特性为1mV/mA，带宽为1.2kHz～200MHz，测量范围0～36 A，用以监测太阳电池静电放电产生的传导耦合电流；将自制的单极子天线放置在距太阳电池样品10cm处，并与静电放电辐射电场入射方向平行，利用它将辐射电场信号转化为脉冲电压信号，再输出给TerkDPO4104数字示波器；每隔10 min的时间，利用三维伺服传动机构将TREK 3450E非接触式电位计探头移至太阳电池样品上方（距离2cm），以监测样品不同区域的表面充电电位直至充电电位达到平衡[7]。

图2 太阳电池静电放电试验电路原理

2 太阳电池阵静电放电试验研究

2.1 表面电位与放电频度

如前述，电子能量20keV，束流密度1.0nA/cm2。试验结果表明，玻璃盖片表面和基底表面充电电位显著不同（见表1），两者之间产生的电位差可导致SESD。

表1 太阳电池样品表面充放电

2.2 脉冲电流的时域、频域波形

在本试验中，太阳电池样品发生静电放电时，产生的瞬态电流脉冲宽度为几μs，其峰值幅度为几A，同时伴有光、热等现象。放电过程是盖片表面充电静电能的释放过程，放电电流脉冲的波形特征类似于衰减振荡，呈现形式为幅度逐渐衰减的振铃波，如图3所示。由于空间静电放电持续时间极短，放电过程中释放的热量不足以使电池产生热击穿，所以不会使太阳电池瞬间失效。但是研究表明，多次的一次放电将造成太阳电池性能衰退，影响程度与放电点的位置有关。

图3 太阳电池发生静电放电时的脉冲电流波形（时域）

使用MatLab软件工具编写程序对空间静电放电4μs内10000个点的时域数据（示波器采样率2.5GHz，采样间隔0.4ns）进行快速傅里叶变换（FFT）。通过计算得到了该次静电放电脉冲电流的幅度谱，如图4所示，可见，太阳能电池产生静电放电时脉冲电流的能量主要集中在30MHz以下频段。

图4 静电放电时的脉冲电流幅度谱（频域）

2.3 辐射电场的波形

静电放电辐射电场探测装置由脉冲电场探头、数据采集电路和数字示波器组成。其中脉冲电场探头为单极子天线，可将静电放电辐射电场转换为脉冲电压信号[8-10]。当电场强度为i的电场脉冲以角入射到长度为的单极子天线上时，则有

其中：oc()为等效电路的源电压，等于天线的开路电压L()；e为天线的有效长度，对于单极子天线，e为/2。

利用自制的单极子接收天线对太阳电池静电放电辐射电场进行了测试，其有效长度为50 mm。图5所示的是静电放电时的辐射电场波形（时域），图6是静电放电时的辐射电场幅度谱（频域）。由图可以看出，辐射电场呈现衰减振荡现象，其振荡幅度约为几百V/m；从频域上看，辐射电场的能量主要分布在50 MHz以下，相比脉冲电流，能量分布的频率范围有所增加。

图5 静电放电时的辐射电场波形（时域）

图6 静电放电时的辐射电场幅度谱（频域）

3 与在轨实测数据的比较分析

在轨实测航天器静电放电事件的统计数据表明[11-12]，频率在0.1～100 MHz的放电脉冲占大多数，其中脉冲频率在10～30 MHz附近为最强。SCATHA卫星监测结果表明[13]，放电脉冲分布集中的频率范围为5～32 MHz，电压振荡的幅值范围为0.08～30.1 V。

由2.3节可知，太阳电池阵静电放电产生辐射电场时域波形在不同测试点处（与放电源之间的距离不同）存在一定差异。在距离放电点10 cm处测试得到的ESD辐射电场能量主要分布在50 MHz以下，且随着测试点距离的增加，同一放电产生的辐射电场强度随之降低。

从连续统计的多次太阳电池阵静电放电结果以及国外的实测数据来看，静电放电脉冲信号分布的主要频率范围为0～50 MHz，因此，星载静电放电测量仪器的采样率须达到100 MHz量级[14-15]，才可以完整地记录放电脉冲波形。考虑到记录脉宽从几十ns至几μs的完整波形将产生大量的数据，这会带来处理时间和传输带宽的大量增加；因此，出于星上资源的限制，星载静电放电测试类仪器仅限于对放电信号的典型特征参数进行测量。

4 结论

通过静电放电地面模拟试验对高压太阳电池的放电特性进行了研究，得到如下结论：

1）静电放电的脉冲电流时域波形呈现为幅度逐渐衰减的振铃波特征，脉冲电流宽度为μs量级，幅度为A量级。

2）静电放电产生的辐射电场能量分布范围主要集中在50 MHz以下。

3）适用于空间搭载的静电放电类测量仪器在置入被测环境后对被测参量的影响应尽量小，测试系统的采样率应要求在100MHz量级。

（References）

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（编辑：肖福根）

Characteristics of electrostatic discharge signal on the high voltage solar array

LI Cunhui1, LIU Qing2, YANG Shengsheng1, MIAO Yujun1, ZHENG Kuohai1, QIN Xiaogang1

(1. Science and Technology on Vacuum Technology and Physics Laboratory, Lanzhou Institute of Space Technology Physics;2. Science and Technology on Material Performance Evaluation in Space Environment Laboratory, Lanzhou Institute of Space Technology Physics: Lanzhou 730000, China)

This paper studies the characteristics of the time and frequency domains of solar arrays during electrostatic discharge, to improve the understanding as well as the technical support of the charge-discharge mechanism of solar arrays. In the test, the main structure of the solar arrays is isolated from the ground of the vacuum chamber and an electron gun is used to simulate the electrified environmental extremes in the geostationary earth orbit. Specimens are electronically irradiated and charged by the electron gun. The current strength and shape are recorded, as well as the electrical field, by the monopoles, the CT-2 current detector(1mV/mA) and the TerkDPO4104 digital storage oscilloscope. The electrostatic discharge is initiated by the electrostatic potential of the surface charged solar arrays. A transient current is activated during the discharge and its pulse width reaches 10-6s. A degraded ring-wave current can be observed and the detected pulse peak reaches several Amperes. The solar array electrostatic discharge field sustains from 10-7to 10-6s. The irradiation field strength is 103V/m and the spectrum ranges up to 102MHz. A pulse cluster is the characteristics of the solar array time domain, showing a steep-front, with the frequency ranging from 0.1~50MHz. Suggestions are made accordingly with regard to the property of onboard ESD test instruments.

solar array; electrostatic discharge; radiation field; test study; time-domain analysis; frequency-domain analysis

V442; V416.5

A

1673-1379(2017)02-0190-05

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.02.014

2016-08-20；

2017-03-07

国家重点基础研究发展计划项目（973计划）（编号：613211）

李存惠（1984—），男，硕士学位，主要从事空间环境效应及在轨监测技术研究工作。E-mail: 187396610@qq.com。

http://www.bisee.ac.cn

E-mail: htqhjgc@126.com

Tel: (010)68116407, 68116408, 68116544