高压砷化镓太阳阵ESD效应及防护技术研究

摘要

随着对能源系统要求的提高，未来航天器太阳电池阵电源系统将朝着大功率、高电压的趋势发展，特别是GEO轨道(地球同步轨道)的通讯卫星将普遍采用高压砷化镓太阳电池阵作为主要能源。然而，工作电压的提高增加了太阳电池阵与空间带电环境的耦和机会，出现了由于空间静电放电(SESD)引起的新的失效模式。因此，必须针对高压太阳电池阵的静电放电机理进行深入研究，探寻相应的防护技术，以确保大功率航天器高可靠、长寿命在轨运行。 本文分析了高压砷化镓太阳电池阵在空间等离子体环境中的充放电效应问题，着重讨论了GEO轨道(地球同步轨道)中高压砷化镓太阳电池阵静电放电和二次放电的产生过程。研究结果表明，太阳阵在亚磁暴期间发生等离子体充电，不同表面材料间存在充电速率差异，形成电位差，当玻璃盖片与基板之间的电位差大于300V时，就会导致ESD(静电放电)事件的发生。虽然空间静电放电本身没有足够的能量损坏太阳电池阵，但当太阳电池阵串间电压超过70V阈值电压且串电流达到1.8A以上时，一次放电就会诱发高压太阳阵发生二次弧光放电，而二次弧光放电则对太阳电池阵有致命影响，导致材料热解、熔化，进而造成电源系统永久性短路。 通过对高压砷化镓太阳电池阵ESD效应的分析研究，有针对性地总结出高压太阳电池阵抗ESD的防护技术： a)在太阳电池玻璃盖片表面蒸镀金属氧化物涂层； b)控制太阳电池阵串间电压在70V以下； c)减小太阳电池串电流，使串电流低于1.8A； d)在太阳电池片间填涂RTV胶。 通过地面模拟试验，模拟了高压太阳电池阵所处的空间带电环境，再现了高压太阳电池阵静电放电及其诱发二次放电的发生过程，对高压大功率太阳电池阵抗静电放电能力进行了评价。对比试验表明，未采取措施的高压砷化镓太阳阵样品出现了二次放电过程，造成永久性损坏；相同条件下，采取防护措施后未发生二次放电现象，试验后样品完好。

目录

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第一章 引言

1.1 航天器电源系统的发展概况

1.1.1 电源功率需求的发展总趋势

1.1.2 国外高压太阳阵的应用

1.1.3 国内高压太阳阵的应用

1.2 高压砷化镓太阳阵抗ESD研究的必要性

1.2.1 SESD引起的新失效模式

1.2.2 地面模拟试验情况

1.2.3 我国开展抗ESD研究的必要性

第二章 高压砷化镓太阳阵ESD效应研究

2.1 GEO轨道的空间环境

2.2 等离子体充电效应分析

2.2.1 等离子体中不同粒子的充电作用

2.2.2 地影区的充电效应

2.2.3 光照区的充电效应

2.2.4 太阳阵表面的不同充电情况

2.3 静电放电效应分析

2.3.1 静电放电的诱因

2.3.2 太阳电池阵的结构

2.3.3 高压太阳阵的ESD形成机理

2.4 高压太阳电池阵二次放电效应

2.4.1 高压太阳阵的二次放电机理分析

2.4.2 高压太阳阵的二次放电试验

2.5 太阳阵与环境的相互作用

第三章 高压砷化镓太阳阵抗ESD防护技术

3.1 高压砷化镓太阳阵ESD失效的触发因素

3.1.1 触发因素分析

3.1.2 二次放电的触发条件

3.2 高压砷化镓太阳阵ESD防护技术

3.2.1 防护技术分析

3.2.2 防护措施

3.2.3 防护措施的有效性评价

第四章 结论

参考文献

参加科研情况说明

附录A 名词解释

致谢