空間用太陽翼電路部分隔離二極管應(yīng)用分析

王文強(qiáng)，陳 城，李 健，周 健，劉眾鑫，劉志強(qiáng)，楊洪東

（1.上海空間電源研究所，上海 200245；2.上海宇航系統(tǒng)工程研究所，上海 201108）

0 引言

空間用太陽翼電路部分是衛(wèi)星或探測器電源分系統(tǒng)重要單機(jī)，主要通過光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)將太陽光轉(zhuǎn)換為電能為整星供電。我國空間用太陽翼電路部分產(chǎn)品經(jīng)過多年發(fā)展，逐漸形成了以GJB2602、QJ1731A、QJ3019、QJ20328 等為代表的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，用于指導(dǎo)空間用太陽翼電路部分的設(shè)計(jì)與研制。在相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中涉及空間用太陽翼電路部分電路輸出隔離二極管的使用，僅規(guī)定了電路的輸出端需串聯(lián)隔離二極管與母線隔離。但是，太陽翼電路部分由若干數(shù)量的太陽電池串或太陽電池單元組成，太陽電池串或太陽電池單元的隔離二極管使用方式未作詳細(xì)規(guī)定。

目前，在軌空間用太陽翼電路部分太陽電池串或太陽電池單元隔離二極管的應(yīng)用有所差異，本文結(jié)合了某太陽翼電路部分的工程設(shè)計(jì)約束，說明了空間用太陽翼電路部分太陽電池串隔離二極管的具體設(shè)計(jì)方案。進(jìn)一步結(jié)合工程研制經(jīng)驗(yàn)，分析了不同情況下太陽翼電路部分太陽電池串隔離二極管選用分析及應(yīng)用建議，為相關(guān)科研人員提供參考。

1 隔離二極管安裝形式對比

1.1 二極管安裝規(guī)范符合性

針對空間用太陽翼電路部分隔離二極管的使用以及使用位置，歐標(biāo)ECSS-E-ST-20-08C、美標(biāo)AIAA S-112A-2013 均未做強(qiáng)制要求。查閱GJB 2602 要求太陽陣輸出端必須用隔離二極管彼此逆向隔離，即各子電路之間必須用隔離二極管進(jìn)行隔離。

1.2 二極管安裝形式

隔離二極管主要起隔離太陽翼電路部分和母線的作用［1-4］。因?yàn)槲词芄庹盏奶栯姵亟M件相當(dāng)于一串串聯(lián)在一起的二極管，它們以正向?qū)ǖ姆绞浇拥侥妇€上，在陰影期如果沒有隔離二極管把太陽翼電路部分和輸出母線隔離開，整個(gè)太陽翼電路部分就成為蓄電池組的負(fù)載。隔離二極管可以安裝在電源控制器的輸出端，也可以安裝在太陽電池串的輸出端，實(shí)現(xiàn)太陽電池串與母線或與其他太陽電池串的隔離作用。

太陽翼電路部分隔離二極管安裝形式通常有如下2 種：

1）每個(gè)子電路輸出端裝隔離二極管，單條太陽電池串不裝隔離二極管，具體如圖1 所示。

圖1 隔離二極管安裝形式1Fig.1 Design 1 for isolation dioxide installation

2）每個(gè)子電路輸出端裝隔離二極管，單條太陽電池串安裝隔離二極管，具體如圖2 所示。

圖2 隔離二極管安裝形式2Fig.2 Design 2 for isolation dioxide installation

1.3 隔離二極管安裝特點(diǎn)比較

太陽翼電路部分隔離二極管的使用共有以上圖1 和圖2 兩種方式，各有利弊，分析匯總?cè)缦隆?/p>

1）每個(gè)子電路輸出端裝隔離二極管，單條太陽電池串不裝隔離二極管。優(yōu)點(diǎn)：功率損失小，重量較輕，減少連接環(huán)節(jié)。缺點(diǎn)：當(dāng)太陽翼電路部分組件有遮擋時(shí)，在正向偏壓下有功率損耗，當(dāng)單串太陽電池正負(fù)極短路時(shí)會(huì)影響子陣的輸出。

2）每個(gè)子電路輸出端裝隔離二極管，單條太陽電池串裝隔離二極管。優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)太陽翼電路部分中組件有遮擋時(shí)，隔離二極管反向截止，無功率損耗：當(dāng)單串太陽電池正負(fù)極短路時(shí)，對子陣的輸出影響有限。缺點(diǎn)：隔離二極管有一定功率損耗，重量較重，增加連接環(huán)節(jié)。

2 太陽翼電路部分隔離二極管應(yīng)用分析

空間多數(shù)太陽翼電路部分主要承擔(dān)長期穩(wěn)定供電功能，對成熟度、可靠性要求較高［5-6］。部分太陽翼電路部分主要承擔(dān)較短時(shí)間、較大功率供電功能，質(zhì)量約束高。為此，對不同類型的空間太陽翼電路部分的隔離二極管選用開展分析工作。

2.1 高成熟產(chǎn)品隔離二級(jí)管應(yīng)用分析

高成熟太陽翼電路部分一般壽命較長，質(zhì)量約束較小（約為1.6～1.8 kg/m2）。太陽翼電路部分設(shè)計(jì)時(shí)需重點(diǎn)考慮母線電壓及工作壽命等因素，每個(gè)子電路之間推薦安裝隔離二極管。

以某高成熟太陽翼電路部分產(chǎn)品為例，質(zhì)量約束為1.7 kg/m2。根據(jù)機(jī)械接口確定太陽電池布局后，計(jì)算每條太陽電池安裝隔離二極管造成的功率總消耗約57 W，太陽翼電路部分功率輸出留有5%以上余量，滿足任務(wù)書技術(shù)要求。

采用隔離二極管后，在產(chǎn)品功能上實(shí)現(xiàn)了太陽電池串之間、各子電路之間的故障隔離功能。同時(shí)采用相同工藝安裝隔離二極管的太陽翼電路部分產(chǎn)品，已通過多次元器件級(jí)、部組件級(jí)地面長期環(huán)境試驗(yàn)及在軌長期驗(yàn)證，其工作溫度、通電電流、在軌壽命等條件均可以覆蓋本產(chǎn)品工況，故風(fēng)險(xiǎn)可控，每條太陽電池串輸出端安裝隔離二極管。

2.2 高工程約束產(chǎn)品隔離二級(jí)管應(yīng)用分析

高工程約束太陽翼電路部分一般在軌壽命短，設(shè)計(jì)約束嚴(yán)苛，質(zhì)量約束一般低于1.6～1.8 kg/m2，同時(shí)輸出功率要求相對在軌同類型產(chǎn)品技術(shù)要求更高。故設(shè)計(jì)時(shí)考慮到母線電壓等因素，可以在電源控制器實(shí)現(xiàn)每個(gè)子電路間故障隔離功能，太陽電池串間可以考慮不安裝隔離二極管。

以某高工程約束太陽翼電路部分為例，質(zhì)量約束低于1.5 kg/m2，相對同類型在軌產(chǎn)品質(zhì)量要求較為苛刻。考慮到高工程約束的太陽翼在軌可能存在遮擋，且發(fā)生遮擋時(shí)光照角一般較差，整器能量極為緊張的在軌工況，隔離二極管在工作時(shí)由于自身的電壓降，會(huì)引起供電能力降低2%～3%，這會(huì)降低太陽翼電路部分輸出功率裕度；同時(shí)，太陽翼在軌溫度較高，若采用每條太陽電池串聯(lián)隔離二極管的設(shè)計(jì)方案，增加了連接環(huán)節(jié)，隔離二極管溫度降額由Ⅰ級(jí)降低為Ⅲ級(jí)，可靠性降低。故在電源控制器實(shí)現(xiàn)每個(gè)子電路間故障隔離功能，并通過優(yōu)化組件及電纜布線等措施在降低質(zhì)量約0.4～0.5 kg后，最終太陽電池串間采用不安裝隔離二極管的設(shè)計(jì)方案。

3 太陽翼電路部分無隔離二極管地面驗(yàn)證

針對太陽電池串間未安裝隔離二極管的情況，在地面開展了相應(yīng)驗(yàn)證工作。

3.1 地面試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1.1 遮擋工況I-V曲線測試

高工程約束的太陽翼電路部分的設(shè)計(jì)減少了隔離二極管的故障模式，但需要考慮同一個(gè)子陣內(nèi)部分太陽電池串受遮擋時(shí)的影響。為此，針對單條太陽電池串不裝隔離二極管的設(shè)計(jì)狀態(tài)，開展了遮擋對太陽翼電路部分輸出性能影響的試驗(yàn)。

試驗(yàn)件為21 串×8 并砷化鎵太陽翼電路部分，試驗(yàn)分為兩部分進(jìn)行：一部分是每串太陽電池的正極均串聯(lián)一個(gè)隔離二極管，在隔離二極管的輸出端進(jìn)行并聯(lián)，每串太陽電池的負(fù)極并聯(lián)引出；另一部分是每串太陽電池的正極不串聯(lián)隔離二極管，直接并聯(lián)輸出，每串太陽電池的負(fù)極并聯(lián)引出。試驗(yàn)輸出數(shù)據(jù)見表1 和表2。

表1 串聯(lián)隔離二極管輸出性能匯總表Tab.1 Outputs of solar cell circuit with isolation dioxide

表2 未串聯(lián)隔離二極管輸出性能匯總表Tab.2 Outputs of solar cell circuit without isolation dioxide

當(dāng)串聯(lián)隔離二極管后，無論是遮擋部分太陽電池還是遮擋整并太陽電池，電流輸出只損失被遮擋的太陽電池組件電流。

當(dāng)太陽翼電路部分不串聯(lián)隔離二極管時(shí)，無論是遮擋部分太陽電池還是遮擋整并太陽電池，電流輸出只損失被遮擋的太陽電池組件電流，但是整個(gè)電路的VOC和Vmp會(huì)因?yàn)槭苷趽醪?shù)增加而減小。這是由于被完全遮擋的太陽電池組件此時(shí)成為了負(fù)載，在正向偏壓下有功率損耗。

3.1.2 遮擋工況電流、電壓試驗(yàn)

為量化在遮擋工況下采用單條太陽電池串不裝隔離二極管設(shè)計(jì)的輸出性能影響，利用加熱平臺(tái)對待測太陽電池進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，在極限高溫146 ℃下，以10 片太陽電池為樣品，測量其受遮擋時(shí)的正向電流，具體數(shù)據(jù)見表3。

表3 受遮擋太陽電池在不同電壓下的正向電流Tab.3 Forward current of solar cell circuit under shadow condition at different voltages

高工程約束太陽翼電路部分太陽電池平均工作點(diǎn)電壓約為1.4～1.5 V，太陽電池在146 ℃的正向電流約為1.0～3.0 mA，不到其無遮擋時(shí)發(fā)電能力的1%，功率損耗可以忽略不計(jì)。長期遮擋狀態(tài)下每片受遮擋太陽電池的熱耗平均不超過5 mW，無過熱風(fēng)險(xiǎn)。

為進(jìn)一步減少全遮擋工況下太陽電池串在正向偏壓下對性能的影響，采用太陽電池制作成1 條太陽電池串，全過程遮擋并持續(xù)施加45.60 V 正向電壓，平均每片分壓1.69 V（覆蓋高工程約束太陽翼電路部分太陽電池平均工作點(diǎn)電壓約為1.40～1.50 V）。試驗(yàn)過程持續(xù)1 個(gè)月，過程中多次對太陽電池串電性能進(jìn)行測試，在持續(xù)施加正向偏壓45.60 V 1 d、1 周及1 個(gè)月后，太陽電池串電性能均在測試誤差范圍內(nèi)波動(dòng)，無明顯衰降現(xiàn)象，具體數(shù)據(jù)見表4。

表4 試驗(yàn)件太陽電池串電性能測試匯總表Tab.4 Results of electric performance tests for sample solar cell circuit

3.2 無隔離二極管故障模式分析

當(dāng)太陽翼電路部分中組件有遮擋時(shí)，在正向偏壓下有功率損耗，該方面已通過試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。無隔離二極管的故障隔離功能，單串太陽電池存在短路時(shí)會(huì)影響子陣或子組件單元的輸出。在子陣方面主要通過安全間距控制和二次絕緣控制，在子組件單元方面仍需開展設(shè)計(jì)。

電源分系統(tǒng)控制方式有DEV、MPPT 等多種電路。部分電路控制方式存在開路工況，此時(shí)在無串間隔離保護(hù)措施的前提下，其某一串太陽電池開路電壓低于其他串時(shí)，與其并聯(lián)的太陽電池串的電流就會(huì)流入該串。開路電壓較低的電池串工作在第四象限（如圖3 所示），成為其他電池串的負(fù)載。受加載在電池串上的功耗影響，溫度升高，溫升導(dǎo)致輸出電壓降低，電壓差ΔV變大。其他電池串加載在該電池串上的倒灌電流隨即增大，電流增大加載在電池串上的功耗增加。若產(chǎn)生的熱量與散熱平衡，溫度將不再升高；若產(chǎn)生的熱量與散熱不平衡，熱量沒有及時(shí)散出，溫度將繼續(xù)升高，串間壓差繼續(xù)增大，電流繼續(xù)增大，形成正反饋，最終熱失效。

圖3 I-V 曲線示意圖Fig.3 I-V curve simple

3.3 無隔離二極管產(chǎn)品安全措施

未采用隔離二極管的高工程約束太陽翼電路部分設(shè)計(jì)過程中采取如下安全間距控制措施：1）正面正負(fù)端組件連接片最小間隙控制滿足規(guī)范的要求；2）功率終端電連接器接點(diǎn)設(shè)計(jì)上采用正負(fù)接點(diǎn)隔離設(shè)計(jì)；3）固定夾、電纜支架的綁扎點(diǎn)、基板棱邊進(jìn)行二次絕緣，基板采用高阻接地；4）不同太陽電池串串聯(lián)數(shù)相同，盡量選擇電壓相近的太陽電池制作組件；5）同一太陽電池組件單元內(nèi)盡量降低并聯(lián)數(shù)目，減少由于電壓差形成反灌進(jìn)而造成發(fā)熱失效。

3.4 產(chǎn)品在軌飛行驗(yàn)證

本節(jié)介紹的高成熟度和高工程約束太陽翼電路部分均完成了飛行任務(wù)，經(jīng)實(shí)時(shí)監(jiān)控在軌太陽電池電流遙測輸出正常，進(jìn)一步說明了太陽翼電路部分隔離二極管設(shè)計(jì)的正確性，以及無故障隔離二極管安全措施的有效性，部分遙測如圖4 和圖5所示。

圖4 某#1 產(chǎn)品在軌輸出電流Fig.4 On-orbit output current of Product#1

圖5 某#2 產(chǎn)品在軌輸出電流［7］Fig.5 On-orbit output current of Product#2［7］

4 不同情況隔離二極管應(yīng)用建議

4.1 電路工作方式

電路DEV 存在開路工況或電路存在MPPT 開路分流工況，隔離二極管能避免由串間電壓差導(dǎo)致倒灌進(jìn)而可能誘發(fā)的熱失效。

電路采用MPPT 模式，同一子電路中各太陽電池串聯(lián)數(shù)目不同且每條太陽電池串聯(lián)隔離二極管，會(huì)造成I-V曲線存在拐點(diǎn)，可能導(dǎo)致最大功率點(diǎn)追蹤誤判。

4.2 在軌環(huán)境與母線電壓

在復(fù)雜未知環(huán)境或高母線電壓條件下不采用隔離二極管則沒有串級(jí)故障隔離功能，可能由二次放電等引發(fā)太陽電池單元或子電路級(jí)失效，進(jìn)而對整星供電安全造成影響。

4.3 工作溫度與循環(huán)次數(shù)

近年來地面已有較寬溫度范圍（約-160～+150 ℃）、較長壽命考核（1 000 次以上）的隔離二極管試驗(yàn)驗(yàn)證。但是在寬溫度范圍、高溫度循環(huán)次數(shù)的服役環(huán)境下，隔離二極管地面試驗(yàn)及工藝可靠性驗(yàn)證難度較高，可以考慮加強(qiáng)安全措施不安裝隔離二極管。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合空間太陽翼電路部分產(chǎn)品的工程設(shè)計(jì)約束與地面試驗(yàn)情況，分析了隔離二極管應(yīng)用原因及控制措施。相應(yīng)產(chǎn)品在軌成功穩(wěn)定服役，進(jìn)一步驗(yàn)證了太陽翼電路部分隔離二極管選用設(shè)計(jì)的正確性。本文結(jié)合近年來工程研制經(jīng)驗(yàn)，提出了不同情況下太陽翼電路部分隔離二極管應(yīng)用建議，為我國空間電源領(lǐng)域工程技術(shù)人員提供參考。