图1 航天器分布式电力系统的拓扑结构
Fig.1 Topological structure of spacecraft distributed power system
摘要 航天器分布式电力系统在运行过程中会遭受各类高能粒子的持续辐射，进而出现性能退化和故障激发，尤其是其集成的关键电力部件一旦发生故障，将严重影响在轨航天器的安全可靠运行。基于航天器上搭载的分布式电力系统，梳理其可能遭受的各种空间辐射环境及常见的辐射效应，探析系统中太阳电池、锂电池、电力电子器件、绝缘材料及电能控制器件等关键部件在辐射环境下的性能退化与故障激发机理，并且基于此机理提出材料、工艺、电路与版图设计、外部防护、软件算法、可靠性评估与故障态势感知等辐射应对策略，最后指出该领域有待开展深入研究的关键问题，为开拓该领域的后续研究提供参考。
关键词：空间辐射 辐射效应 分布式电力系统 抗辐射加固 冗余设计
随着人类空间探索需求的日益增加，空间太阳能电站、宇宙飞船、空间站、通信和导航卫星等各种航天器需要长时间地在空间环境中运行。加之霍尔、离子和电弧等电力推进技术在通信卫星和深空探测等领域的广泛应用，航天器上电力负荷的规模与重要级别不断上升，因而需要配置一套可靠性较高的分布式电力系统以保障稳定的电能供应，其中包括：①由太阳电池、锂电池等组成的电源分系统；②由金属氧化物场效应晶体管（Metal Oxide Semicon- ductor Field Effect Transistor, MOSFET）、绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）和直流-直流变换器（Direct Current-Direct Current converter, DC-DC）等电力电子器件、电缆与绝缘材料等组成的功率变换与电力传输分系统；③由锁相环（Phase Locked Loop, PLL）、现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array, FPGA）和数字信号处理器（Digital Signal Processor, DSP）等控制芯片组成的电能控制分系统等，典型航天器分布式电力系统的拓扑结构如图1所示。
地面上分布式电力系统的工作条件较稳定，目前其相关技术已较为成熟，长期连续供电的安全性与可靠性较高。然而航天器上关键的电力部件在空间中由于脱离了大气层的保护，会遭受各种恶劣的辐射环境。由短时的辐射损伤引发的性能退化并不明显，但辐射剂量的持续累积最终将导致其功能失效、故障激发和器件损毁，进而影响航天器分布式电力系统的安全运行，甚至造成太阳能电站瘫痪、卫星断电失联等重大事故。
文献[1]对1993～2014年国外公开的近6 000次在轨航天器故障进行分析统计，航天器上电气分系统故障占总故障数的30.75%，居故障类型首位。因此，在设计航天器的电力系统时必须考虑到空间辐射环境的影响，根据辐射损伤效应和作用机理对其关键部件进行必要的防辐射应对，以提高航天器分布式电力系统在轨工作的安全性与可靠性。
图1 航天器分布式电力系统的拓扑结构
Fig.1 Topological structure of spacecraft distributed power system
本文首先分析了空间环境下的辐射种类及主要的辐射效应，总结了辐射效应对航天器分布式电力系统中关键部件的作用及影响，提出了针对辐射效应作用机理的防辐射应对策略，涵盖材料、工艺、电路与版图、外部防护、软件算法设计、可靠性评估与故障态势感知等几个方面，可为我国航天器分布式电力系统的抗辐射策略设计提供一定的技术参考，最后对该领域未来的研究重点进行展望。
空间辐射环境根据其分布的位置不同，主要分为电磁辐射、地球辐射带（即位于赤道上空的内、外Van Allen辐射带）、太阳宇宙射线和银河宇宙射线等。对处于不同轨道运行的航天器，其遭受的辐射类型也不同，辐射环境分类见表1。
表1 空间辐射环境分类
Tab.1 Classification of radiation environment in space
类型主要辐射源分布区域 电磁辐射来自太阳耀斑的X射线和g射线在太阳系中广泛分布 地球辐射带内辐射带：主要有质子、电子等，电子能量大于0.5MeV，质子能量为0.4～50MeV，最大积分通量大于108cm2·s在赤道平面约600～10 000km高度内 外辐射带：较易受太阳活动的影响，主要成分是质子和电子，其中质子的能量低，含量低；但电子的能量可达0.04～7MeV，且含量高在赤道平面约10 000～60 000km高度内 太阳宇宙射线主要是高能质子、重核离子流和电子，能量一般为10～1 000MeV在太阳系中广泛分布 银河宇宙射线大多数是质子、a 粒子和少量高能粒子，其能量超过104 MeV，但通量低分布在太阳系和太阳系以外
航天器在不同轨道运行时，遭受的辐射强度也不同。如在地球极地轨道运行时，会遭受宇宙射线和太阳耀斑等强烈辐射[2]，任务期的辐射总剂量通常会达到10～100krad。而在低轨道（即高度为100～1 000km）遭受的辐射剂量为平均每年0.1krad，对于预定任务期为3～5年的航天器，总辐射剂量小于0.5krad[3]。
空间辐射环境会对电力系统造成不同程度的辐射损伤效应，根据其作用原理可分为以下几种效应。
1）单粒子效应
单粒子效应（Single Event Effect, SEE）指单个的高能粒子（如高能质子、a 粒子或重离子等），入射到电力器件的内部电路，随即在空穴（Positive, P）型半导体和电子（Negative, N）型半导体的交界面形成的空间电荷区PN结（Positive-Negative junction）上产生电离，而电离通道上会出现电荷的累积，当这些电荷聚集到电路的敏感节点时，就会导致数字电路逻辑单元状态突变，或使模拟电路发生电压漂移的现象[4]。
空间电力系统中常见的单粒子效应有单粒子暂态（Single Event Transient, SET）、单粒子扰动（Single Event Disturb, SED）、单粒子翻转（Single Event Upset, SEU）、单粒子功能中断（Single Event Functional Interrupt, SEFI）、单粒子闭锁（Single Event Latchup, SEL）、单粒子烧毁（Single Event Burnout, SEB）以及单粒子栅击穿（Single Event Gate Rupture, SEGR）等，按照对器件的损伤程度又分为可逆性效应和不可逆性效应，单粒子效应分类见表2。
表2 单粒子效应分类
Tab.2 Classification of single event effects
损伤效应可逆性发生场景影响 SET可逆锁相环等集成电路单粒子暂态电流导致输出错误 SED可逆数字电路存储单元的逻辑状态发生瞬时扰动 SEU可逆触发器、锁存器和存储器数字电路的单个逻辑位状态改变 SEFI可逆控制芯片导致控制功能暂时失效，复杂的设备更有可能出现SEFI SEL断电后可逆IGBT器件转换到破坏性的大电流状态 SEB不可逆功率MOSFET大电流引起的器件烧毁，高压器件对SEB的敏感度较高 SEGR不可逆功率MOSFET、IGBT栅介质因流过大电流出现局部过热，直至被击穿
2）位移损伤效应
位移损伤效应（Displacement Damage effect, DD）指当中子等高能粒子入射到电力器件的内部电路时，它会向靶材晶格原子的原子核方向运动，与原子核发生库仑碰撞并伴随有运动能量的传递，晶格原子在能量传递过程中会发生位移，从而在原位置形成晶格缺陷，又称为费兰克尔（Frenkel）缺陷，引起电力器件的电气性能逐渐退化[5-6]。
3）电离总剂量效应
电离总剂量效应（Total Ionizing Dose effect, TID）指高能粒子入射到器件的内部电路中，随即发生电离，在栅氧化层中产生电子空穴对并发生扩散、漂移与复合。而由于电子与空穴的迁移率相差甚远，从而形成大量未能与电子复合的空穴，最终在Si-SiO2交界处形成界面陷阱电荷，或者在氧化层中形成氧化物陷阱电荷，TID产生氧化物陷阱和界面态陷阱过程如图2所示。而电力器件在空间中遭受辐射总剂量的增加会引起陷阱电荷的累积，进而加剧辐射对电力器件的性能损伤。
4）表面充放电效应
裸露的电力设备表面与周围环境中等离子体、太阳辐射、高能电子和磁场相互作用会引起电荷在设备表面累积，造成不同电力部件间或者裸露的太阳电池等设备与周围环境的电势差逐渐增大，当积累的电势差超过设备的放电阈值时，会发生一次和二次放电。
图2 TID产生氧化物陷阱和界面态陷阱过程
Fig.2 Process of oxide trap and interface state trap produced by TID
一次放电的电压和释放的能量均不大，且一般不会产生电弧，因此其影响较小。但二次放电的电压高、能量大、温度高，且伴有电弧，会造成太阳电池阵列等电源系统损坏，二极管等高压电力变换设备烧毁，供电电缆被击穿等[7]。
另外，放电效应还可能与设备周围的磁场相互作用，进而产生较强的电磁辐射，干扰分布式电力系统的正常运行，如造成太阳电池的帆板驱动机构不能正常工作[8]。
航天器分布式电力系统涵盖了电能的产生、变换、传输、存储和控制环节，既有功率流，又有信息流，其结构十分复杂。要提升系统的安全性与可靠性，就必须先对其关键部件的性能退化与故障激发机理进行分析。下面主要介绍空间辐射对太阳电池、锂电池、电力电子器件、绝缘材料以及电能控制系统的作用机理及影响后果。
太阳电池是航天器电源分系统的核心设备，空间中强烈而稳定的太阳能被航天器搭载的太阳电池阵列收集，通过光生伏特效应转换为电能，为航天器的电力推进系统、通信与导航系统、生命支持系统等提供必要的功率支持，同时还能为储能电池组充电，以保障航天器处于地影期时仍有充足的电能供应。
空间辐射对太阳电池的影响从作用原理上主要分为带电粒子辐射和表面充放电效应。
1）带电粒子辐射
太阳电池对空间高能射线特别是电子、质子的辐射非常敏感，它们的能量从几eV到几百MeV不等。这些射线会使太阳电池发生TID和DD效应，进而在电池内部形成深能级缺陷，成为俘获少数载流子的陷阱，降低载流子的扩散长度、收集效率和寿命，最终导致太阳电池的性能参数退化，如光电转换效率下降，最大输出功率与极限输出功率之比，即填充因子（Fill Factor, FF）降低，反向饱和电流Is增大，开路电压VOC、短路电流ISC和最大输出功率Pm衰减等[9]。
2）表面充放电效应
由于太阳电池需要吸收太阳散发出的光能，所以航天器上的太阳电池阵列通常都是直接暴露在空间环境中。而空间中广泛存在的等离子体会与电池相互作用，导致电池发生表面充放电效应，其中二次放电会对太阳电池的性能产生较大影响。并且在电池的能量供应下可以持续一段时间[10]。
表面充放电效应会导致电源系统的输出功率产生大量损耗，同时放电过程中释放的热量会对电池的表面材料造成热解、熔化等物理损伤，降低电池的光电转换效率。另外，放电电流过大时还会造成电池片和电极熔化烧断[11]，电池内部发生短路、元件烧毁，甚至有可能直接导致太阳电池报废、航天器断电等。
当太阳能阵列位于地影期时，太阳电池也就无法收集到稳定的太阳能，此时就需要考虑在空间电力系统中加入储能电池等二次电源以储存一定的能量，与太阳电池协同供电。
锂离子电池由于具有能量密度高、热效应小、高电压平台和无记忆效应等突出优点，已经成为继镉镍蓄电池、镍氢蓄电池之后的第三代空间储能电源，极具战略应用前景[12]。
然而，锂电池在空间粒子环境下会产生严重的辐射效应，现有的研究主要是针对正负极等固体材料。锂电池在辐射环境下的性能退化机理如图3所示，以DD和TID效应为主，辐射会对电极造成晶粒尺寸和表面粗糙度增大等各种微观缺陷，并且辐射缺陷会随着剂量的累积而逐渐增多，导致锂离子（Li+）在正负电极内部的扩散阻碍增大，锂（Li）的扩散系数降低，使电极内阻R增大，电极的放电能力变弱，正负电极间的极化增大，一方面导致电池的放电能力和倍率性能逐渐衰退；另一方面也会造成电池容量下降。
图3 锂电池在辐射环境下的性能退化机理
Fig.3 Degradation mechanism of lithium battery in radiation environment
另外，由于锂离子在正极材料的扩散能力本来就比负极材料强，而辐射又进一步放大了这种锂离子在正负极上的扩散阻碍差异，导致电池表现出更加严重的正负极间不对称[13-17]。
辐射环境下锂电池的失效机理绝不只是简单地局限于电极材料，这应该是一个多变量耦合的问题，包括外壳材料、隔膜、电解液，甚至内部保护电路的综合影响。文献[18]研究发现，电解液也会在辐射影响下发生变色等现象，但是对于变色的机理以及对电化学性能的影响还未展开深入研究。
航天器分布式电力系统的功率变换与电力传输子系统用到了大量的电力电子器件，主要包括各种二极管、功率开关器件、脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation, PWM）集成控制器和DC-DC等。辐射对电力电子器件的主要作用机理包括DD、TID和SEE三种辐射效应，下面介绍几种常用的电力电子器件受辐射影响的作用机理与后果。
1）双极型晶体管
双极型晶体管（Bipolar Junction Transistor, BJT）是电流控制型器件，具有良好的电流驱动能力、噪声特性、线性度和匹配特性等，常用作小功率器件驱动与大功率MOSFET的前级驱动。
BJT在辐射环境下的性能退化与故障激发机理如图4所示，首先，BJT易受中子辐射的影响产生DD效应，引起多数载流子的迁移率减少，且浓度开始衰减，进而使BJT内部电路的PN结正向动态电阻Rz增加，导致电阻率r 上升，并且内部PN结会将一部分中子反射，导致PN结表面损伤，表现为PN结漏电流的增大。另外，BJT在TID效应的作用下会在内部电路中产生瞬时光电流，这种突发的电流会导致BJT的导通状态翻转，造成电流驱动功能紊乱，若该光电流过大，还可能导致BJT烧毁等永久性损伤。
图4 BJT在辐射环境下的性能退化与故障激发机理
Fig.4 Performance degradation and fault excitation mechanism of BJT in radiation environment
辐射对BJT造成的影响在性能参数上的外在表征主要是电流增益hFE降低、结漏电流增大、饱和压降VCES增大以及击穿电压增大等[19]。
2）结形场效应晶体管
结形场效应晶体管（Junction Field Effect Transistor，JFET）是电压控制型器件，其开关速度快、噪声系数低，广泛应用于电压反馈放大器等线性集成电路，其放大系数与跨导gm呈正相关。
JFET是多数载流子器件，高能粒子辐射对它的作用机理主要是DD和TID效应。DD效应对JFET的性能影响主要表现在JFET的gm减小、漏极电流增大及夹断电压Vp减小等，其中，Vp的敏感度较低；而TID的参数影响则主要集中在JFET的栅极与漏极之间的泄漏电流。
3）MOSFET
MOSFET在高压工况下仍能保持良好的开关特性，成为了航天器上常用的二次电源功率开关器件。从损伤效应来说，MOSFET器件对TID和SEE效应较为敏感。
TID在MOSFET内部电路中会形成氧化层陷阱电荷或Si/SiO2界面态电荷，它们对MOSFET的性能影响也不尽相同。总的来说，TID对于MOSFET的性能影响有阈值电压VT漂移、gm减小、关断电流增大、迁移率退化、泄漏电流增加、导通电阻增大、栅极电荷水平升高、击穿电压降低及闪烁噪声（1/f噪声）增大等[20-21]。
MOSFET在重离子的作用下会发生SEB和SEGR。发生SEB时，其漏极和源极电流出现脉冲式的增大并伴随很大的发热量，最终导致MOSFET烧毁。发生SEGR时，重离子入射使得栅介质SiO2的电场强度突增，超过其临界击穿场强时，击穿会导致MOSFET永久性失效[22]。
4）IGBT
IGBT作为主流的电力电子器件，在10～100kHz的中压、中电流功率器件中占有十分重要的地位。它内部是一种MOS-BJT复合结构，易受到TID和SEE效应的影响。
IGBT在TID的作用下会出现其内部的MOS结构对于BJT结构的控制能力退化，栅极持续工作可靠性降低等。外部参数变化有VT漂移、gm减小和正向电流特性变差等[23]。
SEE对IGBT的影响：单粒子入射容易引发其内部的PN-PN结构发生SEL，栅氧化层电场强度的突增会导致SEGR；IGBT在高压下对SEB具有更高的灵敏度，会发生贯通阴极和阳极的器件烧毁[24]。
5）PWM集成控制器
由于内部集成了许多逻辑器件，因此容易受到SEE的影响，导致脉冲漏失、控制闭锁、桥臂直通和PWM控制器损坏等致命性后果，进而影响电力系统中整流、逆变、软开关、多电平电路、锂电池并网和电机驱动等电路的正常工作。
6）DC-DC变换器
作为功率变换分系统的关键组成部分，由功率开关管S（IGBT，MOSFET等）、二极管VD、电感L和电容C等基本元器件构成，开关管的驱动信号由PWM发出，双向DC-DC变换器如图5所示。
图5 双向DC-DC变换器
Fig.5 Bidirectional DC-DC converter
IGBT等子器件在辐射条件下的参数退化将引起DC-DC变换器的性能受损，导致其转换效率降低、输出电压特性漂移或退化、输出纹波电压增大及输出噪声增大等。另外，若PWM控制器受SEE的影响发出的脉冲驱动信号出错也将导致DC-DC变换器的输出不稳定甚至突发性故障[25]。
随着我国探测卫星等航天器对长寿命、高性能和大功率的需求日益增加，星用电缆和一些设备内部绝缘介质的工作电压最高可达上千伏，在高能粒子辐射与高工作电压的环境下，电缆等绝缘材料将会产生严重的内带电现象，空间绝缘材料的击穿与故障事件数量呈上升趋势，严重影响电能的稳定传输。
绝缘材料在辐射环境下的性能退化与故障激发机理如图6所示。一方面，高能粒子会穿过电缆蒙皮及高压设备的壳体，通过TID和DD效应，在绝缘介质的内部形成电荷累积；另一方面，上千伏高压工作环境下的导体也会将部分电荷注入绝缘介质的内部，再次形成电荷累积。高能粒子和高工作电压共同作用带来内部的空间电荷累积将使电介质周围电场发生畸变，打破材料内部的能量平衡状态，而能量失衡将加速材料的开裂、绝缘性能下降等老化过程，最终导致绝缘材料局部放电或者击穿，甚至出现放电脉冲直接耦合进入关键电路、引起高压短路、供电中断等重大事故[10, 26-27]。
图6 绝缘材料在辐射环境下的性能退化与故障激发机理
Fig.6 Performance degradation and fault excitation mechanism of insulating materials in radiation environment
电缆等绝缘材料在辐射环境下发生内带电效应的严重程度，不仅与辐射强度和总辐射时间相关，还受到绝缘介质材料特性和工作环境等因素的影响。实验表明，电缆的工作电压越高，其放电电流的幅值越大[28]。
电能控制系统是航天器分布式电力系统的大脑，负责协调控制系统中的电能资源，保障供用电的平衡、改善电能质量等。受高能带电粒子辐射的影响，电能控制系统中的锁存器、存储器、运算放大器、PLL、FPGA和DSP等控制器件对SEE十分敏感，导致系统对不同负荷间电能的分配、调度等控制紊乱或失效，甚至出现重要负荷断电等严重 后果。
2.5.1 辐射对PLL的影响
PLL是一种同步频率与相位的混合信号电路，具有时钟生成与同步、频率合成、时钟数据恢复和获取相位信息等功能，由于其结构简单、稳定性高，被广泛应用于FPGA、DSP等各种控制芯片中。但辐射环境下的PLL对SET十分敏感，容易发生锁相环失锁，进而造成输出相位或者频率出现偏差，甚至导致终值振荡、系统时钟树紊乱等后果。
2.5.2 辐射对FPGA的影响
FPGA电路的集成度高、逻辑规模大，具有灵活的可重复编程特性、快速产品化特性和强大的并发处理能力，目前已经被广泛应用于地面与航天的电能控制系统中[29]。
空间电力系统中用到的FPGA的辐射效应以SEE为主，特别是基于静态随机存取存储器（Static Random-Access Memory, SRAM）的FPGA。以下介绍各种不同的SEE对FPGA造成的影响，FPGA中的单粒子效应见表3[30]。
表3 FPGA中的单粒子效应
Tab.3 Single event effect in FPGA
辐射效应敏感区/影响 SEUFPGA的配置存储器、时钟管理单元、可编程逻辑功能块和块存储器对SEU比较敏感 SED状态位更改，逻辑输出计算错误 SEL闭锁电路的电流增大，局部发热量增多，长时间的闭锁会导致器件烧毁 SEB由于工作电压不高，发生SEB的概率较小 SEFI敏感部分为内部测试接口（Joint Test Action Group, JTAG）、配置存储器和上电复位电路 SET可能导致逻辑电路的暂态紊乱，工艺小于0.25mm的FPGA对SET较敏感
2.5.3 辐射对DSP的影响
DSP常用于生成功率器件的PWM驱动信号等，它强大的数字信号处理功能要借助于其内部集成的存储器、寄存器、地址程序译码单元和乘加单元等共同完成。因此如果其中任何一个部件在辐射环境下发生失效都可能导致整个DSP功能的紊乱，对DSP影响较大的辐射效应见表4[31]。
表4 DSP中的辐射效应
Tab.4 Radiation effect in DSP
辐射效应敏感区影响 TID内部PN结VT下降，漏极电流增加 SEU程序存储区程序“跑飞”或“死机” 数据存储区关键变量翻转，引起功能逻辑紊乱，如循环中意外跳出、错误执行条件语句 程序缓存程序的异常执行或中断 SEL中央处理器、存储器和输入/输出单元功耗电流突然增大，温度上升，计算结果错误，部分功能失效等 SET触发器、寄存器计算数据出错或功能紊乱，降低时钟频率可有效减轻SET对DSP的影响 SEFI外设控制寄存器外设端口配置状态的变化，不同模块间数据传输受影响 中断控制寄存器发生意外中断，扰乱正常程序进程 JTAG逻辑整个DSP的意外复位或者死机
为了使发电量能够满足航天器上的负荷需求，太阳电池必须在整个任务期间保持正常运转。即使短时间的供电中断，也可能导致整个航天器发生重大事故。并且空间电源系统不仅有抗辐射性能的要求，而且还希望太阳电池同时具有质量轻、效率高、功率大以及能在空间环境中运行数年甚至数十年的优点。根据2.1节中关于辐射对太阳电池的作用机理分析，其抗辐射加固主要从以下两方面考虑。
3.1.1 带电粒子辐射加固
1）结构优化——减薄单体太阳电池的厚度
适当地减薄子电池厚度，从而降低光生载流子在到达空间电荷区前的复合率，以提高光生载流子的收集效率，可减缓辐射对光电转换效率的影响。但是过度地减薄其厚度又会导致光载流子的部分流失，因而使用该方法有一定的限制条件。
2）玻璃盖片
在太阳电池质量允许的情况下，在其外表面加装一定厚度的玻璃盖片，可以在一定程度上降低带电粒子对太阳电池的损害。
尽管加装玻璃盖片可以阻止部分低能粒子入射到电池内部，但是却无法屏蔽具有极强穿透力的高能（能量级为MeV）粒子[32]。并且玻璃盖片的光谱透过率会由于辐射粒子在其表面的累积出现明显的下降，进而影响电池的光电转换效率[33]。另外，一味地增加防护盖片的厚度还会限制光伏电池的比功率（功率与质量比），增加太阳电池阵列的整体质量，难以满足航天器轻量化的要求。
3）新型电池
目前，III-V族的GaInP/GaAs/Ge多结太阳电池由于其光电转换效率高、耐辐射能力强、温度效应好、光谱透过率高和质量轻等优点，正逐步替代传统的单晶硅、多晶硅太阳电池，成为各种航天器太阳能阵列的首选电池[34]。
然而，市场上典型的GaInP/GaAs/Ge三结空间电池的厚度大于200mm，且在实际使用中，一般要加装额外的辐射屏蔽（如玻璃盖片），这将会限制光伏电池的比功率和体积。若对于空间太阳电池阵列的轻量化有较高要求，可以考虑采用如图7所示的纳米线（Nano Wire, NW）GaAs太阳电池。
图7 NW GaAs太阳电池的内部结构
Fig.7 Internal structure of NW GaAs solar cell
它由几百万个单一的、垂直的和高纵横比的半导体纳米结构并联组成，使用时无需加装玻璃盖片，其比功率和耐辐射特性都要强于普通的GaAs太阳电池，特别是其开路电压VOC在质子入射引发DD效应下的恢复能力有所增强[35-36]。此外，还出现了晶格匹配电池、钙钛矿电池、多量子阱或量子点电池、反向生长电池及它们的混合电池等新型太阳电池，它们具备较高的转换效率与抗辐射性能，但是受限于技术成熟度，并未大规模应用[37]。
3.1.2 表面充放电效应防护
防止太阳电池阵列表面充放电效应的发生，就要尽可能降低太阳电池阵列表面的电势差。目前，针对等离子体环境引起太阳电池充放电效应的防护方法大致分为被动防护与主动防护两种。
1）被动防护
（1）表面材料。对于暴露在等离子体环境中的玻璃盖片、太阳电池、金属互连片以及基底材料表面，可采用具有较高二次电子发射系数的材料，有效地降低其表面充电电位，降低二次放电风险。
（2）设计与工艺。从提高放电阈值角度考虑，可在相邻电池串的间隙均匀地涂覆室温硫化（Room Temperature Vulcanized, RTV）硅橡胶；优化太阳电池阵列电路布片设计（如采用“S”型的布片方式）；在保证功率需求的前提下，降低其工作电压、增大电池串间隙、减小电池串电流等。
文献[38]在100.3V高压母线太阳电池组件的并联间隙涂敷RTV硅橡胶，实验表明，其二次放电阈值能够达到200V以上。但如果RTV硅橡胶涂覆的均匀度不足，将会使防护效果大幅减弱。
（3）屏蔽。将航天器外表面设计成法拉第笼，为航天器上的太阳电池、线缆等电力器件提供物理与电气上的电磁干扰屏蔽。
（4）过滤。加装电磁滤波防护，防止由太阳电池二次放电脉冲诱导电路翻转，引起电力系统故障[39]。
（5）玻璃盖片。玻璃盖片不仅可以屏蔽低能粒子，还能防止等离子体直接接触太阳电池，抑制空间电荷在其表面的累积[39]。
以上五种都是被动防护手段，并未从源头上解决电荷积累引发的电势差上升问题，当电池与周围环境的电势差超过放电阈值时，仍会产生二次放电。
2）主动防护
（1）电子枪。该方法通过安装等离子体发生器，向外发射高密度等离子体云，进而建立电池与周围环境的电气连接通路，及时泄放掉电池表面累积的空间电荷，尽可能实现太阳电池与周围等离子体环境的电势差基本保持平衡，也就不会发生二次放电。此方法通过控制电势差抑制电池表面的电荷积累，已成功应用于国际空间站。
（2）导电膜。在玻璃盖片最外层蒸镀一层铟锡氧化物（Indium Tin Oxide, ITO）透明导电膜，并将每片盖片上的导电膜进行电气连接，再将导电膜网络经引出线与卫星“结构地”相接，玻璃盖片蒸镀ITO膜如图8所示。该方法在玻璃盖片外表面形成了一个电荷的导通网，可及时地将累积到盖片表面的电荷通过导通网泄放，进而减小太阳电池表面的电势差，使其接近于等电位。
此方法已成功应用于我国“地球探测双星计划”，然而，ITO导电膜本身会降低玻璃盖片对阳光的透
图8 玻璃盖片蒸镀ITO膜
Fig.8 Evaporating ITO film on coverglass
射率，影响太阳电池的光电转换效率。文献[40]采用电子束蒸发法制备了一种网格状的ITO导电膜，表现出较高的阳光透射率与良好的电位控制性能。
3.2.1 材料选择
在器件材料方面，除了传统的硅（Si）材料，已经相继开发出在蓝宝石绝缘衬底材料上外延生长一层硅材料（Silicon On Sapphire, SOS）、绝缘体上硅（Silicon On Insulator, SOI）材料、GaAs材料、SiC材料、GaN材料、SiGe材料、金刚石及铁电材料等[41]，常用电力电子器件材料的抗辐射性能与应用见表5。
表5 常用电力电子器件材料的抗辐射性能与应用
Tab.5 Radiation resistance and application of common power electronic device materials
材料特点应用现状 Si技术已经趋于成熟，成本较低，有一定的抗辐射能力广泛应用于制作常规的电力电子器件，但是其抗辐射性能已不能满足航天任务需要 SOS抗辐射能力比Si器件强，缺点是成品率低、成本高目前的研究和应用已趋减少 SOI具备良好的工作温度适应性，能从根本上免疫SEL，对其他SEE的敏感性也较低由于SOI材料对噪声电流的敏感性比传统Si材料增加等缺点，目前还尚未大规模应用 GaAs开关速度快、频率高、工作温度适应性好、抗TID能力极强由于其残次品率高，原片尺寸大导致集成度较低且成本太高，较少应用于电力电子器件，主要用于太阳电池 SiC具有更高的击穿场强与结温，抗中子辐射能力至少是Si的4倍主要应用于高压整流单元，如电机驱动器，星载/机载雷达发射机等，但目前的SiC晶片成本高昂
（续）
材料特点应用现状 GaN耐高温、耐高压、大功率、高频率、抗辐射能力明显优于Si基器件由于材料质量差、工艺技术落后以及可靠性等问题，使得GaN器件没有大规模应用，未来可用于制作功率开关器件 SiGe对TID具有天然和较为充分的鲁棒性，对DD的耐受能力也较强处于研究发展中的加固材料，目前主要是SiGe异质结双极晶体管在空间用作模拟器件 金刚石适合制作高频、大功率、耐高温和抗辐射能力强的电力电子电子器件常用其制作集成电路，辐射探测器等，预计将成为下一代抗辐射能力最强的材料 铁电材料抗TID和抗SEE的能力很强常用于制作铁电存储器，铁电薄膜材料以及铁电电容
3.2.2 器件与工艺加固
针对不同的电力电子器件，目前主要有以下器件与工艺级的加固措施。
（1）BJT。基极：对较敏感的基极表面增加掺杂；减薄基区表面氧化层；对高掺杂基区使用保护环。发射极：尽量减小其周长；在其氧化层上放置金属层；设计时保证其周长与面积比最小；其制作材料用多晶硅等[41]。
（2）JFET。针对DD效应，提高沟道掺杂浓度。针对TID效应，在管子周围增加隔离用的保护环来减少管子之间的漏电流等。
（3）MOSFET。增加鸟嘴和场氧区下的掺杂浓度；在绝缘层内掺磷；在SiO2中掺铬；采用Si-SiO2-金属-SiN-SiO2结构；对P阱使用重掺杂保护环；减小鸟嘴区斜率；减薄栅氧化层厚度等[41]。
（4）IGBT。适度减薄栅氧化层厚度；阳极侧增加N缓冲层或加大漂移区掺杂；在栅氧化层注氟等[23]。
3.2.3 电路设计加固
在设计电力电子器件的内部电路时，有以下措施：在满足工作需要的条件下，尽量选用高频晶体管和小功率晶体管，使用二极管代替三极管，用薄膜电阻代替扩散电阻[5]，降低晶体管的工作电压或加大负载侧电阻。
未来航天器分布式电力系统中的大功率传输电缆需要在1kV甚至10kV以上的高压环境下工作，因此必须提高绝缘介质在高压工作条件下的抗辐射性能，抑制空间电荷在绝缘介质内部的积累，延缓材料老化，提高工作寿命。目前主要的应对思路有三种：
（1）提高绝缘介质的电导率。以加快内部沉积电荷的泄放速度，但电导率过高会导致功率损耗过大和发热量上升，因此这种方法的应用受到很大的限制。
（2）非线性电导改性。即对绝缘介质通过加入无机纳米氧化物等途径进行非线性电导改性，它是指当材料承受超过其阈值电场时体积电导率发生非线性化上升的一种现象[42]。这种特性使绝缘介质既能在电荷累积到危险阈值时以暂态高电导的形式将危险电荷泄放掉，又同时具备了正常工况下较强的绝缘性能。但是该方法可能会导致高压传输电缆正常工作时产生较大的功率损耗，因此需要进一步改进[43]。
（3）磁鞘防护法。原理是利用超导材料制作一组环形磁鞘，放置在绝缘材料的周围，给磁鞘通电后其内部的电流会在绝缘材料周围产生较强的磁场。入射的高能电子在磁场中会受到洛伦兹力的作用发生运动方向偏转，而无法进入绝缘介质的内部。但是部分能量很高的电子在洛伦兹力作用下的偏转角度很小，最终仍然会进入绝缘介质的内部，产生内带电效应[44]。
由于FPGA和DSP都是以单粒子效应而导致的性能退化为主，所以关于电能控制系统的辐射应对策略，主要介绍FPGA和DSP等控制芯片针对单粒子效应的应对机制，其他辐射效应可以参考上述其他电力器件的加固方法。
3.4.1 底层硬件加固
对电能控制系统进行底层硬件的抗辐射加固除了之前提到的各种子器件的抗辐射加固措施，还可以考虑元器件选择、小电阻限流、整体屏蔽、优化电路和版图设计等方法。
（1）元器件选择。为减小SEU发生的概率，在满足性能要求的前提下，可以选用基于反熔丝的FPGA。
（2）小电阻限流。在电源入口处串联一个小电阻，进而可以限制需要较大维持电流的SEL等辐射效应，但是该方法串接的小电阻会间接增加系统的运行功耗。
（3）采用铝、铅、钽等材料对封装后的控制芯片进行整体屏蔽。
（4）优化电路和版图设计。在芯片设计时采用隔离槽、掺杂阱，同时加入去耦、隔离和补偿等电路，以提升芯片的抗辐射能力。
3.4.2 刷新算法
1）适时刷新程序缓存（Cache）
FPGA、DSP等控制芯片会将执行过的指令代码暂时存储在Cache中，以在相同指令的频繁存取时加快运行速度。但是，一旦Cache中发生了SEU等辐射效应，此时系统调用Cache中错误的指令将导致程序出错或崩溃，而且由于绕过了程序区的检验，这种错误难以被及时发现。
因此可以设计刷新Cache的算法，使控制系统适时地清空可能包含错误代码的Cache，再将正确的指令代码重新缓存到Cache中，这样就可以降低系统调用Cache中错误代码的风险。但是频繁地刷新Cache会加重控制系统的运行负担，所以设计刷新算法时需要合理地配置刷新间隔。
2）适时刷新控制寄存器
同理，控制寄存器中存储着系统控制标志位和内存地址等重要数据，可能会受到空间辐射的影响而出错，因此也可以设计刷新算法对控制系统中的直接数据访问（Enhanced Direct Memory Access, EDMA）、通用输入/输出端口（General Purpose In/Out, GPIO）、多通道缓冲串行口（Multichannel Buffered Serial Port, McBSP）、并行通信接口（Host Port Interface, HPI）以及中断的控制寄存器进行适时刷新，以保证控制系统与其他部件的通信状态保持正常[31]。
3.4.3 冗余设计
1）空间冗余
常用的是三模冗余（Triple Module Redundancy, TMR）设计，电路中某一部分发生SEE时会出现功能紊乱，但其冗余部分仍可保持正常运行。TMR就是将原电路进行3倍复制，然后把原输入接到这三个并联的冗余电路中，这些电路的三组输出送入一个多数投票表决器后就可以输出正确的信号，三模冗余原理示意图如图9所示。
只要不出现两个电路同时出错的情况，电路的输出就不会受影响[45]，并且还可以根据投票结果对错误的电路进行反馈纠错。
但这种方法的缺点是硬件消耗大、额外功耗高、影响运行速度等。考虑到实际成本和运行功耗，可以选取一些包含系统中长时间存在关键变量（如主程序的大循环控制变量）的重要电路进行TMR设计。根据实际使用需求，还可选择复数表决方法、中值表决方法和平均值表决方法等。
图9 三模冗余原理示意图
Fig.9 Schematic diagram of TMR principle
此外，针对系统级冗余还有双机备份系统，即对控制系统中的关键电路或器件设计应急备份，又分为冷备份与热备份。冷备份方式固有的切换间隔与启动时间导致其实时性不高，而热备份又会加大系统的功耗。
2）时间冗余
三模空间冗余无法解决时序电路中在时钟沿附近发生SET跳变的问题，这就需要引入时间冗余设计来弥补这个缺陷。
时间冗余的原理是将时钟生成模块（Clock Generation Unit, CGU）输出的三路时钟之间设计一个时间延迟，从而将三路时钟错开，通过避免时钟跳变边沿附近的毛刺影响，来提高时序电路的抗辐射性能。设定的延迟时间值越大，可纠错的毛刺宽度就越大，电路的抗辐射性能就越强。该方法常与TMR结合起来使用，缺点是系统延迟将有所增大[46]。
3）软件与信息冗余
软件与信息冗余[47-50]是指用附加的软件与信息来实现故障检测及容错纠错。典型的例子有看门狗等故障诊断程序、恢复块技术、N版本程序设计（N-Version Programming, NVP）、检查点技术、软件实现的比较器、表决器、奇偶校验等结果检验码和错误检测与纠正（Error Detection And Correction, EDAC）电路等。美国空军在“空间试验计划-休斯顿5号”（Space Test Program-Houston 5, STP-H5）航天电子器件的抗辐射加固实验中就采用了EDAC电路，其实验样机如图10所示。
通过上述冗余技术可实现故障工况下的故障检测、故障定位、容错运行和自主纠错，但系统的运行时延会有所增加，正常工况下的运算效率也会有所降低。
3.2.4 预辐射处理
预辐射处理技术是在器件加工完成后，将电力电子器件置于约300℃的高温下，进行预退火1～4h左右。再将已退火的器件置于辐射环境中进行预辐射，然后将辐射后的器件进行再退火，可在一定程度上提升器件的抗辐射性能。但并不是所有的器件都能在预辐射处理后有抗辐射性能的提升，甚至有可能造成器件损伤。
图10 STP-H5电子器件抗辐射加固实验样机
Fig.10 Electronic device radiation hardening experimental prototype of STP-H5
由第2节可知，辐射效应对电力器件的影响又可分为微观机理和宏观表现。微观机理是指辐射在材料内部产生的缺陷、能级变化等；而宏观表现则是器件的阈值电压、跨导和噪声等外部参量变化[51-54]。
通过分析器件的外部参量变化与内部辐射损伤之间的对应关系，借助一些易于测量的器件外部参量，实现对材料内部缺陷种类、浓度和分布等损伤的灵敏表征，建立器件的辐射损伤模型，为电力器件的可靠性评估与故障态势感知提供依据。由于辐射引入微观缺陷的时间尺度在ps级，空间尺度为nm级，直接实验观测的难度极大，目前一般采用分子动力学方法进行数学建模和计算机模拟。
文献[53]推导出MOSFET的阈值电压漂移量DVT与氧化层陷阱和界面陷阱的增量之间的数学关系。文献[54]推导出太阳电池的宏观电学性能VOC和Pm关于少子寿命t的表达式，进一步计算得到VOC、ISC和Pm出现明显退化的临界缺陷浓度。文献[55]发现1/f噪声的幅值增量DB分别与电离损伤引起的界面陷阱密度、位移损伤引起的体陷阱电荷密度存在线性定量关系，并以此建立辐射损伤评价 模型。
现有的辐射损伤模型建立过程都用到了一些假设条件，验证数据来源大都是在实验室模拟条件下进行的小剂量单一实验，难以确保模型在空间大剂量多类辐射耦合环境下的正确性，且未考虑到运行工况切换引起的正常参量变化。未来需要通过精确建模和大量实验，不断提高损伤模型的准确度。
综上所述，从材料内部的微观辐射损伤到器件外部的宏观性能退化存在直接或间接的关联性，可通过外在的宏观参数辨识，实现对辐照下电力器件微观缺陷的诊断[56-57]。具体可采用小波分析[58]、神经网络、机器学习等人工智能方法[59-60]，以辐射损伤模型为桥梁，构建理论研究与工程实际紧密结合的可靠性评估与故障态势感知体系，如图11所示，且可利用工程实际中的真实环境对理论研究所建立的模型进行验证与修正。
图11 可靠性评估与故障态势感知体系
Fig.11 Reliability assessment and fault state perception system
基本原理是：首先通过高可靠性传感器实时采集电力器件的外部宏观参量，再利用小波包变换提取该信号中的特征向量，借助经大量工况样本训练后的神经网络判别器件的运行工况，以避免不同工况下的正常参量变化造成的损伤误诊或漏诊；然后将同种工况下的参量变化输入对应的辐射损伤模型，进而得到可以表征器件内部辐射损伤的微观信号；最后通过处理时间短的机器学习对材料内部的微观损伤做出快速诊断，为可靠性评估、故障态势感知、健康管理[61]和寿命预测等提供依据。
航天器分布式电力系统在空间辐射环境下的性能退化与故障激发过程是一个多效应耦合的复杂问题，现有的研究大多都仅考虑了单个辐射效应的独立作用，而缺乏对不同辐射效应相互耦合作用的分析。需要广大科研人员探析多辐射耦合环境对航天器电力系统的影响，研究其关键部件的微观辐射损伤与宏观性能退化之间的内在联系，并以此建立辐射环境下空间电力系统的功能可靠性评估指标与分析流程，对器件进行实时健康管理与在线寿命预测。
另外，目前的辐射应对策略主要依赖于屏蔽高能粒子等避错方法，仍不能有效地保证电力系统的安全可靠性，长期的辐射剂量终将导致各种关键电力部件的失效。因此必须构建一套能在辐射环境下快速有效地进行故障态势感知、隔离、容错运行以及网络重构的应急容错自愈体系，才能有效地保障电力系统在空间辐射环境下的安全稳定运行，为我国的空间探索事业作出贡献。
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Influence of Space Radiation Environment on Critical Components of Spacecraft Distributed Power System and Countermeasures
Abstract The distributed power system of spacecraft will suffer continuous radiation from different sorts of high-energy particles during the operation process, which will lead to performance degradation and fault excitation. In particular, once the integrated key power components break down, the safe and reliable operation of spacecraft in orbit will be seriously affected. Based on the distributed power system onboard spacecraft, this paper firstly reviewed various radiation environments and common radiation effects. The performance degradation and fault excitation mechanism of solar cells, lithium batteries, power electronic devices, insulation materials, power control devices and other key components in radiation environment are analyzed. Accordingly, the radiation countermeasures in terms of material, manufacturing process, circuit and layout design, external protection, software algorithm, reliability assessment and fault state perception are proposed. Finally, it points out the key issues to be further studied and provides reference for further research in this field.
keywords：Space radiation, radiation effect, distributed power system, radiation hardening, redundancy design
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.201634
中图分类号：TM711
周荔丹 女，1973年生，博士，副研究员，研究方向为电能质量分析与治理、动态无功补偿与有源滤波技术、新能源并网接入技术。E-mail: zhoulidan@sjtu.edu.cn
姚 钢 男，1977年生，博士，研究员，研究方向为柔性交流输电系统FACTS技术、电能质量、新能源并网接入技术、储能技术。E-mail: yaogangth@sjtu.edu.cn（通信作者）
收稿日期 2020-12-14
改稿日期 2021-05-18
国家自然科学基金（52077135）和国家重点研发计划（2018YFB2100100）资助项目。
（编辑 陈 诚）