选录 航天器漫衍式电力系统在运行过程中会遭逢种种高能粒子的合手续辐射，进而出现性能退化和故障激励，尤其是其集成的要道电力部件一朝发生故障，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漫衍式电力系统，梳理其可能遭逢的多样空间辐射环境及常见的辐射效应，探析系统中太阳电板、锂电板、电力电子器件、绝缘材料及电能约束器件等要道部件在辐射环境下的性能退化与故障激励机理，何况基于此机理提议材料、工艺、电路与疆土联想、外部戒备、软件算法、可靠性评估与故障态势感知等辐射叮属策略，终末指出该边界有待开展长远接洽的要道问题，为开拓该边界的后续接洽提供参考。
要道词：空间辐射 辐射效应 漫衍式电力系统 抗辐射加固 冗余联想
0 小序跟着东谈主类空间探索需求的日益增多，空间太阳能电站、天地飞船、空间站、通讯和导航卫星等多样航天器需要永劫期地在空间环境中运行。加之霍尔、离子和电弧等电力推动本领在通讯卫星和深空探伤等边界的泛泛应用，航天器上电力负荷的范畴与艰巨级别无间飞腾，因而需要建树一套可靠性较高的漫衍式电力系统以保险踏实的电能供应，其中包括：①由太阳电板、锂电板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）等约束芯片组成的电能约束分系统等，典型航天器漫衍式电力系统的拓扑结构如图1所示。
大地上漫衍式电力系统的职责条款较踏实，咫尺其联系本领已较为老成，恒久连气儿供电的安全性与可靠性较高。关联词航天器上要道的电力部件在空间中由于脱离了大气层的保护，会遭逢多样恶劣的辐射环境。由短时的辐射毁伤引发的性能退化并不显然，但辐射剂量的合手续累积最终将导致其功能失效、故障激励和器件损毁，进而影响航天器漫衍式电力系统的安全运行，致使酿成太阳能电站瘫痪、卫星断电失联等要害事故。
文件[1]对1993～2014年国际公开的近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，在联想航天器的电力系统时必须斟酌到空间辐射环境的影响，确认辐射毁伤效应和作用机理对其要道部件进行必要的防辐射叮属，以提高航天器漫衍式电力系统在轨职责的安全性与可靠性。
本文率先分析了空间环境下的辐射种类及主要的辐射效应，记忆了辐射效叮属航天器漫衍式电力系统中要道部件的作用及影响，提议了针对辐射效应作用机理的防辐射叮属策略，涵盖材料、工艺、电路与疆土、外部戒备、软件算法联想、可靠性评估与故障态势感知等几个方面，可为我国航天器漫衍式电力系统的抗辐射策略联想提供一定的本领参考，终末对该边界将来的接洽重心进行斟酌。
1 空间中的辐射环境及辐射效应 1.1 空间辐射环境空间辐射环境确认其漫衍的位置不同，主要分为电磁辐射、地球辐射带（即位于赤谈上空的内、外Van Allen辐射带）、太阳天地射线和星河天地射线等。对处于不同轨谈运行的航天器，其遭逢的辐射类型也不同，辐射环境分类见表1。
表1 空间辐射环境分类
航天器在不同轨谈运行时，遭逢的辐射强度也不同。如在地球极地轨谈运行时，会遭逢天地射线和太阳耀斑等浓烈辐射[2]，任务期的辐射总剂量平淡会达到10～100krad。而在低轨谈（即高度为100～1 000km）遭逢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]。
1.2 辐射效应空间辐射环境会对电力系统酿成不同进度的辐射毁伤效应，确认其作用旨趣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），入射到电力器件的里面电路，就地在空穴（Positive， P）型半导体和电子（Negative， N）型半导体的交壤面形成的空间电荷区PN结（Positive-Negative junction）上产生电离，而电离通谈上会出现电荷的累积，当这些电荷蚁合到电路的敏锐节点时，就会导致数字电路逻辑单位现象突变，或使模拟电路发生电压漂移的时事[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）、单粒子焚烧（Single Event Burnout， SEB）以及单粒子栅击穿（Single Event Gate Rupture， SEGR）等，按照对器件的毁伤进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
2）位移毁伤效应
位移毁伤效应（Displacement Damage effect， DD）指当中子等高能粒子入射到电力器件的里面电路时，它会向靶材晶格原子的原子核标的畅通，与原子核发生库仑碰撞并跟随有畅通能量的传递，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颓势，又称为费兰克尔（Frenkel）颓势，引起电力器件的电气性能渐渐退化[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里面电路中，就地发生电离，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徙率收支甚远，从而形成大批未能与电子复合的空穴，最终在Si-SiO2交壤处形成界面罗网电荷，或者在氧化层中形成氧化物罗网电荷，TID产生氧化物罗网和界面态罗网过程如图2所示。而电力器件在空间中遭逢辐射总剂量的增多会引起罗网电荷的累积，进而加重辐射对电力器件的性能毁伤。
4）名义充放电效应
表现的电力开发名义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开发名义累积，酿成不同电力部件间或者表现的太阳电板等开发与周围环境的电势差渐渐增大，当蕴蓄的电势差跨越开发的放电阈值时，会发生一次和二次放电。
一次放电的电压和开释的能量均不大，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，会酿成太阳电板阵列等电源系统损坏，二极管等高压电力变换开发焚烧，供电电缆被击穿等[7]。
另外，放电效应还可能与开发周围的磁场相互作用，进而产生较强的电磁辐射，搅扰漫衍式电力系统的正常运行，如酿成太阳电板的帆板驱动机构不成正常职责[8]。
2 空间辐射对航天器漫衍式电力系统要道部件的影响航天器漫衍式电力系统涵盖了电能的产生、变换、传输、存储和约束门径，既有功率流，又有信息流，其结构十分复杂。要擢升系统的安全性与可靠性，就必须先对其要道部件的性能退化与故障激励机理进行分析。底下主要先容空间辐射对太阳电板、锂电板、电力电子器件、绝缘材料以及电能约束系统的作用机理及影响后果。
2.1 辐射对太阳电板的影响太阳电板是航天器电源分系统的中枢开发，空间中浓烈而踏实的太阳能被航天器搭载的太阳电板阵列蚁集，通过光生伏殊效应转机为电能，为航天器的电力推动系统、通讯与导航系统、人命撑合手系统等提供必要的功率撑合手，同期还能为储能电板组充电，以保险航天器处于地影期时仍有饱胀的电能供应。
空间辐射对太阳电板的影响从作用旨趣上主要分为带电粒子辐射和名义充放电效应。
1）带电粒子辐射
太阳电板对空间高能射线稀零是电子、质子的辐射越过敏锐，它们的能量从几eV到几百MeV不等。这些射线会使太阳电板发生TID和DD效应，进而在电板里面形成深能级颓势，成为俘获少数载流子的罗网，镌汰载流子的扩散长度、蚁集着力和寿命，最终导致太阳电板的性能参数退化，如光电转机着力下跌，最大输出功率与极限输出功率之比，即填充因子（Fill Factor， FF）镌汰，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）名义充放电效应
由于太阳电板需要经受太阳懒散出的光能，是以航天器上的太阳电板阵列平淡齐是径直走漏在空间环境中。而空间中泛泛存在的等离子体会与电板相互作用，导致电板发生名义充放电效应，其中二次放电会对太阳电板的性能产生较大影响。何况在电板的能量供应下不错合手续一段时期[10]。
名义充放电效应会导致电源系统的输出功率产生大批损耗，同期放电过程中开释的热量会对电板的名义材料酿成热解、熔化等物理毁伤，镌汰电板的光电转机着力。另外，放电电流过大时还会酿成电板片和电极熔化烧断[11]，电板里面发生短路、元件焚烧，致使有可能径直导致太阳电板报废、航天器断电等。
2.2 辐射对锂电板的影响当太阳能阵各位于地影期时，太阳电板也就无法蚁集到踏实的太阳能，此时就需要斟酌在空间电力系统中加入储能电板等二次电源以储存一定的能量，与太阳电板协同供电。
锂离子电板由于具有能量密度高、热效应小、高电压平台和无顾虑效应等隆起优点，照旧成为继镉镍蓄电板、镍氢蓄电板之后的第三代空间储能电源，极具计谋应用远景[12]。
关联词，锂电板在空间粒子环境下会产生严重的辐射效应，现存的接洽主若是针对正负极等固体材料。锂电板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，辐射会对电极酿成晶粒尺寸和名义神圣度增大等多样微不雅颓势，何况辐射颓势会跟着剂量的累积而渐渐增多，导致锂离子（Li+）在正负电极里面的扩散防碍增大，锂（Li）的扩散统统镌汰，使电极内阻R增大，电极的放电智商变弱，正负电极间的极化增大，一方面导致电板的放电智商和倍大肆能渐渐零落；另一方面也会酿成电板容量下跌。
另外，由于锂离子在正极材料的扩散智商底本就比负极材料强，而辐射又进一步放大了这种锂离子在正负极上的扩散防碍互异，导致电板进展出愈加严重的正负极间不合称[13-17]。
辐射环境下锂电板的失效机理毫不仅仅浅易地局限于电极材料，这应该是一个多变量耦合的问题，包括外壳材料、隔阂、电解液，致使里面保护电路的空洞影响。文件[18]接洽发现，电解液也会在辐射影响下发生变色等时事，然而对于变色的机理以及对电化学性能的影响还未伸开长远接洽。
2.3 辐射对电力电子器件的影响航天器漫衍式电力系统的功率变换与电力传输子系统用到了大批的电力电子器件，主要包括多样二极管、功率开关器件、脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation， PWM）集成约束器和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，底下先容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）是电流约束型器件，具有追究的电流驱动智商、噪声特点、线性度和匹配特点等，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励机理如图4所示，率先，BJT易受中子辐射的影响产生DD效应，引起多数载流子的迁徙率减少，且浓度运行衰减，进而使BJT里面电路的PN结正向动态电阻Rz增多，导致电阻率r 飞腾，何况里面PN结会将一部分中子反射，导致PN结名义毁伤，进展为PN结走电流的增大。另外，BJT在TID效应的作用下会在里面电路中产生瞬时光电流，这种突发的电流会导致BJT的导通现象翻转，酿成电流驱动功能强大，若该光电流过大，还可能导致BJT焚烧等永恒性毁伤。
辐射对BJT酿成的影响在性能参数上的外皮表征主若是电流增益hFE镌汰、结走电流增大、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）是电压约束型器件，其开关速率快、噪声统统低，泛泛应用于电压响应放大器等线性集成电路，其放大统统与跨导gm呈正联系。
JFET是多数载流子器件，高能粒子辐射对它的作用机理主若是DD和TID效应。DD效叮属JFET的性能影响主要表当今JFET的gm减小、漏极电流增大及夹断电压Vp减小等，其中，Vp的敏锐度较低；而TID的参数影响则主要聚拢在JFET的栅极与漏极之间的泄走电流。
3）MOSFET
MOSFET在高压工况下仍能保合手追究的开关特点，成为了航天器上常用的二次电源功率开关器件。从毁伤效应来说，MOSFET器件对TID和SEE效应较为敏锐。
TID在MOSFET里面电路中会形成氧化层罗网电荷或Si/SiO2界面态电荷，它们对MOSFET的性能影响也不尽换取。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、迁徙率退化、泄走电流增多、导通电阻增大、栅极电荷水平升高、击穿电压镌汰及精通噪声（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跟随很大的发烧量，最终导致MOSFET焚烧。发生SEGR时，重离子入射使得栅介质SiO2的电场强度突增，跨越其临界击穿场强时，击穿会导致MOSFET永恒性失效[22]。
4）IGBT
IGBT算作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艰巨的地位。它里面是一种MOS-BJT复合结构，易受到TID和SEE效应的影响。
IGBT在TID的作用下会出现其里面的MOS结构对于BJT结构的约束智商退化，栅极合手续职责可靠性镌汰等。外部参数变化有VT漂移、gm减小和正向电流特点变差等[23]。
SEE对IGBT的影响：单粒子入射容易引发其里面的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具有更高的奢睿度，会发生拯救阴极和阳极的器件焚烧[24]。
5）PWM集成约束器
由于里面集成了好多逻辑器件，因此容易受到SEE的影响，导致脉冲漏失、约束闭锁、桥臂纵贯和PWM约束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、锂电板并网和电机驱动等电路的正常职责。
6）DC-DC变换器
算作功率变换分系统的要道组成部分，由功率开关管S（IGBT，MOSFET等）、二极管VD、电感L和电容C等基本元器件组成，开关管的驱动信号由PWM发出，双向DC-DC变换器如图5所示。
IGBT等子器件在辐射条款下的参数退化将引起DC-DC变换器的性能受损，导致其转机着力镌汰、输出电压特点漂移或退化、输出纹波电压增大及输出噪声增大等。另外，若PWM约束器受SEE的影响发出的脉冲驱动信号出错也将导致DC-DC变换器的输出不踏实致使突发性故障[25]。
2.4 辐射对绝缘材料的影响跟着我国探伤卫星等航天器对长命命、高性能和大功率的需求日益增多，星用电缆和一些开发里面绝缘介质的职责电压最高可达上千伏，在高能粒子辐射与高职责电压的环境下，电缆等绝缘材料将会产生严重的内带电时事，空间绝缘材料的击穿与故障事件数目呈飞腾趋势，严重影响电能的踏实传输。
绝缘材料在辐射环境下的性能退化与故障激励机理如图6所示。一方面，高能粒子会穿过电缆蒙皮及高压开发的壳体，通过TID和DD效应，在绝缘介质的里面形成电荷累积；另一方面，上千伏高压职责环境下的导体也会将部分电荷注入绝缘介质的里面，再次形成电荷累积。高能粒子和高职责电压共同作用带来里面的空间电荷累积将使电介质周围电场发生畸变，禁止材料里面的能量均衡现象，而能量失衡将加速材料的开裂、绝缘性能下跌等老化过程，最终导致绝缘材料局部放电或者击穿，致使出现放电脉冲径直耦合投入要道电路、引起高压短路、供电中断等要害事故[10， 26-27]。
电缆等绝缘材料在辐射环境下发生内带电效应的严重进度，不仅与辐射强度和总辐射时期联系，还受到绝缘介质材料特点和职责环境等身分的影响。实验标明，电缆的职责电压越高，其放电电流的幅值越大[28]。
2.5 辐射对电能约束系统的影响电能约束系统是航天器漫衍式电力系统的大脑，庄重妥洽约束系统中的电能资源，保险供用电的均衡、改善电能质地等。受高能带电粒子辐射的影响，电能约束系统中的锁存器、存储器、运算放大器、PLL、FPGA和DSP等约束器件对SEE十分敏锐，导致系统对不同负荷间电能的分派、调遣等约束强大或失效，致使出现艰巨负荷断电等严重 后果。
2.5.1 辐射对PLL的影响
PLL是一种同步频率与相位的夹杂信号电路，具有时钟生成与同步、频率合成、时钟数据归歌咏取得相位信息等功能，亚州图片由于其结构浅易、踏实性高，被泛泛应用于FPGA、DSP等多样约束芯片中。但辐射环境下的PLL对SET十分敏锐，容易发生锁相环失锁，进而酿成输出相位或者频率出现偏差，致使导致终值回荡、系统时钟树强大等后果。
2.5.2 辐射对FPGA的影响
FPGA电路的集成度高、逻辑范畴大，具有天真的可肖似编程特点、快速产物化特点和苍劲的并发处明智商，咫尺照旧被泛泛应用于大地与航天的电能约束系统中[29]。
空间电力系统顶用到的FPGA的辐射效应以SEE为主，稀零是基于静态或然存取存储器（Static Random-Access Memory， SRAM）的FPGA。以下先容多样不同的SEE对FPGA酿成的影响，FPGA中的单粒子效应见表3[30]。
表3 FPGA中的单粒子效应
2.5.3 辐射对DSP的影响
DSP常用于生告成率器件的PWM驱动信号等，它苍劲的数字信号处理功能要借助于其里面集成的存储器、寄存器、地址程序译码单位和乘加单位等共同完成。因此如果其中任何一个部件在辐射环境下发生失效齐可能导致通盘这个词DSP功能的强大，对DSP影响较大的辐射效应见表4[31]。
表4 DSP中的辐射效应
3 辐射叮属策略 3.1 太阳电板的抗辐射加固为了使发电量大略爽朗航天器上的负荷需求，太阳电板必须在通盘这个词任务时代保合手正常运转。即使短时期的供电中断，也可能导致通盘这个词航天器发生要害事故。何况空间电源系统不仅有抗辐射性能的要求，而且还但愿太阳电板同期具有质地轻、着力高、功率大以及能在空间环境中运行数年致使数十年的优点。确认2.1节中对于辐射对太阳电板的作用机理分析，其抗辐射加固主要从以下两方面斟酌。
3.1.1 带电粒子辐射加固
1）结构优化——减薄单体太阳电板的厚度
符合地减薄子电板厚度，从而镌汰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蚁集着力，可减缓辐射对光电转机着力的影响。然而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约束条款。
2）玻璃盖片
在太阳电板质地允许的情况下，在其外名义加装一定厚度的玻璃盖片，不错在一定进度上镌汰带电粒子对太阳电板的损害。
尽管加装玻璃盖片不错防碍部分稚子粒子入射到电板里面，然而却无法屏蔽具有极强穿透力的高能（能量级为MeV）粒子[32]。何况玻璃盖片的光谱透过率会由于辐射粒子在其名义的累积出现显然的下跌，进而影响电板的光电转机着力[33]。另外，一味地增多戒备盖片的厚度还会约束光伏电板的比功率（功率与质地比），增多太阳电板阵列的举座质地，难以爽朗航天器轻量化的要求。
3）新式电板
咫尺，III-V族的GaInP/GaAs/Ge多结太阳电板由于其光电转机着力高、耐辐射智商强、温度效应好、光谱透过率高和质地轻等优点，正迟缓替代传统的单晶硅、多晶硅太阳电板，成为多样航天器太阳能阵列的首选电板[34]。
关联词，市集上典型的GaInP/GaAs/Ge三结空间电板的厚度大于200mm，且在实质使用中，一般要加装极度的辐射屏蔽（如玻璃盖片），这将会约束光伏电板的比功率和体积。若对于空间太阳电板阵列的轻量化有较高要求，不错斟酌给与如图7所示的纳米线（Nano Wire， NW）GaAs太阳电板。
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点齐要强于普通的GaAs太阳电板，稀零是其开路电压VOC在质子入射引发DD效应下的归附智商有所增强[35-36]。此外，还出现了晶格匹配电板、钙钛矿电板、大量子阱或量子点电板、反向滋长电板及它们的夹杂电板等新式太阳电板，它们具备较高的转机着力与抗辐射性能，然而受限于本领老成度，并未大范畴应用[37]。
3.1.2 名义充放电效应戒备
瞩目太阳电板阵列名义充放电效应的发生，就要尽可能镌汰太阳电板阵列名义的电势差。咫尺，针平等离子体环境引起太阳电板充放电效应的戒备方法苟简分为被迫戒备与主动戒备两种。
1）被迫戒备
（1）名义材料。对于走漏在等离子体环境中的玻璃盖片、太阳电板、金属互连片以及基底材料名义，可采器具有较高二次电子辐射统统的材料，有用地镌汰其名义充电电位，镌汰二次放电风险。
（2）联想与工艺。从提高放电阈值角度斟酌，可在相邻电板串的罅隙均匀地涂覆室温硫化（Room Temperature Vulcanized， RTV）硅橡胶；优化太阳电板阵列电路布片联想（如给与“S”型的布片方式）；在保证功率需求的前提下，镌汰其职责电压、增大电板串罅隙、减小电板串电流等。
文件[38]在100.3V高压母线太阳电板组件的并联罅隙涂敷RTV硅橡胶，实验标明，其二次放电阈值大略达到200V以上。但如果RTV硅橡胶涂覆的均匀度不及，将会使戒备恶果大幅放松。
（3）屏蔽。将航天器外名义联想成法拉第笼，为航天器上的太阳电板、线缆等电力器件提供物理与电气上的电磁搅扰屏蔽。
（4）过滤。加装电磁滤波戒备，瞩目由太阳电板二次放电脉冲率领电路翻转，引起电力系统故障[39]。
（5）玻璃盖片。玻璃盖片不仅不错屏蔽稚子粒子，还能瞩目等离子体径直战斗太阳电板，扼制空间电荷在其名义的累积[39]。
以上五种齐是被迫戒备技能，并未从泉源上搞定电荷蕴蓄引发的电势差飞腾问题，当电板与周围环境的电势差跨越放电阈值时，仍会产生二次放电。
2）主动戒备
（1）电子枪。该方法通过装配等离子体发生器，向外辐射高密度等离子体云，进而建立电板与周围环境的电气畅通通路，实时泄放掉电板名义累积的空间电荷，尽可能竣事太阳电板与周围等离子体环境的电势差基本保合手均衡，也就不会发生二次放电。此方法通过约束电势差扼制电板名义的电荷蕴蓄，已告成应用于国际空间站。
（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畅通，再将导电膜蚁集经引出线与卫星“结构地”不绝，玻璃盖片蒸镀ITO膜如图8所示。该方法在玻璃盖片外名义形成了一个电荷的导通网，可实时地将累积到盖片名义的电荷通过导通网泄放，进而减小太阳电板名义的电势差，使其接近于等电位。
此方法已告成应用于我国“地球探伤双星贪图”，关联词，ITO导电膜本人会镌汰玻璃盖片对阳光的透
射率，影响太阳电板的光电转机着力。文件[40]给与电子束挥发法制备了一种网格状的ITO导电膜，进展出较高的阳光透射率与追究的电位约束性能。
3.2 电力电子器件的抗辐射加固3.2.1 材料遴荐
在器件材料方面，除了传统的硅（Si）材料，照旧接踵开发出在蓝救济绝缘衬底材料上外延滋长一层硅材料（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
3.2.2 器件与工艺加固
针对不同的电力电子器件，咫尺主要有以下器件与工艺级的加固措施。
（1）BJT。基极：对较敏锐的基极名义增多掺杂；减薄基区名义氧化层；对高掺杂基区使用保护环。辐射极：尽量减小其周长；在其氧化层上甩掉金属层；联想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，提高沟谈掺杂浓度。针对TID效应，在管子周围增多阻碍用的保护环来减少管子之间的走电流等。
（3）MOSFET。增多鸟嘴和场氧区下的掺杂浓度；在绝缘层内掺磷；在SiO2中掺铬；给与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。约束减薄栅氧化层厚度；阳极侧增多N缓冲层或加大漂移区掺杂；在栅氧化层注氟等[23]。
3.2.3 电路联想加固
在联想电力电子器件的里面电路时，有以下措施：在爽朗职责需要的条款下，尽量采取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]，镌汰晶体管的职责电压或加大负载侧电阻。
3.3 绝缘材料的抗辐射加固将来航天器漫衍式电力系统中的大功率传输电缆需要在1kV致使10kV以上的高压环境下职责，因此必须提高绝缘介质在高压职责条款下的抗辐射性能，扼制空间电荷在绝缘介质里面的蕴蓄，减慢材料老化，提高职责寿命。咫尺主要的叮属念念路有三种：
（1）提高绝缘介质的电导率。以加速里面千里积电荷的泄放速率，但电导率过高会导致功率损耗过大和发烧量飞腾，因此这种方法的应用受到很大的约束。
（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路线进行非线性电导改性，它是指当材料承受跨越其阈值电场时体积电导率发生非线性化飞腾的一种时事[42]。这种特点使绝缘介质既能在电荷累积到危急阈值时以暂态高电导的格局将危急电荷泄放掉，又同期具备了正常工况下较强的绝缘性能。然而该方法可能会导致高压传输电缆正常职责时产生较大的功率损耗，因此需要进一步编削[43]。
（3）磁鞘戒备法。旨趣是行使超导材料制作一组环形磁鞘，甩掉在绝缘材料的周围，给磁鞘通电后其里面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畅通标的偏转，而无法投入绝缘介质的里面。然而部分能量很高的电子在洛伦兹力作用下的偏转角度很小，最终仍然会投入绝缘介质的里面，产生内带电效应[44]。
3.4 电能约束系统的辐射叮属策略由于FPGA和DSP齐是以单粒子效应而导致的性能退化为主，是以对于电能约束系统的辐射叮属策略，主要先容FPGA和DSP等约束芯片针对单粒子效应的叮属机制，其他辐射效应不错参考上述其他电力器件的加固方法。
3.4.1 底层硬件加固
对电能约束系统进行底层硬件的抗辐射加固除了之前提到的多花样器件的抗辐射加固措施，还不错斟酌元器件遴荐、小电阻限流、举座屏蔽、优化电路和疆土联想等方法。
（1）元器件遴荐。为减小SEU发生的概率，在爽朗性能要求的前提下，不错采取基于反熔丝的FPGA。
（2）小电阻限流。在电源进口处串联一个小电阻，进而不错约束需要较大督察电流的SEL等辐射效应，然而该方法串接的小电阻会辗转增多系统的运行功耗。
（3）给与铝、铅、钽等材料对封装后的约束芯片进行举座屏蔽。
（4）优化电路和疆土联想。在芯片联想时给与阻碍槽、掺杂阱，同期加入去耦、阻碍和赔偿等电路，以擢升芯片的抗辐射智商。
3.4.2 刷新算法
1）应时刷新程序缓存（Cache）
FPGA、DSP等约束芯片会将实行过的教唆代码暂时存储在Cache中，以在换取教唆的平淡存取时加速运行速率。然而，一朝Cache中发生了SEU等辐射效应，此时系统调用Cache中诞妄的教唆将导致程序出错或崩溃，而且由于绕过了程序区的磨练，这种诞妄难以被实时发现。
因此不错联想刷新Cache的算法，使约束系统应时地清空可能包含诞妄代码的Cache，再将正确的教唆代码再行缓存到Cache中，这么就不错镌汰系统调用Cache中诞妄代码的风险。然而平淡地刷新Cache会加重约束系统的运行背负，是以联想刷新算法时需要合理地建树刷新停止。
2）应时刷新约束寄存器
同理，约束寄存器中存储着系统约束绚烂位和内存地址等艰巨数据，可能会受到空间辐射的影响而出错，因此也不错联想刷新算法对约束系统中的径直数据访谒（Enhanced Direct Memory Access， EDMA）、通用输入/输出端口（General Purpose In/Out， GPIO）、多通谈缓冲串行口（Multichannel Buffered Serial Port， McBSP）、并行通讯接口（Host Port Interface， HPI）以及中断的约束寄存器进行应时刷新，以保证约束系统与其他部件的通讯现象保合手正常[31]。
3.4.3 冗余联想
1）空间冗余
常用的是三模冗余（Triple Module Redundancy， TMR）联想，电路中某一部分发生SEE时会出现功能强大，但其冗余部分仍可保合手正常运行。TMR等于将原电路进行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不错输出正确的信号，三模冗余旨趣默示图如图9所示。
唯有不出现两个电路同期出错的情况，电路的输出就不会受影响[45]，何况还不错确认投票收尾对诞妄的电路进行响应纠错。
但这种方法的污点是硬件滥用大、极度功耗高、影响运行速率等。斟酌到实质本钱和运行功耗，不错录取一些包含系统中永劫期存在要道变量（如主程序的大轮回约束变量）的艰巨电路进行TMR联想。确认实质使用需求，还可遴荐复数表决方法、中值表决方法和平均值表决方法等。
此外，针对系统级冗余还有双机备份系统，即对约束系统中的要道电路或器件联想济急备份，又分为冷备份与热备份。冷备份方式固有的切换停止与启动时期导致其实时性不高，而热备份又会加大系统的功耗。
2）时期冗余
三模空间冗余无法搞定时序电路中在时钟沿隔邻发生SET跳变的问题，这就需要引入时期冗余联想来弥补这个颓势。
时期冗余的旨趣是将时钟生成模块（Clock Generation Unit， CGU）输出的三路时钟之间联想一个时期蔓延，从而将三路时钟错开，通过幸免时钟跳变边沿隔邻的毛刺影响，来提高时序电路的抗辐射性能。设定的蔓延时期值越大，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献媚起来使用，污点是系统蔓延将有所增大[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竣事故障检测及容错纠错。典型的例子有看门狗等故障会诊程序、归附块本领、N版块程序联想（N-Version Programming， NVP）、查验点本领、软件竣事的比拟器、表决器、奇偶校验等收尾磨练码和诞妄检测与更正（Error Detection And Correction， EDAC）电路等。好意思国空军在“空间施行贪图-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给与了EDAC电路，其实验样机如图10所示。
通过上述冗余本领可竣事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多，正常工况下的运算着力也会有所镌汰。
3.2.4 预辐射处理
预辐射处理本领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掌握。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，可在一定进度上擢升器件的抗辐射性能。但并不是通盘的器件齐能在预辐射处理后有抗辐射性能的擢升，致使有可能酿成器件毁伤。
3.5 可靠性评估与故障态势感知体系由第2节可知，辐射效叮属电力器件的影响又可分为微不雅机理和宏不雅进展。微不雅机理是指辐射在材料里面产生的颓势、能级变化等；而宏不雅进展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里面辐射毁伤之间的对应关系，借助一些易于测量的器件外部参量，竣事对材料里面颓势种类、浓度和漫衍等毁伤的奢睿表征，建立器件的辐射毁伤模子，为电力器件的可靠性评估与故障态势感知提供依据。由于辐射引入微不雅颓势的时期圭臬在ps级，空间圭臬为nm级，径直实验不雅测的难度极大，咫尺一般给与分子能源学方法进行数学建模和计较机模拟。
文件[53]推导出MOSFET的阈值电压漂移量DVT与氧化层罗网和界面罗网的增量之间的数学关系。文件[54]推导出太阳电板的宏不雅电学性能VOC和Pm对于少子寿命t的抒发式，进一步计较得到VOC、ISC和Pm出现显然退化的临界颓势浓度。文件[55]发现1/f噪声的幅值增量DB远隔与电离毁伤引起的界面罗网密度、位移毁伤引起的体罗网电荷密度存在线性定量关系，并以此建立辐射毁伤评价 模子。
现存的辐射毁伤模子建立过程齐用到了一些假定条款，考据数据着手大齐是在实验室模拟条款下进行的小剂量单一实验，难以确保模子在空间大剂量多类辐射耦合环境下的正确性，且未斟酌到运行工况切换引起的正常参量变化。将来需要通过精准建模和大批实验，无间提高毁伤模子的准确度。
要而论之，从材料里面的微不雅辐射毁伤到器件外部的宏不雅性能退化存在径直或辗转的关联性，可通过外皮的宏不雅参数辨识，竣事对辐照下电力器件微不雅颓势的会诊[56-57]。具体可给与小波分析[58]、神经蚁集、机器学习等东谈主工智能方法[59-60]，以辐射毁伤模子为桥梁，构建表面接洽与工程实质邃密献媚的可靠性评估与故障态势感知体系，如图11所示，且可行使工程实质中的信得过环境对表面接洽所建立的模子进行考据与修正。
基答应趣是：率先通过高可靠性传感器实时采集电力器件的外部宏不雅参量，再行使小波包变换索求该信号中的特征向量，借助经大批工况样本老成后的神经蚁集判别器件的运行工况，以幸免不同工况下的正常参量变化酿成的毁伤误诊或漏诊；然后将同种工况下的参量变化输入对应的辐射毁伤模子，进而得到不错表征器件里面辐射毁伤的微不雅信号；终末通过处理时期短的机器学习对材料里面的微不雅毁伤作念出快速会诊，为可靠性评估、故障态势感知、健康不竭[61]和寿命预测等提供依据。
4 论断航天器漫衍式电力系统在空间辐射环境下的性能退化与故障激励过程是一个多效应耦合的复杂问题，现存的接洽大多齐仅斟酌了单个辐射效应的孤苦作用，而枯竭对不同辐射效应相互耦互助用的分析。需要普遍科研东谈主员探析多辐射耦合环境对航天器电力系统的影响，接洽其要道部件的微不雅辐射毁伤与宏不雅性能退化之间的内在接洽，并以此建立辐射环境下空间电力系统的功能可靠性评估缱绻与分析经过，对器件进行实时健康不竭与在线寿命预测。
另外，咫尺的辐射叮属策略主要依赖于屏蔽高能粒子等避错方法，仍不成有用地保证电力系统的安全可靠性，恒久的辐射剂量终将导致多样要道电力部件的失效。因此必须构建一套能在辐射环境下快速有用地进行故障态势感知、阻碍、容错运行以及蚁集重构的济急容错自愈体系，才调有用地保险电力系统在空间辐射环境下的安全踏实运行，为我国的空间探索功绩作出孝顺。
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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，副接洽员，接洽标的为电能质地分析与治理、动态无功赔偿与有源滤波本领、新能源并网接入本领。E-mail: zhoulidan@sjtu.edu.cn
姚 钢 男，1977年生，博士，接洽员，接洽标的为柔性交流输电系统FACTS本领、电能质地、新能源并网接入本领、储能本领。E-mail: yaogangth@sjtu.edu.cn（通讯作家）
收稿日历 2020-12-14
改稿日历 2021-05-18
国度当然科学基金（52077135）和国度重心研发贪图（2018YFB2100100）资助名目。
（剪辑 陈 诚）动漫
