光伏组件的旁路二极管热击穿研究

2018年第8期（下）/总第528期213学术研讨引言在光伏组件的正常工作条件下，光伏组件中的旁路二极管是反向偏置。当光伏组件被遮挡（例如通过电线杆，建筑物或树叶等）时，光伏组件中被遮挡电池串中的一些没有被遮挡的电池片可能无法产生电流。使得被遮挡电池片的旁路二极管被驱动到正向偏置，从而保护被遮挡的电池串。在这种遮挡情况下，由于正向电流流经二极管，旁路二极管的温度随之升高。当该遮挡被排除时，光伏组件恢复到正常工作状态，旁路二极管也返回到反向截止状态，但由于旁路二极管自身特性，这时的旁路二极管仍然存在反向偏置漏电流，此时旁路二极管的温度依旧还在持续升高，当旁路二极管上的温度超出旁路二极管所能承受的最大温度时，旁路二极管失效，图1为光伏电站现场，旁路二极管失效现象。这种作为旁路二极管温度升高的结果导致二极管失效的现象被称为“热击穿”（如图2所示）。图1热击穿现象图2热击穿示意图该热击穿现象，在当前光伏电站中越来越普遍，使得光伏组件中的旁路二极管的热斑保护功能丧失，导致光伏电站由于热斑现象得不到有效保护，造成发电量损失，甚至光伏组件烧毁，带来巨大的财产损失和安全危险。因此，在实际应用中需要选用不会产生热击穿的旁路二极管，那么就需要设计一个测试，来验证旁路二极管是否会产生热击穿现象，据此，通过分析热击穿原理，设计了一个测试，来判断旁路二极管的与否会发生热击穿。1　热击穿原理分析在一定的正向电流条件下，二极管的结温越高，其功率消耗就会越低（曲线IF），而在一定的反向偏置电压光伏组件的旁路二极管热击穿研究■■朱■华■（苏州UL美华认证有限公司）摘　要：通过当前光伏电站中组件的旁路二极管热击穿现象，给出热击穿现象定义，并深入分析了其发生原理，根据原理，设计了判断二极管的测试电路和测试过程，最终得出测试结果，并加以判断。 关键词：电池串；旁路二极管；热击穿 DOI编码：10.3969/j.issn.1002-5944.2018.16.1172142018年第8期（下）/总第528期条件下，二极管结温越高，其功率消耗就越高(曲线VR)，当结温升到一定程度时，会趋向于平衡，此时功率消耗会急剧上升（Tf）。因为组件用接线盒体积固定，在环境温度一定的条件下，二极管的结温与二极管的散热能力是成正比。在组件产生热斑即二极管正向电流产生后，热斑条件消失，二极管达到反向偏置电压后，会达到一个热平衡结温Tf，Tf大于二极管承受的临界温度Tc时，二极管被热击穿（如图3所示），而Tf小于二极管承受的临界温度Tc时，二极管不会发生热击穿（如图4所示）。图3发生热击穿热量温度曲线图4不发生热击穿热量温度曲线2　热击穿测试设计基于以上原理，模拟实际应用过程，在旁路二极管的实际使用环境即光伏组件工作到一定的环境温度条件下，分两个阶段测试，第一个阶段将二极管置于正向电流条件下（开关1闭合，开关2断开），工作到二极管温度稳定（如图5所示），切换到第二阶段，在反向电压条件下（开关1断开，开关2闭合），工作到二极管达到最大温度（如图6所示）。在整个测试过程中，需将接线盒置于一定的环境箱中，正向电流（If）取1.25倍组件短路电流，反向电压（VR）取组件的开路电压。图5正向电流回路图6反向电压回路3　热击穿实验数据以二极管型号15SQ040为例,短路电流为9.23A,单一串组开路电压为12.57V,在第一阶段，开关1闭合，开关2断开，达到二极管温度稳定后，在不同稳定温度下的二极管电压值，见表1：表1二极管电压温度表左边二极管中间二极管右边二极管Vf(V)Tcase(°C)Vf(V)Tcase(°C)Vf(V)Tcase(°C)0.2059953.90.2075653.50.2063053.90.1942363.10.1952262.60.1938163.20.1680872.30.1693671.80.1663372.50.1519281.60.1518380.80.1493581.70.1356389.50.1362888.60.1322690.60.1196699.70.1219598.80.1203899.90.10508109.00.10614107.80.10542109.20.08930117.90.09111116.70.08773118.2朱华：光伏组件的旁路二极管热击穿研究2018年第8期（下）/总第528期215左边二极管中间二极管右边二极管Vf(V)Tcase(°C)Vf(V)Tcase(°C)Vf(V)Tcase(°C)0.07621127.00.07710125.60.07340127.30.06134135.90.06323134.50.06032136.30.04865145.40.05170144.00.04685145.90.03834154.20.03973152.60.03682154.90.02846163.50.03000161.70.02756164.20.02296173.20.02237171.20.02059173.80.01566182.20.01736180.10.01560182.80.01216190.70.01250188.90.01091192.2根据如上表格数据，得到三个位置二极管的电压及温度曲线,如下图7，图8，图9所示：图7左边二极管电压及温度曲线图8中间二极管电压及温度曲线图9右边二极管电压及温度曲线然后工作到第二阶段，在反向电压条件下，开关1断开，开关2闭合，工作到二极管达到最大温度，得到如下二极管稳定温度Tcase，电压Vf，漏电流值Ir。并根据二极管电压温度曲线，计算得到二极管的结温值，见表2：表2二极管温度，电压，漏电流及结温计算值表二极管位置设定值测量值计算结温值ISC(A)IF(A)Vr(V)Tcase(°C)Vf(V)Ir(A)Tf(°C)左边9.2311.5412.57143.00.03330.12161.6中间9.2311.5412.57148.50.02160.17168.4右边9.2311.5412.57136.80.03560.07159.84　热击穿实验结果判断通过以上两个阶段测试后，得到二极管结温（Tf），将该温度与二极管临界结温比较，若测得结温比临界结温低，则可以判断该旁路二极管不会发生热击穿，反之，则判断该二极管会产生热击穿现象。当然，由于热击穿是不可逆的，通过二极管表象也可以判断其结果，但有时需要需要将二极管解剖观察，由于解剖时，可能会人为损坏二极管，所以该方法可以作为辅助手段。参考文献[1]　ANSI/UL1703-2017Flat-platePhotovoltaicModulesandPanels[S].2017.[2]　IEC61215-2016Crystallinesiliconterrestrialphotovoltaic(PV)modules-Designqualificationandtypeapproval[S].2016.作者简介朱华，高级工程师，主要从事光伏安全技术研究。续表朱华：光伏组件的旁路二极管热击穿研究