旁路二极管可靠性研究

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旁路二极管可靠性研究

2014-02-24 14:54:00Solarzoom光伏杂志12535

　　摘要日渐增多的安全报道使得光伏组件的可靠性问题又一次成为了人们关注的焦点，尤其是火灾对投资者而言，是无法挽回的损失。本文着重研究，光伏组件中重要电器件--旁路二极管在不同运行状况下的温度以及在不同温度下的反向特性。研究结果发现，性能良好的旁路二极管在高温条件下持续反向偏置会导致旁路二极管被反向击穿，继而在后续使用过程中，发生温度急剧升高，导致火灾发生。

　　关键词光伏；旁路二极管；反向漏电流；反向击穿；火灾

　　Bypass diode’s Reliability Research

　　Sun Jianhua Jiang Wei Yang Jiancheng Wang Liqin

　　（Phono Solar Technology Co., Ltd. Nanjing, 210032, China）

　　Abstract: Increasing safety reports make people focusing on the reliability of PV module, especially the fire result in an injury is irretrievable to the investor. This paper focus on test the temperature and characters of bypass diode under different conditions. The research found, at high temperatures the continuous reverse biased voltage make the well bypass diode breakdown, then a steep increase in temperature may cause the fire during use.

　　Key word: photovoltaic; bypass diode; reverse leakage current; break down; fire

　　0 引言

　　日渐成熟的光伏技术使得组件的应用范围触及到各个领域，大到电站建设，小到路灯应用。光伏技术在带来清洁能源的同时，也隐藏着安全事故。近年来，对于组件发生自燃问题的报道时有发生，位于德国某地的光伏发电站的太阳能组件发生自燃，燃烧现场惨不忍睹；澳大利亚家庭屋顶光伏组件存在缺陷或引发火灾。

　　光伏组件中的电路元器件--旁路二极管在预防安全事故中起到重要作用，作为光伏组件的制造者有责任为使用者排除安全隐患。

　　1 试验方案

　　目前行业内对旁路二极管进行选型时，参考的标准大多依据IEC 61215:2005 10.18，测量旁路二极管的发热量，对二极管的正向特性进行评价，但反向特性呢？

　　依据相关文献得知，当组件开路时，太阳光照使组件产生电压加载在已击穿二极管两端，致使击穿二极管反向导通，其温度远远高于正常二极管热斑时的温度，大大超出规格允许的范围，造成二极管的损坏，继而增加了接线盒发热损坏的可能性 [1]。

　　所以在进行二极管的选型过程中，应综合评价光伏二极管在使用过程中的正向特性和反向特性。针对二极管的正反向特性评估，现将二极管可靠性验证试验分为以下阶段：

　　第一阶段，测量旁路二极管在组件使用过程中，正向或反向状态下的温度。

　　第二阶段，测量二极管的反向漏电流参数，并试验分析二极管反向击穿条件。

　　2 试验设备

　　温度冲击试验箱、直流稳压电流源、数据采集仪、电脑、热电偶、导线、辐照度计、辐照度自记仪。

　　3 试验过程

　　结合光伏组件和旁路二极管在户外使用的实际状态，检测二极管在不同情况下的温度，分析旁路二极管性能对温度的影响。

　　3.1 第一阶段：旁路二极管温度实测

　　3.1.1旁路二极管试验设计

　　为全面监测旁路二极管在不同状态下的温度，将光伏组件和旁路二极管的状态进行组合。组件在户外使用时可能的状态为：组件开路；组件短路；组件最大功率点工作；组件热斑。旁路二极管在户外使用时可能的状态为：二极管性能良好。

　　将以上条件进行试验组合，详细试验计划如表1所示：

　　表1 不同状态下二极管温度

　　参照表1的设计进行试验，为保证无辐照度产生的影响，各个测试结果具有可比较性，将所有样品在同一时间进行试验。

　　3.1.2 旁路二极管试验测试

　　3.1.2.1 旁路二极管性能良好

　　选择性能良好的旁路二极管组件，将组件分别进行连接器断开，连接器短接，连接器与电子负载连接使光伏组件处于最大功率工作状态，连接器与电子负载连接使光伏组件处于热斑状态，并在旁路二极管的表面粘贴热电偶以检测壳温。

　　光伏组件不同状态下，旁路二极管最高壳温见表2，温度曲线如图1所示。

　　表2 性能良好旁路二极管在不同状态下的壳温

　　图1 旁路二极管温度曲线

　　图2 光伏组件模拟电路

　　如图2所示，在二极管性能良好条件下：

　　当组件开路时，旁路二极管反向偏置，二极管温度主要受内部电流和组件温度影响。

　　当组件短路时，旁路二极管反向偏置，旁路二极管温度主要受组件温度影响。

　　当组件最大功率工作状态时，旁路二极管反向偏置，二极管温度主要受内部电流和组件温度影响。

　　当组件热斑时，旁路二极管正向导通，旁路二极管温度主要受内部正向电流和组件温度影响。

　　由此可见，性能良好的旁路二极管在热斑状态下壳温达到最高约80℃左右，该温度处于规格允许的范围内。

　　3.1.2.2 旁路二极管反向击穿

　　选择性能良好的旁路二极管组件，将组件分别进行连接器断开，连接器短接，连接器与电子负载连接使光伏组件处于最大功率工作状态，连接器与电子负载连接使光伏组件处于热斑状态，并在反向击穿的二极管表面粘贴热电偶以检测壳温。

　　光伏组件不同状态下，旁路二极管最高壳温见表3，温度曲线如图3所示。

　　表3 反向击穿旁路二极管在不同状态下的壳温

　　图3 旁路二极管温度曲线

　　如图2所示，在二极管反向击穿条件下：

　　当组件开路时，旁路二极管反向导通，旁路二极管温度主要受内部电流和组件温度影响。

　　当组件短路时，旁路二极管反向偏置，旁路二极管温度主要受组件温度影响。

　　当组件最大功率工作状态时，旁路二极管反向导通，旁路二极管温度受内部电流和组件温度影响。

　　当组件热斑时，旁路二极管正向导通，旁路二极管温度主要受内部正向电流和组件温度影响。

　　由此可见，反向击穿的旁路二极管在光伏组件短路和热斑状态下壳温较低，处于规格允许范围内；在组件开路和最大功率工作状态下，温度>200℃超出规格允许范围，对光伏组件造成安全威胁。

　　3.1.3 旁路二极管试验分析

　　根据3.1.2.1和3.1.2.2的测试数据，可以看出，不同组合条件下的旁路二极管的温度分布存在差异。

　　图5给出不同组合条件下旁路二极管的壳温分布。

　　图5 不同组合条件下旁路二极管温度分布

　　图5与相关文献[1]得出结论相一致，反向击穿的旁路二极管在光伏组件开路状态下温度最高达到219.1℃。

　　组件在开路或最大功率点工作状态下，反向击穿的旁路二极管较性能良好的旁路二极管温度高160℃。二极管击穿与否对温度的影响如此大，那么性能良好的二极管除了在制造过程中发生反向击穿，在户外实际使用过程中是否会发生反向击穿呢？

　　3.2 二极管反向漏电流测试

　　性能良好的旁路二极管在光伏组件户外使用过程中一直处于反向偏置状态（除了光伏组件发生热斑现象的情况）。根据二极管的反向特性，当反向漏电流达到一定值后，二极管就会发生反向击穿。

　　二极管是温度的敏感器件，随着温度的升高，反向特性曲线下移，即反向电流增大。一般在室温附近，温度每升高1℃，其正向压降减小2～2.5mV；温度每升高10°C：，反向电流大约增大1倍左右[3]。

　　所以在考虑二极管反向可靠性时，需要充分考虑组件工作时的环境温度对二极管反向漏电流的影响。其中温度不仅包含大气温度，还应充分考虑组件发热以及接线盒内其他二极管的发热等因素[2]。

　　3.2.1 旁路二极管反向漏电流测试

　　为了测得旁路二极管的反向漏电流与环境温度的影响关系，现将业内常用类型的二极管放置在温度冲击试验箱，设定环境箱温度为25℃，在旁路二极管两端施加反向偏置电压。以市场上常见60片156多晶组件为例，单个旁路二极管两端的反向偏置约为12.5V。依次调节环境温度为50℃，75℃，100℃。图6为二极管的漏电流与温度关系的曲线图。