光伏電池板的旁路二極管保護(hù)分析

肖特基勢(shì)壘整流器一般用在單晶硅和多晶硅光伏(PV)面板的旁路二極管中，在出現(xiàn)低分流和高分流阻抗時(shí)，保護(hù)過(guò)熱點(diǎn)的光伏電池(參考圖1)。

　　圖1A，電池板中的低分流阻抗單元

　　圖1B，電池板中的高分流阻抗單元

　　在旁路應(yīng)用中，肖特基勢(shì)壘整流器可發(fā)揮低正向電壓降的優(yōu)勢(shì)，而且比普通P-N結(jié)整流器的功率耗散更小。然而，這種器件也具有低反向電壓擊穿的缺點(diǎn)，很容易因ESD(靜電放電)的電過(guò)應(yīng)力(EOS)和感應(yīng)的高電壓而損壞。圖1顯示的是，一個(gè)肖特基整流器在250V電壓下施加高電壓8/20 μs脈沖后失效的測(cè)試結(jié)果。

　　圖1，肖特基整流器在250V電壓和一個(gè)8/20 μs脈沖(2-Ω線阻)情況下失效。

　　ESD——靜電放電

　　光伏電池是用層壓膜與玻璃或透明的二氧化硅板壓到一起，或是用環(huán)氧樹(shù)脂材料粘在一起。玻璃、化學(xué)材料平板和層壓薄膜都很容易產(chǎn)生ESD，ESD的強(qiáng)度取決于表面直徑。ESD可能損壞肖特基整流器的芯片端，主要是通過(guò)過(guò)熱失效的方式(圖2A和2B)。

　　圖2A和2B：在肖特基芯片由ESD造成的過(guò)熱痕跡。

　　大多數(shù)旁路二極管的最大擊穿電壓只有45V到60V。然而，它們能處理的ESD也較低。Vishay的SB15H45和150SQ045的典型ESD為25KV(空氣放電)，采用10個(gè)100pF/1.5KΩ(per IEC61000-4-2)的脈沖。這些器件的測(cè)試結(jié)果參見(jiàn)表1。

　　表 1: SB15H45和 150SQ045的25KV 戶外空氣放電測(cè)試結(jié)果

　　這種ESD防護(hù)能力還不足以在為所有ESD狀況或從電源線和其他來(lái)源感應(yīng)的高電壓提供保護(hù)。一個(gè)脈沖寬度為60ns的典型ESD波形如圖3所示。

　　由ESD和浪涌造成失效之間的區(qū)別是，他們涉及的失效器件的數(shù)量是不同的。在大多數(shù)由ESD引起的失效故障中，在接線盒里的兩個(gè)或三個(gè)器件當(dāng)中的某一個(gè)會(huì)失效。而浪涌會(huì)損毀所有的旁路二極管。

　　圖3：典型的ESD波形。
　反應(yīng)能量和感應(yīng)能量

　　當(dāng)高功率電纜與太陽(yáng)能電池板的電纜交錯(cuò)或是平行擺放時(shí)，反應(yīng)能量和感應(yīng)能量也可能引起旁路二極管的失效。這種情況非常少見(jiàn)，也很難通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的措施加以避免。

　　當(dāng)接線盒與電路斷開(kāi)，存儲(chǔ)在電纜里的能量會(huì)反作用到接線盒里的旁路二極管，這時(shí)就會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)能量。能量等級(jí)取決于電纜的長(zhǎng)度和供電電壓。

　　大多數(shù)肖特基整流器的雪崩容量低于20mJ，還不足以應(yīng)付反應(yīng)能量。但Vishay的瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)的雪崩能量可以從1/4焦耳到2焦耳。

　　圖4，標(biāo)準(zhǔn)8/20 μs IEC61000-4-5波形與350V和2-Ω線路阻抗條件下的旁路二極管

　　圖4顯示給接線盒中的3個(gè)旁路二極管施加350V(2-Ω線路阻抗)的測(cè)試結(jié)果。由于產(chǎn)生了電短路，所有3個(gè)旁路二極管都失效了。

　　TVS硅雪崩擊穿二極管可以用來(lái)保護(hù)旁路二極管免受來(lái)自閃電、高電荷的表面能量，以及高壓電源線等其他來(lái)源的感應(yīng)電的高功率瞬態(tài)和浪涌的損害。為保護(hù)二極管免受此類瞬態(tài)和浪涌的損害，最好能在每個(gè)旁路二極管旁邊并聯(lián)一個(gè)TVS器件，如圖5所示。

　　圖5，Vishay TVS器件與每個(gè)旁路二極管并聯(lián)

　　上面的電路結(jié)構(gòu)能夠在光伏電池板的生產(chǎn)、現(xiàn)場(chǎng)安裝過(guò)程中，以及驅(qū)動(dòng)光伏系統(tǒng)時(shí)發(fā)生任何瞬態(tài)和浪涌的情況下，極好地保護(hù)旁路二極管。另一種解決辦法是在每個(gè)接線盒上加上一個(gè)TVS器件，如圖6所示。這種辦法也能保護(hù)旁路二極管免遭大多數(shù)瞬態(tài)和浪涌。

　　圖6，TVS器件與每個(gè)旁路二極管串并聯(lián)

　　為旁路二極管保護(hù)選擇TVS

　　在為光伏電池板和接線盒里的旁路二極管選擇TVS時(shí)，有幾個(gè)因素需要加以考慮。首先是TVS的耐壓。耐壓的意思是施加到器件上的電壓沒(méi)達(dá)到這個(gè)電壓時(shí)，TVS器件是不工作的。這個(gè)電壓比光伏電池板在瞬間高壓試驗(yàn)的VOC高，是常規(guī)峰值VOC的1.4到1.6倍。

　　常規(guī)Voc與瞬間高壓試驗(yàn)時(shí)的Voc

　　而且，TVS的功率等級(jí)應(yīng)當(dāng)根據(jù)應(yīng)用的瞬態(tài)和浪涌能量的級(jí)別而定。軸向的P6KE和SMBJ系列表面貼裝器件的雪崩容量是1/4焦耳，足以對(duì)ESD和來(lái)自短電纜的反應(yīng)能量提供保護(hù)。出于為旁路二極管和太陽(yáng)能電池面板提供高功率瞬態(tài)和浪涌保護(hù)的目的，1.5KE和5KP系列軸向SMCJ器件針對(duì)出現(xiàn)的多數(shù)ESD、反應(yīng)和感應(yīng)浪涌，以及瞬態(tài)情況，提高了接線盒的可靠性。
測(cè)試結(jié)果

　　下表比較了在標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)ESD測(cè)試條件下，肖特基整流器的旁路二極管功能。

　　表2是在標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-5 ESD測(cè)試條件下肖特基整流器的ESD測(cè)試結(jié)果，器件是在懸浮條件下測(cè)試。

　　表2：肖特基整流器的ESD測(cè)試結(jié)果

　　表3顯示的是在非標(biāo)準(zhǔn)IEC61000-4-5 ESD測(cè)試條件下，一個(gè)肖特基整流器和一個(gè)并聯(lián)了TVS的肖特基整流器的ESD測(cè)試結(jié)果，整流器的一個(gè)引線接地。

　　表3：肖特基整流器和TVS的ESD測(cè)試結(jié)果

　　圖7是3個(gè)在750V和2 Ω線路阻抗條件下失效的3個(gè)旁路二極管與600-W P6KE52A TVS并聯(lián)的測(cè)試結(jié)果。

　　圖7，P6KE52A TVS與3個(gè)串聯(lián)的旁路二極管并聯(lián)

　　圖8顯示的是3個(gè)旁路二極管與一個(gè)5,000-W 5KP85A TVS并聯(lián)的測(cè)試結(jié)果。器件在1000V和2 Ω線路阻抗的條件下也沒(méi)有失效，流過(guò)TVS的電流大于417A。

　　圖8：5KP85A TVS與3個(gè)傳兩的旁路二極管并聯(lián)