PV组件之旁路二极管知识总结

旁路二极管知识
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半导体介绍：
一、半导体介绍
几乎在所有的电子电路中，都要用到半导体二极管，它在许多的电路中起着重要的作用，应用也非常广泛。

下面首先对半导体做个介绍：
1本征半导体
纯净晶体结构的半导体称为本征半导体。

常用的半导体材素是元素周期表中的4价元素，如：硅（si）、锗（Ge）。

其原子结构中最外层轨道上有4个电子；纯净的晶体中相邻的两个原子的一对最外层电子（价电子）结合成为共有电子，组成共价键；原子可以形成稳定的8原子壳层，如下图所示。

共价键中的价电子在热运动中能获得能量形成自由电子和空穴（价电子摆脱共价键束缚后成为自由电子，此时在共价键中留有了空位，称为空穴，空穴带正电）。

本征半导体中存在的两种载流子即自由电子和空穴，由于其两者是成对产生，所以在本征半导体中两者浓度是相同的，因此本征半导体本身称电中性。

本征半导体材料中载流子的浓度除了和其本身的性能有关外，还和温度有关，随着温度的升高称指数规律上升，硅材料的温度每升高8摄氏度，本征载流子的浓度增加一倍，锗材料的温度每升高12摄氏度，载流子的浓度增加一倍。

另外，半导体载流子的浓度与光照有关。

2P型半导体
如果在纯净的硅晶体中掺入3价杂质，如硼（或鋁、镓或铟等），这些3价杂质原子的最外层只有3个价电子，当它与相邻的硅原子形成共价键时，还缺少1个价电子，因而其它共价键电子只要少量能量摆脱原子核束缚，即可填充之，而在其本身位置形成空穴，在一个共价键上要出现一个空穴，此种半导体主要靠空穴导电；此种半导体称之为P型半导体。

P型半导体材料中，空穴数目很多,称为多数载流子，而电子数目很少,称为少数载流子。

P型半导体只有一种多子――空穴，对外呈电中性，导电特性与掺杂的杂质浓度有关。

P型半导体如下图所示：
3N型半导体
如果在纯净的硅晶体中掺入少量的5价杂质磷（或砷，锑等），由于磷原子具有5个价电子，所以1个磷原子同相邻的4个硅原子结成共价键时，还多余1个价电子，这个价电子很容易挣脱磷原子核的吸引束缚而变成自由电子，此种半导体主要靠自由电子导电；此种半导体称之为N型半导体。

N型半导体材料中，空穴数目很少,称为少数载流子，而电子数目很多,称为多数载流子。

N型半导体只有一种多子――自由电子，对外呈电中性，导电特性与掺杂的杂质浓度有关。

P型半导体如下图所示：
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结介绍：
二、PN结介绍
1PN结
若将P型半导体和N型半导体两者紧密结合，联成一体时，由于交界面两边，电子和空穴的浓度不相等，因此会产生多数载流子的扩散运动。

扩散的结果是在交界面形成空间电荷区，即为PN结，电荷聚积形成内建电场E ，电场方向: N －> P ，此电场作用下，少数载流子将做漂移运动，方向与扩散方向相反，阻止扩散运动。

扩散得越多，电场越强，漂移运动越强，对扩散的阻力越大。

平衡时，扩散和漂移运动作用相等，界面通过的载流子数为0，PN结无电流通过，此时，PN结形成一个阻挡层，电子学上称为耗尽层。

如下图所示：
2PN 结的单向导电特性
电源的正极接到P区，负极接到N区，则PN结出于正向偏置状态。

此时的外加电场与其内部自建电场的方向相反，消弱了其内建电场，从而使得阻挡层变窄，扩散作用将大于漂移作用，此时多数载流子将向对方区域扩散而形成正向电流，电流方向为正极P区流向负极N区。

PN结出于导通状态，呈现出正向导通电阻很小。

两端的压降越大，其流过PN结的电流越大，如下图所示。

U－I D呈线的函数关系：I D= I S e U/UT
I D : 流过PN 结的电流；
U : PN结两端电压；
U T = kT/ q 称为电压当量，其中k 为玻尔兹曼常数，1.381×10^(-23)J/K ，T为绝对温度，q为电子的电量；
I S:反向饱和电流。

当P区接到电源负极，N区接到电源正极时，PN结处于反向偏置。

外加的电场与PN结内建的电场的方向一致，增加了阻挡层的宽度，此时漂移作用大于扩散作用，少子在电场的作用下做漂移运动，形成漂移电流，漂移电流的方向与正向压降方向相反，故称为反向电流，反向电流是由少数载流子形成的，故电流很小，外加反向电压不需很大，少数载流子将会全部做漂移运动形成漂移电流，反向电压即使再增加，少数载流子数目也不会增加，
故形成反向饱和电流：I D = - I S 如下图所示：
综述，PN结加正向偏置电压，处于导通状态，加反向电压处于截至状态，PN 结具有单向导电性。

3PN结V-I特性
综合PN 结介绍的1、2 所述，PN结V－I特性曲线：I D = I S(e U/UT -1)
(U T= kT/ q ，k 玻尔兹曼常数1.381×10^(-23)J/K T 绝对温度q 电子电量）
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二极管介绍：
三、二极管介绍
二极管实际就是一个PN结，由于考虑到引线电阻和半导体的体电阻以及漏电流等因素的影响，使得二极管的特型与PN 结的特性稍有不同。

1二极管分类
按照所用的半导体材料，可分为锗二极管（Ge管）和硅二极管（Si管）。

按照其不同用途可分为检波二极管、整流二极管、稳压二极管、开关二极管等。

按照管芯结构，又可分为点接触型二极管、面接触型二极管及平面型二极管。

A、点接触型二极管是用一根很细的金属丝压在光洁的半导体晶片表面，通以脉冲电流，使触丝一端与晶片牢固地烧结在一起，形成一个“PN结”。

由于是点接触，只允许通过较小的电流（不超过几十毫安），适用于高频小电流电路，如收音机的检波等。

B、面接触型二极管的“PN结”面积较大，允许通过较大的电流（几安到几十安），主要用于把交流电变换成直流电的“整流”电路中。

C、平面型二极管是一种特制的硅二极管，它不仅能通过较大的电流，而且性能稳定可靠，常被用来制作肖特级二极管，多用于开关、脉冲及高频电路中。

-------肖特基二极管简介
肖特基二极管在结构原理上与PN结二极管有很大区别，它的内部是由阳极金属（用钼或铝等材料制成的阻挡层）、二氧化硅（SiO2）电场消除材料、N-外延层（砷材料）、N型硅基片、N+阴极层及阴极金属等构成，如下图所示。

肖特基整流管仅用一种载流子（电子）输送电荷，在势垒外侧无过剩少数载流子的积累，因此，不存在电荷储存问题。

它的反向耐压值较低，一般不超过100V。

因此适宜在低压、大电流情况下工作。

利用其低压降这特点，能提高低压、大电流整流（或续流）电路的效率。

所以，太阳能组件上的旁路二极管选用肖特基二极管。

2二极管的导电特性
二极管最重要的特性就是单方向导电性。

在电路中，电流从二极管的正极流入，负极流出。

A、正向特性
在电子电路中，将二极管的正极接在高电位端，负极接在低电位端，二极管就会导通，这种连接方式，称为正向偏置。

必须说明，当加在二极管两端的正向电压很小时，二极管仍然不能导通，流过二极管的正向电流十分微弱。

只有当正向电压达到某一数值（这一数值称为“门槛电压”Vth，锗管约为0.2V，硅管约为0.6V）以后，二极管才能直正导通。

导通后二极管两端的电压基本上保持不变（锗管约为0.3V，硅管约为0.7V），称为二极管的“正向压降”。

B、反向特性
在电子电路中，二极管的正极接在低电位端，负极接在高电位端，此时二极管中几乎没有电流流过，此时二极管处于截止状态，这种连接方式，称为反向偏置。

二极管处于反向偏置时，仍然会有微弱的反向电流流过二极管，称为漏电流。

当二极管两端的反向电压增大到某一数值，反向电流会急剧增大，二极管将失去单方向导电特性，这种状态称为二极管的击穿。

综述，二极管加正向偏置电压，处于导通状态，加反向电压处于截至状态，二极管具有单向导电性（可参照PN 街单项导电性）。

3二极管的主要特性参数
用来表示二极管的性能好坏和适用范围的技术指标，称为二极管的参数。

不同类型的二极管有不同的特性参数。

A、额定正向工作电流I F
是指二极管长期连续工作时允许通过的最大正向电流值。

因为电流通过管子时会使管芯发热，温度上升，温度超过容许限度（硅管为140左右，锗管为90左右）时，就会使管芯过热而损坏。

所以，二极管使用中不要超过二极管额定正向工作电流值。

B、最高反向工作电压U R
加在二极管两端的反向电压高到一定值时，会将管子击穿，失去单向导电能力。

为了保证使用安全，规定了最高反向工作电压值。

C、反向电流I R
反向电流是指二极管在规定的温度和最高反向电压作用下，流过二极管的反向电流。

反向电流越小，管子的单方向导电性能越好。

值得注意的是反向电流与温度有着密切的关系，大约温度每升高10，反向电流增大一倍。

温度持续升高，反向电流将集聚增大，因此，温度升高不仅可以引起二极管失去单方向导电特性，还会使管子过热而损坏。

硅二极管比锗二极管在高温下具有较好的稳定性。

D、最高工作频率fm
取决于二极管的结电容大小，结电容越大，允许的最高工作频率越低。

E、直流电阻Rd
加载到二极管两端的直流电压与流过二极管的电流之比。

F、交流电阻rd
在二极管工作点附近电压的微变值与相应的电流微变值之比。

G 、正向压降Vf
二极管导通时，正极到负极的电压降。

H 、温度特性
温度对二极管的性能参数的影响。

I 、ESD 特性
关于静电释放及静电击穿防护的性能。

4、测试二极管的好坏辨别
最简单的方法可以使用万用表定性测试二极管的好坏。

测试前先把万用表的转换开关拨到欧姆档的RX1K 档位
（注意不要使用RX1档，以免电流过大烧坏二极管）
，再将红、黑两根表笔短路，进行欧姆调零。

A 、正向特性测试
把万用表的红表笔（表正极）搭触二极管的正极，黑表笔（表负极）搭触二极管的负极。

若表针不摆到0值而是停在标度盘的中间，这时的阻值就是二极管的正向电阻，一般正向电阻越小越好。

若正向电阻为0值，说明管芯短路损坏，若正向电阻接近无穷大值，说明管芯断路。

短路和断路的管子都不能使用。

B 、反向特性测试
把万用表的黑表笔搭触二极管的正极，红表笔搭触二极管的负极，若表针指在无穷大值或接近无穷大值，管子就是合格的。

鉴于二极管测试的准确性，对接线盒内的旁路二极管测试选用专业的测试设备。

以保证质量，现在测试二极管的主要参数有：Vf 、Ir 、Vb 等。

四、太阳能电池介绍太阳能电池介绍：：
A 、光生伏打效应
太阳电池在光照下，能量大于半导体禁带宽度的光子，使得半导体中原子的价电子受到激发，在p 区、空间电荷区和n 区都会产生光生电子-空穴对，也称光生载流子。

这样形成的电子-空穴对由于热运动，向各个方向迁移。

光生电子-空穴对在空间电荷区中产生后，立即被内建电场分离，光生电子被推进n 区，光生空穴被推进p 区。

在空间电荷区边界处总的载流子浓度近似为0。

在n 区，光生电子-空穴产生后，光生空穴便向 p-n 结边界扩散，一旦到达 p-n 结边界，便立即受到内建电场的作用，在电场力作用下作漂移运动，越过空间电荷区进入p 区，而光生电子（多数载流子）则被留在n 区。

p 区中的光生电子也会向 p-n 结边界扩散，并在到达 p-n 结边界后，同样由于受到内建电场的作用而在电场力作用下作漂移运动，进入n 区，而光生空穴（多数载流子）则被留在p 区。

因此在 p-n 结两侧形成了正、负电荷的积累，形成与内建电场方向相反的光生电场。

这个电场除了一部分抵消内建电场以外，还使p 型层带正电，n 型层带负电，因此产生了光生电动势。

这就是“光生伏打效应”（简称光伏）。

如下图所示：
关于太阳电池的光谱响应等内容，本文不作介绍，主要从太阳电池的等效电分析太阳电池。

详细情况如下 ：
B 、太阳电池的等效电路
太阳能电池实际上也是个大的PN 结。

其理想的等效电路图如下图所示：
太阳能电池理想的等效电路图相当于一个电流为Iph的恒流电源与一只正向二极管并联。

流过二极管的正向电流称为暗电流I D；流过负载的电流为I；负载两端的电压为V。

而在实际的情况下太阳能电池的等效电路因该是如下图所示的：
电路中可以看到，多了并联电阻Rsh、Rs。

串联损失电阻Rs由于正面金属电极与半导体材料的接触电阻、半导体材料的体电阻和电极电阻造成的；
并联损失电阻Rsh由于电池边缘漏电流或耗尽区内的复合电流造成的，在Rsh两端的电压为：Vj =(V+IR S)
因此流过并联电阻Rsh的电流为：
ISh= (V+IR S) / Rsh
根据Kcl，流过负载的电流：
I= Iph – I D – Ish
C、太阳电池等效电路分析
根据上式，I= Iph – I D – ISh = Iph – Is(e Vj/UT-1 ) - Vj/Rsh
= Iph - Is(e(V+IRs)q/kT - 1) – (V+IRs)/Rsh
当负载短路时，V=0 , I = Isc , 由于流经二极管的暗电流很小，可忽略，得：
Isc = Iph – IscRs/Rsh( Isc = Iph(1+Rs/Rsh) ) ------ Isc总小于Iph 的原因
当负载短路时，I =0, V= V oc ，得：
Iph – I D – Ish = 0 V oc = kTln((Iph-Ish/Is)+1) /q
同样，由于流经二极管的暗电流很小，可以忽略，得：
Voc = kTln((Iph/Is)+1) /q ≈kTln(Iph/Is)/q
则电池输出功率：P = I V = Iph V – Is V( e ( qV/ k T) -1 )
令∂P/ ∂V＝0 得到：
Im ≈Iph(1- k T/q Vm)
Vm ≈V oc – k T ln (1+qVm/k T) /q
Pm = VmIm = Iph(V oc- k T ln (1+qVm/k T) /q – k T/q)
FF = = VmIm/Voc Isc = VmIm/IphVoc = 1 - k Tln (1+qVm/k T)/q Voc - k T/q Voc
(FF计算针对于理想太阳电池等效电路)
FF填充因子是最大功率矩形对Isc * Voc 矩形的比例。

对于太阳电池来说，是个极为重要的参数，它直接反映了太阳电池的质量。

由以上电路分析知：太阳电池的串联电阻越小、并联电阻越大，填充因子会越大，反映到太阳电池的电流－电压特性曲线上的曲线接近正方形（如下图所示），此时太阳电池可以实现很高的转换效率：η = FF Voc Isc / At Pin (At 太阳电池面积；Pin其单位面积上的入射率)
D、太阳电池主要参数
太阳电池的主要参数有：
Voc:
在一定的温度和辐照度条件下，太阳能组件在空载(开路)情况下的端电压，通常用Voc来表示。

Voc与入射光谱辐照度的对数成正比。

Isc:
在一定的温度和辐照条件下，太阳能组件在端电压为零时的输出电流，通常用Isc来表示。

Isc与入射光的辐照度成正比。

Vm:
太阳电池伏安特性曲线上最大功率点所对应的电压。

通常用Vm表示。

Im:
太阳电池伏安特性曲线上最大功率点所对应的电流。

通常用Im表示。

Pm:
在太阳电池的伏安特性曲线上对应最大功率的点，又称最佳工作点。

η：
太阳电池转换效率，η= Vm Im / At Pin *100％(At ，太阳电池面积；Pin，其单位面积上的入射光功率) FF：
太阳电池填充因子，FF = Vm Im / Voc Isc
α：
电流温度系数，在规定的试验条件下，被测太阳电池温度每变化10℃，太阳电池短路电路的变化值，一般晶体硅电池α= + 0.1%/℃
β：
电压温度系数，在规定的试验条件下，被测太阳电池温度每变化10℃，太阳电池开路电压的变化值，对于一般晶体硅电池β= - 0.38%/℃
下图是一样件的测试数据截图：
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热斑及旁路二极管介绍：
五、热斑及旁路二极管介绍
热斑效应：当组件中的一个电池或一组电池被遮光或损坏时，工作电流超过了该电池或电池组降低了的短路电流，在组件中会发生热斑加热。

此时受影响的电池或电池组被置于反向偏置状态，消耗功率，从而引起过热。

------引自《IEC61215 10.9.2》
可见，热斑即组件发热或局部发热，热斑处电池片受到损伤，降低组件功率输出甚至导致组件报废，严重降低组件的使用寿命，对电站发电等安全造成隐患。

热量聚集导致组件不良或损坏。

电池组件热斑的形成，外部因素主要事组件或局部组件受到遮挡物遮挡，常见的遮挡物有：树叶、尘土、云层、动物及动物粪便、积雪等；内在因素有太阳电池内阻和太阳电池自身逆电流大小有关。

从电池片的实际等效电路即可分析到此结论。

负载与太阳电池内阻串联，由等效电路图得到流过负载的电流：I= Iph – I D – ISh 则串联电阻工作功率：P = I2Rs ,故Rs 对电池片温度的影响是肯定的，对于电池片来讲，内阻越小越好。

内阻主要是电池片自身由于制作工艺产生的内阻外，还有就是焊带产生的内阻，因此，对于电池片的焊接工艺应该引起充分重视，对焊带的选择也应该选择内阻小的为好；至于逆电流因素，还是要从实际等效电路分析，对于不同的电池片，其暗电流有差异。

组件短路，遮挡组件上的某片电池片无法正常工作，相对于组件来说其是个内阻，消耗：P = I2R (R ：被遮挡电池片的等效内阻)。

由图知被遮挡的电池片的生热电流为I = I D + ISh （I :逆电流，I D :暗电流，Ish: 漏电流），故，逆电流较大的太阳电池硅片，在外界环境相同的条件下，其产生热斑的可能性较大。

安装在外部环境下的组件阵列温度T与日照强度L、系统环境温度Ts、内阻产生的温度Ti相关。

组件温度可表示为：
T = T0 ＋αTs +βL ＋Ti
（T0、α、β是根据实验数据按最小二乘法处理后所得的系数，系数值与所使用的太阳电池的类型、安装地点、支架形式等因素都有关系）
热斑的危害是巨大的，而且组件阵列电站如在无人维护的情况下，热斑效应也极易发生，怎么才能避免或减轻热斑的对组件的不利影响成为组件设计的重要问题。

现在的情况是在组件电池串上并联旁路二极管的方法来减轻热斑的影响。

首先来看看热斑的形成原理：
被遮挡的电池片不再发电，自身相当于一个消耗电阻；在其两端产生S-1 片电池片的方向偏压，如无旁路二极管保护，则组件电流流过后将产生热量。

组件的正向I-V特性曲线和被遮挡的电池片的反向I-V特性曲线相交出形成的阴影为电池片的最大消耗功率。

功率加下图所示：
如在太阳电池（串）两端并联旁路二极管，则：
旁路二极管开始工作，将被遮挡的一串电池片旁路掉， 组件电流从旁路二极管流过，保证组件工作正常，并保护了
被遮挡的电池片不会被损坏。

即使这样，被旁路掉的那部分电池串中没有被遮盖的电池片也无法正常发电，是一种损失。

另外，由于旁路二极管是并联方式连接在一串电池片两端，常态下二极管处于反向截至状态，反向压降取决于反向压降约为：0.5N V（一串电池片的数量N）,由二极管反向电流特性知，二极管反偏时有漏电流经过，此电流很小，一般在微安级。

反向电偏置电压和温度对反向电流的影响。

如下图（某旁路二极管V R -I R 特性曲线 ）所示：
由曲线，很明显得可以看到，温度及反向偏置压降对I R 的影响；温度升高使得I R 成倍地升高，同样，反向压降的增
加可以导致二极管漏电流的增加。

所以理想状态下是每片电池片加旁路二极管一只，但在实际应用中，没有厂家会这么做，只能是在在满足组件使用要求的情况下，统筹考虑每个旁路二极管旁路的太阳电池数量。

这样以来，对旁路二极管的性能要求就尤为重要了。

由于大多数二极管安装在接线盒内，盒内受有限的散热空间及接线盒结构和材料的限制，要求二极管的热性能一定要好，关于二极管的热性能，IEC61215 10.18节有旁路二极管热性能试验专门介绍。

热斑发生时，组件电流基本上都流经旁路二极管，有电流流过就会有热产生，同时，由
于接线盒内的二极管发热也对接线盒提出了要求：
接线盒要具备好的耐热和好的散热特性。

下式为计算二极管结温： D
D THjc case j I U R T T ⋅⋅+=
计算式中：
Tj ：二极管结温；
Tcase ：二极管壳温；
RTHjc：二极管热阻
U D：二极管两端压降
I D：流经二极管电流
由上式可见，从二极管本身看，二极管的热性能与其封装形式、正向导通压降、热阻系数、流经电流有直接关系。

出于对二极管的热性能考虑，对于二极管的选择，个人认为主要参数要遵循一下几点：
1、热阻系数小越小越好；
2、正向压降越小越好；
3、正向耐电流越大越好；
4、反向电流越小越好；
5、温度特性曲线要好；
6、ESD性能要好（参照IEC61000-4-2静电放电抗扰度试验标准）；
另外，旁路二极管在接线盒内的安装，限于接线盒内的空间和环境，从接线盒方面考虑，主要考虑如何将热量传导出去：
1、二极管选择管脚焊接方式安装，管脚大面积接触导热体散热效果会好于点接触的插装二极管；
2、接线盒内灌灌封胶体，增强散热性能，此时，导热体、密封胶均能够对二极管热量起到传到作用。

上述所述内容参考文献如下：
1、《模拟电子技术》西安电子科技大学出版社
2、《太阳能光伏发电技术》化学工业出版社
3、《太阳电池热斑现象研究》电源技术应用杂志
4、《地面用晶体硅光伏组件――设计鉴定和定型》国家质量监督检验检疫总局。