组件旁路二极管详解

组件旁路二极管详解

一般用在单晶硅和多晶硅光伏(PV)面板的旁路二极管中，在出现低分流和高分流阻抗时，保护过热点的光伏电池(参考图1)。

图1A，电池板中的低分流阻抗单元

图1B，电池板中的高分流阻抗单元

在旁路应用中，肖特基势垒整流器可发挥低正向电压降的优势，而且比普通P-N结整流器的功率耗散更小。然而，这种器件也具有低反向电压击穿的缺点，很容易因ESD(静电放电)的电过应力(EOS)和感

应的高电压而损坏。图1显示的是，一个肖特基整流器在250V电压下施加高电压8/20 μs脉冲后失效的测试结果。

图1，肖特基整流器在250V电压和一个8/20 μs脉冲(2-Ω线阻)情况下失效。

ESD——静电放电

光伏电池

光伏电池是太阳能光伏电池的简称，用于把太阳的光能直接转化为电能。目前地面光伏系统大量使用的是以硅为基底的硅太阳能电池，可分为单晶硅、多晶硅、非晶硅太阳能电池。在能量转换效率和使用寿命等综合性能方面，单晶硅和多晶硅电池优于非晶硅电池。多晶硅比单晶硅转换效率低，但价格更便宜。 按照应用需求，太阳能电池经过一定的组合，达到一定的额定输出功率和输出的电压的一组光伏电池，叫光伏组件。根据光伏电站大小和规模，由光伏组件可组成各种大小不同的阵列。 本公司光伏组件，采用高效率单晶硅或多晶硅光伏电池、高透光率钢化玻璃、Tedlar、抗腐蚀铝合多边框等材料，使用先进的真空层压工艺及脉冲焊接工艺制造。即使在最严酷的环境中也能保证长的使用寿命。 组件的安装架设十分方便。组件的北面安装有一个防水接线盒，通过它可以十分方便地与外电路连接。对每一块太阳电池组件，都保证20年以上的使用寿命。

是用层压膜与玻璃或透明的二氧化硅板压到一起，或是用环氧树脂材料粘在一起。玻璃、化学材料平板和层压薄膜都很容易产生ESD，ESD的强度取决于表面直径。ESD可能损坏肖特基整流器的芯片端，主要是通过过热失效的方式(图2A和2B)。

图2A和2B：在肖特基芯片由ESD造成的过热痕迹。

大多数旁路二极管的最大击穿电压只有45V到60V。然而，它们能处理的ESD也较低。Vishay的SB15H45和150SQ045的典型ESD为25KV(空气放电)，采用10个100pF/1.5KΩ(per IEC61000-4-2)的脉冲。这些器件的测试结果参见表1。

表 1: SB15H45和 150SQ045的25KV 户外空气放电测试结果

这种ESD防护能力还不足以在为所有ESD状况或从电源线

电源线是用作电气组件或设备与电源的连接线，通常来说指电线与其一端连接的插头或尾插的集合体，是电器产品的基本零部件之一。电源线分为电线和插头两部分。

和其他来源感应的高电压提供保护。一个脉冲宽度为60ns的典型ESD波形如图3所示。

由ESD和浪涌造成失效之间的区别是，他们涉及的失效器件的数量是不同的。在大多数由ESD引起的失效故障中，在接线盒里的两个或三个器件当中的某一个会失效。而浪涌会损毁所有的旁路二极管。

图3：典型的ESD波形。

反应能量和感应能量

当高功率电缆

电缆是一种用以传输电能信息和实现电磁能转换的线材产品。既有导体和绝缘层，有时还加有防止水份侵入的严密内护层，或还加机械强度大的外护层，结构较为复杂，截面积较大的产品叫做电缆。

与太阳能电池板的电缆交错或是平行摆放时，反应能量和感应能量也可能引起旁路二极管的失效。这种情况非常少见，也很难通过标准化的措施加以避免。

当接线盒与电路断开，存储在电缆里的能量会反作用到接线盒里的旁路二极管，这时就会产生反应能量。能量等级取决于电缆的长度和供电电压。

大多数肖特基整流器的雪崩容量低于20mJ，还不足以应付反应能量。但Vishay的瞬态电压抑制器

瞬态电压抑制器英文为Transientvoltagesuppressor，简称TVS，当TVS两极受到反向高能量冲击时，它能以10－12s级的速度，将其两极间的阻抗由高变低，吸收高达数kW的浪涌功率，使两极的电位箝位于预定值，有效地保护自动化设备中的元器件免受浪涌脉冲的损害。

(TVS)的雪崩能量可以从1/4焦耳到2焦耳。

图4，标准8/20 μs IEC61000-4-5波形与350V和2-Ω线路阻抗条件下的旁路二极管 图4显示给接线盒中的3个旁路二极管施加350V(2-Ω线路阻抗)的测试结果。由于产生了电短路，所有3个旁路二极管都失效了。

TVS硅雪崩击穿二极管可以用来保护旁路二极管免受来自闪电、高电荷的表面能量，以及高压电源

又名高压发生器，,一般是指输出电压在五千伏特以上的电源，一般高压电源的输出电压可达几万伏，甚至高达几十万伏特或更高。 [全文]

线等其他来源的感应电的高功率瞬态和浪涌的损害。为保护二极管免受此类瞬态和浪涌的损害，最好能在每个旁路二极管旁边并联一个TVS器件，如图5所示。

图5，Vishay TVS器件与每个旁路二极管并联

上面的电路结构能够在光伏电池板的生产、现场安装过程中，以及驱动光伏系统时发生任何瞬态和浪涌的情况下，极好地保护旁路二极管。另一种解决办法是在每个接线盒上加上一个TVS器件，如图6所示。这种办法也能保护旁路二极管免遭大多数瞬态和浪涌。

图6，TVS器件与每个旁路二极管串并联

为旁路二极管保护选择TVS

在为光伏电池板和接线盒里的旁路二极管选择TVS时，有几个因素需要加以考虑。首先是TVS的耐压。耐压的意思是施加到器件上的电压没达到这个电压时，TVS器件是不工作的。这个电压比光伏电池板在瞬间高压试验的VOC高，是常规峰值VOC的1.4到1.6倍。

常规Voc与瞬间高压试验时的Voc

而且，TVS的功率等级应当根据应用的瞬态和浪涌能量的级别而定。轴向的P6KE和SMBJ系列表面贴装器件的雪崩容量是1/4焦耳，足以对ESD和来自短电缆的反应能量提供保护。出于为旁路二极管和太