旁路二極管典型環(huán)境下的反向電流試驗(yàn)與均勻性分析

姚磊，馮皓，王珊珊，王維思，彭敦誠(chéng)

（威凱檢測(cè)技術(shù)有限公司，廣州 510663）

引言

能源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的動(dòng)力基礎(chǔ)，傳統(tǒng)能源如石油、煤炭、天然氣等化石能源屬于有限的不可再生資源，由于過(guò)度的開發(fā)使用，這些資源終將面臨枯竭的風(fēng)險(xiǎn)，現(xiàn)階段化石能源在我國(guó)能源結(jié)構(gòu)中占主導(dǎo)地位，利用效率低下、環(huán)境污染嚴(yán)重，與我國(guó)可持續(xù)發(fā)展理念不符，因此綠色發(fā)展、清潔能源、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)等概念需要與發(fā)展融合一體。近些年來(lái)水電、風(fēng)電和光伏發(fā)電等綠色能源得到了快速發(fā)展，尤其光伏發(fā)電領(lǐng)域，需求持續(xù)升溫。

在光伏發(fā)電系統(tǒng)中，熱斑效應(yīng)一直都是危害太陽(yáng)能電池壽命的主要因素之一。所謂熱斑效應(yīng)，就是電池片由于樹木、鳥糞、灰塵等外界物品遮擋了太陽(yáng)光線，導(dǎo)致該串聯(lián)支路中被遮蔽的太陽(yáng)電池組件，將被當(dāng)作負(fù)載消耗其他正常光照的太陽(yáng)電池組件所產(chǎn)生的能量，被遮蔽的太陽(yáng)電池組件此時(shí)會(huì)發(fā)熱。熱斑效應(yīng)產(chǎn)生局部高溫，當(dāng)溫度超過(guò)一定限值，將會(huì)降低電池組件壽命，嚴(yán)重的可能會(huì)燒毀電池片的柵線，導(dǎo)致整個(gè)組件失效。另外，正常光照的太陽(yáng)電池所發(fā)出的電能，也會(huì)回流到能被遮蔽的電池中，此時(shí)發(fā)生熱斑效應(yīng)的電池就變成了負(fù)載，將電能消耗掉。為了防止太陽(yáng)電池由于熱斑效應(yīng)而遭受破壞，電池組件的正負(fù)極之間會(huì)并聯(lián)一個(gè)旁路二極管（圖1），利用二極管正向?qū)ā⒎聪蚪刂沟墓ぷ魈匦?，?dāng)電池片正常工作時(shí)，電流不流過(guò)二極管，持續(xù)發(fā)電累加到外部電路，但當(dāng)電池片出現(xiàn)熱斑效應(yīng)導(dǎo)致發(fā)電量降低或者不能發(fā)電時(shí)，旁路二極管可以讓其它電池片產(chǎn)生的電流從二極管的支路上流過(guò)，這樣一方面可以保證太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)繼續(xù)發(fā)電，另一方面也能防止故障電池變?yōu)樨?fù)載消耗電能。

光伏組件使用環(huán)境復(fù)雜，旁路二極管由于安裝在接線盒中，受空間限制散熱條件不好，往往需要工作在高溫環(huán)境中，同一光伏系統(tǒng)中二極管使用的數(shù)量很多，因此旁路二極管的選擇對(duì)于光伏系統(tǒng)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。本文將著重介紹二極管反向電流參數(shù)的測(cè)試方法，通過(guò)不同的典型環(huán)境試驗(yàn)測(cè)試二極管反向電流，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出二極管反向特性均勻性的篩選方法。

1 二極管反向電流影響和測(cè)試方法

1.1 反向電流的影響

二極管在電路中相當(dāng)于一個(gè)開關(guān)作用，二極管在反向截止的時(shí)候，并不是完全理想的截止。當(dāng)承受反壓的時(shí)候，二極管處于偏置狀態(tài)，電壓與PN結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)反方向，由于存在電子漂移而形成少子，會(huì)有些微小的電流從陰極漏到陽(yáng)極，這就是我們說(shuō)的反向漏電流，這個(gè)電流通常很小，而且反壓越高、溫度越高，漏電流越大，帶來(lái)電能損耗越大。反向電流的大小與電壓和溫度相關(guān)，反向電壓越大，少子獲得的勢(shì)能也越大，越有可能掙脫原子核的束縛，反向電流也越大；高溫時(shí)，二極管的反向電流增加到毫安級(jí)，這樣不僅失去了單方向?qū)щ娞匦?，還會(huì)使管子過(guò)熱而損壞。如果電壓、溫度持續(xù)升高，反向電流則會(huì)持續(xù)升高，二極管最終被反向擊穿。因此，二極管的反向電流越小，即代表二極管的單方向?qū)щ娦阅茉胶谩?/p>

1.2 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)調(diào)性分析

關(guān)于旁路二極管測(cè)試溫度，IEC標(biāo)準(zhǔn)間存在一個(gè)技術(shù)要求不協(xié)調(diào)的地方，即在IEC 61215-1:2016 Terrestrial photovoltaic （PV）modules - Design qualification and type approval - Part 1: Test requirements的MQT 18旁路二極管熱試驗(yàn)中規(guī)定，測(cè)試條件按照舊版本IEC 61215:2005中的10.18條規(guī)定，二極管隨著組件被加熱到（75±5）℃進(jìn)行測(cè)試，但在IEC 61215-2:2016 Terrestrial photovoltaic （PV） modules - Design qualification and type approval - Part 2:Test procedures中4.18條旁路二極管測(cè)試（MQT 18）的規(guī)定，二極管隨著組件被加熱到（90±5）℃進(jìn)行測(cè)試，這是兩個(gè)新版標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于二極管試驗(yàn)溫度規(guī)定不協(xié)調(diào)的地方。通過(guò)二極管的特性我們知道，當(dāng)溫度升高時(shí)，二極管的反向電流成倍的升高，反向電流的增加，勢(shì)必增加電能在發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)的消耗，另外持續(xù)的反向電流也使得二極管結(jié)溫持續(xù)升高，降低二極管的壽命。因此，高溫下的二極管漏電流越小代表二極管的反向性能越優(yōu)良，并且同一系統(tǒng)中二極管的反向參數(shù)越穩(wěn)定，光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出的電源特性越穩(wěn)定。在后文的高溫測(cè)試中，采用了IEC 61215-2:2016標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的更為苛刻的90 ℃環(huán)境溫度進(jìn)行測(cè)試分析。IEC 61215系列標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于測(cè)試溫度的規(guī)定見表1。

1.3 旁路二極管反向電流測(cè)試方法介紹

在現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)體系中，沒有專門針對(duì)光伏組件用旁路二極管反向電流的測(cè)試方法，但是二極管在工作原理和特性上沒有本質(zhì)區(qū)別，因此在測(cè)試旁路二極管反向電流時(shí)，參考已有標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4203-2015《半導(dǎo)體器件 分立器件和集成電路 第2部分：整流二極管》中的測(cè)試方法，標(biāo)準(zhǔn)中介紹了兩種方法來(lái)測(cè)試反向電流，即直流法和示波器法。

直流法為反向電流的基本測(cè)試電路（圖2），即通過(guò)一個(gè)保護(hù)電阻器R，施加規(guī)定的反向電壓，在規(guī)定的環(huán)境、電參數(shù)條件下，通過(guò)精密電流測(cè)試裝置測(cè)試流過(guò)二極管的反向電流IR。反向電流是由少數(shù)載流子的漂移運(yùn)動(dòng)形成的，少數(shù)載流子由本征激發(fā)產(chǎn)生，溫度的升高，加強(qiáng)了本征激發(fā)，漂移運(yùn)動(dòng)的載流子數(shù)量增加，該電流數(shù)值決定于溫度，而幾乎與外加電壓無(wú)關(guān)。在一定溫度T下，由于熱激發(fā)而產(chǎn)生的少數(shù)載流子數(shù)量是一定的，電流趨于恒定，這時(shí)的電流就是反向飽和電流。因此，直流法更適合于測(cè)量達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)的反向電流。

示波器法用于測(cè)試反向電流瞬時(shí)值，基本測(cè)試電路如圖3，當(dāng)施加在二極管兩端的反向電壓增大至某一數(shù)值時(shí)，少子的數(shù)量和能量增加，破壞內(nèi)部的共價(jià)鍵，使原來(lái)被束縛的電子和空穴被釋放出來(lái)，不斷增大電流，最終PN結(jié)擊穿，此時(shí)更適用示波器法進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)示波器持續(xù)捕捉動(dòng)態(tài)的電壓和電流曲線，得到動(dòng)態(tài)的反向特性，圖中的R是當(dāng)二極管擊穿后的保護(hù)電阻。

因此，直流法和示波器法二者在測(cè)試原理上沒有本質(zhì)的差別，都是對(duì)電壓和電流參數(shù)的基本測(cè)量，區(qū)別是兩種方法分別適用于二極管穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。

2 二極管典型環(huán)境下反向性能均勻性分析

旁路二極管在光伏發(fā)電系統(tǒng)中批量使用，反向電流大的二極管增加了發(fā)電系統(tǒng)內(nèi)的能耗，為了保證各個(gè)發(fā)電單元內(nèi)部的平衡，因此需要選擇反向電流小和工作特性相近的產(chǎn)品。本節(jié)通過(guò)測(cè)試幾種典型環(huán)境下二極管的反向電流，運(yùn)用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)相關(guān)知識(shí)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行均勻性分析。

2.1 測(cè)試抽樣方式

為了方便數(shù)據(jù)對(duì)比，本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)選取兩個(gè)型號(hào)的二極管樣品進(jìn)行測(cè)試，其中型號(hào)A和型號(hào)B待測(cè)樣品各20個(gè)，分別在常溫25 ℃、高溫90 ℃（按照IEC 61215-1:2016對(duì)于旁路二極管測(cè)試的溫度要求）和雙85（IEC 61215-1:2016對(duì)于組件整體測(cè)試的典型環(huán)境）條件下進(jìn)行全檢，每個(gè)樣品重復(fù)測(cè)試2次。

2.2 測(cè)試評(píng)價(jià)方法

利用單因子方差分析法對(duì)A、B型號(hào)樣品反向電流的均勻性進(jìn)行測(cè)試。型號(hào)A樣品反向電流測(cè)試數(shù)據(jù)見表2、單因子方差分析結(jié)果見表3；型號(hào)B樣品反向電流測(cè)試數(shù)據(jù)見表4、單因子方差分析結(jié)果見表5。

根據(jù)單因子方差分析法計(jì)算得出統(tǒng)計(jì)量F，按照規(guī)定若F＜自由度為（f1，f2）及給定顯著水平α（通常α=0.05）的臨界值F（f1，f2），則表明樣品內(nèi)和樣品間無(wú)顯著性差異，樣品是均勻的，否則則表示不均勻。型號(hào)A、B樣品自由度均為f1=19；f2=20，由此可以得出型號(hào)A、B樣品的F與F0.05(19,20)關(guān)系（表6）。

對(duì)于型號(hào)A的樣品計(jì)算的 F 統(tǒng)計(jì)量值均小于 F 臨界值，表明在 0.05 顯著性水平時(shí)，在以上三種測(cè)試環(huán)境條件下，二極管的反向電流結(jié)果是均勻的；對(duì)于型號(hào)B的樣品計(jì)算的 F 統(tǒng)計(jì)量值均大于 F 臨界值，表明在 0.05 顯著性水平時(shí)，在以上三種測(cè)試環(huán)境條件下，二極管的反向電流結(jié)果是不均勻的，即該批次的二極管反向電流測(cè)試結(jié)果偏差較大，性能表現(xiàn)不均勻。

圖2 反向電流的測(cè)試電路（直流法）

圖3 反向電流的測(cè)試電路（示波器法）

表2 A型號(hào)二極管不同環(huán)境條件下反向電流測(cè)試數(shù)據(jù)

表3 A型號(hào)二極管單因子方差分析結(jié)果

3 結(jié)論

1）光伏旁路二極管的反向特性尤其反向電流對(duì)整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)影響很大，旁路二極管的反向截止功能不僅能保護(hù)發(fā)生熱斑的組件，另一方面反向電流小的產(chǎn)品，對(duì)系統(tǒng)中電能的消耗要少。

表4 B型號(hào)二極管不同環(huán)境條件下反向電流測(cè)試數(shù)據(jù)

表5 B型號(hào)二極管單因子方差分析結(jié)果

2）而在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，針對(duì)IEC 61215-1:2016和IEC 51215-2:2016中旁路二極管測(cè)試溫度不協(xié)調(diào)的問題，建議用更為嚴(yán)苛的90 ℃溫度條件進(jìn)行測(cè)試，嚴(yán)苛的測(cè)試溫度保證了二極管復(fù)雜環(huán)境中工作的可靠性。

表6 型號(hào)A、B樣品的F與F0.05(19,20)關(guān)系

3）光伏陣列中對(duì)于旁路二極管的使用數(shù)量很大，為了保證各個(gè)發(fā)電單元內(nèi)部的平衡，可以按照本文介紹的單因子方差分析法對(duì)樣品某一特性的均勻性進(jìn)行分析，必要時(shí)剔除工作特性偏差較大的樣品重新分析，從而指導(dǎo)二極管的篩選。