光伏二極管應用可靠性建模與評價研究

張俊，程佳，林子群，徐延伸

（華潤微電子有限公司重慶市重點實驗室，重慶 400060）

1 引言

二極管具有正向導通、反向截止的特性，廣泛應用于電力電能轉換中，作為電力轉換的關鍵器件，21世紀以來其技術開發(fā)與實際應用取得了較大的進步[1]。隨著國家低碳戰(zhàn)略規(guī)劃的部署和實施，近年來風力發(fā)電、太陽能光伏發(fā)電等綠色新能源技術的開發(fā)與應用得到迅猛的發(fā)展，促進了光伏組件用二極管的技術進步和應用發(fā)展，隨之而來的應用可靠性需求也愈加迫切。

光伏組件主要部署在西北地區(qū)，這一地理位置具有緯度高、日照強、日照時間較長等優(yōu)勢，但也使得光伏組件需長期承受高溫、晝夜溫差大、風沙大等惡劣環(huán)境的影響，對器件的長期應用可靠性提出了挑戰(zhàn)。

目前，行業(yè)內(nèi)針對光伏組件用二極管（簡稱光伏二極管）的可靠性評價均沒有考慮實際工作應力作用時間的分布情況，忽視了相應工作應力引起的失效和作用時間的關系。為此，本文提出利用工作壽命周期內(nèi)器件工作應力分布的權重建立工作壽命周期可靠性模型，結合加速應力試驗和相應的可靠性評價完成光伏二極管實際工作應力下的應用可靠性評價。

2 應用可靠性評價模型與試驗方案

2.1 光伏二極管應用環(huán)境影響分析

光伏二極管是一種利用PN 結正向導通、反向截止的原理，結合半導體工藝（光刻、鍍膜、擴散等）制成的一種電子器件，一般采用塑料封裝工藝進行表面貼裝封裝或者直插封裝，具有耐高溫、反向擊穿電壓高、轉換頻率高等特點。光伏二極管一般主要起到防反和旁通的作用，能夠實現(xiàn)單向高效蓄能的目的，大規(guī)模太陽能光伏組件中一般采用如圖1 所示的電路實現(xiàn)預定功能[2]。

圖1 光伏組件中的二極管電氣連接

白天太陽光照時，太陽能電板發(fā)生光電效應，產(chǎn)生的電流通過防反二極管向蓄電池充電。為了防止個別太陽能電板失效或故障時無法單向充電反而轉為負載，每個太陽能電板均并聯(lián)一個旁路二極管，以保證充電的可靠性與效率。晚上沒有光照時，太陽能電板不工作，旁路二極管不工作，防反二極管保證蓄電池不放電。

2.2 工作周期應力分布權重分析

西北地區(qū)春夏時節(jié)空氣相對濕潤，此時二極管白天承受的主要應力有高溫應力、高濕應力、電應力，晚上承受低溫應力；秋冬時節(jié)比較干燥，相對濕度低，在此階段器件白天承受的主要應力有高溫應力、電應力，晚上承受低溫應力。總體上白天溫度高，晚上溫度低，因此器件全年都要承受溫度循環(huán)應力。另外，通過近10 年來對器件試驗失效數(shù)據(jù)的統(tǒng)計，沒有發(fā)現(xiàn)低溫儲存試驗引起的失效案例，因此低溫儲存應力暫且忽略。

因此，以間斷周期（1 年，定為365 天）進行主要工作應力分布分析。由以上分析可知，主要的組合應力有3 類：高溫應力、高濕應力、電應力綜合作用；高溫應力、電應力綜合作用；溫度循環(huán)應力作用。在間斷周期內(nèi)，高溫應力、高濕應力、電應力組合作用在間斷周期內(nèi)的占比為1/4，作用時長為365/4 天；高溫應力、電應力組合作用在間斷周期內(nèi)的占比為1/4，作用時長為365/4 天；溫度循環(huán)應力作用在間斷周期內(nèi)的占比為1，作用時長為365 天。

由于工作壽命周期由無數(shù)間斷周期構成，由此推斷以上3 組應力在工作壽命周期的作用時間占比分別為1/4、1/4 和1，即權重因子a1=1/4，a2=1/4，a3=1。

2.3 包含應力分布權重因子的可靠性模型建立

二極管裝聯(lián)到光伏組件后，在整個工作壽命周期內(nèi)會歷經(jīng)高溫應力、高濕應力、電應力、溫度循環(huán)應力等工作應力作用。高溫應力+高濕應力+電應力、高溫應力+電應力2 類組合應力因為存在季節(jié)性交替，因此無互相耦合作用。溫度循環(huán)應力是在大尺度時間（24 h/cycle）內(nèi)作用，瞬時溫度變化率相對較低，因此在較短時間間隔內(nèi)溫度循環(huán)應力非常小，對其他2 類組合應力的耦合作用也可忽略，因此也可認為溫度循環(huán)應力相對獨立。

以上3 類組合應力均能使器件在長期使用過程中受到影響，造成器件失效，而作用模式相對獨立，因此匹配風險競爭失效理論，其可靠性模型符合串聯(lián)模型。假設二極管的可靠性由3 組應力作用模塊組成，SDF 為高溫應力、高濕應力、電應力作用的模塊，作用時間的工作壽命周期占比為1/4，GDF 為高溫應力、電應力作用的模塊，作用時間的工作壽命周期占比為1/4，WXF 為溫度循環(huán)應力作用的模塊，作用時間的工作壽命周期占比為1，3 類組合應力相互獨立，二極管壽命周期應用可靠性模型如圖2 所示。

圖2 二極管壽命周期應用可靠性模型

因此，器件在工作壽命周期內(nèi)的可靠度R(t)[3]可以表示為

其中，P為概率，t為時間，ε1為高溫應力、高濕應力、電應力作用下的失效時間；ε2為高溫應力、電應力作用下的失效時間；ε3為溫度循環(huán)應力作用下的失效時間。

假定器件的失效率服從二參數(shù)威布爾分布[4]，3 類組合應力相互獨立且同分布，t=NT，N為間斷周期數(shù)，T為一個間斷周期（1 年），即有：

其中，η為威布爾分布的尺度參數(shù)，m為威布爾分布的形狀參數(shù)，R1(a1t)、ηS、mS分別為高溫應力、高濕應力、電應力作用下的可靠度、尺度參數(shù)和形狀參數(shù)；R2(a2t)、ηG、mG分別為高溫應力、電應力作用下的可靠度、尺度參數(shù)和形狀參數(shù)；R3(a3t)、ηW、mW分別為溫度循環(huán)應力作用下的可靠度、尺度參數(shù)和形狀參數(shù)。

因此，器件應用的可靠度為

由式（6）可知，應分別對3 組組合應力進行試驗驗證。

2.4 驗證方案設計

從2.3 節(jié)的推導過程可知，器件應用可靠性評價的敏感應力主要是3 組組合應力。結合器件的可靠性模型，器件的應用可靠性可以通過相對獨立的分組加速試驗進行加速應力可靠性驗證和評價，分別為高溫應力、高濕應力加速試驗（H3TRB），高溫應力、電應力加速試驗（HTRB）和溫度循環(huán)加速試驗（TC）。

參考固態(tài)電子學會發(fā)布的相關標準，結合器件組合應力下工作極限摸底試驗，在保持失效機理不變的原則下，確定器件開展加速試驗條件如表1 所示，表中RH 表示相對濕度，Vds為漏源電壓。

表1 分組加速試驗方案

3 試驗結果分析與可靠性評價

3.1 基于性能退化的偽失效壽命推定

選用某光伏二極管（旁通），耐壓為45 V，采用TO-263 封裝，投入77 顆按照表1 的HTRB 試驗方案試驗，投入154 顆進行預處理后分別按照表1 執(zhí)行H3TRB 試驗和TC 試驗，其中溫度循環(huán)1 cycle/h。每隔168 h 或者100 cycle 執(zhí)行中間測試，經(jīng)過試驗后3 組試驗測試結果均為器件未失效，因此可以采用性能退化數(shù)據(jù)外推偽失效壽命[5]的方式進行特征壽命估算。

對器件各性能指標退化速率和失效閾值進行分析，包括不同條件下的反向漏電、反向耐壓和正向壓降，確定500 μA 的反向耐壓（VR@500 μA）的漂移率最高，因此將該性能退化指標作為退化失效的退化特征量。

對3 組試驗的測試數(shù)據(jù)進行分析，分別對第i（i=1，2，3）組試驗的第j（j=1，2，3，4，…）只樣品的VR@500 μA 指標的第k（k=1，2，3，…）個測試結果畫散點圖，用線性進行擬合，然后用相關系數(shù)進行檢驗，不滿足相關系數(shù)R＞0.8 的數(shù)據(jù)作為奇點值剔除掉。經(jīng)檢驗沒有奇點值，可以確定測試時間和測試結果基本符合線性，采用最小二乘法[6]進行回歸分析：

其中：yi，j，k為第i組試驗第j只樣品第k個測試點的測試結果；xi，j，k為第i組試驗第j只樣品第k個測試點的測試時間；ai，j為回歸系數(shù)；bi，j為回歸誤差。

假設應力試驗過程中器件的失效機理總體保持不變，且相同間隔內(nèi)退化量服從正態(tài)分布，該假設可以采用直方圖進行檢驗確認。由于測試間隔較少，可以采用Bootstrap 自助樣本擴充[7]進行樣本擴展，或者采用插值法[8]擴展樣本。結合行業(yè)用戶要求，定義器件VR@500 μA 從初始值漂移20%為失效閾值。依據(jù)退化軌跡，可以估計第i組試驗第j只樣品的偽失效壽命Ti,j。

3.2 基于偽失效壽命的壽命分布參數(shù)評估

假定器件失效分布函數(shù)符合二參數(shù)威布爾分布，因此，器件在3 組試驗應力條件下的可靠度[9]均可表示為

由于累積失效分布函數(shù)F(t)=1-R(t)，令

可以構建線性回歸方程

其中：c為回歸參數(shù)，等于m；d為誤差參數(shù)，等于-mlnη。

將3 組試驗數(shù)據(jù)的F(t)和偽失效壽命Ti,j分別代入式（9）（10），可以畫出散點圖，偽失效壽命累積失效分布概率如圖3 所示。采用最小二乘法進行線性回歸擬合，可以分別獲得3 組試驗器件的偽失效壽命分布的線性回歸方程的回歸參數(shù)和誤差參數(shù)，代入式（11）計算出威布爾分布參數(shù)m和η，并采用R2可決系數(shù)檢驗法進行擬合優(yōu)度檢驗。

圖3 偽失效壽命累積失效分布概率

采用H3TRB、HTRB 和TC 試驗各77 只器件的偽失效壽命擬合的線性回歸方程，經(jīng)計算，其回歸參數(shù)、誤差參數(shù)以及對應壽命分布的形狀參數(shù)和尺度參數(shù)分別如表2 所示，由此可以得到加速應力下光伏二極管的可靠性壽命參數(shù)。

表2 參數(shù)估計表

3.3 采用加速模型與可靠性模型的應用可靠性評價

為了盡可能評價出器件的可靠性，實驗室試驗均采用加速應力試驗，其考核條件與實際應用條件有比較明顯的差異，但試驗設計時均考慮了加速應力不應影響失效機理的前提，因此可以采用加速應力試驗數(shù)據(jù)進行實際使用條件下的應用可靠性評價，但需根據(jù)加速模型進行加速系數(shù)計算，結合加速試驗數(shù)據(jù)確定的失效分布參數(shù)，以確定工作應力條件下的失效分布參數(shù)。

通過對新疆石河子地區(qū)全年溫濕度等環(huán)境的調(diào)研和器件工作情況的摸底，假定光伏二極管全年白天工作溫度約為50 ℃，相對濕度約為25%，工作偏壓約為0.8Vds（未加速），晝夜溫差0～50 ℃。針對溫度濕度加速的佩克模型[10]加速系數(shù)

其中：r為模型常數(shù)，工程上常取3；Ea為激活能；RHL、RHU分別為器件的實驗室試驗濕度和工作濕度；TU、TL分別為器件工作溫度和實驗室試驗溫度。

針對溫度加速的阿倫尼斯模型[11]加速系數(shù)

其中：Ea取0.7 eV[12]；K為波爾茲曼常數(shù)，K=8.617×10-5eV/℃。

針對溫度循環(huán)應力加速的科菲曼森修正模型[13]加速系數(shù)

其中：p為模型常數(shù)，取2.1；q為模型常數(shù)，取0.42；Ea取0.7 eV。

ΔTL、ΔTU、fU、fL、TUmax、TLmax分別為溫度循環(huán)試驗溫度差（上下限）、器件工作溫度差（晝夜）、工作循環(huán)頻率、試驗循環(huán)頻率、工作最高溫度、試驗最高溫度。

將實驗室應力條件和光伏二極管工作應力條件分別代入式（12）～（14），可得AF1=459，AF2=114，AF3=2 701。由于加速應力只影響器件失效率的快慢，不影響失效機理，因此只影響威布爾壽命分布中的η，不影響m，利用加速系數(shù)并結合表2 的估計值可以計算出3 組工作應力條件下的壽命分布參數(shù)，代入式（6），即光伏二極管的應用可靠性

利用蒙特卡羅法結合散點圖可描繪應用可靠度時間曲線，如圖4（a）所示。結合式（2）對可靠度曲線進行數(shù)值變換，確定縱坐標為、橫坐標為Int的光伏二極管應用失效分布函數(shù)，采用3.3 節(jié)的方法進行最小二乘法線性擬合。累積失效分布如圖4（b）所示，可得y=3.05x-49.79，代入式（10）（11），可得m=3.05，η=12 293 610，即光伏二極管應用階段的特征壽命為12 293 610 h。

圖4 工作應力下可靠度曲線和累積失效分布

4 結論

本文通過應用環(huán)境調(diào)研和工作任務剖面分析，確定工作任務剖面的主要應力及分布，結合光伏二極管應力分布權重建立應用可靠性模型。該模型引入了應力分布的權重因子，對光伏二極管的應用可靠性評價更符合實際。從實際評價結果來看，采用了引入應力分布權重因子模型的可靠性評價結果相比傳統(tǒng)的基于薄弱環(huán)節(jié)的評價結果，其特征壽命12 293 610 h 與傳統(tǒng)評價結果相差較大，這是由于傳統(tǒng)評價忽視了應力分布的影響，采用基于薄弱環(huán)節(jié)失效作為產(chǎn)品可靠性評價的標的，導致評價結果太過保守，與實際應用可靠性結果相差較大。

該方法充分考察了光伏二極管工作任務剖面的工作狀態(tài)和應力分布，結合實驗室針對性試驗設計和數(shù)據(jù)處理可以較好地評估光伏二極管的應用可靠性，也可為各類器件如三極管等的應用可靠性評價提供參考。