■ 楊松 諸榮耀 沈道軍 羅易 李春陽(yáng) 王仕鵬 黃海燕

(1.浙江正泰新能源開(kāi)發(fā)有限公司；2.浙江正泰太陽(yáng)能科技有限公司)

0 引言

太陽(yáng)能光伏組件用旁路二極管的可靠性一直受到業(yè)界的廣泛關(guān)注，隨著全球太陽(yáng)能光伏電站組件使用數(shù)量的增加和使用時(shí)間的推移，系統(tǒng)部件的可靠性問(wèn)題逐步顯現(xiàn)。

光伏組件的生產(chǎn)制成、系統(tǒng)安裝和電站運(yùn)行等不同階段，因產(chǎn)品質(zhì)量與外界環(huán)境及施工等因素均可造成旁路二極管失效(包括二極管的應(yīng)用選型不當(dāng))，給太陽(yáng)能光伏電站的正常運(yùn)行和工作壽命帶來(lái)極其不利的影響。正泰作為光伏電站的投資建設(shè)單位，曾多次同接線(xiàn)盒廠(chǎng)家、二極管廠(chǎng)家、光伏組件生產(chǎn)商合作，一同參與太陽(yáng)能電站二極管失效事故的處理，分析不同二極管廠(chǎng)家產(chǎn)品的若干二極管失效案例，從中找到一些失效原因和規(guī)律，但也存在著不少需試驗(yàn)確認(rèn)的失效因素和改善措施。

為此，正泰新能源開(kāi)發(fā)有限公司在屋頂510 kWp光伏電站現(xiàn)場(chǎng)與公司內(nèi)部實(shí)驗(yàn)室對(duì)電站應(yīng)用中發(fā)生二極管失效的情況進(jìn)行了多項(xiàng)探討性試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)計(jì)劃

試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)?zāi)康?、試?yàn)方法及要求的相關(guān)信息見(jiàn)表1。

2 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備的相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。

3 試驗(yàn)過(guò)程

3.1 試驗(yàn)項(xiàng)目1：系統(tǒng)安裝時(shí)，方陣輸出線(xiàn)在匯流箱內(nèi)接反，造成二極管失效確認(rèn)試驗(yàn)

試驗(yàn)環(huán)境情況：天氣晴，氣溫40 ℃。

電站發(fā)生二極管失效時(shí)，存在一個(gè)方陣中大部分二極管同時(shí)失效的案例，這種情況一般懷疑為系統(tǒng)安裝時(shí)，在匯流箱內(nèi)并接線(xiàn)時(shí)方陣輸出線(xiàn)的“+”、“-”線(xiàn)接反所致。對(duì)于12進(jìn)1出的匯流箱，組串在并聯(lián)連接時(shí)接反，整個(gè)輸出電壓被光伏二極管限幅在30 V左右，約有80 A電流通過(guò)該組線(xiàn)路，其中大部分電流經(jīng)過(guò)二極管。在有陽(yáng)光發(fā)電時(shí)，即便時(shí)間不長(zhǎng)，也會(huì)使二極管因正向電流嚴(yán)重過(guò)載而熱擊穿?；謴?fù)正確接線(xiàn)后，擊穿二極管會(huì)繼續(xù)消耗與其并聯(lián)電池片的發(fā)電功率約60～70 W，時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)二極管塑料體碳化爆裂，接線(xiàn)盒變形或燒穿。原理圖如圖1所示。

在白天陽(yáng)光下，某組方陣并線(xiàn)接反時(shí)，其他方陣發(fā)電電流會(huì)通過(guò)接反方陣二極管形成回路，造成二極管正向嚴(yán)重過(guò)流失效。為確認(rèn)上述分析原因是否存在，本次試驗(yàn)采用并線(xiàn)逐步增加的方法，測(cè)量各種狀態(tài)下的數(shù)據(jù)，獲得分析依據(jù)。

表1 試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)?zāi)康?、試?yàn)方法及要求的相關(guān)信息

圖1 組串并聯(lián)接反失效原理圖

表2 試驗(yàn)設(shè)備的相關(guān)參數(shù)

試驗(yàn)?zāi)M一個(gè)方陣的接線(xiàn)盒內(nèi)二極管試驗(yàn)板(見(jiàn)圖2)，方陣組串由16塊光伏組件串聯(lián)而成，每塊組件接線(xiàn)盒內(nèi)3只二極管，共48只二極管。試驗(yàn)接線(xiàn)圖如圖3所示。

圖2 模擬一串方陣二極管試驗(yàn)板

3.1.1 試驗(yàn)步驟

1) 選取太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中的一個(gè)匯流箱單元；

2) 切斷該單元與系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)；

3) 脫開(kāi)各方陣的熔斷器，選擇一方陣，用模擬方陣二極管試驗(yàn)板按試驗(yàn)接線(xiàn)圖方式連接；

4) 接通模擬方陣熔斷器，保險(xiǎn)絲容量11 A；

5) 依次接通1、2、3、4、5組正常發(fā)電方陣熔斷器，電流即通過(guò)接反模擬方陣二極管，測(cè)量流過(guò)模擬試驗(yàn)板的電流、試驗(yàn)板兩端電壓和二極管表面溫度(穩(wěn)態(tài))。

圖3 試驗(yàn)接線(xiàn)圖

1并(1對(duì)1反充)接線(xiàn)圖及相關(guān)參數(shù)分別如圖4、表3所示。

圖4 1對(duì)1反充接線(xiàn)圖

表3 1并(1對(duì)1反充)接線(xiàn)的相關(guān)參數(shù)

2并(2對(duì)1反充)接線(xiàn)圖及相關(guān)參數(shù)分別如圖5、表4所示。

3并(3對(duì)1反充)接線(xiàn)圖及相關(guān)參數(shù)分別如圖6、表5所示。

4并(4對(duì)1反充)接線(xiàn)圖及相關(guān)參數(shù)分別如圖7、表6所示。

圖5 2對(duì)1反充

表4 2并(2對(duì)1反充)接線(xiàn)的相關(guān)參數(shù)

圖6 3對(duì)1反充

表5 3并(3對(duì)1反充)接線(xiàn)的相關(guān)參數(shù)

圖7 4對(duì)1反充

表6 4并(4對(duì)1反充)接線(xiàn)的相關(guān)參數(shù)

5并(5對(duì)1反充)接線(xiàn)圖及相關(guān)參數(shù)分別如圖8、表7所示。

圖8 5對(duì)1反充

表7 5并(5對(duì)1反充)接線(xiàn)的相關(guān)參數(shù)

針對(duì)試驗(yàn)項(xiàng)目1，結(jié)合不同反接狀態(tài)下的測(cè)試數(shù)據(jù)分析如圖9所示。

圖9 不同反接狀態(tài)下二極管溫升分析

3.1.2 試驗(yàn)分析

本項(xiàng)目試驗(yàn)通過(guò)模擬系統(tǒng)安裝，測(cè)量二極管的溫度，進(jìn)而評(píng)估方陣在匯流箱內(nèi)并入連接時(shí)極性接反是否會(huì)引起方陣內(nèi)大面積二極管失效現(xiàn)象。

從試驗(yàn)過(guò)程數(shù)據(jù)看，二極管達(dá)到了較高溫度，在并入第5組方陣12 min后，保險(xiǎn)絲熔斷。數(shù)據(jù)表明，本次試驗(yàn)采用的系統(tǒng)輸出電流不大。

在電站系統(tǒng)中，如果匯流箱之間沒(méi)有防反隔離措施，饋入反接方陣的電流將更大。而二極管是否會(huì)失效，取決于保險(xiǎn)絲熔斷時(shí)間和二極管承受的最大電流。二極管與保險(xiǎn)絲熔斷損壞試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表8所示。

數(shù)據(jù)顯示，1并、2并、3并、4并二極管未擊穿、熔斷絲未熔斷；5并時(shí)二極管未擊穿，熔斷絲熔斷，表明二極管溫度與通過(guò)電流的變化成正相關(guān)，且隨著系統(tǒng)一次匯流設(shè)備并聯(lián)數(shù)的增加，系統(tǒng)方陣接反后光伏接線(xiàn)盒中二極管失效的可能性將隨之增加。同時(shí)也說(shuō)明，熔斷絲在系統(tǒng)中起到了相應(yīng)的保護(hù)作用。

表8 光伏系統(tǒng)用熔絲與二極管大電流下?lián)p壞先后順序驗(yàn)證

3.2 試驗(yàn)項(xiàng)目2：失效二極管對(duì)同接線(xiàn)盒內(nèi)其他二極管的影響

試驗(yàn)環(huán)境情況：天氣晴，氣溫40 ℃。

在太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)生二極管與接線(xiàn)盒失效案例中，曾發(fā)現(xiàn)接線(xiàn)盒內(nèi)部3只二極管全部失效，并出現(xiàn)接線(xiàn)盒燒毀和二極管塑料體開(kāi)裂現(xiàn)象。在案例分析中，一般認(rèn)為二極管質(zhì)量隱患與失效分布情況無(wú)法對(duì)應(yīng)，所以一般判斷為組件在安裝使用中受到意外損害(如雷擊)，造成接線(xiàn)盒內(nèi)部二極管擊穿失效，然而這類(lèi)失效的真正原因和發(fā)展過(guò)程尚未確定。針對(duì)業(yè)界普遍反映二極管反向擊穿失效占失效比例較大，且溫度對(duì)二極管反向特性影響較大，本次試驗(yàn)圍繞失效二極管發(fā)熱對(duì)接線(xiàn)盒內(nèi)其他二極管的影響進(jìn)行。本試驗(yàn)分別采用R-6結(jié)構(gòu)二極管和接線(xiàn)盒、TO-263結(jié)構(gòu)二極管和接線(xiàn)盒進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2.1 R-6結(jié)構(gòu)二極管及接線(xiàn)盒試驗(yàn)

將1 PCS ESD靜電擊穿失效的二極管安裝于接線(xiàn)盒內(nèi)，將接線(xiàn)盒接入組件中，組件接入方陣后，測(cè)量記錄接線(xiàn)盒內(nèi)3只二極管溫度及盒內(nèi)溫度、組件背板溫度，觀(guān)察該接線(xiàn)盒內(nèi)正常二極管是否失效，安裝情況如圖10所示。

方陣空載試驗(yàn)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表9所示。

圖10 R-6結(jié)構(gòu)失效二極管安裝圖

表9 方陣空載狀態(tài)下測(cè)試數(shù)據(jù)

65 min后，溫度已穩(wěn)定，記錄失效的二極管溫度達(dá)到213.3 ℃，其他二極管溫度分別為102.8 ℃、69.5 ℃，盒內(nèi)溫度為95.3 ℃，組件背板溫度為63.3 ℃，正常二極管未失效。

方陣帶負(fù)載試驗(yàn)：負(fù)載采用電爐絲，阻性負(fù)載，電爐絲220 V、2 kW，兩并、兩串連接，接入方陣在線(xiàn)測(cè)量。負(fù)載兩端電壓484 V、電流3.88 A、功率1877.9 W。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表10所示。

表10 方陣負(fù)載狀態(tài)下測(cè)試數(shù)據(jù)

3.2.2 TO-263結(jié)構(gòu)二極管及接線(xiàn)盒試驗(yàn)

安裝圖如圖11所示，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表11所示。

針對(duì)試驗(yàn)項(xiàng)目2，結(jié)合不同結(jié)構(gòu)二極管對(duì)同接線(xiàn)盒內(nèi)旁邊二極管影響的測(cè)試數(shù)據(jù)的分析如圖12所示。

3.2.3 試驗(yàn)分析

圖11 TO-263結(jié)構(gòu)失效二極管安裝圖

表11 方陣空載狀態(tài)下測(cè)試數(shù)據(jù)

圖12 R-6、TO結(jié)構(gòu)失效二極管對(duì)同接線(xiàn)盒內(nèi)其他二極管的影響分析圖

從試驗(yàn)測(cè)量到的二極管殼溫可看到，在太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，如果發(fā)生二極管擊穿或在系統(tǒng)安裝前二極管已經(jīng)擊穿的情況，系統(tǒng)發(fā)電就會(huì)使擊穿二極管發(fā)熱，同時(shí)有可能帶動(dòng)接線(xiàn)盒內(nèi)部環(huán)境溫度升高和其他二極管漏電流上升。二極管的反向漏電流隨溫度的上升而增加，據(jù)資料統(tǒng)計(jì)，溫度每升高10 ℃，反向漏電流升高1倍。從而反向漏電流大與高溫特性差的二極管就會(huì)失效。二極管的塑料封裝材料是高分子物質(zhì)，在長(zhǎng)期高溫狀態(tài)下高分子材料發(fā)生碳化而爆裂。在解剖分析此類(lèi)失效樣品時(shí)，常遇到碳化材料無(wú)法去除現(xiàn)象。

反向擊穿二極管在組件工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)高溫，它與二極管正向?qū)üぷ鲿r(shí)的區(qū)別，我們通過(guò)對(duì)擊穿二極管的測(cè)量，得到了其特性和參數(shù)的分布情況。分析如下：

1) 擊穿二極管的反向特性大部分是阻性的，反向特性曲線(xiàn)如圖13所示。

圖13 擊穿二極管的反向特性曲線(xiàn)

2)數(shù)據(jù)測(cè)量：在對(duì)反向擊穿的二極管通入8.5 A電流下，測(cè)得二極管兩端壓降在1.2～2.0 V之間，計(jì)算其電阻為0.14～0.24 Ω。部分大電流燒毀的失效二極管反向電阻較小。

3)根據(jù)等效電路圖分析擊穿二極管在組件中的失效原因和影響，擊穿二極管在組件中的工作原理圖如圖14所示。

圖14 擊穿二極管組件中工作原理圖

如圖14所示，二極管反向擊穿后，原本應(yīng)反向截止的特性，變化為反向?qū)āＥc它并聯(lián)的電池片在陽(yáng)光照射下產(chǎn)生電流，其電流通過(guò)電池片內(nèi)阻和二極管反向擊穿后的電阻串聯(lián)形成回路。

目前條件下，組件與二極管并聯(lián)的電池片組空載電壓約為13 V、短路電流約為8.5 A，計(jì)算電池片組內(nèi)阻為：

式中，Rdr為電池片組內(nèi)阻；Vk為電池片組空載電壓；ID為組件短路電流。

二極管擊穿后，電池片組的回路電流為：

式中，Rf為反向電阻。

二極管反向功耗為：

從計(jì)算數(shù)據(jù)及試驗(yàn)結(jié)果分析知，二極管反向擊穿后在組件正常發(fā)電的情況下，其反向功耗遠(yuǎn)大于正常二極管出現(xiàn)熱斑時(shí)的正向功耗，溫度必然會(huì)很高。同時(shí)說(shuō)明，TO-263型貼片式ESD擊穿二極管比R-6軸向式ESD擊穿二極管對(duì)同接線(xiàn)盒中旁邊元件影響更大(可引起旁邊二極管擊穿)。出現(xiàn)該現(xiàn)象的原因是貼片式二極管散熱面積大，快速將熱量傳遞給對(duì)應(yīng)連接銅片，銅片再將熱量傳遞給旁邊二極管最終導(dǎo)致其熱擊穿。

需要注意的是，若用單一組件方陣進(jìn)行試驗(yàn)，當(dāng)方陣對(duì)負(fù)載輸出電流時(shí)，由于輸出電流的方向與二極管擊穿短路電流的方向是相反的，由基爾霍夫電流法可知，流過(guò)擊穿二極管的反向電流會(huì)減小，發(fā)熱會(huì)隨之降低。但在發(fā)電系統(tǒng)中，由于該組串方陣存在擊穿二極管輸出電壓缺失的原因，在并入?yún)R流箱后，與其他方陣輸出電壓相比，該方陣與其他方陣存在電壓差，因此該方陣的輸出電流會(huì)下降或有倒流現(xiàn)象(無(wú)防反流系統(tǒng))。因此反向擊穿失效二極管的發(fā)熱是極其嚴(yán)重的。

3.3 試驗(yàn)項(xiàng)目3：光伏組件被遮光，其旁路二極管工作時(shí)對(duì)旁邊二極管的影響

試驗(yàn)環(huán)境情況：天氣晴，氣溫40 ℃。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)，由于環(huán)境及其他因素導(dǎo)致組件產(chǎn)生熱斑是系統(tǒng)通常很難避免的現(xiàn)象，這也是光伏組件用接線(xiàn)盒內(nèi)加入二極管的最終原因。本次試驗(yàn)希望通過(guò)模擬工作條件，驗(yàn)證光伏組件出現(xiàn)熱斑后接線(xiàn)盒內(nèi)部二極管的工作狀態(tài)，以便評(píng)估其可靠性。試驗(yàn)采用遮光布遮擋組件一部分電池片，檢測(cè)對(duì)應(yīng)接線(xiàn)盒內(nèi)各二極管的工作狀態(tài)[1]。試驗(yàn)組件如圖15所示，遮光前、后測(cè)量數(shù)據(jù)分別見(jiàn)表12、表13。

圖15 實(shí)驗(yàn)?zāi)M光伏組件熱斑現(xiàn)象

表12 遮光前測(cè)試數(shù)據(jù)

表13 遮光后測(cè)試數(shù)據(jù)

3.3.1 試驗(yàn)分析

從試驗(yàn)數(shù)據(jù)知，二極管能滿(mǎn)足其設(shè)計(jì)工作的要求。在光伏組件和接線(xiàn)盒、二極管都正常工作狀態(tài)下，目前接線(xiàn)盒試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)確定的環(huán)境溫度能滿(mǎn)足光伏組件應(yīng)用的實(shí)際場(chǎng)合。同時(shí)說(shuō)明，二極管質(zhì)量的好壞將直接影響系統(tǒng)發(fā)電功率的輸出，因此應(yīng)引起重視。

3.4 試驗(yàn)項(xiàng)目4：模擬組件應(yīng)用時(shí)出現(xiàn)二極管正、反向偏置切換試驗(yàn)

試驗(yàn)環(huán)境情況：環(huán)境溫度25 ℃，室內(nèi)。

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)長(zhǎng)期工作中，有可能存在某遮光物落在光伏組件表面，此時(shí)其與被遮擋組串反向并聯(lián)的旁路二極管形成正向?qū)?。方陣發(fā)電輸出電流通過(guò)該旁路二極管，對(duì)外輸出電能。由于二極管正向功耗使其發(fā)熱，一段時(shí)間后，二極管結(jié)溫Tj在一個(gè)較高數(shù)值上達(dá)到平衡[2]。而此時(shí)遮擋陽(yáng)光物體因風(fēng)吹等原因突然移動(dòng)，遮擋物或陰影突然移出該組件被遮擋部位，電池片被陽(yáng)光照射，立刻發(fā)電，電壓反向加至剛消失正向電流的二極管上。由于二極管結(jié)溫Tj仍處在高溫狀態(tài)下，反向電壓的出現(xiàn)，反向漏電流會(huì)使二極管進(jìn)入惡性循環(huán)狀態(tài)而失效。本試驗(yàn)采用同一結(jié)構(gòu)接線(xiàn)盒，選擇不同參數(shù)二極管，用正向?qū)娏鬟f增的方法，逐級(jí)試驗(yàn)來(lái)評(píng)估二極管正、反向轉(zhuǎn)換的正向電流能力。試驗(yàn)電路原理如圖16所示。

試驗(yàn)樣品：同一種接線(xiàn)盒5只，R-6封裝不同參數(shù)芯片二極管5種。

試驗(yàn)方法：分別對(duì)5種二極管組裝的接線(xiàn)盒逐一進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)正向電流由接線(xiàn)盒+、-導(dǎo)入，電流回路為3只二極管串聯(lián)通過(guò)。反向電壓15 V切換到中間1只二極管上。

圖16 光伏二級(jí)管正反向轉(zhuǎn)換試驗(yàn)原理圖

操作步驟：1) 按試驗(yàn)原理圖將接線(xiàn)盒連接到試驗(yàn)電路中，并將溫度傳感器貼裝到二極管外殼上，蓋好接線(xiàn)盒盒蓋。將完成上述操作的接線(xiàn)盒放入烘箱內(nèi)，打開(kāi)烘箱加熱至80 ℃，待恒溫后打開(kāi)正向電流恒流恒壓電源對(duì)其通入6 A電流，1 h后，記錄二極管殼溫。2) 打開(kāi)反向電壓恒流恒壓電源，調(diào)整電壓為15V，恒流輸出值應(yīng)大于8 A。3)啟動(dòng)“PLC正、反向轉(zhuǎn)換時(shí)間控制器”轉(zhuǎn)換按鈕，觀(guān)察反向漏電流。當(dāng)漏電流下降至起始值的1/3時(shí)，可判斷所加正向電流為可通過(guò)值。4)按“PLC正、反向轉(zhuǎn)換時(shí)間控制器”停止按鈕，調(diào)節(jié)正向電流，逐步加大正向電流，重復(fù)上述試驗(yàn)。當(dāng)試驗(yàn)過(guò)程轉(zhuǎn)換成反向后，反向漏電流向高漂移，漂移速度逐步加快，可判斷為該正向電流為不可通過(guò)電流值。試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表14所示，表中VF為正向峰值電壓；VB為雪崩擊穿電壓；IR為反向電流。

3.4.1 試驗(yàn)分析

該模擬試驗(yàn)的現(xiàn)象是在太陽(yáng)能光伏發(fā)電站實(shí)際工作中有可能存在的現(xiàn)象，試驗(yàn)圍繞二極管的高溫特性進(jìn)行，當(dāng)有物體或陰影在光伏組件上出現(xiàn)熱斑時(shí)，二極管正向?qū)üぷ?，?jīng)過(guò)一段時(shí)間，二極管芯片中p-n結(jié)的溫度穩(wěn)定在一個(gè)較高數(shù)值上。此時(shí)若物體或陰影突然移出光伏組件原來(lái)位置，二極管工作狀態(tài)由正向?qū)ㄞD(zhuǎn)換成反向截止，組件發(fā)電電壓立刻加到二極管反向兩端；而此刻二極管的p-n結(jié)溫度未大幅下降，反向漏電流較大，如果漏電流和反向電壓產(chǎn)生的反向功耗使結(jié)溫繼續(xù)上升，則二極管就會(huì)熱擊穿失效。

表14 二級(jí)管正、反向偏置測(cè)試數(shù)據(jù)

本試驗(yàn)結(jié)果顯示，不同參數(shù)特性的二極管有不同的電流通過(guò)能力。推測(cè)相同二極管在不同的接線(xiàn)盒內(nèi)，也會(huì)有不同的電流通過(guò)能力。為此可研究確定，接線(xiàn)盒(包括二極管)能否應(yīng)用在組件輸出電流超過(guò)試驗(yàn)通過(guò)電流的場(chǎng)合。

3.5 試驗(yàn)項(xiàng)目5：旁路二極管的靜電放電(ESD)能力試驗(yàn)

試驗(yàn)環(huán)境情況：環(huán)境溫度25 ℃，室內(nèi)。

光伏二極管的抗靜電能力是一個(gè)非常重要的參數(shù)指標(biāo)，多年來(lái)組件生產(chǎn)過(guò)程中發(fā)生二極管擊穿失效和太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中分散零星式二極管燒毀等現(xiàn)象，都有可能與靜電放電有關(guān)。為此評(píng)估二極管抗靜電和提高這一能力就顯得尤為重要。

3.5.1 光伏二極管抗靜電放電能力測(cè)試

光伏二極管自身抗靜電放電能力的高低，對(duì)應(yīng)用可靠性有較大的影響，參照IEC 61000-4-2[3]標(biāo)準(zhǔn)對(duì)光伏二極管的抗靜電放電能力進(jìn)行抽檢和評(píng)估。試驗(yàn)原理及設(shè)備分別如圖17、圖18所示。

圖17 光伏二極管抗靜電能力測(cè)試原理圖

圖18 靜電測(cè)試儀

參數(shù)設(shè)置：試驗(yàn)采用人體模式，試驗(yàn)參數(shù)150 P、330 Ω，接觸式；試驗(yàn)采用電壓逐級(jí)提升法。

試驗(yàn)方法：選擇不同型號(hào)二極管各10只，測(cè)試常規(guī)參數(shù)合格后進(jìn)行試驗(yàn)，以5 kV檔級(jí)逐級(jí)提高電壓進(jìn)行試驗(yàn)，且從5 kV開(kāi)始進(jìn)行放電試驗(yàn)，每放電一次后對(duì)試驗(yàn)件進(jìn)行常規(guī)特性測(cè)量，判斷是否失效。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表15。

表15 二極管抗靜電能力測(cè)試數(shù)據(jù)分析表

針對(duì)如上ESD靜電擊穿的二極管，通過(guò)反向大電流流過(guò)或使光伏組件經(jīng)過(guò)I-V測(cè)試，使擊穿點(diǎn)被擴(kuò)大并且顯露出來(lái)。試驗(yàn)原理如圖19所示。

圖19 光伏組件I-V測(cè)試

被靜電擊穿的二級(jí)管芯片擊穿點(diǎn)較小，芯片其他部位的反向特性并沒(méi)有全部被破壞。試驗(yàn)中反向電壓加入時(shí)產(chǎn)生的短路電流，只能從微小的擊穿點(diǎn)通過(guò)。極高的電流密度使局部發(fā)熱嚴(yán)重，從而使擊穿點(diǎn)擴(kuò)大。擊穿點(diǎn)擴(kuò)大化前后對(duì)比效果如圖20所示。

3.5.2 試驗(yàn)分析

由于靜電放電瞬間能量高且時(shí)間短，易在芯片的微小局部位置形成擊穿。并且能量瞬間消失。一般擊穿點(diǎn)沒(méi)有擴(kuò)大的跡象。肖特基二極管芯片的金屬勢(shì)壘層是靜電易擊穿的部位，金屬勢(shì)壘層在鈦、鎳、銀3層金屬的下面，而一般銀層厚度較厚。因此芯片上通常很難發(fā)現(xiàn)擊穿點(diǎn)，而反向曲線(xiàn)是擊穿特性。如圖21～23所示。

圖21 芯片中未發(fā)現(xiàn)擊穿點(diǎn)

圖22 反向擊穿特性曲線(xiàn)

圖23 正向正常I-V曲線(xiàn)

4 總結(jié)

針對(duì)本文研究的光伏電站用旁路二級(jí)管的高溫反向特性、ESD能力及光伏組件電站實(shí)際應(yīng)用失效案例分析可知，二極管在未受到損傷的情況下，完全可以正常工作，且不會(huì)影響同接線(xiàn)盒內(nèi)其他二極管的工作狀態(tài)。而當(dāng)接線(xiàn)盒內(nèi)有一只二極管擊穿失效，它就有可能影響附近二極管的正常工作。在實(shí)際光伏電站系統(tǒng)中發(fā)生零星單只二極管失效的現(xiàn)象，很有可能是因靜電引起二極管擊穿，隨著系統(tǒng)工作時(shí)間的推移，從而出現(xiàn)接線(xiàn)盒和組件燒毀現(xiàn)象。

因此，預(yù)防靜電傷害、提高二極管抗靜電能力，以及選擇高性能的二極管，是提高太陽(yáng)能光伏系統(tǒng)可靠性的重要措施之一。

由此可見(jiàn)，太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)選擇高品質(zhì)的接線(xiàn)盒加之合理運(yùn)營(yíng)維護(hù)，對(duì)提升整個(gè)電站的質(zhì)量有所幫助，我們建議應(yīng)加強(qiáng)光伏組件生產(chǎn)商與系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商的溝通頻率，并為建設(shè)高品質(zhì)的光伏電站做出貢獻(xiàn)。

[1] IEC 61215-2005, 地面用晶體硅光伏組件——設(shè)計(jì)鑒定和定型[S].

[2] EN 50548-2011,接線(xiàn)盒新標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3] IEC 61000-4-2,靜電放電抗擾性測(cè)試[S].