于　躍，何少茜英利能源（中國）有限公司

帶避雷作用的光伏組件用二極管的研究及設(shè)計(jì)

于躍，何少茜
英利能源（中國）有限公司

太陽能電池組件在雷雨季節(jié)，由于設(shè)計(jì)缺陷有雷擊損壞的風(fēng)險(xiǎn)。本文通過分析防雷元件，設(shè)計(jì)了一種新型帶避雷作用的光伏組件專用二極管電路，敘述了電路結(jié)構(gòu)和發(fā)展前景。

光伏；避雷；二極管；設(shè)計(jì)

引言

傳統(tǒng)的光伏組件必須在輸出端安裝有二極管，其作用是利用二極管的單向?qū)ㄌ匦?，防止反向充電損壞光伏電池以及防止一個(gè)單元的光伏電池?cái)嗦吩斐烧麄€(gè)光伏電池組都無法使用。由于太陽能光伏組件都是安裝在比較開闊的地段或者較高的位置使用，同時(shí)由于連接部分采用大量金屬材料，所以容易受到雷電的侵?jǐn)_。雷電作用在光伏組件上會(huì)造成組件PN結(jié)間擊穿或防倒流二極管擊穿，使組件不能正常發(fā)電或毀壞。但是在每個(gè)獨(dú)立的光伏電池組件都安裝避雷電設(shè)備并不現(xiàn)實(shí)（造價(jià)高，體積大，施工不方便），所以光伏組件防雷電成為一個(gè)急需解決的問題。

1、現(xiàn)用光伏組件防雷技術(shù)

現(xiàn)有光伏組件防雷電大多采用匯流箱內(nèi)置防雷模塊，但是防雷模塊不能保護(hù)光伏組件受雷襲擊。匯流箱中的防雷模塊離光伏組件有一定的距離，在組件受到雷擊時(shí)不能夠保護(hù)組件避免損害。另外，由于防雷模塊造價(jià)高、體積大、施工不方便等原因，不適合在每個(gè)獨(dú)立的光伏電池組件上均安裝，這就造成了現(xiàn)有的光伏組件上沒有防雷保護(hù)，在雷雨季節(jié)極易使組件受到雷擊而損壞。光伏組件的輸出端即接線盒內(nèi)只安裝了二極管防倒流，在組件收到雷擊時(shí)起不到保護(hù)作用。

2、防雷二極管設(shè)計(jì)

2.1防雷元件分析

通過實(shí)驗(yàn)表明，將光伏組件必備的二極管輔助其他電路改為即保證正常二極管單向?qū)ㄊ褂?，又能夠達(dá)到受到擊中時(shí)，二極管自動(dòng)接地達(dá)到將雷電自動(dòng)引入大地作用，無雷電時(shí)自動(dòng)恢復(fù)傳統(tǒng)二極管的功能，以起到接地避雷及自恢復(fù)的作用。

常用的防雷、過電壓保護(hù)元器件有以下幾種:壓敏電阻(mov)、氣體放電(gdt)、齊納二極管和TVS管都是用來限制電壓的，正常使用時(shí)均是結(jié)成反偏制狀態(tài)的。

齊納二極管和普通整流穩(wěn)壓二極管的區(qū)別是：瞬態(tài)電壓抑制二極管（TVS）不會(huì)被擊穿，它能夠在電壓極高時(shí)降低電阻，從而使電流分流或控制其流向，從而保護(hù)電路元件在瞬間電壓過高的情況下不被燒毀。穩(wěn)壓管能被擊穿，但擊穿后其兩端的電壓保持不變，從而使電路穩(wěn)定，電壓穩(wěn)定，不至于發(fā)生開路短路，從而保護(hù)電路元件。瞬態(tài)二極管在防雷中的工作原理——齊納擊穿；瞬態(tài)電壓抑制二極管多用于開關(guān)電源，尤其是單端反激開關(guān)電源，在開關(guān)晶體管關(guān)斷的瞬間由于電磁感應(yīng)會(huì)場(chǎng)生一個(gè)很強(qiáng)的反向峰值電壓，如果不加限制會(huì)擊穿開關(guān)晶體管，且這個(gè)反向峰值電壓持續(xù)時(shí)間很小，峰值電壓高，但所含能量不大，所以用瞬態(tài)電壓抑制二極管來釋放掉這個(gè)電壓尖峰，保護(hù)開關(guān)晶體管。

壓敏電阻是一種以氧化鋅為主要成份的金屬氧化物半導(dǎo)體非線性電阻元件；電阻對(duì)電壓較敏感，當(dāng)電壓達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，電阻迅速導(dǎo)通。由于壓敏電阻具有良好的非線特性、通流量大、殘壓水平低、動(dòng)作快和無續(xù)流等特點(diǎn)。被廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備防雷。

氣體放電管是一種間隙式防雷保護(hù)元器件，由于放電管具有絕緣電阻大，寄生電容小，通流量大、對(duì)高頻電子信號(hào)干擾小的一系列特點(diǎn)；因此被廣泛應(yīng)用于電力、通信等重要領(lǐng)域。

瞬態(tài)抑制二極管(TVS管)在承受瞬間高能量脈沖時(shí)，能在極短的內(nèi)由原來的高阻抗?fàn)顟B(tài)變?yōu)榈妥杩梗央妷后橹频教囟ǖ乃?，從而有效的保護(hù)用戶的設(shè)備和元器件不受損壞。由于其具有箝位電壓低、動(dòng)作時(shí)間快等特點(diǎn)；因此比較適合于多級(jí)保護(hù)電路的末級(jí)保護(hù)。此外也能與其它保護(hù)元件配合使用，組成專用的防雷裝置。

2.2電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)分為兩部分：肖特基二極管和防雷電路。

肖特基二極管屬于一種低功耗、超高速半導(dǎo)體器件，反向恢復(fù)時(shí)間極短（可以小到幾納秒），是光伏組件常用的一種二極管。主要作用是防止反向充電損壞光伏電池以及防止一個(gè)單元的光伏電池?cái)嗦吩斐烧麄€(gè)光伏電池組都無法使用。

防雷電路由壓敏電阻與陶瓷氣體放電管串聯(lián)組成，正常工作時(shí)陶瓷氣體放電管不導(dǎo)通，壓敏電阻沒有漏電流，可以大大延長使用壽命；受雷電沖擊時(shí)，陶瓷氣體放電管首先擊穿，壓敏電阻器阻值迅速下降，導(dǎo)通大電流，從而保護(hù)光伏組件；沖擊過去后，由于壓敏電阻限制了電流，放電管不能維持導(dǎo)通而熄弧，恢復(fù)為正常工作狀態(tài)。

結(jié)構(gòu)示意圖

3、新型二極管的發(fā)展前景

新型二極管主要有兩大優(yōu)勢(shì)：保護(hù)功能，二極管具有正向?qū)嫦蚪刂棺饔?，防止反向充電。同時(shí)當(dāng)某串電池片損壞發(fā)生斷路時(shí)，可通過二極管形成導(dǎo)通路徑，不影響使用。受雷電沖擊時(shí)，陶瓷氣體放電管及壓敏電阻器動(dòng)作，使大電流流入大地，保護(hù)了光伏組件；自恢復(fù)功能，雷電沖擊過去后，由于壓敏電阻限制了電流，放電管不能維持導(dǎo)通而熄弧，恢復(fù)為正常工作狀態(tài)。

由上所述，太陽能電池組件采用此種二極管后，將大大的降低了雷電對(duì)太陽能電池組件的損壞，減少了設(shè)備維修故障率，有很大的市場(chǎng)前景。