王露

（重慶西南集成電路設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，重慶 401332）

0 引言

光伏旁路保護(hù)電路與光伏電池串并聯(lián)使用，其作用是防止熱斑效應(yīng)，保護(hù)光伏電池組件。組件正常工作時(shí)，旁路保護(hù)電路處于反向截止?fàn)顟B(tài)，這時(shí)存在反向電流（IR），即暗電流，暗電流會(huì)減小光伏組件產(chǎn)生的電流；組件出現(xiàn)遮擋時(shí)光伏旁路保護(hù)電路正向?qū)ǎ@時(shí)存在正向壓降（VF），正向壓降會(huì)導(dǎo)致光伏旁路保護(hù)電路發(fā)熱并消耗光伏組件的功率。因此理想的光伏旁路保護(hù)電路應(yīng)該是無(wú)損的，在工作的溫度范圍內(nèi)應(yīng)該具有極低的反向電流和極小正向壓降。為了靠近這個(gè)目標(biāo)，光伏旁路保護(hù)電路經(jīng)過(guò)了三代的更替，發(fā)展到了第三代的MOS光伏旁路開(kāi)關(guān)電路，該電路已接近理想旁路保護(hù)電路的低功耗的要求[1]。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有光伏電站組件失效案例分析，統(tǒng)計(jì)出光伏旁路保護(hù)電路的失效比例，并分析失效原因。針對(duì)光伏組件的實(shí)際應(yīng)用需求，分析目前第二代光伏旁路保護(hù)電路——肖特基二極管的工作特性和缺點(diǎn)，并通過(guò)第三代MOS光伏旁路開(kāi)關(guān)工作原理、電路結(jié)構(gòu)、性能特點(diǎn)的分析和對(duì)比，證明MOS光伏旁路開(kāi)關(guān)電路可以有效解決目前光伏電站現(xiàn)有的問(wèn)題和可靠性風(fēng)險(xiǎn)。

1 光伏旁路保護(hù)電路典型失效分析

在光伏電站的實(shí)際使用過(guò)程中，對(duì)接線盒失效現(xiàn)象進(jìn)行了不完全統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)接線盒的失效現(xiàn)象中由于光伏旁路保護(hù)電路原因引起的失效占到了80%，其中光伏旁路保護(hù)電路擊穿失效占63%，光伏旁路保護(hù)電路異常發(fā)熱失效占17%，接線盒失效比例見(jiàn)圖1。

對(duì)光伏旁路保護(hù)電路兩項(xiàng)典型失效現(xiàn)象進(jìn)行分析：市面上現(xiàn)用的光伏旁路保護(hù)電路主要為肖特基二極管和其改進(jìn)型肖特基二極管。常溫情況下肖特基二極管的耐壓在40～50V，但隨著溫度的增加耐壓（VR）就急劇下降，漏電流（IR）就急劇增加最終導(dǎo)致反偏擊穿；肖特基二極管正向壓降（VF）在0.3～0.5V左右，單個(gè)肖特基二極管正向工作時(shí)（組件熱斑保護(hù)時(shí)）的功耗為3～4W，肖特基二極管的結(jié)溫會(huì)達(dá)到150℃以上，長(zhǎng)時(shí)間的正向工作會(huì)導(dǎo)致肖特基二極管異常發(fā)熱失效[2]。

從以上的失效統(tǒng)計(jì)和分析可以看出光伏旁路保護(hù)電路的性能直接影響接線盒和光伏組件的質(zhì)量和可靠性，因此光伏旁路保護(hù)電路的選擇引起光伏行業(yè)的足夠重視。

2 第二代光伏旁路保護(hù)電路的現(xiàn)狀

目前市面主要使用的第二代光伏旁路保護(hù)電路有兩類(lèi)，一類(lèi)為普通肖特基勢(shì)壘二極管(SBD)，另一類(lèi)溝槽式半導(dǎo)體勢(shì)壘肖特基二極管（TMBS）[3]。

肖特基二極管（SBD）通常用功函數(shù)較大的金屬與輕摻雜N-外延層直接接觸而成，為保持低功耗，使用中摻雜的N+為襯底（如圖2）。N-外延層是該器件的漂移區(qū)，其長(zhǎng)度和電阻率決定了SBD通態(tài)比電阻大小和SBD的反向阻斷特性，肖特基二極管(SBD)具有開(kāi)關(guān)速度快和相對(duì)于PN結(jié)二極管正向壓降低的特點(diǎn)[4]。

為了進(jìn)一步減小SBD的正向壓降就需要降低N-外延層的長(zhǎng)度和電阻率，但反向阻斷特性就會(huì)下降導(dǎo)致反向耐壓降低。為了降低SBD的正向壓降并保持反向耐壓，于是出現(xiàn)了將MOS與SBD相結(jié)合，利用MOS結(jié)構(gòu)在適當(dāng)偏壓下的載流子耗盡作用，在肖特基勢(shì)壘下形成一個(gè)空間電荷區(qū)，使低勢(shì)壘SBD的反向漏電流大幅度降低，這類(lèi)器件叫做TMBS(Trench Mos-Barrier SBD)（如圖3），TMBS相對(duì)于SBD正向壓降和反向漏電流指標(biāo)有所優(yōu)化（SBD/TMBS參數(shù)曲線圖見(jiàn)圖4～7）。

TMBS和SBD反向電流都是正溫特性，隨著溫度升高反向電流急劇增加，反向耐壓也急劇下降，高溫下容易出現(xiàn)反向擊穿。 因此TMBS雖然較SBD做了改進(jìn)，但是還是不能解決在光伏旁路應(yīng)用中出現(xiàn)高溫反偏擊穿的問(wèn)題，肖特基二極管（SBD）及其改進(jìn)型TMBS均不是理想的光伏旁路保護(hù)電路的選擇[5]。

3 MOS光伏旁路開(kāi)關(guān)電路

目前光伏使用的SBD二極管及其改進(jìn)型TMBS二極管都均存在正向壓降（VF）大、高溫耐壓低和漏電大的問(wèn)題，可靠性變差，達(dá)不到理想光伏旁路保護(hù)電路的要求。隨著技術(shù)的發(fā)展，國(guó)內(nèi)外部分IC設(shè)計(jì)公司開(kāi)發(fā)出一種基于功率MOSFET的新型光伏旁路開(kāi)關(guān)電路[6]。該光伏旁路開(kāi)關(guān)電路由功率MOSFET、智能控制電路和電容三個(gè)部分組成，引腳A、K分別對(duì)應(yīng)于旁路保護(hù)電路的陽(yáng)極和陰極，電路框圖結(jié)構(gòu)如圖8所示。

MOS光伏旁路開(kāi)關(guān)電路正向工作時(shí)（工作波形見(jiàn)圖9），功率MOSFET處于截止?fàn)顟B(tài)，正向電流IF通過(guò)功率MOSFET的襯底二極管在源漏端（即A，K端）產(chǎn)生高電壓VH，使電荷泵對(duì)電容充電，持續(xù)TH（即t1-t0）時(shí)間，當(dāng)電容電壓達(dá)到智能控制電路的高電壓檢測(cè)點(diǎn)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)功率MOSFET導(dǎo)通，電路進(jìn)入功率MOSFET導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)旁路開(kāi)關(guān)電路兩端電壓降低為低電平VL（即IF×RDS(on)），電容放電持續(xù)TL（即t2-t1）時(shí)間，當(dāng)電壓達(dá)到智能控制電路的低電壓檢測(cè)點(diǎn)時(shí)，控制電路關(guān)斷功率MOSFET，電路重新進(jìn)入功率MOSFET截止?fàn)顟B(tài)，電容再次開(kāi)始充電，從而完成一個(gè)工作周期。VH為MOSFET襯底二極管的壓降VSD，RDS(on)為功率MOSFET開(kāi)態(tài)導(dǎo)通電阻，VL為MOSFET導(dǎo)通時(shí)漏源電壓[7]。

TH為電荷泵對(duì)電容的充電時(shí)間、TL為電路工作時(shí)候電容的放電時(shí)間。

將（1），（2）代入（3）即得到（4）

功率MOSFET導(dǎo)通率Duty如公式（5）所示

當(dāng)MOS光伏旁路開(kāi)關(guān)電路正向工作切換到反向工作時(shí)，智能控制電路內(nèi)部比較器會(huì)檢測(cè)A端和K端的電壓差，當(dāng)K端電壓高于A端時(shí)，智能控制電路會(huì)關(guān)斷功率MOSFET，使XND18快速進(jìn)入反向截止?fàn)顟B(tài)，從而實(shí)現(xiàn)與二極管相同的正反向功能[8]。

MOS光伏旁路開(kāi)關(guān)電路充分的利用了功率MOSFET低導(dǎo)通電阻、低漏電的特點(diǎn)來(lái)解決現(xiàn)用光伏旁路二極管的正向壓降大、高溫耐壓低漏電大的系列問(wèn)題。光伏旁路開(kāi)關(guān)電路正向溫度曲線如圖9所示，反向漏電溫度曲線如圖10所示（量產(chǎn)MOS光伏旁路開(kāi)關(guān)電路實(shí)測(cè)曲線，型號(hào)XND18-V40），從參數(shù)曲線可以看出MOS光伏旁路開(kāi)關(guān)電路解決了高溫反偏擊穿問(wèn)題，反向漏電流全溫保持在微安級(jí)，正向壓降較肖特基二極管及其改進(jìn)型降低3倍以上，使光伏旁路保護(hù)電路的性能參數(shù)及可靠性得到了全面的提升。

4 試驗(yàn)對(duì)比SBDTMBS二極管與MMOOSS光伏旁路開(kāi)關(guān)電路

為了直觀體現(xiàn)MOS光伏旁路開(kāi)關(guān)電路與光伏用二極管SBD和TMBS的性能差別，結(jié)合旁路保護(hù)電路實(shí)際使用場(chǎng)景進(jìn)行了結(jié)溫測(cè)試、反向漏電流測(cè)試。

光伏旁路二極管樣品選用了市面上主流的肖特基二極管（SBD）、改進(jìn)型的溝槽式半導(dǎo)體勢(shì)壘肖特基二極管（TMBS），芯片尺寸均為150mil；MOS光伏旁路開(kāi)關(guān)電路選用市面應(yīng)用最廣的XND18-V40。

4.1 結(jié)溫試驗(yàn)

①實(shí)驗(yàn)條件。溫度：25℃、75℃；正向電流：IF=15A/18.75A(15A的1.25倍)；時(shí)間：各種電流下通電1小時(shí)；②試驗(yàn)樣品。同型號(hào)接線盒采用三類(lèi)旁路保護(hù)電路，SBD3045(芯片尺寸150mil)、TMBS3045（芯片尺寸150mil）、XND18-V40。③試驗(yàn)數(shù)據(jù)。常溫25℃結(jié)溫對(duì)比測(cè)試表如表1所示。

表1 常溫25℃結(jié)溫對(duì)比測(cè)試表

4.2 反向漏電測(cè)試

①實(shí)驗(yàn)條件。溫度：25℃、85℃、125℃、150℃、175℃，VR=0～40V。②試驗(yàn)樣品。SBD3045(芯片尺寸150mil)、TMBS3045（芯片尺寸 150mil）、XND18-V40③試驗(yàn)數(shù)據(jù)。見(jiàn)圖4、圖6、圖10。

結(jié)溫試驗(yàn)可以看出MOS光伏旁路開(kāi)關(guān)較肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）和溝槽式半導(dǎo)體勢(shì)壘肖特基二極管（TMBS）有更低的正向功耗，相同條件下其結(jié)溫較SBD二極管和TMBS二極管會(huì)低80℃～100℃，有效的降低接線盒和組件的溫度，提高光伏組件的可靠性[9]。

反向漏電測(cè)試可以發(fā)現(xiàn)SBD3045和TMBS3045隨著溫度的增加漏電流急劇增加。SBD3045在125℃時(shí)35V會(huì)出現(xiàn)擊穿，150℃時(shí)20V就會(huì)出現(xiàn)擊穿，175℃時(shí)5V就會(huì)出現(xiàn)擊穿；TMBS3045在150℃時(shí)25V出現(xiàn)擊穿，175℃時(shí)5V出現(xiàn)擊穿；MOS光伏旁路開(kāi)關(guān)在結(jié)溫175℃范圍內(nèi)40V耐壓下漏電保持在微安級(jí)。

通過(guò)以上兩項(xiàng)試驗(yàn)對(duì)比MOS旁路開(kāi)關(guān)較SBD和TMBS肖特基二極管具有更小的正向壓降、更低反向漏電和更好的溫度耐壓特性，性能遠(yuǎn)優(yōu)于SBD二極管和TMBS二極管[10]。

5 結(jié)語(yǔ)

目前IEC標(biāo)準(zhǔn)對(duì)光伏旁路保護(hù)電路認(rèn)證只是簡(jiǎn)單的光伏旁路保護(hù)電路進(jìn)行正向結(jié)溫測(cè)試和常溫電性能測(cè)試，對(duì)其溫度特性和高溫反偏等重要測(cè)試項(xiàng)并沒(méi)有強(qiáng)制要求測(cè)試，導(dǎo)致光伏旁路保護(hù)電路在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的一系列問(wèn)題在認(rèn)證過(guò)程中沒(méi)有得到體現(xiàn)，影響了光伏組件的可靠性和安全性。

隨著光伏電池技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)光伏旁路保護(hù)電路的要求也越來(lái)越高，傳統(tǒng)的肖特基勢(shì)壘二極管（SBD）和溝槽式半導(dǎo)體勢(shì)壘肖特基二極管（TMBS）已經(jīng)不能完全滿足光伏組件可靠性和質(zhì)量的需要。MOS光伏旁路開(kāi)關(guān)電路的出現(xiàn)，解決傳統(tǒng)光伏用二極管的正向壓降高、反向漏電大、高溫耐壓差的問(wèn)題，有效的解決光伏用二極管反偏擊穿失效和異常失效的系列問(wèn)題，提升了光伏組件可靠性。

隨著MOS光伏旁路開(kāi)關(guān)電路的技術(shù)成熟和批量化生產(chǎn)能力的完善，該方案的成本得到了有效的控制具有很高的性價(jià)比，在光伏市場(chǎng)已經(jīng)得到認(rèn)可一致認(rèn)可。MOS光伏旁路開(kāi)關(guān)電路是現(xiàn)有最理想的光伏旁路保護(hù)電路，在未來(lái)很長(zhǎng)的時(shí)間里該方案是光伏旁路最佳解決的方案。