光伏行業(yè)已是拉動(dòng)國民經(jīng)濟(jì)的最強(qiáng)勁引擎，光伏組件是光伏電站的主體。旁路二極管反并聯(lián)于電池串兩端，能有效的防止電池片因熱斑而燒毀。旁路二極管體積小，看似微不足道，但其可靠性對(duì)光伏組件的正常運(yùn)行，甚至對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)的安全產(chǎn)生直接影響。隨著電池片尺寸的增大帶來電流的提升，電氣安全風(fēng)險(xiǎn)也在增加，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致接線盒、背板等材料燒毀，甚至引發(fā)火災(zāi)，給光伏電站帶來損失。本文旨在解讀旁路二極管的基本特性和其在光伏組件中的運(yùn)用。

一、旁路二極管的基本特性

旁路二極管是指在電池組件中反向并聯(lián)于太陽能硅電池片組的兩端二極管，能夠有效地防止硅電池片因熱斑效應(yīng)而燒毀，是光伏太陽能組件的重要組成部分。是為了防止太陽能電池在強(qiáng)光下由于遮擋造成其中一些因?yàn)榈貌坏焦庹斩蔀樨?fù)載產(chǎn)生嚴(yán)重發(fā)熱受損。一般用在單晶硅和多晶硅光伏(PV)面板的旁路二極管中，在出現(xiàn)低分流和高分流阻抗時(shí)，保護(hù)過熱點(diǎn)的光伏電池。但旁路二極管的引入，也會(huì)導(dǎo)致遮蔽情況下光伏陣列的P-U曲線呈現(xiàn)多峰特性，在旁路二極管的基礎(chǔ)上也發(fā)展來了智能重構(gòu)旁路二極管。

肖特基二極管的單向?qū)ㄔ砣缦聢D所示：

由于肖特基二極管是金屬和半導(dǎo)體接觸，沒有PN結(jié)二極管的電荷存儲(chǔ)機(jī)制，在切換電場時(shí)，不存在存儲(chǔ)電荷要先被消耗掉的時(shí)間等待，所以肖特基二極管的開關(guān)響應(yīng)速度非常快，這也是肖特基二極管被選中作為旁路二極管的重要原因之一。當(dāng)電池片發(fā)生熱斑時(shí)，大電流能被立刻旁路掉，起到最快的保護(hù)作用。當(dāng)熱斑消失時(shí)，旁路二極管能立刻恢復(fù)截止?fàn)顟B(tài)，組件恢復(fù)最大功率輸出，所以肖特基二極管超高的開關(guān)響應(yīng)頻率也正好切中了組件的應(yīng)用場景需求。

肖特基二極管相比于PN結(jié)二極管，還具有較低的正向?qū)妷旱奶匦裕蛟谟诮鸢虢佑|形成的肖特基結(jié)的飽和漏電流包含3種模型（隧穿電流/載流子發(fā)射/鏡像力）豐富于PN結(jié)二極管的單一的少數(shù)載流子漂移漏電流模型，所以在同等條件下，肖特基二極管相比于PN結(jié)二極管會(huì)表現(xiàn)出更高的漏電流。

二、旁路二極管的熱失控

旁路二極管通常的失效模式是承受不住高溫和大電流的考驗(yàn)，當(dāng)組件部分電池片被遮擋導(dǎo)致旁路二極管導(dǎo)通后，正向大電流使得二極管迅速發(fā)熱而容易擊穿。IEC 61215標(biāo)準(zhǔn)里面有關(guān)二極管結(jié)溫測試，用以檢測二極管性能，然而這項(xiàng)檢測還不能完全評(píng)價(jià)旁路二極管的可靠性。比如遮擋移除后，二極管仍有擊穿現(xiàn)象發(fā)生，究其原因是因?yàn)檎趽跻瞥查g，二極管從正向?qū)ㄗ儞Q為反向截止?fàn)顟B(tài)，二極管本身保持較高溫度，在反向漏電流下繼續(xù)發(fā)熱。此時(shí)，若接線盒散熱良好，則二極管溫度逐漸降低至正常，否則溫度繼續(xù)上升，直至二極管熱擊穿而失效，被稱為熱失控。

三、旁路二極管的熱逃逸測試

IEC62979：2017對(duì)光伏組件的旁路二極管的熱逃逸實(shí)驗(yàn)做了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。測試的基本方法是在高溫環(huán)境下持續(xù)正向?qū)ù箅娏鬟_(dá)到二極管穩(wěn)定狀態(tài)后，瞬間切換電壓成二極管反向截止，比較電壓切換前后二極管的溫度。如果正向?qū)〞r(shí)的溫度高于反向截止時(shí)的溫度，則說明二極管反向截止漏電流產(chǎn)生的熱能夠順暢逃逸不會(huì)導(dǎo)致二極管結(jié)溫繼續(xù)升高，即二極管未發(fā)生熱失控，反之二極管結(jié)溫會(huì)持續(xù)升高而導(dǎo)致熱失控，同時(shí)監(jiān)控到漏電流降低，并且熱逃逸測試后的二極管的正向和反向特性與初始測量相比沒有明顯的變化，則認(rèn)為熱逃逸測試通過。

IEC62979：2017定義的幾個(gè)重要測試條件如下：

實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度:

90±2℃（屋頂類組件），75±2℃（開放支架類）

正向電流:

1.25倍STC下組件短路電流

正向穩(wěn)定狀態(tài):

二極管溫度穩(wěn)定在（+0.3℃，-0℃）保持10分鐘

反向偏置電壓:

數(shù)值等同STC下二極管對(duì)應(yīng)串的開路電壓

正反向切換時(shí)間:

≤10ms

通常情況下，切換電壓數(shù)秒后，即可觀察到二極管是否熱失控。在某些臨界情況下，溫度變化很小，測試必須持續(xù)至少2分鐘。

下圖是熱失控時(shí)的溫度變化曲線：

下圖是熱可控時(shí)的溫度變化曲線：

遵循IEC62979標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施熱逃逸測試，在高溫測試環(huán)境箱內(nèi)，給接線盒通1.25倍的短路電流（雙面組件電流同時(shí)考慮背面增益因子），持續(xù)一個(gè)小時(shí)確保二極管經(jīng)受住高溫和大電流考驗(yàn)并處于穩(wěn)定狀態(tài)后，切斷電流瞬間施加反向電壓，檢測接線盒和二極管的熱逃逸性能。

審核編輯：湯梓紅