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光伏行業(yè)已是拉動(dòng)國(guó)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(lái)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(lái)?yè)p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，以及阿特斯通過(guò)優(yōu)化接線盒設(shè)計(jì)，嚴(yán)苛熱逃逸實(shí)驗(yàn)選型以提升組件運(yùn)行的可靠性能。

一、旁路二極管的基本特性

旁路二極管的電子學(xué)名是肖特基二極管，是一種金屬和半導(dǎo)體接合形成肖特基勢(shì)壘而具備了電氣的單向?qū)ㄌ匦浴?br />
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(méi)有PN二極管的電荷存儲(chǔ)機(jī)制，在切換電場(chǎng)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(kāi)關(guān)響應(yīng)速度非?？欤@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(kāi)關(guān)響應(yīng)頻率也正好切中了組件的應(yīng)用場(chǎng)景需求。

肖特基二極管相比于PN二極管，還具有較低的正向?qū)妷旱奶匦?，原因在于金半接觸形成的肖特基結(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二極管會(huì)表現(xiàn)出更高的漏電流。根據(jù)二極管的電流方程ID = Is · [ e^(VD / VT) - 1]，其中VD為施加的電壓，VT為溫度電壓當(dāng)量(此為一常數(shù)，常溫下約為26mV)，當(dāng)正向電壓 VD 遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于 VT，-1可省略，上述公式可簡(jiǎn)化為：ID= Is · e^(VD / VT)，可以換算成VD=VT*Ln(ID/ Is)。舉例，相同的ID肖特基二極管和PN二極管的Is約分別為10-5mA和10-9mA，按照前面公式估算出來(lái)的VD(PN) ≈2*VD(SB)，可以看到肖特基二極管相比于PN二極管具有較低的正向?qū)妷?。基于以上原理，?dāng)熱斑發(fā)生時(shí)，肖特基二極管導(dǎo)通的啟動(dòng)電壓低，大電流可以瞬間旁路掉，起到對(duì)熱斑電池片的保護(hù)作用。

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(cè)試，用以檢測(cè)二極管性能，然而這項(xiàng)檢測(cè)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。阿特斯對(duì)此做了深入研究，通過(guò)嚴(yán)苛熱逃逸測(cè)試來(lái)評(píng)估接線盒和二極管是否滿足使用要求。

三、旁路二極管的熱逃逸測(cè)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(cè)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(shuō)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(cè)試后的二極管的正向和反向特性與初始測(cè)量相比沒(méi)有明顯的變化，則認(rèn)為熱逃逸測(cè)試通過(guò)。

IEC62979：2017定義的幾個(gè)重要測(cè)試條件如下：

01、實(shí)驗(yàn)環(huán)境溫度:

90±2℃(屋頂類組件)，75±2℃(開(kāi)放支架類)

02、正向電流:

1.25倍STC下組件短路電流

03、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

04、反向偏置電壓:

數(shù)值等同STC下二極管對(duì)應(yīng)串的開(kāi)路電壓

05、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(cè)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：

阿特斯遵循IEC62979標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施熱逃逸測(cè)試，在高溫測(cè)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(cè)接線盒和二極管的熱逃逸性能。阿特斯組件產(chǎn)品的接線盒和二極管通過(guò)了1200次循環(huán)的熱逃逸檢測(cè)，是業(yè)界對(duì)這項(xiàng)測(cè)試要求最嚴(yán)苛的公司之一。

阿特斯組件卓越的熱逃逸性能來(lái)源于接線盒優(yōu)異的盒體設(shè)計(jì)和二極管的選型，阿特斯選用高可靠性溝槽二極管和更優(yōu)導(dǎo)熱基座材料，可以保證更低的發(fā)熱和更快的散熱(二極管結(jié)溫可分別降低12℃和10℃)。同時(shí)二極管接線和基座實(shí)現(xiàn)了電阻焊，相對(duì)回流焊更加可靠，焊接點(diǎn)的熱阻更低，降低了二極管結(jié)溫5℃左右。

綜上所述，阿特斯通過(guò)優(yōu)秀的產(chǎn)品設(shè)計(jì)和嚴(yán)格的質(zhì)量管控，保證了組件長(zhǎng)期安全的可靠性。

阿特斯在22年的發(fā)展歷程中始終堅(jiān)守對(duì)客戶的承諾：為客戶提供高質(zhì)量的產(chǎn)品、服務(wù)和解決方案!憑著對(duì)這份初心的執(zhí)著和堅(jiān)持，阿特斯產(chǎn)品贏得了全球客戶的認(rèn)可，以高質(zhì)量的產(chǎn)品和服務(wù)引領(lǐng)全球能源變革，共創(chuàng)陽(yáng)光未來(lái)! 

原標(biāo)題：阿特斯 | 小器件，大作用！不可忽視的組件二極管