旁路二極管典型環境下的反向電流試驗與均勻性分析

2021-07-03 14:57:30姚磊馮皓王珊珊王維思彭敦誠

環境技術 2021年2期

姚磊，馮皓，王珊珊，王維思，彭敦誠

（威凱檢測技術有限公司，廣州 510663）

引言

能源是國民經濟發展的動力基礎，傳統能源如石油、煤炭、天然氣等化石能源屬于有限的不可再生資源，由于過度的開發使用，這些資源終將面臨枯竭的風險，現階段化石能源在我國能源結構中占主導地位，利用效率低下、環境污染嚴重，與我國可持續發展理念不符，因此綠色發展、清潔能源、優化能源結構等概念需要與發展融合一體。近些年來水電、風電和光伏發電等綠色能源得到了快速發展，尤其光伏發電領域，需求持續升溫。

在光伏發電系統中，熱斑效應一直都是危害太陽能電池壽命的主要因素之一。所謂熱斑效應，就是電池片由于樹木、鳥糞、灰塵等外界物品遮擋了太陽光線，導致該串聯支路中被遮蔽的太陽電池組件，將被當作負載消耗其他正常光照的太陽電池組件所產生的能量，被遮蔽的太陽電池組件此時會發熱。熱斑效應產生局部高溫，當溫度超過一定限值，將會降低電池組件壽命，嚴重的可能會燒毀電池片的柵線，導致整個組件失效。另外，正常光照的太陽電池所發出的電能，也會回流到能被遮蔽的電池中，此時發生熱斑效應的電池就變成了負載，將電能消耗掉。為了防止太陽電池由于熱斑效應而遭受破壞，電池組件的正負極之間會并聯一個旁路二極管（圖1），利用二極管正向導通、反向截止的工作特性，當電池片正常工作時，電流不流過二極管，持續發電累加到外部電路，但當電池片出現熱斑效應導致發電量降低或者不能發電時，旁路二極管可以讓其它電池片產生的電流從二極管的支路上流過，這樣一方面可以保證太陽能發電系統繼續發電，另一方面也能防止故障電池變為負載消耗電能。

光伏組件使用環境復雜，旁路二極管由于安裝在接線盒中，受空間限制散熱條件不好，往往需要工作在高溫環境中，同一光伏系統中二極管使用的數量很多，因此旁路二極管的選擇對于光伏系統來說至關重要。本文將著重介紹二極管反向電流參數的測試方法，通過不同的典型環境試驗測試二極管反向電流，并對測試數據進行統計分析，得出二極管反向特性均勻性的篩選方法。

1 二極管反向電流影響和測試方法

1.1 反向電流的影響

二極管在電路中相當于一個開關作用，二極管在反向截止的時候，并不是完全理想的截止。當承受反壓的時候，二極管處于偏置狀態，電壓與PN結內建電場反方向，由于存在電子漂移而形成少子，會有些微小的電流從陰極漏到陽極，這就是我們說的反向漏電流，這個電流通常很小，而且反壓越高、溫度越高，漏電流越大，帶來電能損耗越大。反向電流的大小與電壓和溫度相關，反向電壓越大，少子獲得的勢能也越大，越有可能掙脫原子核的束縛，反向電流也越大；高溫時，二極管的反向電流增加到毫安級，這樣不僅失去了單方向導電特性，還會使管子過熱而損壞。如果電壓、溫度持續升高，反向電流則會持續升高，二極管最終被反向擊穿。因此，二極管的反向電流越小，即代表二極管的單方向導電性能越好。

1.2 標準協調性分析

關于旁路二極管測試溫度，IEC標準間存在一個技術要求不協調的地方，即在IEC 61215-1:2016 Terrestrial photovoltaic （PV）modules - Design qualification and type approval - Part 1: Test requirements的MQT 18旁路二極管熱試驗中規定，測試條件按照舊版本IEC 61215:2005中的10.18條規定，二極管隨著組件被加熱到（75±5）℃進行測試，但在IEC 61215-2:2016 Terrestrial photovoltaic （PV） modules - Design qualification and type approval - Part 2:Test procedures中4.18條旁路二極管測試（MQT 18）的規定，二極管隨著組件被加熱到（90±5）℃進行測試，這是兩個新版標準對于二極管試驗溫度規定不協調的地方。通過二極管的特性我們知道，當溫度升高時，二極管的反向電流成倍的升高，反向電流的增加，勢必增加電能在發電系統內的消耗，另外持續的反向電流也使得二極管結溫持續升高，降低二極管的壽命。因此，高溫下的二極管漏電流越小代表二極管的反向性能越優良，并且同一系統中二極管的反向參數越穩定，光伏發電系統輸出的電源特性越穩定。在后文的高溫測試中，采用了IEC 61215-2:2016標準中規定的更為苛刻的90 ℃環境溫度進行測試分析。IEC 61215系列標準對于測試溫度的規定見表1。

1.3 旁路二極管反向電流測試方法介紹

在現有的標準體系中，沒有專門針對光伏組件用旁路二極管反向電流的測試方法，但是二極管在工作原理和特性上沒有本質區別，因此在測試旁路二極管反向電流時，參考已有標準GB/T 4203-2015《半導體器件分立器件和集成電路第2部分：整流二極管》中的測試方法，標準中介紹了兩種方法來測試反向電流，即直流法和示波器法。

直流法為反向電流的基本測試電路（圖2），即通過一個保護電阻器R，施加規定的反向電壓，在規定的環境、電參數條件下，通過精密電流測試裝置測試流過二極管的反向電流IR。反向電流是由少數載流子的漂移運動形成的，少數載流子由本征激發產生，溫度的升高，加強了本征激發，漂移運動的載流子數量增加，該電流數值決定于溫度，而幾乎與外加電壓無關。在一定溫度T下，由于熱激發而產生的少數載流子數量是一定的，電流趨于恒定，這時的電流就是反向飽和電流。因此，直流法更適合于測量達到穩定狀態的反向電流。

示波器法用于測試反向電流瞬時值，基本測試電路如圖3，當施加在二極管兩端的反向電壓增大至某一數值時，少子的數量和能量增加，破壞內部的共價鍵，使原來被束縛的電子和空穴被釋放出來，不斷增大電流，最終PN結擊穿，此時更適用示波器法進行測試，通過示波器持續捕捉動態的電壓和電流曲線，得到動態的反向特性，圖中的R是當二極管擊穿后的保護電阻。

因此，直流法和示波器法二者在測試原理上沒有本質的差別，都是對電壓和電流參數的基本測量，區別是兩種方法分別適用于二極管穩態和動態特性。

2 二極管典型環境下反向性能均勻性分析

旁路二極管在光伏發電系統中批量使用，反向電流大的二極管增加了發電系統內的能耗，為了保證各個發電單元內部的平衡，因此需要選擇反向電流小和工作特性相近的產品。本節通過測試幾種典型環境下二極管的反向電流，運用數據統計相關知識對測試結果進行均勻性分析。

2.1 測試抽樣方式

為了方便數據對比，本實驗設計選取兩個型號的二極管樣品進行測試，其中型號A和型號B待測樣品各20個，分別在常溫25 ℃、高溫90 ℃（按照IEC 61215-1:2016對于旁路二極管測試的溫度要求）和雙85（IEC 61215-1:2016對于組件整體測試的典型環境）條件下進行全檢，每個樣品重復測試2次。

2.2 測試評價方法

利用單因子方差分析法對A、B型號樣品反向電流的均勻性進行測試。型號A樣品反向電流測試數據見表2、單因子方差分析結果見表3；型號B樣品反向電流測試數據見表4、單因子方差分析結果見表5。

根據單因子方差分析法計算得出統計量F，按照規定若F＜自由度為（f1，f2）及給定顯著水平α（通常α=0.05）的臨界值F（f1，f2），則表明樣品內和樣品間無顯著性差異，樣品是均勻的，否則則表示不均勻。型號A、B樣品自由度均為f1=19；f2=20，由此可以得出型號A、B樣品的F與F0.05(19,20)關系（表6）。

對于型號A的樣品計算的 F 統計量值均小于 F 臨界值，表明在 0.05 顯著性水平時，在以上三種測試環境條件下，二極管的反向電流結果是均勻的；對于型號B的樣品計算的 F 統計量值均大于 F 臨界值，表明在 0.05 顯著性水平時，在以上三種測試環境條件下，二極管的反向電流結果是不均勻的，即該批次的二極管反向電流測試結果偏差較大，性能表現不均勻。