解读旁路二极管的基本特性和其在光伏组件中的运用

光伏行业已是拉动国民经济的最强劲引擎，光伏组件是光伏电站的主体。旁路二极管反并联于电池串两端，能有效的防止电池片因热斑而烧毁。旁路二极管体积小，看似微不足道，但其可靠性对光伏组件的正常运行，甚至对整个电力系统的安全产生直接影响。随着电池片尺寸的增大带来电流的提升，电气安全风险也在增加，严重时可能导致接线盒、背板等材料烧毁，甚至引发火灾，给光伏电站带来损失。本文旨在解读旁路二极管的基本特性和其在光伏组件中的运用。

 一、旁路二极管的基本特性

旁路二极管是指在电池组件中反向并联于太阳能硅电池片组的两端二极管，能够有效地防止硅电池片因热斑效应而烧毁，是光伏太阳能组件的重要组成部分。是为了防止太阳能电池在强光下由于遮挡造成其中一些因为得不到光照而成为负载产生严重发热受损。一般用在单晶硅和多晶硅光伏(PV)面板的旁路二极管中，在出现低分流和高分流阻抗时，保护过热点的光伏电池。但旁路二极管的引入，也会导致遮蔽情况下光伏阵列的P-U曲线呈现多峰特性，在旁路二极管的基础上也发展来了智能重构旁路二极管。

肖特基二极管的单向导通原理如下图所示：

由于肖特基二极管是金属和半导体接触，没有PN结二极管的电荷存储机制，在切换电场时，不存在存储电荷要先被消耗掉的时间等待，所以肖特基二极管的开关响应速度非常快，这也是肖特基二极管被选中作为旁路二极管的重要原因之一。当电池片发生热斑时，大电流能被立刻旁路掉，起到最快的保护作用。当热斑消失时，旁路二极管能立刻恢复截止状态，组件恢复最大功率输出，所以肖特基二极管超高的开关响应频率也正好切中了组件的应用场景需求。

肖特基二极管相比于PN结二极管，还具有较低的正向导通电压的特性，原因在于金半接触形成的肖特基结的饱和漏电流包含3种模型（隧穿电流/载流子发射/镜像力）丰富于PN结二极管的单一的少数载流子漂移漏电流模型，所以在同等条件下，肖特基二极管相比于PN结二极管会表现出更高的漏电流。

二、旁路二极管的热失控

旁路二极管通常的失效模式是承受不住高温和大电流的考验，当组件部分电池片被遮挡导致旁路二极管导通后，正向大电流使得二极管迅速发热而容易击穿。IEC 61215标准里面有关二极管结温测试，用以检测二极管性能，然而这项检测还不能完全评价旁路二极管的可靠性。比如遮挡移除后，二极管仍有击穿现象发生，究其原因是因为遮挡移除瞬间，二极管从正向导通变换为反向截止状态，二极管本身保持较高温度，在反向漏电流下继续发热。此时，若接线盒散热良好，则二极管温度逐渐降低至正常，否则温度继续上升，直至二极管热击穿而失效，被称为热失控。

三、旁路二极管的热逃逸测试

IEC62979：2017对光伏组件的旁路二极管的热逃逸实验做了标准规范。测试的基本方法是在高温环境下持续正向导通大电流达到二极管稳定状态后，瞬间切换电压成二极管反向截止，比较电压切换前后二极管的温度。如果正向导通时的温度高于反向截止时的温度，则说明二极管反向截止漏电流产生的热能够顺畅逃逸不会导致二极管结温继续升高，即二极管未发生热失控，反之二极管结温会持续升高而导致热失控，同时监控到漏电流降低，并且热逃逸测试后的二极管的正向和反向特性与初始测量相比没有明显的变化，则认为热逃逸测试通过。

IEC62979：2017定义的几个重要测试条件如下：

实验环境温度:

90±2℃（屋顶类组件），75±2℃（开放支架类）

正向电流:

1.25倍STC下组件短路电流

正向稳定状态:

二极管温度稳定在（+0.3℃，-0℃）保持10分钟

反向偏置电压:

数值等同STC下二极管对应串的开路电压

正反向切换时间:

≤10ms

通常情况下，切换电压数秒后，即可观察到二极管是否热失控。在某些临界情况下，温度变化很小，测试必须持续至少2分钟。

下图是热失控时的温度变化曲线：

下图是热可控时的温度变化曲线：

遵循IEC62979标准实施热逃逸测试，在高温测试环境箱内，给接线盒通1.25倍的短路电流（双面组件电流同时考虑背面增益因子），持续一个小时确保二极管经受住高温和大电流考验并处于稳定状态后，切断电流瞬间施加反向电压，检测接线盒和二极管的热逃逸性能。

　　审核编辑：汤梓红