两种旁路二极管结温测试方法的分析与比较*

李松丽 张 俊 / 上海市质量监督检验技术研究院

0 引言

当组件中的一个电池或一组电池被遮光或损坏时，有可能在组件中会发生热斑加热。实际应用中，热斑效应是影响光伏组件质量安全的重要原因。光伏组件中的旁路二极管是降低热斑效应引起的火灾危险的重要零部件。

旁路二极管的结温大小是选择和判定旁路二极管是否合适的重要因素，也是确定旁路二极管热性能是否满足组件要求的指标。国际标准IEC61646 Edition2.0中提供了两种旁路二极管结温的测试方法。一种是稳态法，一种是瞬态法。本文研究了两种测试方法的具体实现方法，对两种方法测试结果的可靠性进行了比较详尽的分析。

1 稳态法结温测试平台

稳态法测试结温是通过测量旁路二极管的表面结温，采用制造商提供的热阻，利用公式（1）计算得到的。

式中：Tj— 二极管的结温（℃）；

Tcase— 二极管的壳温（℃）；

RTHjc— 热阻（℃ /W）；

UD— 二极管电压（V）；

ID— 二极管电流（A）。

1.1 试验装置

如图1所示，将被测组件放置在环境箱中，用热电偶控制光伏组件的表面温度，采用直流稳压源为被测样品提供稳态电流，直流源的正极与组件的负极连接，使电流正向通过旁路二极管。通过0.1 Ω标准电阻两端的压降控制电流的大小。

在每一个旁路二极管的两端引出电源线，表面粘贴热电偶，利用数字示波器MX100实现旁路二极管表面温度Tcase和正向压降UD数据的采集和记录。

1.2 测试过程

将被测组件稳定在75℃±2℃的条件下，通过监测标准电阻两端的压降，控制直流源的输出，使流经旁路二极管的电流大小为STC（标准测试条件）下标称短路电流Isc±2%，1 h后进行测量，用数据采集仪记录每个旁路二极管的温度和压降。利用公式（1）计算结温。

2 瞬态法结温测试平台

瞬态法利用旁路二极管发射极的正向压降UD与结温Tj在相当宽的温度范围内呈线性关系[1-2]，通过UD的测量间接测量Tj的方法。

图1 稳态法结温测试电路示意图

2.1 试验装置

瞬态法结温测试的试验装置是在图1的基础上增加了一只阻值约14 Ω的滑线变阻器(R)（如图2所示）。

图2 瞬态法结温测试电路示意图

2.2 测试过程

瞬态法结温测试的具体步骤如下：

1）将被测组件稳定在30℃±2℃，用MX100数据采集仪监测样品温度。

2）闭合回路，通过标准电阻控制通过旁路二极管的电流大小为Isc±2%。

3）断开电路，稳态条件下，测试旁路二极管压降的试验装置同1.1所述。使系统恢复稳定状态。

4）短时闭合回路后立即断开，利用数据采集仪的单触发模式逐个采集旁路二极管两端的电压波形，记录通电1 ms时旁路二极管的正向压降UD。由于是瞬态电流，可以认为此时旁路二极管的表面温度即为结温Tj。

5）分别在50℃±2℃、70℃±2℃、90℃±2℃温度下重复步骤1）～ 4）。

6）利用最小二乘法得到旁路二极管正向压降UD和结温Tj的关系曲线。

7）在75℃下，向组件通Isc±2%恒定电流1 h，记录旁路二极管的正向压降，借助第一步中得到的UD－Tj曲线得到光伏组件在75℃下的结温。

3 分析与讨论

3.1 瞬态法测试结温的注意事项

瞬态法要求在通入恒定电流1 ms时测试旁路二极管的端电压，由于旁路二极管电阻的非线性特征，为了得到稳定的电流，必须在测试系统中引入具有较大阻值的线性元器件——滑线变阻器。这样就避免了电路闭合瞬间电流的波动，使系统电流达到稳定的Isc±2%。

在利用示波器采集瞬间电压信号时，如果仅仅调节直流源的输出使电流稳定在Isc，由于采用的直流源是恒压源，在电路闭合的瞬间，直流源会有一个恒压控制－恒流控制转换的过程，无法满足1 ms以内恒流的测试要求[图3（a）]。为此采用增加电流设定值，调节电压的设定值，使电流大小为Isc±2%。这种条件下，直流源能够始终保持恒压输出状态，示波器采集的电压波形非常稳定[图3（b）]。

3.2 旁路二极管数量对结温的影响

由于制造商的设计理念不同，同一种接线盒中可能安装不同数量的旁路二极管。为了验证旁路二极管数量对结温的影响。选择了一块光伏组件样品进行测试，该样品中的接线盒最多可以安装6个旁路二极管，即该组件有3个电池组串联而成，每一组可以由两个旁路二极管并联。

在6个旁路二极管全部安装条件下，任选3个串联的旁路二极管分别通过稳态和瞬态两种方法进行结温测试，测试结果如表1所示。

表1 安装6个旁路二极管时的结温

拆除与上面测试中所选3个旁路二极管并联的其他3个旁路二极管，测试同一块光伏组件在安装3个旁路二极管时的旁路二极管结温Tj。稳态和瞬态两种方法的测试结果如表2所示。

比较表1和表2中的数据，无论使用稳态法还是瞬态法，安装6个旁路二极管时Tj普遍低于安装3个的情况，两者的温差大约在10～25℃左右。这是因为前一种情况下每个电池组串并联安装有两个旁路二极管，后者则安装了一个旁路二极管。当向组件中通入同样大小的电流（Isc）时，由于并联的分流作用，使得前一种情况下，旁路二极管的结温降低了。较低的结温可能会延长旁路二极管的寿命，降低接线盒的散热量，一定程度上提高光伏组件的安全性和可靠性。

图3 直流源输出模式对电压波形的影响

表2 安装3个旁路二极管时的结温

3.3 结温测试结果的重复性

在相同的测试条件下，对同一块光伏组件开展结温测试的重复性研究。该组件安装有3个旁路二极管，短路电流Isc为8.33 A。试验由同一工作人员在不同时间完成，先后进行4次结温测试。每次测试都采用稳态法和瞬态法两种方法进行。测试重新粘结旁路二极管表面的热电偶线和电压测试导线，以保证测试结果的可靠性。

所谓重复性，是指在相同测量条件下，对同一被测量进行连续多次测量所得结果之间的一致性[3]。它可以通过在重复性条件下对同一量进行多次测量所得结果的实验标准差表示。当测量次数n≥10时，通过贝塞尔公式计算的实验标准差比较准确，当测量次数较小（n＜ 10）时，用极差法分析更为可靠。由于本次试验测量次数相对较少（n= 4），采用极差法评估测试结果的重复性。测试结果如表3所示。

表3 旁路二极管结温测试的重复性

式中：R—测得的最大值与最小值之差(称为极差)；C—极差系数，详见表4。n= 4时，C取2.06。

表4 极差系数C

S（Tj）的数据越大，说明测试结果的分散性越大，重复性较差。反之，重复性较好。表3中，利用稳态法进行结温测试时，3个旁路二极管结温数据的实验标准差S（Tj）分别为0.86℃、3.64℃、4.45℃。采用瞬态法时，三者的S（Tj）依次为3.71℃、10.83℃和12.07℃。对某一个旁路二极管而言，采用稳态法结温测试时S（Tj） 的数据较小，说明稳态法相对于瞬态法具有较好的重复性。相对于S（Tj）的值普遍较大，而且分布范围比较宽，在3.71～12.07 ℃。说明稳态法结温测试重复性较好。

3.4 结温测试结果的波动性

结温测试结果的波动性是指在一次结温测试完成并降到室温后，在保证良好接触的条件下，不改变热电偶、导线的连接和电压、电流的原有设置，将样品升高至规定温度，重新进行结温测试时所得结果的波动性。

无论是用稳态法还是瞬态法，旁路二极管结温数据都是在较高的环境温度和较长的测试周期内经过对原始数据的采集和处理完成的，尤其是瞬态法还要求在30℃、50℃、70℃、90℃四个环境温度下测试旁路二极管的电流、电压和表面温度。

由于旁路二极管体积小、外壳圆柱形等特点，经历长时间的高低温处理后，表面的热电偶经受应力作用，比较容易松脱。在热电偶一次粘结、保证可靠接触的条件下，结温波动性测试仅能得到两组数据。用极差法公式（2）计算的实验标准差S（Tj）表示测试结果的波动性。根据表4，此时，n= 2，C取1.13。结温测试结果的波动性详见表5。

表5 不同时间测得的结温

可以看出，用稳态法测试结温时，结温的波动性为0.12～0. 56℃之间。用瞬态法测试结温时，结温的波动性则在3.50～14.64℃之间。说明稳态法结温测试的波动性很小，稳定性较高。相反，瞬态测试法的波动性则较大，稳定性较差。由于无法定量地衡量热电偶粘结可靠性对数据测试的影响，建议尽量采用第一次的测试数据作为结温测试结果。

4 结语

通过直流源向光伏组件施加恒定电流，监测旁路二极管电压、电流值，结合供应商提供的热阻RTHjc值实现旁路二极管结温的稳态法结温测试。通过运用恒流源的恒压控制和示波器的瞬态波形采集功能，使得测试平台符合了标准中瞬态法结温测试的技术要求。

采用极差法对稳态结温测试和瞬态结温测试所得结果进行数据处理和分析。结果表明，相对瞬态法而言，稳态法结温测试具有较高的重复性和较小的波动性。这可能是由于稳态法测试时控制因素和测试参数相对比较少，测试时系统基本处于热平衡状态，电流、电压、温度等参数的测试可靠性较高。但同时应注意到，稳态法采用了由供应商提供的热阻RTHjc值，测试结果的准确性在一定程度上取决于供应商数据的可靠性。在保证热阻RTHjc值可靠的情况下，建议采用稳态法进行结温测试。

结合所有瞬态法和稳态法结温测试结果，可以看出，旁路二极管结温测试本身不确定度较高，在旁路二极管热性能判定和光伏组件的旁路二极管选型过程中，应充分考虑结温数据的不确定性。

[1] 李霏, 红贾颖, 康锐, 等. 双极晶体管 Vbe瞬态热阻测试法精度修正[J]. 半导体学报，2005, 26(5): 1010-1014.

[2] Dawson D E, Gupta A K, Salib M L. CW measurement of HBT thermal resistance [J]. IEEE Trans Electron Devices,1992, 39(10): 2235-2239.

[3] 全国法制计量技术委员会. JJF 1059-1999[S]. 北京：中国计量出版社，1999.