带避雷作用的光伏组件用二极管的研究及设计

于　跃，何少茜英利能源（中国）有限公司

带避雷作用的光伏组件用二极管的研究及设计

于跃，何少茜
英利能源（中国）有限公司

太阳能电池组件在雷雨季节，由于设计缺陷有雷击损坏的风险。本文通过分析防雷元件，设计了一种新型带避雷作用的光伏组件专用二极管电路，叙述了电路结构和发展前景。

光伏；避雷；二极管；设计

引言

传统的光伏组件必须在输出端安装有二极管，其作用是利用二极管的单向导通特性，防止反向充电损坏光伏电池以及防止一个单元的光伏电池断路造成整个光伏电池组都无法使用。由于太阳能光伏组件都是安装在比较开阔的地段或者较高的位置使用，同时由于连接部分采用大量金属材料，所以容易受到雷电的侵扰。雷电作用在光伏组件上会造成组件PN结间击穿或防倒流二极管击穿，使组件不能正常发电或毁坏。但是在每个独立的光伏电池组件都安装避雷电设备并不现实（造价高，体积大，施工不方便），所以光伏组件防雷电成为一个急需解决的问题。

1、现用光伏组件防雷技术

现有光伏组件防雷电大多采用汇流箱内置防雷模块，但是防雷模块不能保护光伏组件受雷袭击。汇流箱中的防雷模块离光伏组件有一定的距离，在组件受到雷击时不能够保护组件避免损害。另外，由于防雷模块造价高、体积大、施工不方便等原因，不适合在每个独立的光伏电池组件上均安装，这就造成了现有的光伏组件上没有防雷保护，在雷雨季节极易使组件受到雷击而损坏。光伏组件的输出端即接线盒内只安装了二极管防倒流，在组件收到雷击时起不到保护作用。

2、防雷二极管设计

2.1防雷元件分析

通过实验表明，将光伏组件必备的二极管辅助其他电路改为即保证正常二极管单向导通使用，又能够达到受到击中时，二极管自动接地达到将雷电自动引入大地作用，无雷电时自动恢复传统二极管的功能，以起到接地避雷及自恢复的作用。

常用的防雷、过电压保护元器件有以下几种:压敏电阻(mov)、气体放电(gdt)、齐纳二极管和TVS管都是用来限制电压的，正常使用时均是结成反偏制状态的。

齐纳二极管和普通整流稳压二极管的区别是：瞬态电压抑制二极管（TVS）不会被击穿，它能够在电压极高时降低电阻，从而使电流分流或控制其流向，从而保护电路元件在瞬间电压过高的情况下不被烧毁。稳压管能被击穿，但击穿后其两端的电压保持不变，从而使电路稳定，电压稳定，不至于发生开路短路，从而保护电路元件。瞬态二极管在防雷中的工作原理——齐纳击穿；瞬态电压抑制二极管多用于开关电源，尤其是单端反激开关电源，在开关晶体管关断的瞬间由于电磁感应会场生一个很强的反向峰值电压，如果不加限制会击穿开关晶体管，且这个反向峰值电压持续时间很小，峰值电压高，但所含能量不大，所以用瞬态电压抑制二极管来释放掉这个电压尖峰，保护开关晶体管。

压敏电阻是一种以氧化锌为主要成份的金属氧化物半导体非线性电阻元件；电阻对电压较敏感，当电压达到一定数值时，电阻迅速导通。由于压敏电阻具有良好的非线特性、通流量大、残压水平低、动作快和无续流等特点。被广泛应用于电子设备防雷。

气体放电管是一种间隙式防雷保护元器件，由于放电管具有绝缘电阻大，寄生电容小，通流量大、对高频电子信号干扰小的一系列特点；因此被广泛应用于电力、通信等重要领域。

瞬态抑制二极管(TVS管)在承受瞬间高能量脉冲时，能在极短的内由原来的高阻抗状态变为低阻抗，并把电压箝制到特定的水平，从而有效的保护用户的设备和元器件不受损坏。由于其具有箝位电压低、动作时间快等特点；因此比较适合于多级保护电路的末级保护。此外也能与其它保护元件配合使用，组成专用的防雷装置。

2.2电路设计

本设计分为两部分：肖特基二极管和防雷电路。

肖特基二极管属于一种低功耗、超高速半导体器件，反向恢复时间极短（可以小到几纳秒），是光伏组件常用的一种二极管。主要作用是防止反向充电损坏光伏电池以及防止一个单元的光伏电池断路造成整个光伏电池组都无法使用。

防雷电路由压敏电阻与陶瓷气体放电管串联组成，正常工作时陶瓷气体放电管不导通，压敏电阻没有漏电流，可以大大延长使用寿命；受雷电冲击时，陶瓷气体放电管首先击穿，压敏电阻器阻值迅速下降，导通大电流，从而保护光伏组件；冲击过去后，由于压敏电阻限制了电流，放电管不能维持导通而熄弧，恢复为正常工作状态。

结构示意图

3、新型二极管的发展前景

新型二极管主要有两大优势：保护功能，二极管具有正向导通逆向截止作用，防止反向充电。同时当某串电池片损坏发生断路时，可通过二极管形成导通路径，不影响使用。受雷电冲击时，陶瓷气体放电管及压敏电阻器动作，使大电流流入大地，保护了光伏组件；自恢复功能，雷电冲击过去后，由于压敏电阻限制了电流，放电管不能维持导通而熄弧，恢复为正常工作状态。

由上所述，太阳能电池组件采用此种二极管后，将大大的降低了雷电对太阳能电池组件的损坏，减少了设备维修故障率，有很大的市场前景。