MOS光伏旁路开关电路

王露

（重庆西南集成电路设计有限责任公司，重庆 401332）

0 引言

光伏旁路保护电路与光伏电池串并联使用，其作用是防止热斑效应，保护光伏电池组件。组件正常工作时，旁路保护电路处于反向截止状态，这时存在反向电流（IR），即暗电流，暗电流会减小光伏组件产生的电流；组件出现遮挡时光伏旁路保护电路正向导通，这时存在正向压降（VF），正向压降会导致光伏旁路保护电路发热并消耗光伏组件的功率。因此理想的光伏旁路保护电路应该是无损的，在工作的温度范围内应该具有极低的反向电流和极小正向压降。为了靠近这个目标，光伏旁路保护电路经过了三代的更替，发展到了第三代的MOS光伏旁路开关电路，该电路已接近理想旁路保护电路的低功耗的要求[1]。

通过对现有光伏电站组件失效案例分析，统计出光伏旁路保护电路的失效比例，并分析失效原因。针对光伏组件的实际应用需求，分析目前第二代光伏旁路保护电路——肖特基二极管的工作特性和缺点，并通过第三代MOS光伏旁路开关工作原理、电路结构、性能特点的分析和对比，证明MOS光伏旁路开关电路可以有效解决目前光伏电站现有的问题和可靠性风险。

1 光伏旁路保护电路典型失效分析

在光伏电站的实际使用过程中，对接线盒失效现象进行了不完全统计，发现接线盒的失效现象中由于光伏旁路保护电路原因引起的失效占到了80%，其中光伏旁路保护电路击穿失效占63%，光伏旁路保护电路异常发热失效占17%，接线盒失效比例见图1。

对光伏旁路保护电路两项典型失效现象进行分析：市面上现用的光伏旁路保护电路主要为肖特基二极管和其改进型肖特基二极管。常温情况下肖特基二极管的耐压在40～50V，但随着温度的增加耐压（VR）就急剧下降，漏电流（IR）就急剧增加最终导致反偏击穿；肖特基二极管正向压降（VF）在0.3～0.5V左右，单个肖特基二极管正向工作时（组件热斑保护时）的功耗为3～4W，肖特基二极管的结温会达到150℃以上，长时间的正向工作会导致肖特基二极管异常发热失效[2]。

从以上的失效统计和分析可以看出光伏旁路保护电路的性能直接影响接线盒和光伏组件的质量和可靠性，因此光伏旁路保护电路的选择引起光伏行业的足够重视。

2 第二代光伏旁路保护电路的现状

目前市面主要使用的第二代光伏旁路保护电路有两类，一类为普通肖特基势垒二极管(SBD)，另一类沟槽式半导体势垒肖特基二极管（TMBS）[3]。

肖特基二极管（SBD）通常用功函数较大的金属与轻掺杂N-外延层直接接触而成，为保持低功耗，使用中掺杂的N+为衬底（如图2）。N-外延层是该器件的漂移区，其长度和电阻率决定了SBD通态比电阻大小和SBD的反向阻断特性，肖特基二极管(SBD)具有开关速度快和相对于PN结二极管正向压降低的特点[4]。

为了进一步减小SBD的正向压降就需要降低N-外延层的长度和电阻率，但反向阻断特性就会下降导致反向耐压降低。为了降低SBD的正向压降并保持反向耐压，于是出现了将MOS与SBD相结合，利用MOS结构在适当偏压下的载流子耗尽作用，在肖特基势垒下形成一个空间电荷区，使低势垒SBD的反向漏电流大幅度降低，这类器件叫做TMBS(Trench Mos-Barrier SBD)（如图3），TMBS相对于SBD正向压降和反向漏电流指标有所优化（SBD/TMBS参数曲线图见图4～7）。

TMBS和SBD反向电流都是正温特性，随着温度升高反向电流急剧增加，反向耐压也急剧下降，高温下容易出现反向击穿。 因此TMBS虽然较SBD做了改进，但是还是不能解决在光伏旁路应用中出现高温反偏击穿的问题，肖特基二极管（SBD）及其改进型TMBS均不是理想的光伏旁路保护电路的选择[5]。

3 MOS光伏旁路开关电路

目前光伏使用的SBD二极管及其改进型TMBS二极管都均存在正向压降（VF）大、高温耐压低和漏电大的问题，可靠性变差，达不到理想光伏旁路保护电路的要求。随着技术的发展，国内外部分IC设计公司开发出一种基于功率MOSFET的新型光伏旁路开关电路[6]。该光伏旁路开关电路由功率MOSFET、智能控制电路和电容三个部分组成，引脚A、K分别对应于旁路保护电路的阳极和阴极，电路框图结构如图8所示。

MOS光伏旁路开关电路正向工作时（工作波形见图9），功率MOSFET处于截止状态，正向电流IF通过功率MOSFET的衬底二极管在源漏端（即A，K端）产生高电压VH，使电荷泵对电容充电，持续TH（即t1-t0）时间，当电容电压达到智能控制电路的高电压检测点时，驱动电路驱动功率MOSFET导通，电路进入功率MOSFET导通状态，此时旁路开关电路两端电压降低为低电平VL（即IF×RDS(on)），电容放电持续TL（即t2-t1）时间，当电压达到智能控制电路的低电压检测点时，控制电路关断功率MOSFET，电路重新进入功率MOSFET截止状态，电容再次开始充电，从而完成一个工作周期。VH为MOSFET衬底二极管的压降VSD，RDS(on)为功率MOSFET开态导通电阻，VL为MOSFET导通时漏源电压[7]。

TH为电荷泵对电容的充电时间、TL为电路工作时候电容的放电时间。

将（1），（2）代入（3）即得到（4）

功率MOSFET导通率Duty如公式（5）所示

当MOS光伏旁路开关电路正向工作切换到反向工作时，智能控制电路内部比较器会检测A端和K端的电压差，当K端电压高于A端时，智能控制电路会关断功率MOSFET，使XND18快速进入反向截止状态，从而实现与二极管相同的正反向功能[8]。

MOS光伏旁路开关电路充分的利用了功率MOSFET低导通电阻、低漏电的特点来解决现用光伏旁路二极管的正向压降大、高温耐压低漏电大的系列问题。光伏旁路开关电路正向温度曲线如图9所示，反向漏电温度曲线如图10所示（量产MOS光伏旁路开关电路实测曲线，型号XND18-V40），从参数曲线可以看出MOS光伏旁路开关电路解决了高温反偏击穿问题，反向漏电流全温保持在微安级，正向压降较肖特基二极管及其改进型降低3倍以上，使光伏旁路保护电路的性能参数及可靠性得到了全面的提升。

4 试验对比SBDTMBS二极管与MMOOSS光伏旁路开关电路

为了直观体现MOS光伏旁路开关电路与光伏用二极管SBD和TMBS的性能差别，结合旁路保护电路实际使用场景进行了结温测试、反向漏电流测试。

光伏旁路二极管样品选用了市面上主流的肖特基二极管（SBD）、改进型的沟槽式半导体势垒肖特基二极管（TMBS），芯片尺寸均为150mil；MOS光伏旁路开关电路选用市面应用最广的XND18-V40。

4.1 结温试验

①实验条件。温度：25℃、75℃；正向电流：IF=15A/18.75A(15A的1.25倍)；时间：各种电流下通电1小时；②试验样品。同型号接线盒采用三类旁路保护电路，SBD3045(芯片尺寸150mil)、TMBS3045（芯片尺寸150mil）、XND18-V40。③试验数据。常温25℃结温对比测试表如表1所示。

表1 常温25℃结温对比测试表

4.2 反向漏电测试

①实验条件。温度：25℃、85℃、125℃、150℃、175℃，VR=0～40V。②试验样品。SBD3045(芯片尺寸150mil)、TMBS3045（芯片尺寸 150mil）、XND18-V40③试验数据。见图4、图6、图10。

结温试验可以看出MOS光伏旁路开关较肖特基势垒二极管（SBD）和沟槽式半导体势垒肖特基二极管（TMBS）有更低的正向功耗，相同条件下其结温较SBD二极管和TMBS二极管会低80℃～100℃，有效的降低接线盒和组件的温度，提高光伏组件的可靠性[9]。

反向漏电测试可以发现SBD3045和TMBS3045随着温度的增加漏电流急剧增加。SBD3045在125℃时35V会出现击穿，150℃时20V就会出现击穿，175℃时5V就会出现击穿；TMBS3045在150℃时25V出现击穿，175℃时5V出现击穿；MOS光伏旁路开关在结温175℃范围内40V耐压下漏电保持在微安级。

通过以上两项试验对比MOS旁路开关较SBD和TMBS肖特基二极管具有更小的正向压降、更低反向漏电和更好的温度耐压特性，性能远优于SBD二极管和TMBS二极管[10]。

5 结语

目前IEC标准对光伏旁路保护电路认证只是简单的光伏旁路保护电路进行正向结温测试和常温电性能测试，对其温度特性和高温反偏等重要测试项并没有强制要求测试，导致光伏旁路保护电路在实际应用中出现的一系列问题在认证过程中没有得到体现，影响了光伏组件的可靠性和安全性。

随着光伏电池技术的不断发展，对光伏旁路保护电路的要求也越来越高，传统的肖特基势垒二极管（SBD）和沟槽式半导体势垒肖特基二极管（TMBS）已经不能完全满足光伏组件可靠性和质量的需要。MOS光伏旁路开关电路的出现，解决传统光伏用二极管的正向压降高、反向漏电大、高温耐压差的问题，有效的解决光伏用二极管反偏击穿失效和异常失效的系列问题，提升了光伏组件可靠性。

随着MOS光伏旁路开关电路的技术成熟和批量化生产能力的完善，该方案的成本得到了有效的控制具有很高的性价比，在光伏市场已经得到认可一致认可。MOS光伏旁路开关电路是现有最理想的光伏旁路保护电路，在未来很长的时间里该方案是光伏旁路最佳解决的方案。