旁路二极管典型环境下的反向电流试验与均匀性分析

2021-07-03姚磊冯皓王珊珊王维思彭敦诚

环境技术 2021年2期

姚磊，冯皓，王珊珊，王维思，彭敦诚

（威凯检测技术有限公司，广州 510663）

引言

能源是国民经济发展的动力基础，传统能源如石油、煤炭、天然气等化石能源属于有限的不可再生资源，由于过度的开发使用，这些资源终将面临枯竭的风险，现阶段化石能源在我国能源结构中占主导地位，利用效率低下、环境污染严重，与我国可持续发展理念不符，因此绿色发展、清洁能源、优化能源结构等概念需要与发展融合一体。近些年来水电、风电和光伏发电等绿色能源得到了快速发展，尤其光伏发电领域，需求持续升温。

在光伏发电系统中，热斑效应一直都是危害太阳能电池寿命的主要因素之一。所谓热斑效应，就是电池片由于树木、鸟粪、灰尘等外界物品遮挡了太阳光线，导致该串联支路中被遮蔽的太阳电池组件，将被当作负载消耗其他正常光照的太阳电池组件所产生的能量，被遮蔽的太阳电池组件此时会发热。热斑效应产生局部高温，当温度超过一定限值，将会降低电池组件寿命，严重的可能会烧毁电池片的栅线，导致整个组件失效。另外，正常光照的太阳电池所发出的电能，也会回流到能被遮蔽的电池中，此时发生热斑效应的电池就变成了负载，将电能消耗掉。为了防止太阳电池由于热斑效应而遭受破坏，电池组件的正负极之间会并联一个旁路二极管（图1），利用二极管正向导通、反向截止的工作特性，当电池片正常工作时，电流不流过二极管，持续发电累加到外部电路，但当电池片出现热斑效应导致发电量降低或者不能发电时，旁路二极管可以让其它电池片产生的电流从二极管的支路上流过，这样一方面可以保证太阳能发电系统继续发电，另一方面也能防止故障电池变为负载消耗电能。

光伏组件使用环境复杂，旁路二极管由于安装在接线盒中，受空间限制散热条件不好，往往需要工作在高温环境中，同一光伏系统中二极管使用的数量很多，因此旁路二极管的选择对于光伏系统来说至关重要。本文将着重介绍二极管反向电流参数的测试方法，通过不同的典型环境试验测试二极管反向电流，并对测试数据进行统计分析，得出二极管反向特性均匀性的筛选方法。

1 二极管反向电流影响和测试方法

1.1 反向电流的影响

二极管在电路中相当于一个开关作用，二极管在反向截止的时候，并不是完全理想的截止。当承受反压的时候，二极管处于偏置状态，电压与PN结内建电场反方向，由于存在电子漂移而形成少子，会有些微小的电流从阴极漏到阳极，这就是我们说的反向漏电流，这个电流通常很小，而且反压越高、温度越高，漏电流越大，带来电能损耗越大。反向电流的大小与电压和温度相关，反向电压越大，少子获得的势能也越大，越有可能挣脱原子核的束缚，反向电流也越大；高温时，二极管的反向电流增加到毫安级，这样不仅失去了单方向导电特性，还会使管子过热而损坏。如果电压、温度持续升高，反向电流则会持续升高，二极管最终被反向击穿。因此，二极管的反向电流越小，即代表二极管的单方向导电性能越好。

1.2 标准协调性分析

关于旁路二极管测试温度，IEC标准间存在一个技术要求不协调的地方，即在IEC 61215-1:2016 Terrestrial photovoltaic （PV）modules - Design qualification and type approval - Part 1: Test requirements的MQT 18旁路二极管热试验中规定，测试条件按照旧版本IEC 61215:2005中的10.18条规定，二极管随着组件被加热到（75±5）℃进行测试，但在IEC 61215-2:2016 Terrestrial photovoltaic （PV） modules - Design qualification and type approval - Part 2:Test procedures中4.18条旁路二极管测试（MQT 18）的规定，二极管随着组件被加热到（90±5）℃进行测试，这是两个新版标准对于二极管试验温度规定不协调的地方。通过二极管的特性我们知道，当温度升高时，二极管的反向电流成倍的升高，反向电流的增加，势必增加电能在发电系统内的消耗，另外持续的反向电流也使得二极管结温持续升高，降低二极管的寿命。因此，高温下的二极管漏电流越小代表二极管的反向性能越优良，并且同一系统中二极管的反向参数越稳定，光伏发电系统输出的电源特性越稳定。在后文的高温测试中，采用了IEC 61215-2:2016标准中规定的更为苛刻的90 ℃环境温度进行测试分析。IEC 61215系列标准对于测试温度的规定见表1。

1.3 旁路二极管反向电流测试方法介绍

在现有的标准体系中，没有专门针对光伏组件用旁路二极管反向电流的测试方法，但是二极管在工作原理和特性上没有本质区别，因此在测试旁路二极管反向电流时，参考已有标准GB/T 4203-2015《半导体器件分立器件和集成电路第2部分：整流二极管》中的测试方法，标准中介绍了两种方法来测试反向电流，即直流法和示波器法。

直流法为反向电流的基本测试电路（图2），即通过一个保护电阻器R，施加规定的反向电压，在规定的环境、电参数条件下，通过精密电流测试装置测试流过二极管的反向电流IR。反向电流是由少数载流子的漂移运动形成的，少数载流子由本征激发产生，温度的升高，加强了本征激发，漂移运动的载流子数量增加，该电流数值决定于温度，而几乎与外加电压无关。在一定温度T下，由于热激发而产生的少数载流子数量是一定的，电流趋于恒定，这时的电流就是反向饱和电流。因此，直流法更适合于测量达到稳定状态的反向电流。

示波器法用于测试反向电流瞬时值，基本测试电路如图3，当施加在二极管两端的反向电压增大至某一数值时，少子的数量和能量增加，破坏内部的共价键，使原来被束缚的电子和空穴被释放出来，不断增大电流，最终PN结击穿，此时更适用示波器法进行测试，通过示波器持续捕捉动态的电压和电流曲线，得到动态的反向特性，图中的R是当二极管击穿后的保护电阻。

因此，直流法和示波器法二者在测试原理上没有本质的差别，都是对电压和电流参数的基本测量，区别是两种方法分别适用于二极管稳态和动态特性。

2 二极管典型环境下反向性能均匀性分析

旁路二极管在光伏发电系统中批量使用，反向电流大的二极管增加了发电系统内的能耗，为了保证各个发电单元内部的平衡，因此需要选择反向电流小和工作特性相近的产品。本节通过测试几种典型环境下二极管的反向电流，运用数据统计相关知识对测试结果进行均匀性分析。

2.1 测试抽样方式

为了方便数据对比，本实验设计选取两个型号的二极管样品进行测试，其中型号A和型号B待测样品各20个，分别在常温25 ℃、高温90 ℃（按照IEC 61215-1:2016对于旁路二极管测试的温度要求）和双85（IEC 61215-1:2016对于组件整体测试的典型环境）条件下进行全检，每个样品重复测试2次。

2.2 测试评价方法

利用单因子方差分析法对A、B型号样品反向电流的均匀性进行测试。型号A样品反向电流测试数据见表2、单因子方差分析结果见表3；型号B样品反向电流测试数据见表4、单因子方差分析结果见表5。

根据单因子方差分析法计算得出统计量F，按照规定若F＜自由度为（f1，f2）及给定显著水平α（通常α=0.05）的临界值F（f1，f2），则表明样品内和样品间无显著性差异，样品是均匀的，否则则表示不均匀。型号A、B样品自由度均为f1=19；f2=20，由此可以得出型号A、B样品的F与F0.05(19,20)关系（表6）。

对于型号A的样品计算的 F 统计量值均小于 F 临界值，表明在 0.05 显著性水平时，在以上三种测试环境条件下，二极管的反向电流结果是均匀的；对于型号B的样品计算的 F 统计量值均大于 F 临界值，表明在 0.05 显著性水平时，在以上三种测试环境条件下，二极管的反向电流结果是不均匀的，即该批次的二极管反向电流测试结果偏差较大，性能表现不均匀。