引言

在全球范圍內(nèi)，參與氣候行動(dòng)計(jì)劃、減少碳排放以及降低化石能源使用已成為普遍共識(shí)。這使得新能源在生產(chǎn)生活中的應(yīng)用越來越廣泛。其中，光伏發(fā)電憑借其易于實(shí)施、規(guī)模可控、成本低廉等優(yōu)勢(shì)，在眾多新能源技術(shù)中脫穎而出。隨著生產(chǎn)技術(shù)的不斷提升，光伏發(fā)電成本持續(xù)下降，度電成本逐年降低。

光伏應(yīng)用形態(tài)日趨多樣化，從最初大規(guī)模集中式地面電站，到如今靈活部署的組串式電站，再到滿足工商業(yè)需求的光儲(chǔ)一體化電站，以及面向家庭用戶的戶用光儲(chǔ)系統(tǒng)和陽臺(tái)光伏系統(tǒng)，應(yīng)用場景不斷拓展。

在發(fā)電領(lǐng)域，無論是大型電站還是戶用光伏系統(tǒng)，降低度電成本始終是行業(yè)的核心目標(biāo)。通過持續(xù)的材料創(chuàng)新和技術(shù)優(yōu)化，光伏電池轉(zhuǎn)換效率不斷提升，已逐步逼近理論極限。同時(shí)，光伏組件功率的持續(xù)提升也為進(jìn)一步降低度電成本提供了有力支撐。

安全性是光伏發(fā)電的另一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：首先是使用壽命，光伏組件設(shè)計(jì)壽命長達(dá)30年，確保其長期安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要；其次是運(yùn)行安全，包括預(yù)防光伏系統(tǒng)可能出現(xiàn)的拉弧、火災(zāi)等安全隱患，以及建立完善的故障維修和消防應(yīng)急機(jī)制。

為提升系統(tǒng)效率和安全性，光伏組件正經(jīng)歷從傳統(tǒng)型向智能化的轉(zhuǎn)型升級(jí)。下文將重點(diǎn)介紹大電流組件的技術(shù)特點(diǎn)，以及在組件智能化進(jìn)程中，光伏旁路二極管如何為系統(tǒng)安全提供可靠保障。

什么是理想二極管

理想二極管特性就是正向?qū)妷菏?V，反向漏電是0A，反向截止時(shí)間為0uS。當(dāng)二極管接近理想時(shí)候，就在正向?qū)〞r(shí)候，功耗更低和溫升更小。反向截止時(shí)候，就可以做到更低漏電和更長壽命。當(dāng)然沒有絕對(duì)理想的二極管，但是三個(gè)指標(biāo)更加接近0的二極管就可以稱作理想二極管。

理想二極管型接線盒

傳統(tǒng)光伏組件為應(yīng)對(duì)串聯(lián)系統(tǒng)中因遮擋引發(fā)的熱斑效應(yīng)，通常在組件接線盒中配置肖特基旁路二極管。目前主流光伏組件采用三串電池片結(jié)構(gòu)，每串電池片由多個(gè)光伏電池通過串并聯(lián)方式組成。各串電池片通過接線盒實(shí)現(xiàn)電氣連接，接線盒內(nèi)集成旁路二極管保護(hù)電路。在正常工作狀態(tài)下，旁路二極管處于反向偏置截止?fàn)顟B(tài)；當(dāng)組件出現(xiàn)遮擋或故障時(shí)，二極管正向?qū)?，形成旁路通道，將光伏板旁路掉，從而保證的在光伏板連接的時(shí)候，不會(huì)因?yàn)椴糠止夥逭趽趸蛘弋惓Ｓ绊懻麄€(gè)組串的效率。

圖1 光伏接線盒工作原理

傳統(tǒng)組件接線盒使用肖特基二極管，存在如下問題：

肖特基二極管正向?qū)▔航导s為500mv，當(dāng)大電流流過肖特基二極管的時(shí)候，這個(gè)壓降與流過肖特基二極管的乘積就是消耗在肖特基的功率，當(dāng)流過光伏板的串聯(lián)電流是30A，那么肖特基二極管上功率就是15W，當(dāng)夏季強(qiáng)光日照下，接線盒所處的環(huán)境溫度可能高達(dá)75度以上，15W的功率消耗，可能造成溫度大幅度上升，極限情況會(huì)超過肖特基二極管最高結(jié)溫，加速了肖特基二極管的老化。

在非遮擋情況下，肖特基二極管處于反偏狀態(tài)，在高溫下，肖特基二極管反偏電流可以達(dá)到mA級(jí)別，在一定程度上消耗了發(fā)電的電流。

如果使用理想的旁路二極管代替肖特基二極管，正向?qū)妷簶O限情況導(dǎo)通電壓低于100mV，功耗降低了接近80%，這樣有效的降低了接線盒自身功耗，同樣散熱條件和通流對(duì)比，采用理想旁路的二極管接線盒比肖特基二極管的接線盒，溫度可以低60度以上。在反向?qū)ǖ臅r(shí)候，理想肖特基二極管反向漏電流可以低到1uA以下，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于肖特基二極管mA級(jí)別的反向漏電，減少了電流的消耗，就提升發(fā)電效率，而且沒有熱逃逸的風(fēng)險(xiǎn)。

表1 光伏接線盒場景 理想旁路二極管與肖特基二極管性能對(duì)比

理想二極管與肖特基二極管可靠性對(duì)比：

肖特基二極管與理想二極管最大區(qū)別是都是基于硅的技術(shù)，可靠性和壽命都可以使用同樣加速因子進(jìn)行計(jì)算。最大不同是，理想二極管在極限情況下溫度是125℃，肖特基二極管極限溫度是200℃，根據(jù)一下老化加速公式計(jì)算。

AF為加速系數(shù)；

Ea為活化能，0.67eV；

K為玻爾茲曼常數(shù) 8.623*E-5 eV/K；

Tuse 工作溫度熱力學(xué)溫度值；

TAcce 老化實(shí)驗(yàn)的熱力學(xué)溫度值；

表2 根據(jù)老化模型推演理想二極管與肖特基二極管可以承受遮擋時(shí)間

理想二極管型優(yōu)化器：

除了光伏接線盒自身智能化外，智能化組件還可以通過連接 優(yōu)化器 來提升 單個(gè)光伏的發(fā)電效率。在優(yōu)化器應(yīng)用中， 優(yōu)化器輸入端是光伏組件，輸出與其他光伏板或者優(yōu)化器連接。當(dāng)出現(xiàn)光伏板故障或者光伏板與優(yōu)化器連接不良時(shí)候，此時(shí)旁路二極管導(dǎo)通。在此類應(yīng)用中，使用肖特基二極管如果按照20A的電流通流，將會(huì)有達(dá)到12W的功耗，而常用的PCB由于自身150攝氏度最高溫度限制，已經(jīng)無法滿足要求，由于優(yōu)化器上體積較小，這樣的高溫也會(huì)帶來器件老化或者損壞。使用多個(gè)肖特基并聯(lián)可以降低散熱，但是會(huì)增加了PCB的面積和成本，肖特基二極管之間導(dǎo)通電壓不平衡也會(huì)造成單體二極管過熱問題。

在20A電流通流情況下，使用理想二極管或者理想二極管控制器+外接MOSFET，可以大幅度降低溫度。在使用典型2mohm MOSFET阻抗情況下，85度的環(huán)境溫度，常規(guī)PCB尺寸下，仍然可以控制在125度 MOSFET的CASE溫度。

圖2 光伏優(yōu)化器中旁路二極管的使用

理想二極管型關(guān)斷器：

并非所有光伏都需要安裝優(yōu)化器，針對(duì)屋頂光伏，為了維修和消防的安全，需要光伏組件后面連接快速關(guān)斷器，從而在維修和火災(zāi)時(shí)候?qū)⒐夥倪B接彼此斷開，從而減少組串連接過程中的高壓風(fēng)險(xiǎn)。

如下圖所示，當(dāng)逆變器或者關(guān)斷器主控制發(fā)出指令，心跳消失，嚴(yán)重遮擋或者光伏板連接出現(xiàn)問題時(shí)候，MCU控制MOSFET關(guān)閉，此時(shí)處于關(guān)斷狀態(tài)的關(guān)斷器輸入和輸出通道就通過旁路二極管走電流。與優(yōu)化器類似，肖特基二極管無法滿足PCB溫度要求，旁路理想二極管控制器+MOSFET或者旁路理想二極管就可以低功耗的旁路需求，也能提供更低的反偏置的漏電特性。

圖3 關(guān)斷器中旁路二極管的使用

除了旁路理想二極管接線盒，快速關(guān)斷器和優(yōu)化器之外，其它任何針對(duì)組件設(shè)備，如智能IV檢測(cè)等等，都會(huì)需要光伏旁路實(shí)現(xiàn)組串的安全連接，通過旁路理想二極管都能保證設(shè)備高可靠，小體積和低功耗。隨著光伏組件效率越來越高，電流越來越多大，針對(duì)光伏系統(tǒng)安全性要求的不斷提升，光伏旁路理想二極管將會(huì)越來越多的用在智能光伏組件中。

華太公司二極管介紹

華太公司的光伏理想二極管有三種形態(tài)，分別是

MSOP8控制器型：可以外接MOSFET實(shí)現(xiàn)光伏旁路作用，可以用在關(guān)斷器和優(yōu)化器等帶有PCB的系統(tǒng)中。

TO-263型：有100V-30A和40V-30A, 40V-40A的三個(gè)產(chǎn)品，可以用在光伏關(guān)斷器，優(yōu)化器和接線盒中。

接線盒型：40V-30A和40V-35A的兩類產(chǎn)品，封裝可提供定制，主要用于大電接線盒中。

MSOP8型控制器

TO-263型

接線盒型

結(jié)語

在光伏系統(tǒng)技術(shù)演進(jìn)中，無論是面向大電流組件的新型旁路方案，還是提升組件智能化的關(guān)斷器和優(yōu)化器技術(shù)，采用理想二極管替代傳統(tǒng)肖特基二極管都帶來了顯著的技術(shù)突破。這一升級(jí)在多個(gè)關(guān)鍵性能指標(biāo)上實(shí)現(xiàn)了質(zhì)的飛躍：顯著降低了正向?qū)ü暮凸ぷ鳒囟?，有效改善了反向漏電流特性，同時(shí)大幅提升了系統(tǒng)可靠性和使用壽命。這些技術(shù)改進(jìn)共同確保了光伏組件能夠更加安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。