引言

在全球范圍內，參與氣候行動計劃、減少碳排放以及降低化石能源使用已成為普遍共識。這使得新能源在生產生活中的應用越來越廣泛。其中，光伏發電憑借其易于實施、規模可控、成本低廉等優勢，在眾多新能源技術中脫穎而出。隨著生產技術的不斷提升，光伏發電成本持續下降，度電成本逐年降低。

光伏應用形態日趨多樣化，從最初大規模集中式地面電站，到如今靈活部署的組串式電站，再到滿足工商業需求的光儲一體化電站，以及面向家庭用戶的戶用光儲系統和陽臺光伏系統，應用場景不斷拓展。

在發電領域，無論是大型電站還是戶用光伏系統，降低度電成本始終是行業的核心目標。通過持續的材料創新和技術優化，光伏電池轉換效率不斷提升，已逐步逼近理論極限。同時，光伏組件功率的持續提升也為進一步降低度電成本提供了有力支撐。

安全性是光伏發電的另一個關鍵指標，主要體現在兩個方面：首先是使用壽命，光伏組件設計壽命長達30年，確保其長期安全穩定運行至關重要；其次是運行安全，包括預防光伏系統可能出現的拉弧、火災等安全隱患，以及建立完善的故障維修和消防應急機制。

為提升系統效率和安全性，光伏組件正經歷從傳統型向智能化的轉型升級。下文將重點介紹大電流組件的技術特點，以及在組件智能化進程中，光伏旁路二極管如何為系統安全提供可靠保障。

什么是理想二極管

理想二極管特性就是正向導通電壓是0V，反向漏電是0A，反向截止時間為0uS。當二極管接近理想時候，就在正向導通時候，功耗更低和溫升更小。反向截止時候，就可以做到更低漏電和更長壽命。當然沒有絕對理想的二極管，但是三個指標更加接近0的二極管就可以稱作理想二極管。

理想二極管型接線盒

傳統光伏組件為應對串聯系統中因遮擋引發的熱斑效應，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構，每串電池片由多個光伏電池通過串并聯方式組成。各串電池片通過接線盒實現電氣連接，接線盒內集成旁路二極管保護電路。在正常工作狀態下，旁路二極管處于反向偏置截止狀態；當組件出現遮擋或故障時，二極管正向導通，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候，不會因為部分光伏板遮擋或者異常影響整個組串的效率。

圖1 光伏接線盒工作原理

傳統組件接線盒使用肖特基二極管，存在如下問題：

肖特基二極管正向導通壓降約為500mv，當大電流流過肖特基二極管的時候，這個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，當流過光伏板的串聯電流是30A，那么肖特基二極管上功率就是15W，當夏季強光日照下，接線盒所處的環境溫度可能高達75度以上，15W的功率消耗，可能造成溫度大幅度上升，極限情況會超過肖特基二極管最高結溫，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，在高溫下，肖特基二極管反偏電流可以達到mA級別，在一定程度上消耗了發電的電流。

如果使用理想的旁路二極管代替肖特基二極管，正向導通電壓極限情況導通電壓低于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。在反向導通的時候，理想肖特基二極管反向漏電流可以低到1uA以下，遠遠小于肖特基二極管mA級別的反向漏電，減少了電流的消耗，就提升發電效率，而且沒有熱逃逸的風險。

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比

理想二極管與肖特基二極管可靠性對比：

肖特基二極管與理想二極管最大區別是都是基于硅的技術，可靠性和壽命都可以使用同樣加速因子進行計算。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℃，根據一下老化加速公式計算。

AF為加速系數；

Ea為活化能，0.67eV；

K為玻爾茲曼常數 8.623*E-5 eV/K；

Tuse 工作溫度熱力學溫度值；

TAcce 老化實驗的熱力學溫度值；

表2 根據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間

理想二極管型優化器：

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 優化器 來提升 單個光伏的發電效率。在優化器應用中， 優化器輸入端是光伏組件，輸出與其他光伏板或者優化器連接。當出現光伏板故障或者光伏板與優化器連接不良時候，此時旁路二極管導通。在此類應用中，使用肖特基二極管如果按照20A的電流通流，將會有達到12W的功耗，而常用的PCB由于自身150攝氏度最高溫度限制，已經無法滿足要求，由于優化器上體積較小，這樣的高溫也會帶來器件老化或者損壞。使用多個肖特基并聯可以降低散熱，但是會增加了PCB的面積和成本，肖特基二極管之間導通電壓不平衡也會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度的環境溫度，常規PCB尺寸下，仍然可以控制在125度 MOSFET的CASE溫度。

圖2 光伏優化器中旁路二極管的使用

理想二極管型關斷器：

并非所有光伏都需要安裝優化器，針對屋頂光伏，為了維修和消防的安全，需要光伏組件后面連接快速關斷器，從而在維修和火災時候將光伏的連接彼此斷開，從而減少組串連接過程中的高壓風險。

如下圖所示，當逆變器或者關斷器主控制發出指令，心跳消失，嚴重遮擋或者光伏板連接出現問題時候，MCU控制MOSFET關閉，此時處于關斷狀態的關斷器輸入和輸出通道就通過旁路二極管走電流。與優化器類似，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，快速關斷器和優化器之外，其它任何針對組件設備，如智能IV檢測等等，都會需要光伏旁路實現組串的安全連接，通過旁路理想二極管都能保證設備高可靠，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，針對光伏系統安全性要求的不斷提升，光伏旁路理想二極管將會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，分別是

MSOP8控制器型：可以外接MOSFET實現光伏旁路作用，可以用在關斷器和優化器等帶有PCB的系統中。

TO-263型：有100V-30A和40V-30A, 40V-40A的三個產品，可以用在光伏關斷器，優化器和接線盒中。

接線盒型：40V-30A和40V-35A的兩類產品，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

結語

在光伏系統技術演進中，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斷器和優化器技術，采用理想二極管替代傳統肖特基二極管都帶來了顯著的技術突破。這一升級在多個關鍵性能指標上實現了質的飛躍：顯著降低了正向導通功耗和工作溫度，有效改善了反向漏電流特性，同時大幅提升了系統可靠性和使用壽命。這些技術改進共同確保了光伏組件能夠更加安全、穩定地運行。