光伏電站旁路二極管應用失效分析

■ 楊松 諸榮耀 沈道軍 羅易 李春陽 王仕鵬 黃海燕

(1.浙江正泰新能源開發有限公司；2.浙江正泰太陽能科技有限公司)

0 引言

太陽能光伏組件用旁路二極管的可靠性一直受到業界的廣泛關注，隨著全球太陽能光伏電站組件使用數量的增加和使用時間的推移，系統部件的可靠性問題逐步顯現。

光伏組件的生產制成、系統安裝和電站運行等不同階段，因產品質量與外界環境及施工等因素均可造成旁路二極管失效(包括二極管的應用選型不當)，給太陽能光伏電站的正常運行和工作壽命帶來極其不利的影響。正泰作為光伏電站的投資建設單位，曾多次同接線盒廠家、二極管廠家、光伏組件生產商合作，一同參與太陽能電站二極管失效事故的處理，分析不同二極管廠家產品的若干二極管失效案例，從中找到一些失效原因和規律，但也存在著不少需試驗確認的失效因素和改善措施。

為此，正泰新能源開發有限公司在屋頂510 kWp光伏電站現場與公司內部實驗室對電站應用中發生二極管失效的情況進行了多項探討性試驗。

1 試驗計劃

試驗項目、試驗目的、試驗方法及要求的相關信息見表1。

2 試驗設備

試驗設備的相關參數見表2。

3 試驗過程

3.1 試驗項目1：系統安裝時，方陣輸出線在匯流箱內接反，造成二極管失效確認試驗

試驗環境情況：天氣晴，氣溫40 ℃。

電站發生二極管失效時，存在一個方陣中大部分二極管同時失效的案例，這種情況一般懷疑為系統安裝時，在匯流箱內并接線時方陣輸出線的“+”、“-”線接反所致。對于12進1出的匯流箱，組串在并聯連接時接反，整個輸出電壓被光伏二極管限幅在30 V左右，約有80 A電流通過該組線路，其中大部分電流經過二極管。在有陽光發電時，即便時間不長，也會使二極管因正向電流嚴重過載而熱擊穿。恢復正確接線后，擊穿二極管會繼續消耗與其并聯電池片的發電功率約60～70 W，時間較長時二極管塑料體碳化爆裂，接線盒變形或燒穿。原理圖如圖1所示。

在白天陽光下，某組方陣并線接反時，其他方陣發電電流會通過接反方陣二極管形成回路，造成二極管正向嚴重過流失效。為確認上述分析原因是否存在，本次試驗采用并線逐步增加的方法，測量各種狀態下的數據，獲得分析依據。

表1 試驗項目、試驗目的、試驗方法及要求的相關信息

圖1 組串并聯接反失效原理圖

表2 試驗設備的相關參數

試驗模擬一個方陣的接線盒內二極管試驗板(見圖2)，方陣組串由16塊光伏組件串聯而成，每塊組件接線盒內3只二極管，共48只二極管。試驗接線圖如圖3所示。

圖2 模擬一串方陣二極管試驗板

3.1.1 試驗步驟

1) 選取太陽能發電系統中的一個匯流箱單元；

2) 切斷該單元與系統的開關；

3) 脫開各方陣的熔斷器，選擇一方陣，用模擬方陣二極管試驗板按試驗接線圖方式連接；

4) 接通模擬方陣熔斷器，保險絲容量11 A；

5) 依次接通1、2、3、4、5組正常發電方陣熔斷器，電流即通過接反模擬方陣二極管，測量流過模擬試驗板的電流、試驗板兩端電壓和二極管表面溫度(穩態)。

圖3 試驗接線圖

1并(1對1反充)接線圖及相關參數分別如圖4、表3所示。

圖4 1對1反充接線圖

表3 1并(1對1反充)接線的相關參數

2并(2對1反充)接線圖及相關參數分別如圖5、表4所示。

3并(3對1反充)接線圖及相關參數分別如圖6、表5所示。

4并(4對1反充)接線圖及相關參數分別如圖7、表6所示。

圖5 2對1反充

表4 2并(2對1反充)接線的相關參數

圖6 3對1反充

表5 3并(3對1反充)接線的相關參數

圖7 4對1反充

表6 4并(4對1反充)接線的相關參數

5并(5對1反充)接線圖及相關參數分別如圖8、表7所示。

圖8 5對1反充

表7 5并(5對1反充)接線的相關參數

針對試驗項目1，結合不同反接狀態下的測試數據分析如圖9所示。

圖9 不同反接狀態下二極管溫升分析

3.1.2 試驗分析

本項目試驗通過模擬系統安裝，測量二極管的溫度，進而評估方陣在匯流箱內并入連接時極性接反是否會引起方陣內大面積二極管失效現象。

從試驗過程數據看，二極管達到了較高溫度，在并入第5組方陣12 min后，保險絲熔斷。數據表明，本次試驗采用的系統輸出電流不大。

在電站系統中，如果匯流箱之間沒有防反隔離措施，饋入反接方陣的電流將更大。而二極管是否會失效，取決于保險絲熔斷時間和二極管承受的最大電流。二極管與保險絲熔斷損壞試驗數據如表8所示。

數據顯示，1并、2并、3并、4并二極管未擊穿、熔斷絲未熔斷；5并時二極管未擊穿，熔斷絲熔斷，表明二極管溫度與通過電流的變化成正相關，且隨著系統一次匯流設備并聯數的增加，系統方陣接反后光伏接線盒中二極管失效的可能性將隨之增加。同時也說明，熔斷絲在系統中起到了相應的保護作用。

表8 光伏系統用熔絲與二極管大電流下損壞先后順序驗證

3.2 試驗項目2：失效二極管對同接線盒內其他二極管的影響

試驗環境情況：天氣晴，氣溫40 ℃。

在太陽能光伏發電系統發生二極管與接線盒失效案例中，曾發現接線盒內部3只二極管全部失效，并出現接線盒燒毀和二極管塑料體開裂現象。在案例分析中，一般認為二極管質量隱患與失效分布情況無法對應，所以一般判斷為組件在安裝使用中受到意外損害(如雷擊)，造成接線盒內部二極管擊穿失效，然而這類失效的真正原因和發展過程尚未確定。針對業界普遍反映二極管反向擊穿失效占失效比例較大，且溫度對二極管反向特性影響較大，本次試驗圍繞失效二極管發熱對接線盒內其他二極管的影響進行。本試驗分別采用R-6結構二極管和接線盒、TO-263結構二極管和接線盒進行試驗。

3.2.1 R-6結構二極管及接線盒試驗

將1 PCS ESD靜電擊穿失效的二極管安裝于接線盒內，將接線盒接入組件中，組件接入方陣后，測量記錄接線盒內3只二極管溫度及盒內溫度、組件背板溫度，觀察該接線盒內正常二極管是否失效，安裝情況如圖10所示。

方陣空載試驗的試驗數據如表9所示。

圖10 R-6結構失效二極管安裝圖

表9 方陣空載狀態下測試數據

65 min后，溫度已穩定，記錄失效的二極管溫度達到213.3 ℃，其他二極管溫度分別為102.8 ℃、69.5 ℃，盒內溫度為95.3 ℃，組件背板溫度為63.3 ℃，正常二極管未失效。

方陣帶負載試驗：負載采用電爐絲，阻性負載，電爐絲220 V、2 kW，兩并、兩串連接，接入方陣在線測量。負載兩端電壓484 V、電流3.88 A、功率1877.9 W。試驗數據如表10所示。

表10 方陣負載狀態下測試數據

3.2.2 TO-263結構二極管及接線盒試驗

安裝圖如圖11所示，試驗數據如表11所示。

針對試驗項目2，結合不同結構二極管對同接線盒內旁邊二極管影響的測試數據的分析如圖12所示。

3.2.3 試驗分析

圖11 TO-263結構失效二極管安裝圖

表11 方陣空載狀態下測試數據

圖12 R-6、TO結構失效二極管對同接線盒內其他二極管的影響分析圖

從試驗測量到的二極管殼溫可看到，在太陽能光伏發電系統中，如果發生二極管擊穿或在系統安裝前二極管已經擊穿的情況，系統發電就會使擊穿二極管發熱，同時有可能帶動接線盒內部環境溫度升高和其他二極管漏電流上升。二極管的反向漏電流隨溫度的上升而增加，據資料統計，溫度每升高10 ℃，反向漏電流升高1倍。從而反向漏電流大與高溫特性差的二極管就會失效。二極管的塑料封裝材料是高分子物質，在長期高溫狀態下高分子材料發生碳化而爆裂。在解剖分析此類失效樣品時，常遇到碳化材料無法去除現象。

反向擊穿二極管在組件工作時會出現高溫，它與二極管正向導通工作時的區別，我們通過對擊穿二極管的測量，得到了其特性和參數的分布情況。分析如下：

1) 擊穿二極管的反向特性大部分是阻性的，反向特性曲線如圖13所示。

圖13 擊穿二極管的反向特性曲線

2)數據測量：在對反向擊穿的二極管通入8.5 A電流下，測得二極管兩端壓降在1.2～2.0 V之間，計算其電阻為0.14～0.24 Ω。部分大電流燒毀的失效二極管反向電阻較小。

3)根據等效電路圖分析擊穿二極管在組件中的失效原因和影響，擊穿二極管在組件中的工作原理圖如圖14所示。

圖14 擊穿二極管組件中工作原理圖

如圖14所示，二極管反向擊穿后，原本應反向截止的特性，變化為反向導通。與它并聯的電池片在陽光照射下產生電流，其電流通過電池片內阻和二極管反向擊穿后的電阻串聯形成回路。

目前條件下，組件與二極管并聯的電池片組空載電壓約為13 V、短路電流約為8.5 A，計算電池片組內阻為：

式中，Rdr為電池片組內阻；Vk為電池片組空載電壓；ID為組件短路電流。

二極管擊穿后，電池片組的回路電流為：

式中，Rf為反向電阻。

二極管反向功耗為：

從計算數據及試驗結果分析知，二極管反向擊穿后在組件正常發電的情況下，其反向功耗遠大于正常二極管出現熱斑時的正向功耗，溫度必然會很高。同時說明，TO-263型貼片式ESD擊穿二極管比R-6軸向式ESD擊穿二極管對同接線盒中旁邊元件影響更大(可引起旁邊二極管擊穿)。出現該現象的原因是貼片式二極管散熱面積大，快速將熱量傳遞給對應連接銅片，銅片再將熱量傳遞給旁邊二極管最終導致其熱擊穿。

需要注意的是，若用單一組件方陣進行試驗，當方陣對負載輸出電流時，由于輸出電流的方向與二極管擊穿短路電流的方向是相反的，由基爾霍夫電流法可知，流過擊穿二極管的反向電流會減小，發熱會隨之降低。但在發電系統中，由于該組串方陣存在擊穿二極管輸出電壓缺失的原因，在并入匯流箱后，與其他方陣輸出電壓相比，該方陣與其他方陣存在電壓差，因此該方陣的輸出電流會下降或有倒流現象(無防反流系統)。因此反向擊穿失效二極管的發熱是極其嚴重的。

3.3 試驗項目3：光伏組件被遮光，其旁路二極管工作時對旁邊二極管的影響

試驗環境情況：天氣晴，氣溫40 ℃。

太陽能光伏發電系統，由于環境及其他因素導致組件產生熱斑是系統通常很難避免的現象，這也是光伏組件用接線盒內加入二極管的最終原因。本次試驗希望通過模擬工作條件，驗證光伏組件出現熱斑后接線盒內部二極管的工作狀態，以便評估其可靠性。試驗采用遮光布遮擋組件一部分電池片，檢測對應接線盒內各二極管的工作狀態[1]。試驗組件如圖15所示，遮光前、后測量數據分別見表12、表13。

圖15 實驗模擬光伏組件熱斑現象

表12 遮光前測試數據

表13 遮光后測試數據

3.3.1 試驗分析

從試驗數據知，二極管能滿足其設計工作的要求。在光伏組件和接線盒、二極管都正常工作狀態下，目前接線盒試驗標準確定的環境溫度能滿足光伏組件應用的實際場合。同時說明，二極管質量的好壞將直接影響系統發電功率的輸出，因此應引起重視。

3.4 試驗項目4：模擬組件應用時出現二極管正、反向偏置切換試驗

試驗環境情況：環境溫度25 ℃，室內。

太陽能光伏發電系統長期工作中，有可能存在某遮光物落在光伏組件表面，此時其與被遮擋組串反向并聯的旁路二極管形成正向導通。方陣發電輸出電流通過該旁路二極管，對外輸出電能。由于二極管正向功耗使其發熱，一段時間后，二極管結溫Tj在一個較高數值上達到平衡[2]。而此時遮擋陽光物體因風吹等原因突然移動，遮擋物或陰影突然移出該組件被遮擋部位，電池片被陽光照射，立刻發電，電壓反向加至剛消失正向電流的二極管上。由于二極管結溫Tj仍處在高溫狀態下，反向電壓的出現，反向漏電流會使二極管進入惡性循環狀態而失效。本試驗采用同一結構接線盒，選擇不同參數二極管，用正向導通電流遞增的方法，逐級試驗來評估二極管正、反向轉換的正向電流能力。試驗電路原理如圖16所示。

試驗樣品：同一種接線盒5只，R-6封裝不同參數芯片二極管5種。

試驗方法：分別對5種二極管組裝的接線盒逐一進行試驗，試驗正向電流由接線盒+、-導入，電流回路為3只二極管串聯通過。反向電壓15 V切換到中間1只二極管上。

圖16 光伏二級管正反向轉換試驗原理圖

操作步驟：1) 按試驗原理圖將接線盒連接到試驗電路中，并將溫度傳感器貼裝到二極管外殼上，蓋好接線盒盒蓋。將完成上述操作的接線盒放入烘箱內，打開烘箱加熱至80 ℃，待恒溫后打開正向電流恒流恒壓電源對其通入6 A電流，1 h后，記錄二極管殼溫。2) 打開反向電壓恒流恒壓電源，調整電壓為15V，恒流輸出值應大于8 A。3)啟動“PLC正、反向轉換時間控制器”轉換按鈕，觀察反向漏電流。當漏電流下降至起始值的1/3時，可判斷所加正向電流為可通過值。4)按“PLC正、反向轉換時間控制器”停止按鈕，調節正向電流，逐步加大正向電流，重復上述試驗。當試驗過程轉換成反向后，反向漏電流向高漂移，漂移速度逐步加快，可判斷為該正向電流為不可通過電流值。試驗數據如表14所示，表中VF為正向峰值電壓；VB為雪崩擊穿電壓；IR為反向電流。

3.4.1 試驗分析

該模擬試驗的現象是在太陽能光伏發電站實際工作中有可能存在的現象，試驗圍繞二極管的高溫特性進行，當有物體或陰影在光伏組件上出現熱斑時，二極管正向導通工作，經過一段時間，二極管芯片中p-n結的溫度穩定在一個較高數值上。此時若物體或陰影突然移出光伏組件原來位置，二極管工作狀態由正向導通轉換成反向截止，組件發電電壓立刻加到二極管反向兩端；而此刻二極管的p-n結溫度未大幅下降，反向漏電流較大，如果漏電流和反向電壓產生的反向功耗使結溫繼續上升，則二極管就會熱擊穿失效。

表14 二級管正、反向偏置測試數據

本試驗結果顯示，不同參數特性的二極管有不同的電流通過能力。推測相同二極管在不同的接線盒內，也會有不同的電流通過能力。為此可研究確定，接線盒(包括二極管)能否應用在組件輸出電流超過試驗通過電流的場合。

3.5 試驗項目5：旁路二極管的靜電放電(ESD)能力試驗

試驗環境情況：環境溫度25 ℃，室內。

光伏二極管的抗靜電能力是一個非常重要的參數指標，多年來組件生產過程中發生二極管擊穿失效和太陽能光伏發電系統中分散零星式二極管燒毀等現象，都有可能與靜電放電有關。為此評估二極管抗靜電和提高這一能力就顯得尤為重要。

3.5.1 光伏二極管抗靜電放電能力測試

光伏二極管自身抗靜電放電能力的高低，對應用可靠性有較大的影響，參照IEC 61000-4-2[3]標準對光伏二極管的抗靜電放電能力進行抽檢和評估。試驗原理及設備分別如圖17、圖18所示。

圖17 光伏二極管抗靜電能力測試原理圖

圖18 靜電測試儀

參數設置：試驗采用人體模式，試驗參數150 P、330 Ω，接觸式；試驗采用電壓逐級提升法。

試驗方法：選擇不同型號二極管各10只，測試常規參數合格后進行試驗，以5 kV檔級逐級提高電壓進行試驗，且從5 kV開始進行放電試驗，每放電一次后對試驗件進行常規特性測量，判斷是否失效。試驗結果見表15。

表15 二極管抗靜電能力測試數據分析表

針對如上ESD靜電擊穿的二極管，通過反向大電流流過或使光伏組件經過I-V測試，使擊穿點被擴大并且顯露出來。試驗原理如圖19所示。

圖19 光伏組件I-V測試

被靜電擊穿的二級管芯片擊穿點較小，芯片其他部位的反向特性并沒有全部被破壞。試驗中反向電壓加入時產生的短路電流，只能從微小的擊穿點通過。極高的電流密度使局部發熱嚴重，從而使擊穿點擴大。擊穿點擴大化前后對比效果如圖20所示。

3.5.2 試驗分析

由于靜電放電瞬間能量高且時間短，易在芯片的微小局部位置形成擊穿。并且能量瞬間消失。一般擊穿點沒有擴大的跡象。肖特基二極管芯片的金屬勢壘層是靜電易擊穿的部位，金屬勢壘層在鈦、鎳、銀3層金屬的下面，而一般銀層厚度較厚。因此芯片上通常很難發現擊穿點，而反向曲線是擊穿特性。如圖21～23所示。

圖21 芯片中未發現擊穿點

圖22 反向擊穿特性曲線

圖23 正向正常I-V曲線

4 總結

針對本文研究的光伏電站用旁路二級管的高溫反向特性、ESD能力及光伏組件電站實際應用失效案例分析可知，二極管在未受到損傷的情況下，完全可以正常工作，且不會影響同接線盒內其他二極管的工作狀態。而當接線盒內有一只二極管擊穿失效，它就有可能影響附近二極管的正常工作。在實際光伏電站系統中發生零星單只二極管失效的現象，很有可能是因靜電引起二極管擊穿，隨著系統工作時間的推移，從而出現接線盒和組件燒毀現象。

因此，預防靜電傷害、提高二極管抗靜電能力，以及選擇高性能的二極管，是提高太陽能光伏系統可靠性的重要措施之一。

由此可見，太陽能光伏發電系統選擇高品質的接線盒加之合理運營維護，對提升整個電站的質量有所幫助，我們建議應加強光伏組件生產商與系統開發商的溝通頻率，并為建設高品質的光伏電站做出貢獻。

[1] IEC 61215-2005, 地面用晶體硅光伏組件——設計鑒定和定型[S].

[2] EN 50548-2011,接線盒新標準[S].

[3] IEC 61000-4-2,靜電放電抗擾性測試[S].