帶避雷作用的光伏組件用二極管的研究及設計

于　躍，何少茜英利能源（中國）有限公司

帶避雷作用的光伏組件用二極管的研究及設計

于躍，何少茜
英利能源（中國）有限公司

太陽能電池組件在雷雨季節，由于設計缺陷有雷擊損壞的風險。本文通過分析防雷元件，設計了一種新型帶避雷作用的光伏組件專用二極管電路，敘述了電路結構和發展前景。

光伏；避雷；二極管；設計

引言

傳統的光伏組件必須在輸出端安裝有二極管，其作用是利用二極管的單向導通特性，防止反向充電損壞光伏電池以及防止一個單元的光伏電池斷路造成整個光伏電池組都無法使用。由于太陽能光伏組件都是安裝在比較開闊的地段或者較高的位置使用，同時由于連接部分采用大量金屬材料，所以容易受到雷電的侵擾。雷電作用在光伏組件上會造成組件PN結間擊穿或防倒流二極管擊穿，使組件不能正常發電或毀壞。但是在每個獨立的光伏電池組件都安裝避雷電設備并不現實（造價高，體積大，施工不方便），所以光伏組件防雷電成為一個急需解決的問題。

1、現用光伏組件防雷技術

現有光伏組件防雷電大多采用匯流箱內置防雷模塊，但是防雷模塊不能保護光伏組件受雷襲擊。匯流箱中的防雷模塊離光伏組件有一定的距離，在組件受到雷擊時不能夠保護組件避免損害。另外，由于防雷模塊造價高、體積大、施工不方便等原因，不適合在每個獨立的光伏電池組件上均安裝，這就造成了現有的光伏組件上沒有防雷保護，在雷雨季節極易使組件受到雷擊而損壞。光伏組件的輸出端即接線盒內只安裝了二極管防倒流，在組件收到雷擊時起不到保護作用。

2、防雷二極管設計

2.1防雷元件分析

通過實驗表明，將光伏組件必備的二極管輔助其他電路改為即保證正常二極管單向導通使用，又能夠達到受到擊中時，二極管自動接地達到將雷電自動引入大地作用，無雷電時自動恢復傳統二極管的功能，以起到接地避雷及自恢復的作用。

常用的防雷、過電壓保護元器件有以下幾種:壓敏電阻(mov)、氣體放電(gdt)、齊納二極管和TVS管都是用來限制電壓的，正常使用時均是結成反偏制狀態的。

齊納二極管和普通整流穩壓二極管的區別是：瞬態電壓抑制二極管（TVS）不會被擊穿，它能夠在電壓極高時降低電阻，從而使電流分流或控制其流向，從而保護電路元件在瞬間電壓過高的情況下不被燒毀。穩壓管能被擊穿，但擊穿后其兩端的電壓保持不變，從而使電路穩定，電壓穩定，不至于發生開路短路，從而保護電路元件。瞬態二極管在防雷中的工作原理——齊納擊穿；瞬態電壓抑制二極管多用于開關電源，尤其是單端反激開關電源，在開關晶體管關斷的瞬間由于電磁感應會場生一個很強的反向峰值電壓，如果不加限制會擊穿開關晶體管，且這個反向峰值電壓持續時間很小，峰值電壓高，但所含能量不大，所以用瞬態電壓抑制二極管來釋放掉這個電壓尖峰，保護開關晶體管。

壓敏電阻是一種以氧化鋅為主要成份的金屬氧化物半導體非線性電阻元件；電阻對電壓較敏感，當電壓達到一定數值時，電阻迅速導通。由于壓敏電阻具有良好的非線特性、通流量大、殘壓水平低、動作快和無續流等特點。被廣泛應用于電子設備防雷。

氣體放電管是一種間隙式防雷保護元器件，由于放電管具有絕緣電阻大，寄生電容小，通流量大、對高頻電子信號干擾小的一系列特點；因此被廣泛應用于電力、通信等重要領域。

瞬態抑制二極管(TVS管)在承受瞬間高能量脈沖時，能在極短的內由原來的高阻抗狀態變為低阻抗，并把電壓箝制到特定的水平，從而有效的保護用戶的設備和元器件不受損壞。由于其具有箝位電壓低、動作時間快等特點；因此比較適合于多級保護電路的末級保護。此外也能與其它保護元件配合使用，組成專用的防雷裝置。

2.2電路設計

本設計分為兩部分：肖特基二極管和防雷電路。

肖特基二極管屬于一種低功耗、超高速半導體器件，反向恢復時間極短（可以小到幾納秒），是光伏組件常用的一種二極管。主要作用是防止反向充電損壞光伏電池以及防止一個單元的光伏電池斷路造成整個光伏電池組都無法使用。

防雷電路由壓敏電阻與陶瓷氣體放電管串聯組成，正常工作時陶瓷氣體放電管不導通，壓敏電阻沒有漏電流，可以大大延長使用壽命；受雷電沖擊時，陶瓷氣體放電管首先擊穿，壓敏電阻器阻值迅速下降，導通大電流，從而保護光伏組件；沖擊過去后，由于壓敏電阻限制了電流，放電管不能維持導通而熄弧，恢復為正常工作狀態。

結構示意圖

3、新型二極管的發展前景

新型二極管主要有兩大優勢：保護功能，二極管具有正向導通逆向截止作用，防止反向充電。同時當某串電池片損壞發生斷路時，可通過二極管形成導通路徑，不影響使用。受雷電沖擊時，陶瓷氣體放電管及壓敏電阻器動作，使大電流流入大地，保護了光伏組件；自恢復功能，雷電沖擊過去后，由于壓敏電阻限制了電流，放電管不能維持導通而熄弧，恢復為正常工作狀態。

由上所述，太陽能電池組件采用此種二極管后，將大大的降低了雷電對太陽能電池組件的損壞，減少了設備維修故障率，有很大的市場前景。