光伏組件接線盒二極管的擊穿失效分析

國家電投集團西安太陽能電力有限公司 ■ 李榮 劉飛 賀國順 古旋 王新正

0 引言

光伏組件接線盒的主要作用是將太陽電池通過光生伏特效應產生的電能從組件內部引出并與外部輸電或負載線路連接[1]。目前，行業內對光伏組件接線盒的安全性、接線盒二極管的主要作用與工作原理，以及二極管的導通等方面已開展了研究。本文針對光伏組件生產制造過程中出現的接線盒二極管擊穿失效現象進行了分析，并對可能造成二極管擊穿失效的原因進行了逐項排查。

1 現象

對光伏組件進行電致發光(EL)檢測時，發現2串電池出現短路，如圖1所示；然后對該異常光伏組件的接線盒進行了電性能測試，結果判定為接線盒二極管擊穿失效。

圖1 EL檢測時光伏組件中2串電池出現短路

2 異常分析

2.1 接線盒二極管的作用

接線盒二極管的作用是在1串電池失效或由于外部物體遮擋導致組件不能正常發電時，將異常電池串從組件電路中隔離，從而保護組件。

2.2 對擊穿失效二極管的檢測

圖2為光伏組件中2串電池出現短路時，接線盒二極管擊穿失效后的外觀，圖3為采用X光射線觀察到的擊穿失效二極管的內部狀況。

圖2 接線盒二極管擊穿失效后的外觀與二極管型號

圖3 X光射線下的失效二極管內部狀況

觀察圖2、圖3可以發現，失效二極管的外觀無明顯異常，在X光射線下觀察失效二極管的內部也無明顯異常。

通過化學試劑去除失效二極管的腳架和環氧樹脂，在光學顯微鏡下觀察二極管的芯片表面，如圖4所示。從圖中可以看出，失效二極管芯片表面有火刺痕跡。

圖4 光學顯微鏡下失效二極管的芯片表面

在溫度為25 ℃條件下，對接線盒兩端分別施加正向額定電流15 A、反向壓降45 V和反向漏電流0.5 mA，測試失效二極管的電性能，并記錄測試數據，如表1所示。

表1 二極管擊穿失效后的電性能情況

通過表1中的測試數據可知，接線盒二極管擊穿失效后主要表現為二極管反向漏電IR、反向壓降VDR不合格。此時二極管不具有單向導電特性，處于失效狀態[2]。下文針對不同狀態下的二極管情況進行分析。

1)在對組件生產線排查時發現，組件I-V測試過程中存在35 A的順向電流。模擬生產線對二極管兩端施加35 A的順向電流，二極管擊穿失效，失效后的二極管芯片表面出現異常，如圖5所示。

圖5 二極管芯片表面出現異常

利用光學顯微鏡觀察圖5中芯片表面出現的火刺缺陷，發現其與圖4中二極管芯片表面的火刺形貌不同；且對產生順向電流的設備進行監控，發現其出現35 A順向電流的概率約為5‰。由此可知，生產線中出現的二極管擊穿失效并非由順向電流導致。

2)使用不同溫度的烙鐵頭與接線盒二極管表面接觸，然后測試二極管的電性能情況。

表2 二極管表面接觸高溫后的電性能情況

480 ℃為生產線中能夠產生的最高溫度，從表2可以看出，將二極管表面接觸該溫度10 s后，二極管的電性能并無異常。但由于長時間高溫焊接后，熱量很容易傳導至內部芯片，使芯片損傷，因此，還是建議對焊接溫度進行管控。

3)使用穩壓電源對二極管兩端施加45 V電壓，然后測試二極管兩端出現的峰值電壓概率，并判定二極管是否擊穿失效，具體數據如表3所示。

表3 不同峰值電壓下二極管的擊穿情況

由表3可知，出現峰值電壓(通電)超過100 V的概率為1%，當接線盒兩端電壓峰值超過100 V時，接線盒二極管有擊穿失效的風險。

對接線盒兩端施加103 V電壓，測試2次后接線盒二極管均擊穿失效，測試該二極管電性能后發現，反向漏電IR、反向壓降VDR均不合格。

3 設備異常排查

使用數字示波器對各測試設備在進行組件測試時的電壓情況進行了全程跟蹤觀察，并記錄分析測試數據，排查可能存在過大電壓的測試設備。表4為各測試設備進行測試時的電壓情況。

表4 各測試設備進行測試時的電壓情況

由表4可知，EL檢測儀1的峰值電壓為51.2 V、設備測試時的電壓為48.5 V，電性能測試儀的峰值電壓為78.4 V、設備測試時的電壓為50.4 V，EL檢測儀2的峰值電壓為119.0 V、測試時的電壓為52.0 V。EL檢測儀2在檢測組件過程中出現超過100 V的峰值電壓，是由其穩態電源空氣開關接觸不良造成的，從而導致接線盒二極管擊穿失效。對EL檢測儀2更換固態接觸開關后再進行測試，其峰值電壓為54 V，滿足測試要求。

4 結論與建議

本文針對光伏組件生產過程中出現的接線盒二極管擊穿失效現象進行了分析，得出以下結論：

1)35 A順向電流會對二極管造成擊穿失效，但該電流出現的概率僅約為5‰。

2)生產中的最高溫度480 ℃未對二極管的電性能產生影響，但仍建議對焊接溫度進行管控，當長時間高溫焊接后，熱量很容易傳導到內部芯片，容易使芯片損傷。

3)組件在EL測試過程中受到過大電壓沖擊會導致接線盒二極管擊穿失效。