光伏电站旁路二极管应用失效分析

光伏电站旁路二极管应用失效分析杨松;诸荣耀;沈道军;罗易;李春阳;王仕鹏;黄海燕【摘要】主要研究光伏电站中经常出现的集中区域多接线盒二极管失效、零星接线盒内部二极管全部失效、正反偏置电压对二极管的性能影响、ESD静电能力对二极管性能的影响,以及正常发电光伏组件出现热斑等异常现象时旁路二极管的工作状态.通过相关探索性试验,进一步破析二极管从失效初期到最终失效的发展过程和因素,以便确定电站在不同工作状态下对二极管工作可靠性的要求,并在此基础上作出总结.期刊名称】《太阳能》年(卷),期】2015(000)003【总页数】11页(P36-46)【关键词】光伏组件;光伏电站;二极管;热斑效应；ESD静电能力;光伏接线盒【作者】杨松;诸荣耀;沈道军;罗易;李春阳;王仕鹏;黄海燕【作者单位】浙江正泰新能源开发有限公司;浙江正泰太阳能科技有限公司;浙江正泰新能源开发有限公司;浙江正泰新能源开发有限公司;浙江正泰新能源开发有限公司;浙江正泰新能源开发有限公司;浙江正泰太阳能科技有限公司;浙江正泰太阳能科技有限公司【正文语种】中文0引言太阳能光伏组件用旁路二极管的可靠性一直受到业界的广泛关注，随着全球太阳能光伏电站组件使用数量的增加和使用时间的推移，系统部件的可靠性问题逐步显现。光伏组件的生产制成、系统安装和电站运行等不同阶段，因产品质量与外界环境及施工等因素均可造成旁路二极管失效（包括二极管的应用选型不当），给太阳能光伏电站的正常运行和工作寿命带来极其不利的影响。正泰作为光伏电站的投资建设单位，曾多次同接线盒厂家、二极管厂家、光伏组件生产商合作，一同参与太阳能电站二极管失效事故的处理，分析不同二极管厂家产品的若干二极管失效案例，从中找到一些失效原因和规律，但也存在着不少需试验确认的失效因素和改善措施。为此，正泰新能源开发有限公司在屋顶510kWp光伏电站现场与公司内部实验室对电站应用中发生二极管失效的情况进行了多项探讨性试验。1试验计划试验项目、试验目的、试验方法及要求的相关信息见表1。2试验设备试验设备的相关参数见表2。3试验过程试验项目1：系统安装时，方阵输出线在汇流箱内接反，造成二极管失效确认试验试验环境情况：天气晴，气温40°C。电站发生二极管失效时，存在一个方阵中大部分二极管同时失效的案例，这种情况一般怀疑为系统安装时，在汇流箱内并接线时方阵输出线的“+”、“-”线接反所致。对于12进1出的汇流箱，组串在并联连接时接反，整个输出电压被光伏二极管限幅在30V左右，约有80A电流通过该组线路，其中大部分电流经过二极管。在有阳光发电时，即便时间不长，也会使二极管因正向电流严重过载而热击穿。恢复正确接线后，击穿二极管会继续消耗与其并联电池片的发电功率约60-70W,时间较长时二极管塑料体碳化爆裂，接线盒变形或烧穿。原理图如图1所示。在白天阳光下，某组方阵并线接反时，其他方阵发电电流会通过接反方阵二极管形成回路，造成二极管正向严重过流失效。为确认上述分析原因是否存在，本次试验采用并线逐步增加的方法，测量各种状态下的数据，获得分析依据。表1试验项目、试验目的、试验方法及要求的相关信息序号试验项目试验目的试验方法及要求1）监测电流；12）测试二极管壳温；3）记录时间，监测二极管失效情况；4）对二极管进行解剖分析，确认其芯片典型失效现象1）监测失效二极管和附近二极管的壳温；22）监测附近二极管的反向漏电流；3）失效二极管在接线盒内不同位置对其他二极管的影响1）监测接线盒内所有二极管的壳温；32）监测无遮挡组件时二极管的反向漏电流；3）与不同反向特性的二极管做对比，评估可靠性1）按试验原理图将接线盒连接到试验电路中；42）打开反向电压恒流恒压电源，调整电压为15V;3）启动“PLC正、反向转换时间控制器”转换按钮；4）停止“PLC正、反向转换时间控制器”转换按钮1）对二极管进行不同电压等级静电测试；52）击穿点扩大化分析；3）芯片解剖分析系统安装时，方阵输出线在汇流箱内接反，造成二极管失效确认试验确认接反会造成二极管失效；试验模拟逐组增加并联方阵时二极管发热和失效状况失效二极管对同一接线盒内其他二极管的影响分析目前经常出现光伏发电站中一只接线盒内同时多只二极管失效的真正原因电池片被遮光，其旁路二极管工作时，对旁边二极管的影响验证发电站局部区域阳光被遮挡，接线盒内二极管的工作状态和相互影响验证光伏组件被遮挡物遮光及遮光物瞬时消失时，组件正反偏置电压对二极管性能的影响旁路二极管的静电放电（ESD）能力试验模拟组件应用时出现二极管正、反向偏置切换试验验证ESD静电对二极管性能的影响图1组串并联接反失效原理图表2试验设备的相关参数?试验模拟一个方阵的接线盒内二极管试验板（见图2），方阵组串由16块光伏组件串联而成，每块组件接线盒内3只二极管，共48只二极管。试验接线图如图3所示。图2模拟一串方阵二极管试验板试验步骤1） 选取太阳能发电系统中的一个汇流箱单元；2） 切断该单元与系统的开关；3） 脱开各方阵的熔断器，选择一方阵，用模拟方阵二极管试验板按试验接线图方式连接；4） 接通模拟方阵熔断器，保险丝容量11A；5） 依次接通1、2、3、4、5组正常发电方阵熔断器，电流即通过接反模拟方阵二极管，测量流过模拟试验板的电流、试验板两端电压和二极管表面温度（稳态）。图3试验接线图1并（1对1反充）接线图及相关参数分别如图4、表3所示。图41对1反充接线图表31并（1对1反充）接线的相关参数模拟每个接线盒3只二极管数量试验模拟组件数16PSC（CHSM5612M）二极管数量48只并联方阵数1并（1对1反充）二极管型号15SQ045首末二极管间电压17.32V监控电流4.51A二极管是否有击穿是否熔断丝是否熔断是否2并（2对1反充）接线图及相关参数分别如图5、表4所示。3并（3对1反充）接线图及相关参数分别如图6、表5所示。4并（4对1反充）接线图及相关参数分别如图7、表6所示。图52对1反充表42并（2对1反充）接线的相关参数模拟每个接线盒3只二极管数量试验模拟组件数16PSC（CHSM5612M）二极管数量48只并联方阵数2并（2对1反充）二极管型号15SQ045首末二极管间电压22V监控电流9.014A二极管是否有击穿是否熔断丝是否熔断是否图63对1反充表53并（3对1反充）接线的相关参数模拟每个接线盒3只二极管数量试验模拟组件数16PSC（CHSM5612M）二极管数量48只并联方阵数3并（3对1反充）二极管型号15SQ045首末二极管间电压22.7V监控电流13.48A二极管是否有击穿是否熔断丝是否熔断是否图74对1反充表64并（4对1反充）接线的相关参数模拟每个接线盒3只二极管数量试验模拟组件数16PSC（CHSM5612M）二极管数量48只并联方阵数4并（4对1反充）二极管型号15SQ045首末二极管间电压17.26V监控电流18A二极管是否有击穿是否熔断丝是否熔断是否5并（5对1反充）接线图及相关参数分别如图8、表7所示。图85对1反充表75并（5对1反充）接线的相关参数模拟每个接线盒3只二极管数量试验模拟组件数16PSC（CHSM5612M）二极管数量48只并联方阵数5并（5对1反充）二极管型号15SQ045首末二极管间电压16.577V监控电流20A二极管是否有击穿是否熔断丝是否熔断是否针对试验项目1，结合不同反接状态下的测试数据分析如图9所示。图9不同反接状态下二极管温升分析试验分析本项目试验通过模拟系统安装，测量二极管的温度，进而评估方阵在汇流箱内并入连接时极性接反是否会引起方阵内大面积二极管失效现象。从试验过程数据看，二极管达到了较高温度，在并入第5组方阵12min后，保险丝熔断。数据表明，本次试验采用的系统输出电流不大。在电站系统中，如果汇流箱之间没有防反隔离措施，馈入反接方阵的电流将更大。而二极管是否会失效，取决于保险丝熔断时间和二极管承受的最大电流。二极管与保险丝熔断损坏试验数据如表8所示。数据显示，1并、2并、3并、4并二极管未击穿、熔断丝未熔断；5并时二极管未击穿，熔断丝熔断，表明二极管温度与通过电流的变化成正相关，且随着系统一次汇流设备并联数的增加，系统方阵接反后光伏接线盒中二极管失效的可能性将随之增加。同时也说明，熔断丝在系统中起到了相应的保护作用。表8光伏系统用熔丝与二极管大电流下损坏先后顺序验证检测电流/A二极管型号熔断丝电流容量/A二极管是否击穿熔断丝是否熔断熔断丝熔断时间点2012SQ04512否是<2min3015SQ04515否是<30s4015SQ04515否是<5s5015SQ04515否是<4s6015SQ04515否是<2s6015SQ04520否是<2s试验项目2：失效二极管对同接线盒内其他二极管的影响试验环境情况：天气晴，气温40°C。在太阳能光伏发电系统发生二极管与接线盒失效案例中，曾发现接线盒内部3只二极管全部失效，并出现接线盒烧毁和二极管塑料体开裂现象。在案例分析中，一般认为二极管质量隐患与失效分布情况无法对应，所以一般判断为组件在安装使用中受到意外损害（如雷击），造成接线盒内部二极管击穿失效，然而这类失效的真正原因和发展过程尚未确定。针对业界普遍反映二极管反向击穿失效占失效比例较大，且温度对二极管反向特性影响较大，本次试验围绕失效二极管发热对接线盒内其他二极管的影响进行。本试验分别采用R-6结构二极管和接线盒、TO-263结构二极管和接线盒进行试验。R-6结构二极管及接线盒试验将1PCSESD静电击穿失效的二极管安装于接线盒内，将接线盒接入组件中，组件接入方阵后，测量记录接线盒内3只二极管温度及盒内温度、组件背板温度，观察该接线盒内正常二极管是否失效，安装情况如图10所示。方阵空载试验的试验数据如表9所示。图10R-6结构失效二极管安装图表9方阵空载状态下测试数据时间二极管温度/°C盒内温组件背板二极管度/OC温度/°C失效情况9:3547.775.3190.966.749.8未失效9:5561.892.5200.883.956.9未失效10:1566.097.3204.188.157.8未失效10:2567.8100.392.260.2未失效10:3568.5100.7210.591.558.5未失效10:4069.5213.395.363.3未失效65min后，温度已稳定，记录失效的二极管温度达到213.3°C,其他二极管温度分别为102.8°C、69.5°C,盒内温度为95.3°C,组件背板温度为63.3°C,正常二极管未失效。方阵带负载试验：负载采用电炉丝，阻性负载，电炉丝220V、2kW,两并、两串连接，接入方阵在线测量。负载两端电压484V、电流3.88A、功率1877.9W。试验数据如表10所示。表10方阵负载状态下测试数据时间二极管温度/°C盒内温度/C组件背板温度/C组件正面温度/°C二极管失效情况11:1566.184.6105.181.259.862.2未失效11:3062.268.479.166.465.165.6未失效11:5860.465.175.362.661.764.5未失效TO-263结构二极管及接线盒试验安装图如图11所示,试验数据如表11所示。针对试验项目2,结合不同结构二极管对同接线盒内旁边二极管影响的测试数据的分析如图12所示。试验分析图11TO-263结构失效二极管安装图表11方阵空载状态下测试数据时间二极管温度/°C盒内温组件背板二极管度/oc温度/°C失效情况9:0290.91136.8083.41125.6048.05两侧未击穿9:24116.1113.7138.964.4两侧未击穿9:37121.7188.5127.9145.468.9两侧未击穿9:48122.6209.7209.2133.872.8右侧二极管击穿10:06130.0215.2213.0102.576.7左侧未击穿10:13138.8219.4215.6108.681.2左侧未击穿图12R-6、TO结构失效二极管对同接线盒内其他二极管的影响分析图从试验测量到的二极管壳温可看到，在太阳能光伏发电系统中，如果发生二极管击穿或在系统安装前二极管已经击穿的情况，系统发电就会使击穿二极管发热，同时有可能带动接线盒内部环境温度升高和其他二极管漏电流上升。二极管的反向漏电流随温度的上升而增加，据资料统计，温度每升高10C,反向漏电流升高1倍。从而反向漏电流大与高温特性差的二极管就会失效。二极管的塑料封装材料是高分子物质，在长期高温状态下高分子材料发生碳化而爆裂。在解剖分析此类失效样品时，常遇到碳化材料无法去除现象。反向击穿二极管在组件工作时会出现高温，它与二极管正向导通工作时的区别，我们通过对击穿二极管的测量，得到了其特性和参数的分布情况。分析如下：1） 击穿二极管的反向特性大部分是阻性的，反向特性曲线如图13所示。图13击穿二极管的反向特性曲线2） 数据测量：在对反向击穿的二极管通入8.5A电流下，测得二极管两端压降在1.2~2.0V之间，计算其电阻为0.14-0.24Q。部分大电流烧毁的失效二极管反向电阻较小。3） 根据等效电路图分析击穿二极管在组件中的失效原因和影响，击穿二极管在组件中的工作原理图如图14所示。图14击穿二极管组件中工作原理图如图14所示，二极管反向击穿后，原本应反向截止的特性，变化为反向导通。与它并联的电池片在阳光照射下产生电流，其电流通过电池片内阻和二极管反向击穿后的电阻串联形成回路。目前条件下，组件与二极管并联的电池片组空载电压约为13V、短路电流约为8.5A，计算电池片组内阻为：式中，Rdr为电池片组内阻；Vk为电池片组空载电压；ID为组件短路电流。二极管击穿后，电池片组的回路电流为：式中，Rf为反向电阻。二极管反向功耗为：从计算数据及试验结果分析知，二极管反向击穿后在组件正常发电的情况下，其反向功耗远大于正常二极管出现热斑时的正向功耗，温度必然会很高。同时说明，TO-263型贴片式ESD击穿二极管比R-6轴向式ESD击穿二极管对同接线盒中旁边元件影响更大（可引起旁边二极管击穿）。出现该现象的原因是贴片式二极管散热面积大，快速将热量传递给对应连接铜片，铜片再将热量传递给旁边二极管最终导致其热击穿。需要注意的是，若用单一组件方阵进行试验，当方阵对负载输出电流时，由于输出电流的方向与二极管击穿短路电流的方向是相反的，由基尔霍夫电流法可知，流过击穿二极管的反向电流会减小，发热会随之降低。但在发电系统中，由于该组串方阵存在击穿二极管输出电压缺失的原因，在并入汇流箱后，与其他方阵输出电压相比，该方阵与其他方阵存在电压差，因此该方阵的输出电流会下降或有倒流现象（无防反流系统）。因此反向击穿失效二极管的发热是极其严重的。试验项目3：光伏组件被遮光，其旁路二极管工作时对旁边二极管的影响试验环境情况：天气晴，气温40°C。太阳能光伏发电系统，由于环境及其他因素导致组件产生热斑是系统通常很难避免的现象，这也是光伏组件用接线盒内加入二极管的最终原因。本次试验希望通过模拟工作条件，验证光伏组件出现热斑后接线盒内部二极管的工作状态，以便评估其可靠性。试验采用遮光布遮挡组件一部分电池片，检测对应接线盒内各二极管的工作状态［1］。试验组件如图15所示，遮光前、后测量数据分别见表12、表13。图15实验模拟光伏组件热斑现象表12遮光前测试数据时间二极管温度/°C组件输出电流/A盒内温度/C组件背板温度/°C二极管失效情况10:4540.240.440.15.0739.548.2未失效未遮挡空载601V;负载电压485.5V表13遮光后测试数据时间二极管温度/°C盒内温组件背板二极管度/C温度/C失效情况11:4160.581.761.358.557.3未失效11:5359.981.560.958.556.5未失效12:0560.381.361.158.956.2未失效12:2061.482.262.060.059.8未失效遮挡后空载591.6V；负载电压476V试验分析从试验数据知，二极管能满足其设计工作的要求。在光伏组件和接线盒、二极管都正常工作状态下，目前接线盒试验标准确定的环境温度能满足光伏组件应用的实际场合。同时说明，二极管质量的好坏将直接影响系统发电功率的输出，因此应引起重视。试验项目4：模拟组件应用时出现二极管正、反向偏置切换试验试验环境情况：环境温度25°C,室内。太阳能光伏发电系统长期工作中，有可能存在某遮光物落在光伏组件表面，此时其与被遮挡组串反向并联的旁路二极管形成正向导通。方阵发电输出电流通过该旁路二极管，对外输出电能。由于二极管正向功耗使其发热，一段时间后，二极管结温Tj在一个较高数值上达到平衡［2］。而此时遮挡阳光物体因风吹等原因突然移动，遮挡物或阴影突然移出该组件被遮挡部位，电池片被阳光照射，立刻发电，电压反向加至刚消失正向电流的二极管上。由于二极管结温Tj仍处在高温状态下，反向电压的出现，反向漏电流会使二极管进入恶性循环状态而失效。本试验采用同一结构接线盒，选择不同参数二极管，用正向导通电流递增的方法，逐级试验来评估二极管正、反向转换的正向电流能力。试验电路原理如图16所示。试验样品：同一种接线盒5只，R-6封装不同参数芯片二极管5种。试验方法：分别对5种二极管组装的接线盒逐一进行试验，试验正向电流由接线盒+、-导入，电流回路为3只二极管串联通过。反向电压15V切换到中间1只二极管上。图16光伏二级管正反向转换试验原理图操作步骤：1）按试验原理图将接线盒连接到试验电路中，并将温度传感器贴装到二极管外壳上，盖好接线盒盒盖。将完成上述操作的接线盒放入烘箱内，打开烘箱加热至80°C,待恒温后打开正向电流恒流恒压电源对其通入6A电流，1h后，记录二极管壳温。2）打开反向电压恒流恒压电源，调整电压为15V,恒流输出值应大于8A。3）启动“PLC正、反向转换时间控制器”转换按钮，观察反向漏电流。当漏电流下降至起始值的1/3时，可判断所加正向电流为可通过值。4）按“PLC正、反向转换时间控制器”停止按钮，调节正向电流，逐步加大正向电流，重复上述试验。当试验过程转换成反向后，反向漏电流向高漂移，漂移速度逐步加快，可判断为该正向电流为不可通过电流值。试验数据如表14所示，表中VF为正向峰值电压；VB为雪崩击穿电压；IR为反向电流。试验分析该模拟试验的现象是在太阳能光伏发电站实际工作中有可能存在的现象，试验围绕二极管的高温特性进行，当有物体或阴影在光伏组件上出现热斑时，二极管正向导通工作，经过一段时间，二极管芯片中p-n结的温度稳定在一个较高数值上。此时若物体或阴影突然移出光伏组件原来位置，二极管工作状态由正向导通转换成反向截止，组件发电电压立刻加到二极管反向两端；而此刻二极管的p-n结温度未大幅下降，反向漏电流较大，如果漏电流和反向电压产生的反向功耗使结温继续上升，则二极管就会热击穿失效。表14二级管正、反向偏置测试数据注：1#样品为最佳产品通不同正向电流稳定后转换通反向15V测量漏电值（红色字体为不可通过时的通过温度及漏电值）6.5A7.0A7.5A8.0A8.5A9.0A9.5A条件条件条件Tc/IR/Tc/IR/Tc/IR/Tc/IR/Tc/IR/Tc/IR/Tc/IR/10A0.1mA45V°CmA°CmA°CmA°CmA°CmA°CmA°CmA146951.23--159.230--169.560174.990179.7120170244849.812--157.960162.580167.8110172.9140----343341.7136148.190152.8130 444642.5126156.3220- 546854.922156.360161.390166.9160172.3220------样品常规参数编号VF/VB/VIR/mVpA本试验结果显示，不同参数特性的二极管有不同的电流通过能力。推测相同二极管在不同的接线盒内，也会有不同的电流通过能力。为此可研究确定，接线盒（包括二极管）能否应用在组件输出电流超过试验通过电流的场合。3.5试验项目5:旁路二极管的静电放电（ESD）能力试验试验环境情况：环境温度25°C,室内。光伏二极管的抗静电能力是一个非常重要的参数指标，多年来组件生产过程中发生二极管击穿失效和太阳能光伏发电系统中分散零星式二极管烧毁等现象，都有可能与静电放电有关。为此评估二极管抗静电和提高这一能力就显得尤为重要。光伏二极管抗静电放电能力测试光伏二极管自身抗静电放电能力的高低，对应用可靠性有较大的影响，参照IEC61000-4-2[3]标准对光伏二极管的抗静电放电能力进行抽检和评估。试验原理及设备分别如图17、图18所示。图17光伏二极管抗静电能力测试原理图图18静电测试仪参数设置：试验采用人体模式，试验参数150P、330Q,接触式；试验采用电压逐级提升法。试验方法：选择不同型号二极管各10只，测试常规参数合格后进行试验，以5kV档级逐级提高电压进行试验，且从5kV开始进行放电试验，每放电一次后对试验件进行常规特性测量，判断是否失效。试验结果见表15。表15二极管抗静电能力测试数据分析表注：1#样品为最佳产品编号ESD条件5kV10kV15kV20kV25kV30kV1150pF、330Q无失效无失效无失效无失效无失效无失效2150pF、330Q无失效无失效无失效无失效无失效1PCS击穿