兩種旁路二極管結(jié)溫測試方法的分析與比較*

李松麗 張 俊 / 上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院

0 引言

當組件中的一個電池或一組電池被遮光或損壞時，有可能在組件中會發(fā)生熱斑加熱。實際應(yīng)用中，熱斑效應(yīng)是影響光伏組件質(zhì)量安全的重要原因。光伏組件中的旁路二極管是降低熱斑效應(yīng)引起的火災(zāi)危險的重要零部件。

旁路二極管的結(jié)溫大小是選擇和判定旁路二極管是否合適的重要因素，也是確定旁路二極管熱性能是否滿足組件要求的指標。國際標準IEC61646 Edition2.0中提供了兩種旁路二極管結(jié)溫的測試方法。一種是穩(wěn)態(tài)法，一種是瞬態(tài)法。本文研究了兩種測試方法的具體實現(xiàn)方法，對兩種方法測試結(jié)果的可靠性進行了比較詳盡的分析。

1 穩(wěn)態(tài)法結(jié)溫測試平臺

穩(wěn)態(tài)法測試結(jié)溫是通過測量旁路二極管的表面結(jié)溫，采用制造商提供的熱阻，利用公式（1）計算得到的。

式中：Tj— 二極管的結(jié)溫（℃）；

Tcase— 二極管的殼溫（℃）；

RTHjc— 熱阻（℃ /W）；

UD— 二極管電壓（V）；

ID— 二極管電流（A）。

1.1 試驗裝置

如圖1所示，將被測組件放置在環(huán)境箱中，用熱電偶控制光伏組件的表面溫度，采用直流穩(wěn)壓源為被測樣品提供穩(wěn)態(tài)電流，直流源的正極與組件的負極連接，使電流正向通過旁路二極管。通過0.1 Ω標準電阻兩端的壓降控制電流的大小。

在每一個旁路二極管的兩端引出電源線，表面粘貼熱電偶，利用數(shù)字示波器MX100實現(xiàn)旁路二極管表面溫度Tcase和正向壓降UD數(shù)據(jù)的采集和記錄。

1.2 測試過程

將被測組件穩(wěn)定在75℃±2℃的條件下，通過監(jiān)測標準電阻兩端的壓降，控制直流源的輸出，使流經(jīng)旁路二極管的電流大小為STC（標準測試條件）下標稱短路電流Isc±2%，1 h后進行測量，用數(shù)據(jù)采集儀記錄每個旁路二極管的溫度和壓降。利用公式（1）計算結(jié)溫。

2 瞬態(tài)法結(jié)溫測試平臺

瞬態(tài)法利用旁路二極管發(fā)射極的正向壓降UD與結(jié)溫Tj在相當寬的溫度范圍內(nèi)呈線性關(guān)系[1-2]，通過UD的測量間接測量Tj的方法。

圖1 穩(wěn)態(tài)法結(jié)溫測試電路示意圖

2.1 試驗裝置

瞬態(tài)法結(jié)溫測試的試驗裝置是在圖1的基礎(chǔ)上增加了一只阻值約14 Ω的滑線變阻器(R)（如圖2所示）。

圖2 瞬態(tài)法結(jié)溫測試電路示意圖

2.2 測試過程

瞬態(tài)法結(jié)溫測試的具體步驟如下：

1）將被測組件穩(wěn)定在30℃±2℃，用MX100數(shù)據(jù)采集儀監(jiān)測樣品溫度。

2）閉合回路，通過標準電阻控制通過旁路二極管的電流大小為Isc±2%。

3）斷開電路，穩(wěn)態(tài)條件下，測試旁路二極管壓降的試驗裝置同1.1所述。使系統(tǒng)恢復(fù)穩(wěn)定狀態(tài)。

4）短時閉合回路后立即斷開，利用數(shù)據(jù)采集儀的單觸發(fā)模式逐個采集旁路二極管兩端的電壓波形，記錄通電1 ms時旁路二極管的正向壓降UD。由于是瞬態(tài)電流，可以認為此時旁路二極管的表面溫度即為結(jié)溫Tj。

5）分別在50℃±2℃、70℃±2℃、90℃±2℃溫度下重復(fù)步驟1）～ 4）。

6）利用最小二乘法得到旁路二極管正向壓降UD和結(jié)溫Tj的關(guān)系曲線。

7）在75℃下，向組件通Isc±2%恒定電流1 h，記錄旁路二極管的正向壓降，借助第一步中得到的UD－Tj曲線得到光伏組件在75℃下的結(jié)溫。

3 分析與討論

3.1 瞬態(tài)法測試結(jié)溫的注意事項

瞬態(tài)法要求在通入恒定電流1 ms時測試旁路二極管的端電壓，由于旁路二極管電阻的非線性特征，為了得到穩(wěn)定的電流，必須在測試系統(tǒng)中引入具有較大阻值的線性元器件——滑線變阻器。這樣就避免了電路閉合瞬間電流的波動，使系統(tǒng)電流達到穩(wěn)定的Isc±2%。

在利用示波器采集瞬間電壓信號時，如果僅僅調(diào)節(jié)直流源的輸出使電流穩(wěn)定在Isc，由于采用的直流源是恒壓源，在電路閉合的瞬間，直流源會有一個恒壓控制－恒流控制轉(zhuǎn)換的過程，無法滿足1 ms以內(nèi)恒流的測試要求[圖3（a）]。為此采用增加電流設(shè)定值，調(diào)節(jié)電壓的設(shè)定值，使電流大小為Isc±2%。這種條件下，直流源能夠始終保持恒壓輸出狀態(tài)，示波器采集的電壓波形非常穩(wěn)定[圖3（b）]。

3.2 旁路二極管數(shù)量對結(jié)溫的影響

由于制造商的設(shè)計理念不同，同一種接線盒中可能安裝不同數(shù)量的旁路二極管。為了驗證旁路二極管數(shù)量對結(jié)溫的影響。選擇了一塊光伏組件樣品進行測試，該樣品中的接線盒最多可以安裝6個旁路二極管，即該組件有3個電池組串聯(lián)而成，每一組可以由兩個旁路二極管并聯(lián)。

在6個旁路二極管全部安裝條件下，任選3個串聯(lián)的旁路二極管分別通過穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩種方法進行結(jié)溫測試，測試結(jié)果如表1所示。

表1 安裝6個旁路二極管時的結(jié)溫

拆除與上面測試中所選3個旁路二極管并聯(lián)的其他3個旁路二極管，測試同一塊光伏組件在安裝3個旁路二極管時的旁路二極管結(jié)溫Tj。穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)兩種方法的測試結(jié)果如表2所示。

比較表1和表2中的數(shù)據(jù)，無論使用穩(wěn)態(tài)法還是瞬態(tài)法，安裝6個旁路二極管時Tj普遍低于安裝3個的情況，兩者的溫差大約在10～25℃左右。這是因為前一種情況下每個電池組串并聯(lián)安裝有兩個旁路二極管，后者則安裝了一個旁路二極管。當向組件中通入同樣大小的電流（Isc）時，由于并聯(lián)的分流作用，使得前一種情況下，旁路二極管的結(jié)溫降低了。較低的結(jié)溫可能會延長旁路二極管的壽命，降低接線盒的散熱量，一定程度上提高光伏組件的安全性和可靠性。

圖3 直流源輸出模式對電壓波形的影響

表2 安裝3個旁路二極管時的結(jié)溫

3.3 結(jié)溫測試結(jié)果的重復(fù)性

在相同的測試條件下，對同一塊光伏組件開展結(jié)溫測試的重復(fù)性研究。該組件安裝有3個旁路二極管，短路電流Isc為8.33 A。試驗由同一工作人員在不同時間完成，先后進行4次結(jié)溫測試。每次測試都采用穩(wěn)態(tài)法和瞬態(tài)法兩種方法進行。測試重新粘結(jié)旁路二極管表面的熱電偶線和電壓測試導(dǎo)線，以保證測試結(jié)果的可靠性。

所謂重復(fù)性，是指在相同測量條件下，對同一被測量進行連續(xù)多次測量所得結(jié)果之間的一致性[3]。它可以通過在重復(fù)性條件下對同一量進行多次測量所得結(jié)果的實驗標準差表示。當測量次數(shù)n≥10時，通過貝塞爾公式計算的實驗標準差比較準確，當測量次數(shù)較?。╪＜ 10）時，用極差法分析更為可靠。由于本次試驗測量次數(shù)相對較少（n= 4），采用極差法評估測試結(jié)果的重復(fù)性。測試結(jié)果如表3所示。

表3 旁路二極管結(jié)溫測試的重復(fù)性

式中：R—測得的最大值與最小值之差(稱為極差)；C—極差系數(shù)，詳見表4。n= 4時，C取2.06。

表4 極差系數(shù)C

S（Tj）的數(shù)據(jù)越大，說明測試結(jié)果的分散性越大，重復(fù)性較差。反之，重復(fù)性較好。表3中，利用穩(wěn)態(tài)法進行結(jié)溫測試時，3個旁路二極管結(jié)溫數(shù)據(jù)的實驗標準差S（Tj）分別為0.86℃、3.64℃、4.45℃。采用瞬態(tài)法時，三者的S（Tj）依次為3.71℃、10.83℃和12.07℃。對某一個旁路二極管而言，采用穩(wěn)態(tài)法結(jié)溫測試時S（Tj） 的數(shù)據(jù)較小，說明穩(wěn)態(tài)法相對于瞬態(tài)法具有較好的重復(fù)性。相對于S（Tj）的值普遍較大，而且分布范圍比較寬，在3.71～12.07 ℃。說明穩(wěn)態(tài)法結(jié)溫測試重復(fù)性較好。

3.4 結(jié)溫測試結(jié)果的波動性

結(jié)溫測試結(jié)果的波動性是指在一次結(jié)溫測試完成并降到室溫后，在保證良好接觸的條件下，不改變熱電偶、導(dǎo)線的連接和電壓、電流的原有設(shè)置，將樣品升高至規(guī)定溫度，重新進行結(jié)溫測試時所得結(jié)果的波動性。

無論是用穩(wěn)態(tài)法還是瞬態(tài)法，旁路二極管結(jié)溫數(shù)據(jù)都是在較高的環(huán)境溫度和較長的測試周期內(nèi)經(jīng)過對原始數(shù)據(jù)的采集和處理完成的，尤其是瞬態(tài)法還要求在30℃、50℃、70℃、90℃四個環(huán)境溫度下測試旁路二極管的電流、電壓和表面溫度。

由于旁路二極管體積小、外殼圓柱形等特點，經(jīng)歷長時間的高低溫處理后，表面的熱電偶經(jīng)受應(yīng)力作用，比較容易松脫。在熱電偶一次粘結(jié)、保證可靠接觸的條件下，結(jié)溫波動性測試僅能得到兩組數(shù)據(jù)。用極差法公式（2）計算的實驗標準差S（Tj）表示測試結(jié)果的波動性。根據(jù)表4，此時，n= 2，C取1.13。結(jié)溫測試結(jié)果的波動性詳見表5。

表5 不同時間測得的結(jié)溫

可以看出，用穩(wěn)態(tài)法測試結(jié)溫時，結(jié)溫的波動性為0.12～0. 56℃之間。用瞬態(tài)法測試結(jié)溫時，結(jié)溫的波動性則在3.50～14.64℃之間。說明穩(wěn)態(tài)法結(jié)溫測試的波動性很小，穩(wěn)定性較高。相反，瞬態(tài)測試法的波動性則較大，穩(wěn)定性較差。由于無法定量地衡量熱電偶粘結(jié)可靠性對數(shù)據(jù)測試的影響，建議盡量采用第一次的測試數(shù)據(jù)作為結(jié)溫測試結(jié)果。

4 結(jié)語

通過直流源向光伏組件施加恒定電流，監(jiān)測旁路二極管電壓、電流值，結(jié)合供應(yīng)商提供的熱阻RTHjc值實現(xiàn)旁路二極管結(jié)溫的穩(wěn)態(tài)法結(jié)溫測試。通過運用恒流源的恒壓控制和示波器的瞬態(tài)波形采集功能，使得測試平臺符合了標準中瞬態(tài)法結(jié)溫測試的技術(shù)要求。

采用極差法對穩(wěn)態(tài)結(jié)溫測試和瞬態(tài)結(jié)溫測試所得結(jié)果進行數(shù)據(jù)處理和分析。結(jié)果表明，相對瞬態(tài)法而言，穩(wěn)態(tài)法結(jié)溫測試具有較高的重復(fù)性和較小的波動性。這可能是由于穩(wěn)態(tài)法測試時控制因素和測試參數(shù)相對比較少，測試時系統(tǒng)基本處于熱平衡狀態(tài)，電流、電壓、溫度等參數(shù)的測試可靠性較高。但同時應(yīng)注意到，穩(wěn)態(tài)法采用了由供應(yīng)商提供的熱阻RTHjc值，測試結(jié)果的準確性在一定程度上取決于供應(yīng)商數(shù)據(jù)的可靠性。在保證熱阻RTHjc值可靠的情況下，建議采用穩(wěn)態(tài)法進行結(jié)溫測試。

結(jié)合所有瞬態(tài)法和穩(wěn)態(tài)法結(jié)溫測試結(jié)果，可以看出，旁路二極管結(jié)溫測試本身不確定度較高，在旁路二極管熱性能判定和光伏組件的旁路二極管選型過程中，應(yīng)充分考慮結(jié)溫數(shù)據(jù)的不確定性。

[1] 李霏, 紅賈穎, 康銳, 等. 雙極晶體管 Vbe瞬態(tài)熱阻測試法精度修正[J]. 半導(dǎo)體學(xué)報，2005, 26(5): 1010-1014.

[2] Dawson D E, Gupta A K, Salib M L. CW measurement of HBT thermal resistance [J]. IEEE Trans Electron Devices,1992, 39(10): 2235-2239.

[3] 全國法制計量技術(shù)委員會. JJF 1059-1999[S]. 北京：中國計量出版社，1999.