MOSFET集成電路在光伏組件中的應(yīng)用及其可靠性研究

鄭炯

摘要：MOSFET集成電路表現(xiàn)出正向壓降較低，反向漏電流較小的特性，可以作為光伏接線盒的旁路開關(guān)，提高光伏陣列的輸出功率。在分析MOSFET集成電路工作原理的基礎(chǔ)上，以肖特基二極管和MOSFET集成電路作為樣本，在相同的測試條件下研究了兩種器件的高溫耐焊性和抗靜電性能。最后，對兩種器件應(yīng)用于光伏接線盒中的結(jié)溫進(jìn)行對比研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，肖特基二極管的最大結(jié)溫為152.9℃，而MOSFET集成電路的最大結(jié)溫僅為102.1℃，兩者相差50.8℃。因而，MOSFET集成電路具有可靠性良好和結(jié)溫低的特性，非常適合作為光伏接線盒的旁路開關(guān)，可以有效降低熱斑對光伏組件功率輸出的影響。

關(guān)鍵詞：光伏組件；熱斑；旁路開關(guān)；MOSFET集成電路

當(dāng)光伏組件發(fā)生熱斑現(xiàn)象時(shí)，不僅會對太陽能電池造成損害，也會影響組件封裝材料的長期可靠性。而旁路開關(guān)作為光伏接線盒中的一個核心部件，應(yīng)用于光伏組件中，可以通過旁路電池串，減少熱斑對太陽能電池和組件封裝材料的影響。隨著光伏應(yīng)用技術(shù)的不斷發(fā)展，對光伏接線盒旁路開關(guān)的功耗和可靠性提出了更高的要求。研究表明，高溫和靜電是直接影響旁路開關(guān)失效的原因。本文綜合分析了肖特基二極管和MOSFET集成電路的正向壓降、反向漏電流、耐高溫性能以及抗靜電性能。然后，將兩種器件裝配到光伏接線盒中，對比研究兩種器件的結(jié)溫變化。分析結(jié)果表明MOSFET集成電路具有更低的正向壓降、更小的反向漏電流以及更小的結(jié)溫，特別適合作為光伏接線盒的旁路開關(guān)。

一、MOSFET集成電路作為旁路開關(guān)的工作原理

新型MOSFET集成電路，主要包括N溝道MOSFET、電荷泵、比較器、MOSFET驅(qū)動電路、低阻抗開關(guān)電路及電容，可以實(shí)現(xiàn)旁路整流功能，并且具有更低的正向壓降和更小的反向漏電流。MOSFET集成電路處于正向偏置的時(shí)候，分為導(dǎo)通和截止兩種工作狀態(tài)。初始時(shí)，電路處于截止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)有高電壓VH驅(qū)動內(nèi)部電路工作，持續(xù)TH時(shí)間后，MOSFET導(dǎo)通，電路進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。此時(shí)電路兩端電壓降為低電壓VL，持續(xù)TL時(shí)間后，MOSFET截止，電路進(jìn)入截止?fàn)顟B(tài)，從而完成一個工作周期。通過對TH和TL進(jìn)行調(diào)整，可以降低電路的平均導(dǎo)通電壓，從而降低電路功耗。

二、實(shí)驗(yàn)部分

1、實(shí)驗(yàn)樣品、儀器及測試條件。本實(shí)驗(yàn)測試樣品分別為肖特基二極管、MOSFET集成電路、以肖特基二極管為旁路開關(guān)的光伏接線盒和以MOSFET集成電路為旁路開關(guān)的光伏接線盒。測試設(shè)備為：二極管測試儀、高溫焊臺、靜電槍、高低溫試驗(yàn)箱、測溫計(jì)。正向電壓和反向漏電流的測試條件分別為：正向電壓在25℃溫度條件下，通16.5A電流進(jìn)行測試；反向漏電流在25℃溫度條件下，使用40V反向電壓進(jìn)行測試。

2、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。（1）高溫耐焊性能測試。通過高溫焊臺對肖特基二極管（樣品S1#、S2#和S3#）和MOSFET集成電路（樣品M1#、M2#、M3#），在400℃條件下加熱1分鐘，研究加熱前后肖特基二極管和MOSFET集成電路的正向壓降和反向漏電流的變化。加熱前，樣品S1#、S2#、S3#的初始正向電壓分別為375mV、378mV、376mV，初始反向漏電流分別為28700nA、29200nA、30200nA；樣品M1#、M2#、M3#的初始正向電壓分別為65mV、69mV、66 mV，初始反向漏電流分別為15nA、15 A、16nA。然后，將完成初始測試的肖特基二極管和MOSFET集成電路測試樣品放到高溫焊臺上加熱1分鐘后，取下樣品靜置4小時(shí)，待樣品溫度恢復(fù)到室溫后進(jìn)行測試。加熱后，樣品S1#、S2#、S3#的初始正向電壓分別為380mV、385mV、389mV，初始反向漏電流分別為31400nA、31300nA、31200 nA；樣品M1#、M2#、M3#的初始正向電壓分別為69mV、69mV、66mV，初始反向漏電流分別為27nA、20nA、13nA。（2）抗靜電性能測試。以肖特基二極管（樣品S4#、S5#和S6#）和MOSFET集成電路（樣品M4#、M5#、M6#）為樣品，首先，測試樣品的初始正向壓降和反向漏電流。接著，使用靜電槍，以30KV電壓對每個測試樣品進(jìn)行抗靜電測試。靜電槍對每個樣品陰極操作5次（即負(fù)向測試）后，測試樣品的正向壓降和反向漏電流，靜置1小時(shí)后，靜電槍再對每個樣品陽極操作5次（即正向測試）后，測試樣品的正向壓降和反向漏電流。每次靜電測試結(jié)束后，靜置1小時(shí)，循環(huán)3次。測試發(fā)現(xiàn)，靜電測試前后樣品的的正向壓降和反向漏電流變化均很微小。（3）結(jié)溫性能測試。選取以肖特基二極管為旁路開關(guān)的光伏接線盒和以MOSFET集成電路為旁路開關(guān)的光伏接線盒各一套作為測試樣品，按照IEC61215標(biāo)準(zhǔn)中的旁路二極管熱性能試驗(yàn)測試方法。通12.5A的恒定電流，對樣品進(jìn)行結(jié)溫性能測試。試驗(yàn)測得，肖特基二極管的結(jié)溫為152.9℃，MOSFET集成電路的結(jié)溫為102.1℃。

三、結(jié)果與討論

1、焊接高溫對旁路開關(guān)性能的影響。光伏接線盒焊接操作時(shí)，電烙鐵的高溫通過銅基板會迅速傳導(dǎo)到旁路開關(guān)位置，很容易造成旁路開關(guān)的熱擊穿。所以，作為傳統(tǒng)旁路開關(guān)的肖特基二極管，高溫耐焊性是一項(xiàng)重要的測試。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出MOSFET集成電路作為旁路開關(guān)使用，有著優(yōu)良的高溫耐焊性能，不會在接線盒焊接時(shí)出現(xiàn)旁路開關(guān)熱擊穿的問題。

2、靜電對旁路開關(guān)性能的影響。由于在光伏行業(yè)，接線盒的焊接多采用人工焊接方式，操作人員所攜帶的靜電很容易造成芯片類器件的靜電擊穿，所以作為光伏接線盒的旁路開關(guān)必須具備優(yōu)良的抗靜電性能。本文是以30KV電壓分別對肖特基二極管和MOSFET集成電路進(jìn)行抗靜電測試，發(fā)現(xiàn)測試前后，樣品的正向壓降和反向漏電流均無異常波動，未出現(xiàn)靜電擊穿現(xiàn)象。說明MOSFET集成電路作為旁路開關(guān)和肖特基二極管一樣都具備優(yōu)良的抗靜電性能，可靠性良好。

3、不同類型旁路開關(guān)的結(jié)溫變化。由結(jié)溫性能測試結(jié)果可以看出，作為接線盒旁路開關(guān)， MOSFET集成電路的結(jié)溫比肖特基二極管的結(jié)溫低50.8℃。以功率Pmax溫度系數(shù)為- 0.40%/℃的多晶電池為例，當(dāng)發(fā)生熱斑時(shí)，接線盒附近的電池片溫度降低50.8℃，會降低20.32%的電池片功率損耗，進(jìn)而降低整個組件的功率損耗。所以，使用MOSFET集成電路作為旁路開關(guān)，當(dāng)光伏組件發(fā)生熱斑現(xiàn)象時(shí)，接線盒附近區(qū)域溫度會相對較低，可以降低熱斑對組件功率輸出的影響。

四、結(jié)語

本文對MOSFET集成電路作為旁路開關(guān)的工作原理進(jìn)行分析，并與肖特基二極管為對比，分析其高溫可焊性、抗靜電性能以及結(jié)溫特性。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，MOSFET集成電路具有優(yōu)良的高溫耐焊性、極強(qiáng)的抗靜電性能以及較低的結(jié)溫特性，且MOSFET集成電路正向壓降較低和反向漏電流較小，所以MOSFET集成電路具有功耗較低，可靠性良好的特性，非常適合作為光伏接線盒的旁路開關(guān)，可以有效降低熱斑對組件功率輸出的影響。endprint