光伏組件接線盒二極管的擊穿失效分析

國(guó)家電投集團(tuán)西安太陽(yáng)能電力有限公司 ■ 李榮 劉飛 賀國(guó)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(yáng)電池通過(guò)光生伏特效應(yīng)產(chǎn)生的電能從組件內(nèi)部引出并與外部輸電或負(fù)載線路連接[1]。目前，行業(yè)內(nèi)對(duì)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(dǎo)通等方面已開展了研究。本文針對(duì)光伏組件生產(chǎn)制造過(guò)程中出現(xiàn)的接線盒二極管擊穿失效現(xiàn)象進(jìn)行了分析，并對(duì)可能造成二極管擊穿失效的原因進(jìn)行了逐項(xiàng)排查。

1 現(xiàn)象

對(duì)光伏組件進(jìn)行電致發(fā)光(EL)檢測(cè)時(shí)，發(fā)現(xiàn)2串電池出現(xiàn)短路，如圖1所示；然后對(duì)該異常光伏組件的接線盒進(jìn)行了電性能測(cè)試，結(jié)果判定為接線盒二極管擊穿失效。

圖1 EL檢測(cè)時(shí)光伏組件中2串電池出現(xiàn)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(dǎo)致組件不能正常發(fā)電時(shí)，將異常電池串從組件電路中隔離，從而保護(hù)組件。

2.2 對(duì)擊穿失效二極管的檢測(cè)

圖2為光伏組件中2串電池出現(xiàn)短路時(shí)，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(nèi)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(hào)

圖3 X光射線下的失效二極管內(nèi)部狀況

觀察圖2、圖3可以發(fā)現(xiàn)，失效二極管的外觀無(wú)明顯異常，在X光射線下觀察失效二極管的內(nèi)部也無(wú)明顯異常。

通過(guò)化學(xué)試劑去除失效二極管的腳架和環(huán)氧樹脂，在光學(xué)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(xué)顯微鏡下失效二極管的芯片表面

在溫度為25 ℃條件下，對(duì)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(cè)試失效二極管的電性能，并記錄測(cè)試數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 二極管擊穿失效后的電性能情況

通過(guò)表1中的測(cè)試數(shù)據(jù)可知，接線盒二極管擊穿失效后主要表現(xiàn)為二極管反向漏電IR、反向壓降VDR不合格。此時(shí)二極管不具有單向?qū)щ娞匦?，處于失效狀態(tài)[2]。下文針對(duì)不同狀態(tài)下的二極管情況進(jìn)行分析。

1)在對(duì)組件生產(chǎn)線排查時(shí)發(fā)現(xiàn)，組件I-V測(cè)試過(guò)程中存在35 A的順向電流。模擬生產(chǎn)線對(duì)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(xiàn)異常，如圖5所示。

圖5 二極管芯片表面出現(xiàn)異常

利用光學(xué)顯微鏡觀察圖5中芯片表面出現(xiàn)的火刺缺陷，發(fā)現(xiàn)其與圖4中二極管芯片表面的火刺形貌不同；且對(duì)產(chǎn)生順向電流的設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)其出現(xiàn)35 A順向電流的概率約為5‰。由此可知，生產(chǎn)線中出現(xiàn)的二極管擊穿失效并非由順向電流導(dǎo)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(cè)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(chǎn)線中能夠產(chǎn)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(wú)異常。但由于長(zhǎng)時(shí)間高溫焊接后，熱量很容易傳導(dǎo)至內(nèi)部芯片，使芯片損傷，因此，還是建議對(duì)焊接溫度進(jìn)行管控。

3)使用穩(wěn)壓電源對(duì)二極管兩端施加45 V電壓，然后測(cè)試二極管兩端出現(xiàn)的峰值電壓概率，并判定二極管是否擊穿失效，具體數(shù)據(jù)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(xiàn)峰值電壓(通電)超過(guò)100 V的概率為1%，當(dāng)接線盒兩端電壓峰值超過(guò)100 V時(shí)，接線盒二極管有擊穿失效的風(fēng)險(xiǎn)。

對(duì)接線盒兩端施加103 V電壓，測(cè)試2次后接線盒二極管均擊穿失效，測(cè)試該二極管電性能后發(fā)現(xiàn)，反向漏電IR、反向壓降VDR均不合格。

3 設(shè)備異常排查

使用數(shù)字示波器對(duì)各測(cè)試設(shè)備在進(jìn)行組件測(cè)試時(shí)的電壓情況進(jìn)行了全程跟蹤觀察，并記錄分析測(cè)試數(shù)據(jù)，排查可能存在過(guò)大電壓的測(cè)試設(shè)備。表4為各測(cè)試設(shè)備進(jìn)行測(cè)試時(shí)的電壓情況。

表4 各測(cè)試設(shè)備進(jìn)行測(cè)試時(shí)的電壓情況

由表4可知，EL檢測(cè)儀1的峰值電壓為51.2 V、設(shè)備測(cè)試時(shí)的電壓為48.5 V，電性能測(cè)試儀的峰值電壓為78.4 V、設(shè)備測(cè)試時(shí)的電壓為50.4 V，EL檢測(cè)儀2的峰值電壓為119.0 V、測(cè)試時(shí)的電壓為52.0 V。EL檢測(cè)儀2在檢測(cè)組件過(guò)程中出現(xiàn)超過(guò)100 V的峰值電壓，是由其穩(wěn)態(tài)電源空氣開關(guān)接觸不良造成的，從而導(dǎo)致接線盒二極管擊穿失效。對(duì)EL檢測(cè)儀2更換固態(tài)接觸開關(guān)后再進(jìn)行測(cè)試，其峰值電壓為54 V，滿足測(cè)試要求。

4 結(jié)論與建議

本文針對(duì)光伏組件生產(chǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的接線盒二極管擊穿失效現(xiàn)象進(jìn)行了分析，得出以下結(jié)論：

1)35 A順向電流會(huì)對(duì)二極管造成擊穿失效，但該電流出現(xiàn)的概率僅約為5‰。

2)生產(chǎn)中的最高溫度480 ℃未對(duì)二極管的電性能產(chǎn)生影響，但仍建議對(duì)焊接溫度進(jìn)行管控，當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間高溫焊接后，熱量很容易傳導(dǎo)到內(nèi)部芯片，容易使芯片損傷。

3)組件在EL測(cè)試過(guò)程中受到過(guò)大電壓沖擊會(huì)導(dǎo)致接線盒二極管擊穿失效。