MOS光伏旁路開關電路

王露

（重慶西南集成電路設計有限責任公司，重慶 401332）

0 引言

光伏旁路保護電路與光伏電池串并聯使用，其作用是防止熱斑效應，保護光伏電池組件。組件正常工作時，旁路保護電路處于反向截止狀態(tài)，這時存在反向電流（IR），即暗電流，暗電流會減小光伏組件產生的電流；組件出現遮擋時光伏旁路保護電路正向導通，這時存在正向壓降（VF），正向壓降會導致光伏旁路保護電路發(fā)熱并消耗光伏組件的功率。因此理想的光伏旁路保護電路應該是無損的，在工作的溫度范圍內應該具有極低的反向電流和極小正向壓降。為了靠近這個目標，光伏旁路保護電路經過了三代的更替，發(fā)展到了第三代的MOS光伏旁路開關電路，該電路已接近理想旁路保護電路的低功耗的要求[1]。

通過對現有光伏電站組件失效案例分析，統計出光伏旁路保護電路的失效比例，并分析失效原因。針對光伏組件的實際應用需求，分析目前第二代光伏旁路保護電路——肖特基二極管的工作特性和缺點，并通過第三代MOS光伏旁路開關工作原理、電路結構、性能特點的分析和對比，證明MOS光伏旁路開關電路可以有效解決目前光伏電站現有的問題和可靠性風險。

1 光伏旁路保護電路典型失效分析

在光伏電站的實際使用過程中，對接線盒失效現象進行了不完全統計，發(fā)現接線盒的失效現象中由于光伏旁路保護電路原因引起的失效占到了80%，其中光伏旁路保護電路擊穿失效占63%，光伏旁路保護電路異常發(fā)熱失效占17%，接線盒失效比例見圖1。

對光伏旁路保護電路兩項典型失效現象進行分析：市面上現用的光伏旁路保護電路主要為肖特基二極管和其改進型肖特基二極管。常溫情況下肖特基二極管的耐壓在40～50V，但隨著溫度的增加耐壓（VR）就急劇下降，漏電流（IR）就急劇增加最終導致反偏擊穿；肖特基二極管正向壓降（VF）在0.3～0.5V左右，單個肖特基二極管正向工作時（組件熱斑保護時）的功耗為3～4W，肖特基二極管的結溫會達到150℃以上，長時間的正向工作會導致肖特基二極管異常發(fā)熱失效[2]。

從以上的失效統計和分析可以看出光伏旁路保護電路的性能直接影響接線盒和光伏組件的質量和可靠性，因此光伏旁路保護電路的選擇引起光伏行業(yè)的足夠重視。

2 第二代光伏旁路保護電路的現狀

目前市面主要使用的第二代光伏旁路保護電路有兩類，一類為普通肖特基勢壘二極管(SBD)，另一類溝槽式半導體勢壘肖特基二極管（TMBS）[3]。

肖特基二極管（SBD）通常用功函數較大的金屬與輕摻雜N-外延層直接接觸而成，為保持低功耗，使用中摻雜的N+為襯底（如圖2）。N-外延層是該器件的漂移區(qū)，其長度和電阻率決定了SBD通態(tài)比電阻大小和SBD的反向阻斷特性，肖特基二極管(SBD)具有開關速度快和相對于PN結二極管正向壓降低的特點[4]。

為了進一步減小SBD的正向壓降就需要降低N-外延層的長度和電阻率，但反向阻斷特性就會下降導致反向耐壓降低。為了降低SBD的正向壓降并保持反向耐壓，于是出現了將MOS與SBD相結合，利用MOS結構在適當偏壓下的載流子耗盡作用，在肖特基勢壘下形成一個空間電荷區(qū)，使低勢壘SBD的反向漏電流大幅度降低，這類器件叫做TMBS(Trench Mos-Barrier SBD)（如圖3），TMBS相對于SBD正向壓降和反向漏電流指標有所優(yōu)化（SBD/TMBS參數曲線圖見圖4～7）。

TMBS和SBD反向電流都是正溫特性，隨著溫度升高反向電流急劇增加，反向耐壓也急劇下降，高溫下容易出現反向擊穿。 因此TMBS雖然較SBD做了改進，但是還是不能解決在光伏旁路應用中出現高溫反偏擊穿的問題，肖特基二極管（SBD）及其改進型TMBS均不是理想的光伏旁路保護電路的選擇[5]。

3 MOS光伏旁路開關電路

目前光伏使用的SBD二極管及其改進型TMBS二極管都均存在正向壓降（VF）大、高溫耐壓低和漏電大的問題，可靠性變差，達不到理想光伏旁路保護電路的要求。隨著技術的發(fā)展，國內外部分IC設計公司開發(fā)出一種基于功率MOSFET的新型光伏旁路開關電路[6]。該光伏旁路開關電路由功率MOSFET、智能控制電路和電容三個部分組成，引腳A、K分別對應于旁路保護電路的陽極和陰極，電路框圖結構如圖8所示。

MOS光伏旁路開關電路正向工作時（工作波形見圖9），功率MOSFET處于截止狀態(tài)，正向電流IF通過功率MOSFET的襯底二極管在源漏端（即A，K端）產生高電壓VH，使電荷泵對電容充電，持續(xù)TH（即t1-t0）時間，當電容電壓達到智能控制電路的高電壓檢測點時，驅動電路驅動功率MOSFET導通，電路進入功率MOSFET導通狀態(tài)，此時旁路開關電路兩端電壓降低為低電平VL（即IF×RDS(on)），電容放電持續(xù)TL（即t2-t1）時間，當電壓達到智能控制電路的低電壓檢測點時，控制電路關斷功率MOSFET，電路重新進入功率MOSFET截止狀態(tài)，電容再次開始充電，從而完成一個工作周期。VH為MOSFET襯底二極管的壓降VSD，RDS(on)為功率MOSFET開態(tài)導通電阻，VL為MOSFET導通時漏源電壓[7]。

TH為電荷泵對電容的充電時間、TL為電路工作時候電容的放電時間。

將（1），（2）代入（3）即得到（4）

功率MOSFET導通率Duty如公式（5）所示

當MOS光伏旁路開關電路正向工作切換到反向工作時，智能控制電路內部比較器會檢測A端和K端的電壓差，當K端電壓高于A端時，智能控制電路會關斷功率MOSFET，使XND18快速進入反向截止狀態(tài)，從而實現與二極管相同的正反向功能[8]。

MOS光伏旁路開關電路充分的利用了功率MOSFET低導通電阻、低漏電的特點來解決現用光伏旁路二極管的正向壓降大、高溫耐壓低漏電大的系列問題。光伏旁路開關電路正向溫度曲線如圖9所示，反向漏電溫度曲線如圖10所示（量產MOS光伏旁路開關電路實測曲線，型號XND18-V40），從參數曲線可以看出MOS光伏旁路開關電路解決了高溫反偏擊穿問題，反向漏電流全溫保持在微安級，正向壓降較肖特基二極管及其改進型降低3倍以上，使光伏旁路保護電路的性能參數及可靠性得到了全面的提升。

4 試驗對比SBDTMBS二極管與MMOOSS光伏旁路開關電路

為了直觀體現MOS光伏旁路開關電路與光伏用二極管SBD和TMBS的性能差別，結合旁路保護電路實際使用場景進行了結溫測試、反向漏電流測試。

光伏旁路二極管樣品選用了市面上主流的肖特基二極管（SBD）、改進型的溝槽式半導體勢壘肖特基二極管（TMBS），芯片尺寸均為150mil；MOS光伏旁路開關電路選用市面應用最廣的XND18-V40。

4.1 結溫試驗

①實驗條件。溫度：25℃、75℃；正向電流：IF=15A/18.75A(15A的1.25倍)；時間：各種電流下通電1小時；②試驗樣品。同型號接線盒采用三類旁路保護電路，SBD3045(芯片尺寸150mil)、TMBS3045（芯片尺寸150mil）、XND18-V40。③試驗數據。常溫25℃結溫對比測試表如表1所示。

表1 常溫25℃結溫對比測試表

4.2 反向漏電測試

①實驗條件。溫度：25℃、85℃、125℃、150℃、175℃，VR=0～40V。②試驗樣品。SBD3045(芯片尺寸150mil)、TMBS3045（芯片尺寸 150mil）、XND18-V40③試驗數據。見圖4、圖6、圖10。

結溫試驗可以看出MOS光伏旁路開關較肖特基勢壘二極管（SBD）和溝槽式半導體勢壘肖特基二極管（TMBS）有更低的正向功耗，相同條件下其結溫較SBD二極管和TMBS二極管會低80℃～100℃，有效的降低接線盒和組件的溫度，提高光伏組件的可靠性[9]。

反向漏電測試可以發(fā)現SBD3045和TMBS3045隨著溫度的增加漏電流急劇增加。SBD3045在125℃時35V會出現擊穿，150℃時20V就會出現擊穿，175℃時5V就會出現擊穿；TMBS3045在150℃時25V出現擊穿，175℃時5V出現擊穿；MOS光伏旁路開關在結溫175℃范圍內40V耐壓下漏電保持在微安級。

通過以上兩項試驗對比MOS旁路開關較SBD和TMBS肖特基二極管具有更小的正向壓降、更低反向漏電和更好的溫度耐壓特性，性能遠優(yōu)于SBD二極管和TMBS二極管[10]。

5 結語

目前IEC標準對光伏旁路保護電路認證只是簡單的光伏旁路保護電路進行正向結溫測試和常溫電性能測試，對其溫度特性和高溫反偏等重要測試項并沒有強制要求測試，導致光伏旁路保護電路在實際應用中出現的一系列問題在認證過程中沒有得到體現，影響了光伏組件的可靠性和安全性。

隨著光伏電池技術的不斷發(fā)展，對光伏旁路保護電路的要求也越來越高，傳統的肖特基勢壘二極管（SBD）和溝槽式半導體勢壘肖特基二極管（TMBS）已經不能完全滿足光伏組件可靠性和質量的需要。MOS光伏旁路開關電路的出現，解決傳統光伏用二極管的正向壓降高、反向漏電大、高溫耐壓差的問題，有效的解決光伏用二極管反偏擊穿失效和異常失效的系列問題，提升了光伏組件可靠性。

隨著MOS光伏旁路開關電路的技術成熟和批量化生產能力的完善，該方案的成本得到了有效的控制具有很高的性價比，在光伏市場已經得到認可一致認可。MOS光伏旁路開關電路是現有最理想的光伏旁路保護電路，在未來很長的時間里該方案是光伏旁路最佳解決的方案。