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无热斑专题(3):150摄氏度,高效光伏组件的门槛之接线盒的致命伤 ... ...

2016-11-7 18:36| 发布者: solartest| 查看: 6742| 评论: 0

摘要: 无热斑专题系列连载(3)黄子健 郑晨焱 龚海丹 邢万荣 武耀忠 彭宇 【编者按】PERC、黑硅、IBC背接触、HIT,这些词语对于光伏人已经越来越耳熟能详。为了实现平价上网,降低度电成本,一代又一代的光伏人都在致力于 ...
       其实,当二极管变成本征导体后,已经不存在结势垒了。二极管已经成为了一个导体,也就没有所谓的结温概念了。再增加电流强度,只要散热没有问题,接线盒材料耐温没有问题,这时,所谓的“二极管”导体也是不会被烧穿的。这样测出的结温其实只是“导体”和外界的平衡温度。
 
       下面的电流降额曲线也正好说明这点。要想保持二极管的结特性,当温度升高后,必须要降低通过电流,才能维持二极管结的正常功能。 而并不是说在Tc=200度时,只可以通过0安培的电流。
 
       综上可知,对于光伏组件中这个要依靠硅基器件才能发挥作用的旁路保护二极管,随着电池效率的日益提高,在发生热斑时,都有可能承受超过硅基材料本身结温的热压力,从而使器件本身受到不可逆的破坏。众所周知,功率器件的可靠性和温度有着显性负相关性,温度越高,可靠性越低,虽然有些影响可能短期发现不了,但对器件的长期安全可靠性有着关键的影响。
 
       热斑测试标准中,目前虽然没有规定热斑电池的温度判定标准(当初在125 电池片时代,不到100度的热斑温度确实没有必要加入到判定标准中)。但,随着电池短路电流的提高,发生热斑时,不论电池片的高温,还是接线盒中二极管的高温,都会越来越靠近或超过硅基器件150摄氏度的材料结温。同时,这样的高温对低熔化温度背板的起火和只有105C ~ 120C RTI的背板机械强度的不可逆失效也是非常大的诱因。
 
       目前,许多接线盒供应商采用散热效果(RθJ-C 2.2)比TO封装(RθJ-C 2.0)稍差的R6封装的二极管,加上R6封装的二极管外壳没有直接贴到铜导流板上,导致使用R6 封装二极管的接线盒散热效果稍差。随着电池片效率越来越高,输出电流越来越大,从125时代的5.5A提高到156 PERC时代的9.5A,使得接线盒二极管结温测试时的温度基本上都超过了150摄氏度。有的用R6二极管的接线盒更是达到170摄氏度以上,早已超过硅基二极管材料的最高结温。即使采用了沟槽结构二极管工艺,也面临着极大的安全危险。
 
       接线盒供应商也知道高温带来的危害。为了降低二极管承受的高温压力和高温使接线盒壳体软化带来的危险,而采用了高额定电流的二极管,比如用20A 甚至30A额定电流二极管,无非为了扩大晶圆中PN 结的面积来降低二极管导通后的结温温度。其实,目前最好的光伏电池在Isc=9.5A左右,如果能通过降低Vf和良好散热结构的接线盒,用13A或15A 额定电流的二极管是可以满足标准要求的。
 
       还有一点非常有趣。二极管晶圆厂提供的硅二极管晶圆的规格是Tj=150摄氏度。但经过二极管封装厂后,出厂的二极管Tj的描述就变得不一样了。有的用二段来分别标注,一段是正常工作时的结温区间,一段是只有在正向导通但没有反向压降(或者说没有二极管功能且已经变成导体情况)时的结温。
 
       当然也有如下面的用一段来标注结温的,但没有标注出在什么温度区间适用保持二极管特性的温度范围。容易使人误解成光伏使用的硅基二极管的结温可以高到200摄氏度。
 
       很显然,硅基二极管的温度Tj是由构成这个硅基结的材料本身决定的,而二极管封装厂只是将已固化的硅基器件以一定形式封装成更容易在生产线焊接的形式,封装本身并不能改变硅基材料的结温特性,也就时意味着封装不能提高或降低封装后硅基二极管的结温Tj。
       其实,当二极管变成本征导体后,已经不存在结势垒了。二极管已经成为了一个导体,也就没有所谓的结温概念了。再增加电流强度,只要散热没有问题,接线盒材料耐温没有问题,这时,所谓的“二极管”导体也是不会被烧穿的。这样测出的结温其实只是“导体”和外界的平衡温度。
 
       左图的电流降额曲线也正好说明这点。要想保持二极管的结特性,当温度升高后,必须要降低通过电流,才能维持二极管结的正常功能。 而并不是说在Tc=200度时,只可以通过0安培的电流。
 
       综上可知,对于光伏组件中这个要依靠硅基器件才能发挥作用的旁路保护二极管,随着电池效率的日益提高,在发生热斑时,都有可能承受超过硅基材料本身结温的热压力,从而使器件本身受到不可逆的破坏。众所周知,功率器件的可靠性和温度有着显性负相关性,温度越高,可靠性越低,虽然有些影响可能短期发现不了,但对器件的长期安全可靠性有着关键的影响。
 
       热斑测试标准中,目前虽然没有规定热斑电池的温度判定标准(当初在125 电池片时代,不到100度的热斑温度确实没有必要加入到判定标准中)。但,随着电池短路电流的提高,发生热斑时,不论电池片的高温,还是接线盒中二极管的高温,都会越来越靠近或超过硅基器件150摄氏度的材料结温。
 
    (未完,待续,150摄氏度,高效光伏组件的门槛(4))
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