光伏电池板的旁路二极管保护分析

肖特基势垒整流器一般用在单晶硅和多晶硅光伏(PV)面板的旁路二极管中，在出现低分流和高分流阻抗时，保护过热点的光伏电池(参考图1)。

　　图1A，电池板中的低分流阻抗单元

　　图1B，电池板中的高分流阻抗单元

　　在旁路应用中，肖特基势垒整流器可发挥低正向电压降的优势，而且比普通P-N结整流器的功率耗散更小。然而，这种器件也具有低反向电压击穿的缺点，很容易因ESD(静电放电)的电过应力(EOS)和感应的高电压而损坏。图1显示的是，一个肖特基整流器在250V电压下施加高电压8/20 μs脉冲后失效的测试结果。

　　图1，肖特基整流器在250V电压和一个8/20 μs脉冲(2-Ω线阻)情况下失效。

　　ESD——静电放电

　　光伏电池是用层压膜与玻璃或透明的二氧化硅板压到一起，或是用环氧树脂材料粘在一起。玻璃、化学材料平板和层压薄膜都很容易产生ESD，ESD的强度取决于表面直径。ESD可能损坏肖特基整流器的芯片端，主要是通过过热失效的方式(图2A和2B)。

　　图2A和2B：在肖特基芯片由ESD造成的过热痕迹。

　　大多数旁路二极管的最大击穿电压只有45V到60V。然而，它们能处理的ESD也较低。Vishay的SB15H45和150SQ045的典型ESD为25KV(空气放电)，采用10个100pF/1.5KΩ(per IEC61000-4-2)的脉冲。这些器件的测试结果参见表1。

　　表 1: SB15H45和 150SQ045的25KV 户外空气放电测试结果

　　这种ESD防护能力还不足以在为所有ESD状况或从电源线和其他来源感应的高电压提供保护。一个脉冲宽度为60ns的典型ESD波形如图3所示。

　　由ESD和浪涌造成失效之间的区别是，他们涉及的失效器件的数量是不同的。在大多数由ESD引起的失效故障中，在接线盒里的两个或三个器件当中的某一个会失效。而浪涌会损毁所有的旁路二极管。

　　图3：典型的ESD波形。
　反应能量和感应能量

　　当高功率电缆与太阳能电池板的电缆交错或是平行摆放时，反应能量和感应能量也可能引起旁路二极管的失效。这种情况非常少见，也很难通过标准化的措施加以避免。

　　当接线盒与电路断开，存储在电缆里的能量会反作用到接线盒里的旁路二极管，这时就会产生反应能量。能量等级取决于电缆的长度和供电电压。

　　大多数肖特基整流器的雪崩容量低于20mJ，还不足以应付反应能量。但Vishay的瞬态电压抑制器(TVS)的雪崩能量可以从1/4焦耳到2焦耳。

　　图4，标准8/20 μs IEC61000-4-5波形与350V和2-Ω线路阻抗条件下的旁路二极管

　　图4显示给接线盒中的3个旁路二极管施加350V(2-Ω线路阻抗)的测试结果。由于产生了电短路，所有3个旁路二极管都失效了。

　　TVS硅雪崩击穿二极管可以用来保护旁路二极管免受来自闪电、高电荷的表面能量，以及高压电源线等其他来源的感应电的高功率瞬态和浪涌的损害。为保护二极管免受此类瞬态和浪涌的损害，最好能在每个旁路二极管旁边并联一个TVS器件，如图5所示。

　　图5，Vishay TVS器件与每个旁路二极管并联

　　上面的电路结构能够在光伏电池板的生产、现场安装过程中，以及驱动光伏系统时发生任何瞬态和浪涌的情况下，极好地保护旁路二极管。另一种解决办法是在每个接线盒上加上一个TVS器件，如图6所示。这种办法也能保护旁路二极管免遭大多数瞬态和浪涌。

　　图6，TVS器件与每个旁路二极管串并联

　　为旁路二极管保护选择TVS

　　在为光伏电池板和接线盒里的旁路二极管选择TVS时，有几个因素需要加以考虑。首先是TVS的耐压。耐压的意思是施加到器件上的电压没达到这个电压时，TVS器件是不工作的。这个电压比光伏电池板在瞬间高压试验的VOC高，是常规峰值VOC的1.4到1.6倍。

　　常规Voc与瞬间高压试验时的Voc

　　而且，TVS的功率等级应当根据应用的瞬态和浪涌能量的级别而定。轴向的P6KE和SMBJ系列表面贴装器件的雪崩容量是1/4焦耳，足以对ESD和来自短电缆的反应能量提供保护。出于为旁路二极管和太阳能电池面板提供高功率瞬态和浪涌保护的目的，1.5KE和5KP系列轴向SMCJ器件针对出现的多数ESD、反应和感应浪涌，以及瞬态情况，提高了接线盒的可靠性。
测试结果

　　下表比较了在标准和非标准ESD测试条件下，肖特基整流器的旁路二极管功能。

　　表2是在标准IEC61000-4-5 ESD测试条件下肖特基整流器的ESD测试结果，器件是在悬浮条件下测试。

　　表2：肖特基整流器的ESD测试结果

　　表3显示的是在非标准IEC61000-4-5 ESD测试条件下，一个肖特基整流器和一个并联了TVS的肖特基整流器的ESD测试结果，整流器的一个引线接地。

　　表3：肖特基整流器和TVS的ESD测试结果

　　图7是3个在750V和2 Ω线路阻抗条件下失效的3个旁路二极管与600-W P6KE52A TVS并联的测试结果。

　　图7，P6KE52A TVS与3个串联的旁路二极管并联

　　图8显示的是3个旁路二极管与一个5,000-W 5KP85A TVS并联的测试结果。器件在1000V和2 Ω线路阻抗的条件下也没有失效，流过TVS的电流大于417A。

　　图8：5KP85A TVS与3个传两的旁路二极管并联