如何采用有源二極管提高太陽能電池板的效率和設(shè)計(jì)

大多數(shù)基于太陽能電池板的肖特基旁路二極管用作保護(hù)機(jī)制，當(dāng)其中一個電池串被遮擋或損壞時(shí)，面板可以繼續(xù)產(chǎn)生電力。然而，傳統(tǒng)二極管的特性產(chǎn)生能量損失，降低太陽能系統(tǒng)的整體效率，并且在某些情況下，實(shí)際上可能造成代價(jià)高昂的損壞。為了解決這個問題，一些制造商推出了一種新型的“有源二極管”，它使用晶體管產(chǎn)生類似二極管的行為，同時(shí)允許它們保護(hù)的太陽能電池板以更高的效率和更好的可靠性運(yùn)行。本文將探討有源二極管的基礎(chǔ)技術(shù)，查看目前市場上的產(chǎn)品，并了解它們?nèi)绾胃淖兲柲茈姵匕宓脑O(shè)計(jì)和制造方式。

圖1：當(dāng)單個面板的一部分或陣列的較大部分由于障礙物，云，雪或其他現(xiàn)象而經(jīng)歷陰影時(shí)，太陽能陣列依靠旁路二極管來保護(hù)它們免受損壞并最小化輸出功率損耗。 （由STMicroelectronics提供。）

旁路二極管提供保護(hù)

為了理解為什么需要旁路二極管，讓我們來看一下典型的太陽能系統(tǒng)。系統(tǒng)中的每個串通常由10到20個串聯(lián)連接的太陽能模塊組成，每個太陽能模塊具有60到100+（通常72個）電池，類似地，所有電池串聯(lián)連接。結(jié)果是1000多個細(xì)胞串，每個細(xì)胞試圖產(chǎn)生與其看到的陽光量成正比的電流。如果這些單元中的任何一個變成陰影，污染或損壞，則整個串電流限于最弱鏈路可以支持的電流。即使單個單元被遮擋也容易受到臨時(shí)性能損失的影響，使用長串串構(gòu)造的陣列可能會在太陽能電力系統(tǒng)中引入其他更微妙的問題。

典型硅電池在最佳負(fù)載時(shí)具有0.5伏的正向電壓，而CdTe或CIGS等薄膜工藝在0.3 V至1 V以上變化。如果出于某種原因（例如陰影），則為電池不能產(chǎn)生與其他附近電池一樣多的電流，那么這個相同的電池現(xiàn)在將被強(qiáng)制進(jìn)入反向工作模式，在這種情況下它會受到負(fù)電壓的影響，負(fù)電壓取決于其在串中的位置，可以是5到30 V雖然細(xì)胞有些寬容，但如果存在足夠的錯配，則表現(xiàn)不佳的細(xì)胞將被驅(qū)動到反向分解區(qū)域。有10到20個串聯(lián)的太陽能模塊，現(xiàn)代太陽能系統(tǒng)的直流輸出可以很容易地達(dá)到400V。在這些條件下，施加30V的陰影電池可以開始反向擊穿，功能單元在其余的字符串占剩余的370 V.在串流電流接近10 A的典型系統(tǒng)中，陰影單元很快轉(zhuǎn)換為300 W的加熱元件，產(chǎn)生一個很容易損壞面板的熱點(diǎn)。

為了防止面板損壞（偶爾發(fā)生屋頂火災(zāi)），太陽能制造商傳統(tǒng)上將面板安排在12到24個單元的子串中，每個單元都有自己的旁路（圖2）。使用12至24個單元組的決定是基于正向電壓的總和與串中最弱單元的預(yù)期擊穿電壓的比較。例如，在一組24個電池中，每個電池的正向電壓為0.5V，將產(chǎn)生12V的總電壓。為防止擊穿引起的“熔化”，必須將旁路二極管插入防止包含本地環(huán)路電壓的二極管壓降總數(shù)超過單個太陽能電池的反向擊穿閾值（通常為25至30 V）的點(diǎn)。

圖2：當(dāng)一個或多個太陽能電池板的PV電池子串經(jīng)歷陰影時(shí)，其旁路二極管可以防止過電壓條件下的損壞和電感應(yīng)過熱，同時(shí)允許串的其余部分正常工作。 （由Microsemi公司提供）

旁路二極管還提供一些防止直流電弧放電的保護(hù)，與大多數(shù)布線中的交流電壓產(chǎn)生的電弧不同，它不會自行熄滅。交流系統(tǒng)中的電弧通常在50/60-Hz波形的“過零點(diǎn)”處自動清除，而直流產(chǎn)生的電弧必須被保護(hù)裝置中斷或物理地將放電點(diǎn)進(jìn)一步分開。旁路二極管可以對模塊內(nèi)部的“串聯(lián)”電弧提供有限的保護(hù)，因?yàn)樗鼈儗⒕植侩娀‰妷合拗圃?0到20 V之間 - 這是非常重要的次要特性。

早期太陽能電池板上的旁路設(shè)備是硅P/N二極管。它們具有0.7至1.0 V的正向結(jié)電壓和500至600 V的擊穿電壓.P/N二極管的結(jié)損耗產(chǎn)生的熱量在低安培數(shù)時(shí)是可接受的，但隨著電池效率的提高和更大的晶圓提高了典型的串電流，工業(yè)被迫采用肖特基二極管。它們較低的正向結(jié)電壓（0.4至0.5 V）將功耗降低了一半，這有助于解決加熱問題，但又引入了其他一些困難。例如，肖特基二極管具有比等效P/N器件高得多的漏電流，隨著器件溫度的升高，問題會變得更嚴(yán)重。

肖特基二極管的反向擊穿電壓也低得多，通常比同類P/N器件的600 V額定電壓低40至60 V.二極管的結(jié)點(diǎn)也更容易受到相對低水平的瞬態(tài)能量的永久性損壞。未能“打開”的二極管可能會在下一次出現(xiàn)陰影或污染時(shí)留下易受破壞性“熱點(diǎn)”事件影響的子串。如果二極管在“短路”模式下失效，它將（至少）顯著降低面板的輸出功率。

有源解決方案

有幾家公司最近推出了一種替代肖特基二極管的新類型所謂的“無損耗”或“有源”二極管。實(shí)際上，它們實(shí)際上是雙端子FET開關(guān)電路，設(shè)計(jì)為傳統(tǒng)二極管的引腳兼容替代品。一些制造商為太陽能應(yīng)用提供有源旁路二極管，包括Microsemi，STMicroelectronics和Texas Instruments。無論是誰制造，有源二極管的主要元件（圖3）包括：

電荷泵

控制邏輯和FET驅(qū)動器

MOSFET

電容器

圖3：有源太陽能旁路二極管的剖析圖。 （由STMicroelectronics提供。）

當(dāng)太陽能電池陣列加陰影時(shí)，有源旁路設(shè)備的工作方式如下：

陰影電池會產(chǎn)生局部電壓增加，激活旁路二極管。

《 li》最初，F(xiàn)ET體二極管導(dǎo)通，使電荷泵啟動。

電容器充滿電后，電荷泵停止工作并激活FET。

循環(huán)當(dāng)電容器中的能量耗盡時(shí)，重復(fù)（圖4），其中FET關(guān)閉，電荷泵重新激活。

圖4：有源旁路二極管工作。 （德州儀器公司提供。）

每個制造商都在多芯片封裝中提供有源二極管元件的組合，其余部分為分立的外部元件。 Microsemi的LX2400 IDEALSolar旁路器件采用LGA封裝，包含有源旁路二極管所需的所有元件，以及提供雙向低阻抗路徑的雷電生存電路，可降低雷擊期間的功耗。

目前STMicroelectronics的冷旁路二極管（SPV1001系列）采用TO220，D2PAK和PQFN封裝，集成了除開關(guān)電容和功率FET之外的所有必要元件。該公司的第二代產(chǎn)品（2013年第一季度上市）將不再需要外部電容器，并且可以在幾個更高和更低的電壓范圍內(nèi)使用。德州儀器（TI）的SM74611智能旁路二極管（根據(jù)TI的這一部分將在2012年12月的Digi-Key網(wǎng)站上提供）將采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)D2Pak外形尺寸的多芯片模塊，包括電容和功率FET。

有效股息

與幾乎所有新技術(shù)一樣，有源旁路二極管對其取代的成熟技術(shù)具有價(jià)格劣勢。第一代有源二極管的成本約為制造商為高質(zhì)量肖特基二極管所支付的2倍至3倍。然而，一些有源器件的價(jià)格在過去一年中下降了10％到20％，而智能設(shè)計(jì)人員開始明白這些器件可以在整體解決方案成本和增加的功能方面提供顯著的紅利，這些功能可以多次償還其高成本過度。

有源旁路二極管提供的最明顯優(yōu)勢是旁路和“關(guān)閉”模式下的損耗大大降低。典型器件的正向電壓為40至50 mV，肖特基電壓為0.4 V，在旁路模式下運(yùn)行時(shí)功耗降低約10倍。當(dāng)字符串中的一個或多個面板受到遮蔽條件（由鄰近的建筑物，樹木，煙囪等引起）時(shí)，這提高了陣列有效運(yùn)行的能力。

當(dāng)受影響模塊中串的有源旁路二極管工作在正向（旁路）模式時(shí)，它們比同等的肖特基二極管產(chǎn)生的電流大約低80％（圖5）。當(dāng)使用有源旁路設(shè)備的光伏陣列經(jīng)歷10％的陰影（在住宅/商業(yè)系統(tǒng)中并不罕見）時(shí)，它將比使用傳統(tǒng)設(shè)備的系統(tǒng)產(chǎn)生多達(dá)0.5％的能量。它們的低泄漏特性還在正常操作期間提供了小的但可測量的能量產(chǎn)生改進(jìn)。它們的反向漏電流大約為0.3μA（而肖特基二極管則高達(dá)100μA），這大約增加了0.01％的典型系統(tǒng)總能量增益。

圖5：環(huán)境溫度為85°C（每個二極管）的接線盒中肖特基二極管和有源二極管的功耗。 （德州儀器公司提供。）

通過允許使用更簡單，更小巧的散熱器，有源二極管減少散熱，可以獲得更大的紅利，這些散熱器可以安裝在制造成本更低的更簡單，更緊湊的接線盒中。它們緊湊的外形和降低的冷卻要求甚至可以讓設(shè)計(jì)人員將二極管直接安裝在太陽能電池板的母線上，無需接線盒及其相關(guān)接線。這種配置可以從面板的總系統(tǒng)成本中減少多達(dá)10美元到15美元，這樣可以節(jié)省幾倍于有源二極管的附加價(jià)格。通過將冷卻運(yùn)行設(shè)備直接集成到一些制造商提供的每個面板微型逆變器和優(yōu)化器盒中，可以實(shí)現(xiàn)類似的節(jié)省。

這些設(shè)備對于新的旁路架構(gòu)也是必不可少的，這些架構(gòu)支持將監(jiān)控和安全關(guān)閉功能納入太陽能電池板本身的新興要求。這些要求的起源部分來自Underwriters Laboratories Inc.的報(bào)告，標(biāo)題為“消防員安全和光伏裝置研究項(xiàng)目”，2除其他問題外，還記錄了受損太陽能電池陣列上的水如何形成具有半徑的潛在危險(xiǎn)區(qū)域高達(dá)20英尺（如果水中含有鹽，則高達(dá)1，000英尺）。該研究還得出結(jié)論，關(guān)閉陣列并不像打開斷路開關(guān)那么簡單。只要陣列被照亮，陣列的一部分將始終通電，從而產(chǎn)生致命的DC電壓。這項(xiàng)研究和其他研究正在推動一項(xiàng)新的安全標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)將要求在一些應(yīng)用中使用太陽能電池板，例如公用事業(yè)規(guī)模的太陽能發(fā)電場，以提供可用于遠(yuǎn)程“殺死”每個電池板輸出的電子互鎖。由于旁路二極管已經(jīng)位于太陽能電池組內(nèi)，因此增加一個可以使用該設(shè)備的功率FET來禁用面板的控制輸入將以最小的成本增加提供所需的安全機(jī)制。

即將推出：集成二極管

同樣低功耗和緊湊的外形也激發(fā)了制造商將它們集成到面板中的興趣。目前，沒有商業(yè)產(chǎn)品可以將二極管層壓到保持其PV電池的相同背襯上。然而，STMicro已經(jīng)對板載二極管進(jìn)行了一段時(shí)間的試驗(yàn)，并為SPV100x系列的一些成員開發(fā)了PQFN封裝選項(xiàng)，其厚度為0.75 mm，目的是使層壓工藝更容易和更順暢（圖6）。集成二極管還消除了外部布線產(chǎn)生的額外成本和故障點(diǎn)，使得每個面板使用更多二極管變得越來越可行，允許剩余的子串在部分遮蔽條件下繼續(xù)產(chǎn)生功率。

圖6：有源二極管的低功耗和緊湊的外形使其可以直接安裝在太陽能電池板基板上，無需接線盒。