【技术贴】光伏组件大额定电流旁路二极管热失控失效分析

我们知道，光伏组件背后藏着一组重要的元器件：旁路二极管。它的位置虽不显眼，但是作用却不可忽视，类似于光伏组件的“保险丝”。当组件正常工作时，二极管处于“休眠”状态；当组件异常，如发生热斑，二极管被激发通电，保护组件不至于过热损坏组件或光伏系统。二极管作为如此重要的元器件，被运用在光伏组件上时，为保证安全运行，必须对其相关性能进行考查试验，常见的有热性能试验、静电放电试验、热失控试验。

华阳检测中心零部件检测部多年来致力于光伏组件及其零部件的检验检测，并善于从不同案例中进行归纳总结，对二极管的性能检测、选型等方面具有较高理论水平和丰富的检测经验。本文着重就热失控试验方面与各界人士进行交流探讨。

热失控，也称热击穿或热逃逸，它特指二极管工作时发生失效、无法恢复其工作性能的一种现象。典型的情况是，光伏组件持续发生热斑效应，组件产生的大电流通过与它并联的二极管，二极管处于正向偏置状态，随着大电流持续通过二极管，二极管温度持续上升；一旦组件停止热斑效应，突然恢复正常，二极管又重新回到反向偏置、电流截止状态。这便是我们要求的理想的二极管性能。然而，当二极管性能与大尺寸大电流组件不匹配时，发生热失控的概率便大大增加，一旦出现热失控，二极管被击穿短路，与此相并联的电池串将不再受到保护。

为避免危害，参考国际标准IEC 62979：2017，选用最不有利于二极管正常工作的条件进行试验。关键的条件是，高温下给二极管持续通入正向短路电流至少40分钟，二极管持续上升到稳定的温度后，瞬间（不超过10ms）切换为反向偏置电压至少2分钟，电压值取决于电池组串中总的开路电压。在这样的条件下，持续监控二极管温度及反向漏电流。

图1：非热失控图示

图2：热失控典型图示

图1反映的是非热失控现象，在瞬间转变为反向偏置电压时，二极管温度逐渐下降，反向漏电流也比较微弱，二极管反向截止功能正常。图2反映的是热失控典型的现象，与图1完全相反，在瞬间转变为反向偏置电压时，二极管温度继续上升，带来了二极管的不稳定，反向电流急剧增大，二极管单向导电特性遭到破坏。

从多次试验结果上看，破坏二极管正常特性的关键因素是超出二极管能承受的最高温度或最高反向截止电压，任何一个因素都会导致失效。

下面讨论二极管的最高温度影响因素：

外部因素：1、环境温度；2、组件因热斑导致通入旁路二极管的电流大小；3、电流通入时间4、通入的反向电压大小。内部因素：1、二极管芯片尺寸；2、芯片连接方式；3、芯片封装方式；4、二极管管脚连接方式；5、二极管周围灌封胶的散热性能。

因此，为满足大额定电流组件的匹配性需要，除规避对二极管不利的外部条件之外，更要求优化二极管制造工艺，如加大二极管芯片尺寸，采用芯片内部并联的方式，降低通过二极管的电流密度，便可以从理论上降低二极管温度，提升二极管的热稳定性。另外二极管管脚推荐采用焊接方式，加大接触面积，保证通电电流、电压稳定性。接线盒内灌封胶没过二极管，便于减少热积聚，提升热传导。

这便是多次进行大额定电流旁路二极管热失控试验的意义所在。