如何采用有源二极管提高太阳能电池板的效率和设计

大多数基于太阳能电池板的肖特基旁路二极管用作保护机制，当其中一个电池串被遮挡或损坏时，面板可以继续产生电力。然而，传统二极管的特性产生能量损失，降低太阳能系统的整体效率，并且在某些情况下，实际上可能造成代价高昂的损坏。为了解决这个问题，一些制造商推出了一种新型的“有源二极管”，它使用晶体管产生类似二极管的行为，同时允许它们保护的太阳能电池板以更高的效率和更好的可靠性运行。本文将探讨有源二极管的基础技术，查看目前市场上的产品，并了解它们如何改变太阳能电池板的设计和制造方式。

图1：当单个面板的一部分或阵列的较大部分由于障碍物，云，雪或其他现象而经历阴影时，太阳能阵列依靠旁路二极管来保护它们免受损坏并最小化输出功率损耗。 （由STMicroelectronics提供。）

旁路二极管提供保护

为了理解为什么需要旁路二极管，让我们来看一下典型的太阳能系统。系统中的每个串通常由10到20个串联连接的太阳能模块组成，每个太阳能模块具有60到100+（通常72个）电池，类似地，所有电池串联连接。结果是1000多个细胞串，每个细胞试图产生与其看到的阳光量成正比的电流。如果这些单元中的任何一个变成阴影，污染或损坏，则整个串电流限于最弱链路可以支持的电流。即使单个单元被遮挡也容易受到临时性能损失的影响，使用长串串构造的阵列可能会在太阳能电力系统中引入其他更微妙的问题。

典型硅电池在最佳负载时具有0.5伏的正向电压，而CdTe或CIGS等薄膜工艺在0.3 V至1 V以上变化。如果出于某种原因（例如阴影），则为电池不能产生与其他附近电池一样多的电流，那么这个相同的电池现在将被强制进入反向工作模式，在这种情况下它会受到负电压的影响，负电压取决于其在串中的位置，可以是5到30 V虽然细胞有些宽容，但如果存在足够的错配，则表现不佳的细胞将被驱动到反向分解区域。有10到20个串联的太阳能模块，现代太阳能系统的直流输出可以很容易地达到400V。在这些条件下，施加30V的阴影电池可以开始反向击穿，功能单元在其余的字符串占剩余的370 V.在串流电流接近10 A的典型系统中，阴影单元很快转换为300 W的加热元件，产生一个很容易损坏面板的热点。

为了防止面板损坏（偶尔发生屋顶火灾），太阳能制造商传统上将面板安排在12到24个单元的子串中，每个单元都有自己的旁路（图2）。使用12至24个单元组的决定是基于正向电压的总和与串中最弱单元的预期击穿电压的比较。例如，在一组24个电池中，每个电池的正向电压为0.5V，将产生12V的总电压。为防止击穿引起的“熔化”，必须将旁路二极管插入防止包含本地环路电压的二极管压降总数超过单个太阳能电池的反向击穿阈值（通常为25至30 V）的点。

图2：当一个或多个太阳能电池板的PV电池子串经历阴影时，其旁路二极管可以防止过电压条件下的损坏和电感应过热，同时允许串的其余部分正常工作。 （由Microsemi公司提供）

旁路二极管还提供一些防止直流电弧放电的保护，与大多数布线中的交流电压产生的电弧不同，它不会自行熄灭。交流系统中的电弧通常在50/60-Hz波形的“过零点”处自动清除，而直流产生的电弧必须被保护装置中断或物理地将放电点进一步分开。旁路二极管可以对模块内部的“串联”电弧提供有限的保护，因为它们将局部电弧电压限制在10到20 V之间 - 这是非常重要的次要特性。

早期太阳能电池板上的旁路设备是硅P/N二极管。它们具有0.7至1.0 V的正向结电压和500至600 V的击穿电压.P/N二极管的结损耗产生的热量在低安培数时是可接受的，但随着电池效率的提高和更大的晶圆提高了典型的串电流，工业被迫采用肖特基二极管。它们较低的正向结电压（0.4至0.5 V）将功耗降低了一半，这有助于解决加热问题，但又引入了其他一些困难。例如，肖特基二极管具有比等效P/N器件高得多的漏电流，随着器件温度的升高，问题会变得更严重。

肖特基二极管的反向击穿电压也低得多，通常比同类P/N器件的600 V额定电压低40至60 V.二极管的结点也更容易受到相对低水平的瞬态能量的永久性损坏。未能“打开”的二极管可能会在下一次出现阴影或污染时留下易受破坏性“热点”事件影响的子串。如果二极管在“短路”模式下失效，它将（至少）显着降低面板的输出功率。

有源解决方案

有几家公司最近推出了一种替代肖特基二极管的新类型所谓的“无损耗”或“有源”二极管。实际上，它们实际上是双端子FET开关电路，设计为传统二极管的引脚兼容替代品。一些制造商为太阳能应用提供有源旁路二极管，包括Microsemi，STMicroelectronics和Texas Instruments。无论是谁制造，有源二极管的主要元件（图3）包括：

电荷泵

控制逻辑和FET驱动器

MOSFET

电容器

图3：有源太阳能旁路二极管的剖析图。 （由STMicroelectronics提供。）

当太阳能电池阵列加阴影时，有源旁路设备的工作方式如下：

阴影电池会产生局部电压增加，激活旁路二极管。

《 li》最初，FET体二极管导通，使电荷泵启动。

电容器充满电后，电荷泵停止工作并激活FET。

循环当电容器中的能量耗尽时，重复（图4），其中FET关闭，电荷泵重新激活。

图4：有源旁路二极管工作。 （德州仪器公司提供。）

每个制造商都在多芯片封装中提供有源二极管元件的组合，其余部分为分立的外部元件。 Microsemi的LX2400 IDEALSolar旁路器件采用LGA封装，包含有源旁路二极管所需的所有元件，以及提供双向低阻抗路径的雷电生存电路，可降低雷击期间的功耗。

目前STMicroelectronics的冷旁路二极管（SPV1001系列）采用TO220，D2PAK和PQFN封装，集成了除开关电容和功率FET之外的所有必要元件。该公司的第二代产品（2013年第一季度上市）将不再需要外部电容器，并且可以在几个更高和更低的电压范围内使用。德州仪器（TI）的SM74611智能旁路二极管（根据TI的这一部分将在2012年12月的Digi-Key网站上提供）将采用工业标准D2Pak外形尺寸的多芯片模块，包括电容和功率FET。

有效股息

与几乎所有新技术一样，有源旁路二极管对其取代的成熟技术具有价格劣势。第一代有源二极管的成本约为制造商为高质量肖特基二极管所支付的2倍至3倍。然而，一些有源器件的价格在过去一年中下降了10％到20％，而智能设计人员开始明白这些器件可以在整体解决方案成本和增加的功能方面提供显着的红利，这些功能可以多次偿还其高成本过度。

有源旁路二极管提供的最明显优势是旁路和“关闭”模式下的损耗大大降低。典型器件的正向电压为40至50 mV，肖特基电压为0.4 V，在旁路模式下运行时功耗降低约10倍。当字符串中的一个或多个面板受到遮蔽条件（由邻近的建筑物，树木，烟囱等引起）时，这提高了阵列有效运行的能力。

当受影响模块中串的有源旁路二极管工作在正向（旁路）模式时，它们比同等的肖特基二极管产生的电流大约低80％（图5）。当使用有源旁路设备的光伏阵列经历10％的阴影（在住宅/商业系统中并不罕见）时，它将比使用传统设备的系统产生多达0.5％的能量。它们的低泄漏特性还在正常操作期间提供了小的但可测量的能量产生改进。它们的反向漏电流大约为0.3μA（而肖特基二极管则高达100μA），这大约增加了0.01％的典型系统总能量增益。

图5：环境温度为85°C（每个二极管）的接线盒中肖特基二极管和有源二极管的功耗。 （德州仪器公司提供。）

通过允许使用更简单，更小巧的散热器，有源二极管减少散热，可以获得更大的红利，这些散热器可以安装在制造成本更低的更简单，更紧凑的接线盒中。它们紧凑的外形和降低的冷却要求甚至可以让设计人员将二极管直接安装在太阳能电池板的母线上，无需接线盒及其相关接线。这种配置可以从面板的总系统成本中减少多达10美元到15美元，这样可以节省几倍于有源二极管的附加价格。通过将冷却运行设备直接集成到一些制造商提供的每个面板微型逆变器和优化器盒中，可以实现类似的节省。

这些设备对于新的旁路架构也是必不可少的，这些架构支持将监控和安全关闭功能纳入太阳能电池板本身的新兴要求。这些要求的起源部分来自Underwriters Laboratories Inc.的报告，标题为“消防员安全和光伏装置研究项目”，2除其他问题外，还记录了受损太阳能电池阵列上的水如何形成具有半径的潜在危险区域高达20英尺（如果水中含有盐，则高达1，000英尺）。该研究还得出结论，关闭阵列并不像打开断路开关那么简单。只要阵列被照亮，阵列的一部分将始终通电，从而产生致命的DC电压。这项研究和其他研究正在推动一项新的安全标准，该标准将要求在一些应用中使用太阳能电池板，例如公用事业规模的太阳能发电场，以提供可用于远程“杀死”每个电池板输出的电子互锁。由于旁路二极管已经位于太阳能电池组内，因此增加一个可以使用该设备的功率FET来禁用面板的控制输入将以最小的成本增加提供所需的安全机制。

即将推出：集成二极管

同样低功耗和紧凑的外形也激发了制造商将它们集成到面板中的兴趣。目前，没有商业产品可以将二极管层压到保持其PV电池的相同背衬上。然而，STMicro已经对板载二极管进行了一段时间的试验，并为SPV100x系列的一些成员开发了PQFN封装选项，其厚度为0.75 mm，目的是使层压工艺更容易和更顺畅（图6）。集成二极管还消除了外部布线产生的额外成本和故障点，使得每个面板使用更多二极管变得越来越可行，允许剩余的子串在部分遮蔽条件下继续产生功率。

图6：有源二极管的低功耗和紧凑的外形使其可以直接安装在太阳能电池板基板上，无需接线盒。