光伏组件接线盒二极管的击穿失效分析

国家电投集团西安太阳能电力有限公司 ■ 李荣 刘飞 贺国顺 古旋 王新正

0 引言

光伏组件接线盒的主要作用是将太阳电池通过光生伏特效应产生的电能从组件内部引出并与外部输电或负载线路连接[1]。目前，行业内对光伏组件接线盒的安全性、接线盒二极管的主要作用与工作原理，以及二极管的导通等方面已开展了研究。本文针对光伏组件生产制造过程中出现的接线盒二极管击穿失效现象进行了分析，并对可能造成二极管击穿失效的原因进行了逐项排查。

1 现象

对光伏组件进行电致发光(EL)检测时，发现2串电池出现短路，如图1所示；然后对该异常光伏组件的接线盒进行了电性能测试，结果判定为接线盒二极管击穿失效。

图1 EL检测时光伏组件中2串电池出现短路

2 异常分析

2.1 接线盒二极管的作用

接线盒二极管的作用是在1串电池失效或由于外部物体遮挡导致组件不能正常发电时，将异常电池串从组件电路中隔离，从而保护组件。

2.2 对击穿失效二极管的检测

图2为光伏组件中2串电池出现短路时，接线盒二极管击穿失效后的外观，图3为采用X光射线观察到的击穿失效二极管的内部状况。

图2 接线盒二极管击穿失效后的外观与二极管型号

图3 X光射线下的失效二极管内部状况

观察图2、图3可以发现，失效二极管的外观无明显异常，在X光射线下观察失效二极管的内部也无明显异常。

通过化学试剂去除失效二极管的脚架和环氧树脂，在光学显微镜下观察二极管的芯片表面，如图4所示。从图中可以看出，失效二极管芯片表面有火刺痕迹。

图4 光学显微镜下失效二极管的芯片表面

在温度为25 ℃条件下，对接线盒两端分别施加正向额定电流15 A、反向压降45 V和反向漏电流0.5 mA，测试失效二极管的电性能，并记录测试数据，如表1所示。

表1 二极管击穿失效后的电性能情况

通过表1中的测试数据可知，接线盒二极管击穿失效后主要表现为二极管反向漏电IR、反向压降VDR不合格。此时二极管不具有单向导电特性，处于失效状态[2]。下文针对不同状态下的二极管情况进行分析。

1)在对组件生产线排查时发现，组件I-V测试过程中存在35 A的顺向电流。模拟生产线对二极管两端施加35 A的顺向电流，二极管击穿失效，失效后的二极管芯片表面出现异常，如图5所示。

图5 二极管芯片表面出现异常

利用光学显微镜观察图5中芯片表面出现的火刺缺陷，发现其与图4中二极管芯片表面的火刺形貌不同；且对产生顺向电流的设备进行监控，发现其出现35 A顺向电流的概率约为5‰。由此可知，生产线中出现的二极管击穿失效并非由顺向电流导致。

2)使用不同温度的烙铁头与接线盒二极管表面接触，然后测试二极管的电性能情况。

表2 二极管表面接触高温后的电性能情况

480 ℃为生产线中能够产生的最高温度，从表2可以看出，将二极管表面接触该温度10 s后，二极管的电性能并无异常。但由于长时间高温焊接后，热量很容易传导至内部芯片，使芯片损伤，因此，还是建议对焊接温度进行管控。

3)使用稳压电源对二极管两端施加45 V电压，然后测试二极管两端出现的峰值电压概率，并判定二极管是否击穿失效，具体数据如表3所示。

表3 不同峰值电压下二极管的击穿情况

由表3可知，出现峰值电压(通电)超过100 V的概率为1%，当接线盒两端电压峰值超过100 V时，接线盒二极管有击穿失效的风险。

对接线盒两端施加103 V电压，测试2次后接线盒二极管均击穿失效，测试该二极管电性能后发现，反向漏电IR、反向压降VDR均不合格。

3 设备异常排查

使用数字示波器对各测试设备在进行组件测试时的电压情况进行了全程跟踪观察，并记录分析测试数据，排查可能存在过大电压的测试设备。表4为各测试设备进行测试时的电压情况。

表4 各测试设备进行测试时的电压情况

由表4可知，EL检测仪1的峰值电压为51.2 V、设备测试时的电压为48.5 V，电性能测试仪的峰值电压为78.4 V、设备测试时的电压为50.4 V，EL检测仪2的峰值电压为119.0 V、测试时的电压为52.0 V。EL检测仪2在检测组件过程中出现超过100 V的峰值电压，是由其稳态电源空气开关接触不良造成的，从而导致接线盒二极管击穿失效。对EL检测仪2更换固态接触开关后再进行测试，其峰值电压为54 V，满足测试要求。

4 结论与建议

本文针对光伏组件生产过程中出现的接线盒二极管击穿失效现象进行了分析，得出以下结论：

1)35 A顺向电流会对二极管造成击穿失效，但该电流出现的概率仅约为5‰。

2)生产中的最高温度480 ℃未对二极管的电性能产生影响，但仍建议对焊接温度进行管控，当长时间高温焊接后，热量很容易传导到内部芯片，容易使芯片损伤。

3)组件在EL测试过程中受到过大电压冲击会导致接线盒二极管击穿失效。