超大电流下的组件风险探析：警惕接线盒二极管热失控问题

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近年来光伏市场竞争不断加剧，组件产品设计也开始出现“内卷”，为了一味追求功率上的提高，组件尺寸开始变的愈来愈大。然而，作为一款要在户外运行25年以上的核心发电设备，其合理尺寸边界一旦突破，带来的安全隐患也将愈发明显，留给终端客户的将是抹不去的隐忧。

组件尺寸的无限制增大将带来电流的显著提升，其中很典型的就是：当组件的电流达到18A~20A时，面对的电气安全风险急剧增加，严重时可能导致接线盒、背板等材料烧毁，甚至引发火灾，为光伏电站带来巨大损失。

“Solar Bankability” 曾对772个电站的组件失效原因做过统计，其公开发布的结果表明，高温导致二极管失效和接线盒过热的成本消耗排名前10，且二者引起的失效会使每年更换零部件的费用增加约8元/kWp，这也意味着全生命周期25年里，100MW电站将承受约2000万的额外经济损失。本文将从热失控的原理出发，结合具体实验数据，解析热失控发生的边界条件。

1. 热失控原理

光伏组件接线盒中的二极管一般采用肖特基二极管，具有单向导电性能。当组件正常工作时，二极管反向截止，当组件部分遮挡时会出现热斑，二极管正向导通，结温上升。二极管里的耗散功率P等于正向导通电流和电压的乘积，而正向电压随着温度上升会下降从而导致耗散功率P下降。

在达到某一特定温度时，二极管产生的热量(耗散功率P)和整个系统散发的热量（与热阻相关）将会相等，从而达到热平衡。在遮挡物被移除的瞬间，二极管重新恢复为反向截止，如果此时反偏状态下二极管的耗散功率P反偏小于正向导通下的耗散功率P正向，二极管温度下降达到一个新的较低的工作温度。而如果此时反偏状态下二极管的耗散功率P反偏大于正向导通下的耗散功率P正向，二极管温度会持续上升，引起反向电流变大从而导致二极管温度进一步升高【1】，如图2，这种恶性循环即热失控，不仅很大程度地降低了组件的工作效率，而且会加速高分子封装材料的降解和失效，甚至在超过漏电流极限后将二极管直接击穿。

2. 热失控的影响因素分析

由上述原理分析可知，热失控主要和反偏状态下二极管的发热功率P反偏以及正向导通下的发热功率P正向相关。而P反偏主要与外部加载在二极管的反向电压相关(反向漏电流很小，一般保持不变)，P正向则主要与外部正向导通电流相关(正向压降是二极管内部特性参数，与二极管设计相关)。因此可见，热失控主要与反向电压和正向导通电流相关，为了进一步论证这一理论模型，采用控制变量法对不同正向电流和反偏电压下组件的热失控风险进行了评估测试。实验结果见图3，相同正向电流下的反向电压越较小，或相同反向电压下的正向电流越小，对应的二极管热失控风险都会较小，因此，片面追求高功率导致组件工作电流过大，单串电池数目多导致组件对应的电压过大，会严重增加热失控的风险。

图2 二极管热失控原理示意图

图3a. 相同正向电流情况下，反向偏压对接线盒热失控的影响;

3b. 相同反向偏压情况下，正向电流对接线盒热失控的影响

3. 热失控的边界条件

组件和接线盒认证时，会强制要求执行IEC 61215、IEC 62790标准，其中包括了热斑耐久性测试和二极管热性能测试。IEC61215新标发布后，安全电流需要考虑背面增益，计算公式如下，不同型号的组件对应的电流和电压如表1所示，Isc达18A以上的双面组件需要额定电流30A以上的接线盒才能满足使用要求。

φ：组件双面率一般取75%；

1.25：安全因子

表1 不同型号的组件对应的电流和电压

此外，组件在户外工作状态下，二极管可能表现为热失控，其对应的IEC 62979标准尚未纳入认证强制范围，现有接线盒即使可以通过IEC61215和IEC62790的测试，未必能满足户外使用安全要求。目前30A接线盒受技术水平限制，性能难以满足长期可靠的使用要求，如图4所示，市场上两款30A接线盒虽然能满足结温测试，但是热失控性能差异较大且均无法满足超大电流的210-55/66c组件使用需求，根本无法为组件的可靠性提供保障。而25A接线盒则性能稳定，使182-72c组件处于安全工作区域。

图4 182常规组件和超大组件热失控边界条件分析对比

综上可知，光伏组件需要适当控制尺寸，以保证电流和电压在合理范围内，否则接线盒中的二极管有可能承受超过本身结温的热压力，从而使组件受到不可逆的破坏，虽然有些隐患在短期内尚未体现，但对组件的长期安全可靠性以及电站的收益有着关键的影响。

参考文献：

【1】Narendra S. Shiradkar1，“Predicting Thermal Runaway in Bypass Diodes in Photovoltaic Modules”.

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