绿色能源：理想二极管在智能光伏系统中的应用

2024-04-25 15:42:23 来源: 赵明明

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来源：内容来自华太电子，作者：赵明明。

随着全球范围内参与到气候计划，减少碳排放以及减少化石能源使用，在生产和生活中使用新能源成为当今的一个共识。在诸多新能源中，光伏新能源具备容易实施，规模大小可控，成本低等诸多优点，而且随着生产技术不断提高，光伏成本也显著下降，每度电成本逐年降低。

光伏使用也出现了很多种形态，从最早铺设在广袤地域的集中式电站，到最近容易部署而快速发展的组串式电站，再到满足工商业使用的光储电站，以及家庭一体化的光储电站和阳台光伏，光伏使用场景愈发的丰富。

在发电环节中，从大型电站到户用光伏，度电成本的下降一直是行业追求的目标。通过对材料不断优化，目前光伏板自身效率逐步提升，已经逐渐接近了理论极限。同时光伏板的发电功率也在不断提升，从而进一步降低度电成本，但是由于安装运输等因素，单块光伏板面积和重量也不是无极限的，目前市面上单块210光伏发电功率达到800W已经是非常高的配置。

光伏发电追求的主要指标有两个，一是使用寿命长，光伏组件使用寿命30年，另一个就是安全性。保证光伏组件的长期安全使用是其中一个重要的指标，另外一个方面就是用电安全，比如光伏板出现拉弧从而出现火灾风险，或者其他原因持续故障或火灾进行维修和消防的安全。

为了满足光伏的效率提升，安全使用，从传统组件到智能化组件的升级至关重要。接下来介绍了几种组件智能化方式，并介绍光伏旁路二极管如何在智能化组件中提供保障。

什么是理想二极管

理想二极管特性就是正向导通电压是0V，反向漏电是0A，反向截止时间为0µs。当普通二极管接近理想时候，其在正向导通的时候，功耗更低和温升更小。反向截止的时候，就可以做到更低漏电和更长寿命。当然没有绝对理想的二极管，但是使得三个指标更加接近0的二极管就可以称作理想二极管。

理想二极管型接线盒

传统组件为了解决串联中遮挡造成的热斑效应，在光伏板的接线盒中使用肖特基二极管作为旁路二极管。目前主流光伏组件中每个光伏板由三个串联的光伏电池连接而成，每个光伏电池也是由多个单个光伏电池串联和并联而成。光伏电池之间通过接线盒连接，在接线盒内部提供旁路二极管，在正常非遮挡情况下，旁路二管处于反向偏置状态，但是在遮挡或者自身故障的情况下，二极管导通，将光伏板旁路掉，从而保证的在光伏板连接的时候，不会因为部分光伏板遮挡或者异常影响整个组串的效率。

传统组件接线盒使用肖特基二极管，存在如下问题：

A) 肖特基二极管正向导通压降约为700mV，当大电流流过肖特基二极管的时候，这个压降与流过肖特基二极管的乘积就是消耗在肖特基二极管的功率，当流过光伏板的串联电流是20A，那么肖特基二极管上消耗的功率就是14W，在夏季强光日照下，接线盒所处的环境温度可能高达75摄氏度以上，14W的功率消耗，可能造成温度大幅度上升，极限情况时会超过肖特基二极管最高结温，加速肖特基二极管的老化。

B) 在非遮挡情况下，肖特基二极管处于反偏状态，在高温下，肖特基二极管反偏电流可以达到几十mA，在一定程度上降低了发电的电流。

如果使用理想的旁路二极管代替肖特基二极管，极限情况的正向导通电压低于120mV，功耗降低了接近80%，这样有效的降低了接线盒自身功耗，在同样散热条件和通流与肖特基二极管对比时，采用理想旁路二极管的接线盒比肖特基二极管的接线盒温度可以低50摄氏度以上。在反向导通的时候，理想肖特基二极管反向漏电流可以低于1µA，远远小于肖特基二极管反向漏电，从而提升发电效率，降低热逃逸的风险。

理想二极管型优化器

除了光伏接线盒自身智能化外，智能化组件还可以通过连接优化器来提升单个光伏的发电效率。在优化器应用中，优化器输入端是光伏组件，输出与其他光伏板或者优化器连接。当光伏板出现故障或者光伏板与优化器连接不良时候，此时旁路二极管导通。在此类应用中，使用肖特基二极管如果有30A的电流通流，将会造成20W的功耗，而常用的PCB存在150摄氏度最高温度限制，已经无法满足要求。通常优化器体积较小，这样的高温也会导致器件老化或者损坏。使用多个肖特基并联可以降低散热，但是增加了PCB的面积和成本，肖特基二极管之间的导通电压不平衡也会造成单体二极管过热的问题。

在30A电流通流情况下，使用理想二极管或者理想二极管控制器+外接MOSFET，可以大幅度降低器件温度。在使用典型2mohm MOSFET阻抗时，85度的环境温度，常规PCB尺寸的情况下，MOSFET的CASE温度仍然可以控制在125摄氏度。

理想二极管型关断器

并非所有光伏都需要安装优化器，针对屋顶光伏，为了维修和消防的安全，需要光伏组件后面连接快速关断器，从而在维修和火灾时候将光伏的连接彼此断开，减少组串连接过程中的高压风险。

如下图所示，当逆变器或者关断器主控制发出指令，或心跳消失，或光伏板连接出现问题的时候，MCU控制MOSFET关闭，此时处于关断状态的关断器输入和输出通道就通过旁路二极管走电流。与优化器类似，肖特基二极管无法满足PCB的温度要求，旁路理想二极管控制器+MOSFET或者旁路理想二极管就可以满足低功耗的需求，也能提供更低的反向漏电流。

除了旁路理想二极管接线盒，快速关断器和优化器之外，其它任何针对组件设备，如智能IV检测等等，都会需要光伏旁路实现组串的安全连接，通过旁路理想二极管来保证设备高可靠，小体积和低功耗。随着光伏组件效率越来越高，电流越来越大，针对光伏系统的安全性要求的不断提升，光伏旁路理想二极管将会越来越多的用在智能光伏组件中。

理想二极管与肖特基二极管可靠性对比

肖特基二极管与理想二极管都是基于硅的技术，都可以使用同样加速因子共识进行计算。最大不同是，理想二极管在极限情况下温度是125℃，肖特基二极管极限温度是200℃，根据以下老化加速公式计算。