大电流下二极管散热性能研究-谈剑豪

2018 For A Better World Environment and Future quotation 大电流下二极管热性能研究 谈剑豪 光 伏产品检验检测中心 苏州腾晖光伏技术有限公司 光伏产品检验检测中心 苏州腾晖光伏技术有限公司 CNAS L9883 实验室建设进程 性能检测室投入运行 环境检测室投入运行 安全检测室投入运行 实验室管理体系建立运行 测试团队建设完成 获得 CNAS认可证书 2015.10 2015.11 2016.01 2016.01 2016.05 2017.04 检测能力 实验室占 地面积 2000平方米， 拥有国内外先进仪器 设备 60余 台 。实验室下设五 个 功能实验室 ： 材料检测 实验室、 安全 检测实验室、性能检测实验室、环境检测 实验室 以及电池测试实验室， 测试 能力基本覆盖 IEC61215、 61730、 UL1703等国际标准检测项目。 性能检测室 目 录 1. 前言 2. 失效原理和问题描述 3. 试验方法介绍 4. 试验样品选择 5. 试验 数据分析 6. 总结 前言  太阳能 已经被大规模应用于各个行业，近几年来大型光伏 并网电站也在整个能源供应结构中占据了很大的比例。随 着技术的进步，电池效率也得到了很大的提高。研究表明， 接线盒中的二极管不论在旁路工作还是反向截止状态，都 会产生热量。当二极管产生的热量大于接线盒耐温能力后， 温升和漏电流造成二极管击穿。二极管击穿后容易引起接 线盒和 EVA胶膜燃烧，最终烧毁整个电站。 二极管击穿机理和问题描述  当组件正常工作的时候，二极管是反向偏置的。当组件被 遮挡之后（比如：电线杆、房屋、树叶等），有些电池片 在回路中不能正常发电。遮挡的电池片加上反向电压，回 路中其他 电池片 将提供正向电压来保护遮挡电池片。 在上述情况下，当电流流过时二极 管的温度会升高。当遮挡撤离，组 件恢复正常工作，二极管再次反偏 截止。根据应用在光伏组件中二极 管的漏电流与温度有函数级的特性， 如果二极管的温度升高可以使其漏 电流大大增加，更糟糕的情况是组 件上二极管的加热超出了其本身的 冷却能力，最终结果是升高的热量 使二极管烧毁。 二极管击穿机理和问题描述 试验方法介绍 热斑发生（二 极管正向导通 二极管表面温 度快速升高 漏电流增加 温度平稳后至 少 10min 10ms内切断正 向电流，并加 反向电压 观察二极管是 否会击穿 击穿是否可以 恢复 试验方法简介图 步骤： a.接线盒放入烘箱，加热至 90℃ 待温度稳定； b.通 入短路电流，流过二极管，使其温度继续升高 观察温度变化，大概 1小时后温度完全稳定； c. 撤离正向导通的短路电流，瞬时切换成反偏电压保持一分钟， 观察此时流过二极管的电流，电压，已经温度变化 试验样品选择  为了 尽量消除接线盒中其他因素对测量结果的干扰， 我们选 同一封装 厂 制造的，针对不同功率档位设计的两款接线盒 ， 130mil芯片二极管， 同 一厂家制造 的二极管， 做成 2个 灌胶接线盒（ A/B） 对比样品。 试验样品选择 尺寸 （ mm) 额定电流 (A) 二极管封装 二极管 Vf 二极管 Vrrm 二极管 IR Tj=100 C 样品 A 113*87*17 15 贴片 0.6 45 200 样品 B 105.5*82.5*17 12.8 贴片 0.5 40 100 试验数据 分析 162.6 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0 25 50 75 100 125 150 175 200 225 250 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 二极管壳温（ ℃ ） 时间（ s） 样品 A温度和压降曲线 noA_1壳温 (℃ ) noA_2壳温 (℃ ) noA_3壳温 (℃ ) noA_1压降 (V) noA_2压降 (V) noA_3压降 (V) 2.997 3 47.997 47.997 47.997 47.997 7.15 7.063 6.982 6.895 11.998 11.998 0.303 0.420 0.497 0.732 12.001 11.999 11.998 11.998 -2 0 2 4 6 8 10 12 14 2655 2660 2665 2670 2675 -10 0 10 20 30 40 50 60 电压显示（ V） 时间（ s） 电 流 显 示 （ A ） 样品 A二极管被击穿电流和电压变化 电压显示 (V) 电流显示 (A) 完全击穿后电 流与正向导通 时一样 击穿后二极 管两端的压 降变小 试验数据分析 100 120 140 160 180 200 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 温度（ ℃ ） 时间（ s） 样品 B试验温度曲线变化 noA_1壳温 (℃ ) noA_2壳温 (℃ ) noA_3壳温 (℃ ) 拐点 C 拐点 B 拐点 A A.通 14A电流， 反偏电压 15V不 足以击穿二极管 B.旁路二极管短 路，中间二极管 加反偏电压瞬间 C.贴在中间二极 管的温度急剧上 升 试验数据分析 3.4 3.3 21.0 21.0 21.0 21.0 21.0 21.0 21.0 21.0 21.0 4.9 4.9 4.9 4.9 4.9 14.00 14.00 0.28 0.31 0.33 0.41 0.49 0.68 14.00 14.00 14.00 14.00 14.00 14.00 (2) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 0 5 10 15 20 25 1310 1316 1322 1328 1334 1340 电流（ A） 电压（ V） 时间（ s） 样品 B被击穿瞬间的电流电压 电压显示 (V) 电流显示 (A) 击穿过程电流逐渐增大 完全击穿后电流与正 向导通时一样 154.1 154.2 157.4 183.6 199.7 100 120 140 160 180 200 1250 1300 1350 1400 1450 温度（ ℃ ） 时间（ s） 0 2 击穿后温度 急剧上升 试验数据分析 二极管被击穿后压降升高的原因 01 02 03 04 外加反向电压不超过一定范围时，通过二极管的电流是少数载流子漂移运动所形成反向 电流。由于反向电流很小，二极管处于截止状态。 外加反向电压超过某一数值时，反向电流会突然增大，二极管将被击穿。 当正向电压大于导通电压以后， PN结内电场被克服，二极管正向导通，电流随电压增 大而迅速上升。 被击穿可以简单的看成黄色挡板开了个口子，即电流正反向都导通，但是电流流的路径 变窄，电阻升高。在电流不变的情况下，压降也升高。 总结  电流和温度是影响硅基二极管长期可靠工作的重要因素。 接线盒是连接光伏电 池和系统的唯一电路通路。只有接线盒长期可靠的工作，系统才能稳定可靠发 电。从上面实验容易得出，接线盒的散热能力主要依赖盒体的结构设计 。  高效组件的电流比较大，发热比较厉害，就更应该注意接线盒的散热，这样才 能保障二极管在高温下的通过电流能力和保障其长期可靠性 。  在接线盒中，占成本次高的是二极管。而为了降低高效电池大电流带来的高 温，目前接线盒厂家在不改变原接线盒尺寸和散热结构条件下，只好通过使用 沟槽工艺二极管或提高芯片尺寸来降低二极管温度。良好散热结构的接线盒还 可以在保证质量的前提下减小接线盒的体积，降低接线盒的成本。 Thanks a lot！