[实用新型]光伏组件热斑电流保护装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种保护电路，具体涉对光伏组件中的硅太阳电池在工作时产生的热斑电流做适时保护。当组件在工作的情况下，由于各种原因使组件中的太阳电池片产生可能形成热斑的电流，保护装置将迅速切断该故障电池的电池串电流，防止故障电池片的进一步过热。对太阳电池片起到了保护作用，延长了太阳电池片的使用寿命。该保护装置也具备替代旁路作用的肖特基二极管，其自身产生的热功耗也小于常规的肖特基二极管。同时该装置具有过热保护，可以保证组件接线盒的安全工作。 

该装置集成在一块集成电路中，利用高压集成电路工艺制作。选用N型和P型VDMOS功率管作为功率执行元件。通过功率集成电路的封装形式，封装成一块功率集成电路。 

背景技术

（1）如图1所示，光伏系统的组件10中，均有旁路二极管20对太阳电池串30进行保护，旁路二极管20由一种金属-半导体接触形成PN结二极管担任，称为肖特基二极管。正常工作状态下，旁路二极管处于反向偏置，不影响太阳电池串的工作。组件工作时，太阳电池串中的一个或数个太阳电池片40由于阴影遮挡，局部短路，热斑等情况出现，局部区域呈现出阻型特征，产生故障电压。故障电压与所在太阳电池串30的光生伏打电压极性相反。当， 

故障电压 > 电池串光生伏打电压+二极管正向开启电压

后，短路二极管就开启，旁路（by-pass）了故障电池串的电流。防止太阳电池串中的某些太阳电池片产生过大的局部热量而损毁太阳电池片。

组件中太阳电池串的电流50大致在5.4A（125x125mm²面积电池片）和8.5A（156x156mm²面积电池片），太阳电池串中的某些电池片由于各种原因（阴影遮挡，局部短路，微裂等）呈现电阻型状态，就会生成反向电压。同时在呈电阻性的区域产生大量的热，直至反向电压逐步超过短路二极管的开启电压，短路二极管才起到了短路保护的作用。 

所以，在太阳电池片某些局部区域的呈阻型状态时，这些区域会产生逆向的故障电压。直至故障电压超过了旁路二极管的开启电压，旁路二极管才能起到旁路保护的作用，太阳电池串的电流才会的大大减小。在这个过程中，呈阻型的故障区域始终有很大的电流流过，形成过热。这个过程会反复重复，时间长了就会在太阳电池的局部区域产生热斑，直至太阳电池被损坏。 

问题的关键是：旁路二极管在太阳电池板正常工作时，是呈反向偏置状态的（见图1）。旁路二极管通常采用硅肖特基二极管，开启电压在0.5V左右。所以要使旁路二极管处正向的开启状态，必须是故障区域所产生的反向电压要大于电池串的电压（24只电池串在不同的日照条件下一般在8-13V左右），再加上肖特基二极管的开启电压（一般在0.5V左右）。 

故障区域的反向电压上升至负的8-13V（相对于太阳电池串的正向电压）时，太阳电池的故障性区域将会受到大电流通过的作用而被加热。反复重复，最后形成热斑。解决方法是:一旦故障区域产成反向电压时，就立刻切断太阳电池串的电流，从而防止局部过热反复发生，从根本上解决热斑的产生。 

（2）旁路二极管通常被装置在接线盒里，接线盒固定在组件的背面，接线盒是组件的一个组成部件。一般一串太阳电池片(12-24片不等组成) 使用一只旁路二极管。对于大小不一的组件（1-3串太阳电池组），接线盒内的短路二极管为1-3只不等。 

接线盒是一个完全封闭的塑料材料的部件，一般安放在组件背面。在组件的装配过程中，接线盒的开口部分最后用硅胶类的物质填充，用以防湿防漏。所以二极管的散热条件较差。旁路二极管在执行旁路的状态下，通常会有5.4A-8.5A的电流通过（分别对应于电池片的面积为125x125mm2和156x156mm2）。如果二极管的正向导通电压在0.5V左右的话，二极管的自身功率则在2.5W-4W左右。这样的功率会产生很大的热量，使接线盒内的温度不断升高，直至燃烧。甚至可以燃烧至组件或组件所附属的载体（如屋顶）。 

增加接线盒的散热过程是解决上述问题的有效途径，如加大接线盒的热容量，增加散热面积和散热条件等。但是接线盒是一个完全密封的部件，有非常严格的防水防湿等强制性的认证要求。通过加快散热过程的思路来解决散热问题，势必通过增加盒内的热容量，加大散热面积，改进散热循环条件等方法，这些都会相应的使成本增加。