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摘要：光伏组件国际标准IEC 61215：2016中MQT18.1 将旁路二极管热性能试验的方法从旧版的稳态法改为了瞬态法。本文按照两个版本标准中的旁路二极管试验要求搭建了两套试验平台，进行了多次试验，将得到的测试数据对比分析，结论表明新版标准中所采用的瞬态法测得数据比旧版标注中所采用的稳态法更加严格，对厂商提出了更高的要求。
关键词：光伏；旁路二极管；结温
Keywords：photovoltaic；bypass diode；junction temperature；
1 引言
太阳能组件是将太阳能转化为电能的重要器件，为解决能源危机提供了优良的解决方案。然而，在太阳能组件中的一片或多片电池片被阴影遮挡或损坏时，会形成热斑效应，不仅会导致太阳能组件的老化和功率衰减，而且极易引发火灾等危险。因此，太阳能组件中会加入旁路二极管，让正常光照电池片所产生的电流从二极管流出，减弱热斑效应。在国际标准 IEC 61215 中就专门设立了旁路二极管热性能试验的项目来考核太阳能组件中旁路二极管性能的优劣。
IEC 61215 在 2016 年发布了新版标准，在新版标准中采用了与 2005 版标准完全不同的试验方案，因此有必要对 2005 版及 2016 版 IEC 61215 标准中旁路二极管热性能试验进行详尽的分析。
2 IEC61215：2005 旁路二极管试验平台
2.1 试验原理
IEC 61215：2005 中 10.18 bypass diode thermal test 给出了稳态法测试方案，通过测量旁路二极管的壳温，采用二极管生产商所提供的热阻系数，利用公式（1）计算旁路二极管的结温。
Tj = Tcase + RTHjc × UD × ID （1）
式中Tj：结温；Tcase：壳温；RTHjc：热阻；UD：压降；ID：电流。
2.2 试验设备
将待测太阳能组件放置在高温环境箱中，通过直流稳压源为待测太阳能组件提供稳压电流，利用数字万用表测量旁路二极管两端的压降。在待测太阳能组件每个旁路二极管的表面都粘贴热电偶，通过多功能记录仪采集并记录热电偶测得的壳温 Tcase。
2.3 试验过程
按照 IEC 61215：2005 中的试验要求，用高温环境箱加热到 75℃，使用直流稳压源输入大小为待测组件在 STC 下短路电流的稳压电流，并用数字万用表测量旁路二极管两端的压降。通电 1h，使用多功能记录仪记录旁路二极管的温度 Tcase。将得到的参数代入公式（1）中计算得到旁路二极管的结温。
3 IEC61215：2016 旁路二极管试验平台
3.1 试验原理
IEC 61215：2016 中 MQT18.1 bypass diode thermal test 给出了瞬态法测试方案，利用旁路二极管两端压降 UD 和结温 Tj 成线性关系的现象，通过测量几组不同 Tj 下 UD 的数值来拟合曲线函数，然后将旁路测得的旁路二极管工作时的压降 UD 代入函数计算旁路二极管工作时的结温 Tj。
3.2 试验设备
将待测太阳能组件放置在高温环境箱中，通过控制器控制直流稳压源为待测组件提供稳压电流和脉冲电流。从每个旁路二极管两端引出电源线连接到示波器，使用示波器读取旁路二极管的压降。
3.3 试验过程
按照 IEC 61215：2016 中的试验要求，旁路二极管试验步骤如下：
1.用高温试验箱加热到 30℃，用控制器控制直流稳压源施加一个脉宽 1ms，大小为STC 下短路电流的电流脉冲，用示波器测得旁路二极管上的压降 UD1；
2.重复上一步骤，测得温度为 50℃ 时的压降 UD2；
3.重复上一步骤，测得温度为 70℃ 时的压降 UD3；
4.重复上一步骤，测得温度为 90℃ 时的压降 UD4；
5.利用测得的不同温度下的 UD1、UD2、UD3 和 UD4 拟合出 Tj 和 UD 的曲线函数；
6.用高温试验箱加热到 75℃，用直流稳压源输入稳压电流，大小为待测组件在 STC 下的短路电流，通电 1h 后，用示波器测得旁路二极管上的压降 U；
7.将上一步测得的旁路二极管压降 U 代入第五步中拟合得到的曲线函数，推算出对应的 Tj。
4 试验结果分析
按照前文中所提到的试验设备和试验过程，选取三件待测太阳能组件进行旁路二极管热性能试验。以一块组件为例进行试验过程计算，该组件接线盒内安装有三个旁路二极管，短路电流 Isc 为 9.09A，旁路二极管的热阻 RTHjc 值为 2，最大允许结温 Tj 值为 200℃。
4.1IEC61215：2005 旁路二极管试验结果
利用数字万用表测量旁路二极管两端的压降UD1=0.388V，UD2=0.382V，UD3=0.380V。
通电 1h 后，多功能记录仪记录旁路二极管温度 Tcase：Tcase1¬ =117.8℃，Tcase2¬ =118.3℃，Tcase3 =111.9℃。
将获得的参数代入公式（1）进行计算，推算得到旁路二极管的结温Tj1=124.9℃，Tj2=125.2℃，Tj3=118.8℃。
4.2IEC61215：2016 旁路二极管试验结果
用示波器测得不同温度状态下旁路二极管上的压降 UD1、UD2、UD3 和 UD4。
30℃时，1#二极管上UD1=0.5853V、UD2=0.5780V、UD3=0.5748V 和 UD4=0.5658V；2#二极管上UD1=0.5958V、UD2=0.5908V、UD3=0.5883V和 UD4=0.5825V；3#二极管上UD1=0.5793V、UD2=0.5785V、UD3=0.5695V 和 UD4=0.5663V。
将数据进行线性拟合可得曲线函数如下：
U1 =0.5945−3.09×10−4Tj1 （2）
U2 =0.6020−2.11×10−4Tj2 （3）
U3 =0.5878−2.40×10−4Tj3 （4）
通电 1h 后，用示波器测得旁路二极管上的压降为U1=0.5583 V，U2=0.5583 V，U3=0.5583 V。
将旁路二极管的压降代入公式（2）-（4），可以推算得到旁路二极管的结温 Tj 为Tj1=117.3℃，Tj2=159.7℃，Tj3=120.9℃。
4.3 新旧标准试验结果对比
IEC 61215：2005 及 IEC 61215：2016 中旁路二极管热性能试验，结温测试结果如表1所示。
表 1：多件样品新旧标准旁路二极管试验测试结果.png)
新版标准中测得的最大结温 Tjmax 均比旧版标准中测得的高出 20℃ 到 30℃。因此可知，新版标准中旁路二极管热性能试验方法更加严苛。
5 总结
本文搭建了针对新旧两版旁路二极管热性能试验方案的设备平台，通过对不同厂家、不同旁路二极管类型的太阳能组件分别进行稳态法和瞬态法的旁路二极管试验，并对测得的试验结果进行对比分析，可以得到如下结论。
相比于 IEC 61215：2005 的试验方案，IEC 61215：2016的试验方案更加严苛，对太阳能厂家及旁路二极管厂家提出了更高的技术要求。
2005 版标准中采用的试验方案，需要由供应商提供重要的参数热阻 RTHjc。该值直接影响了旁路二极管试验的结果，因此十分依赖供应商的可靠性。而 2016 版标准中采用的试验方案，无需使用供应商提供的参数，可以提高试验的可靠性和准确性。
参考文献：
[1]李霁红，贾颖，康锐，等. 双极晶体管∆Vbe 瞬态热阻测试法精度修正 [J]. 半导体学报，2005，26（5）：1010-1014.
[2]李松丽，张俊. 两种旁路二极管结温测试方法的分析与比较 [J]. 上海计量测试，2013（1）：9-12.
[3]杨敏杰，张伟. 两种旁路二极管结温测试方法的分析与比较 [J]. 科技创新与应用，2013（20）：121-121.
论文作者:陈鹏
论文发表刊物:《电力设备》2019年第19期
论文发表时间:2020/1/15
标签：旁路论文; 组件论文; 测得论文; 太阳能论文; 电流论文; 标准论文; 示波器论文; 《电力设备》2019年第19期论文;