集成电路在光伏组件中的应用及其可靠性研究

　　摘要：MOSFET集成电路表现出正向压降较低，反向漏电流较小的特性，可以作为光伏接线盒的旁路开关，提高光伏阵列的输出功率。在分析MOSFET集成电路工作原理的基础上，以肖特基二极管和MOSFET集成电路作为样本，在相同的测试条件下研究了两种器件的高温耐焊性和抗静电性能。最后，对两种器件应用于光伏接线盒中的结温进行对比研究。实验结果表明，肖特基二极管的最大结温为152.9℃，而MOSFET集成电路的最大结温仅为102.1℃，两者相差50.8℃。因而，MOSFET集成电路具有可靠性良好和结温低的特性，非常适合作为光伏接线盒的旁路开关，可以有效降低热斑对光伏组件功率输出的影响。
　　关键词：光伏组件；热斑；旁路开关；MOSFET集成电路
　　当光伏组件发生热斑现象时，不仅会对太阳能电池造成损害，也会影响组件封装材料的长期可靠性。而旁路开关作为光伏接线盒中的一个核心部件，应用于光伏组件中，可以通过旁路电池串，减少热斑对太阳能电池和组件封装材料的影响。随着光伏应用技术的不断发展，对光伏接线盒旁路开关的功耗和可靠性提出了更高的要求。研究表明，高温和静电是直接影响旁路开关失效的原因。本文综合分析了肖特基二极管和MOSFET集成电路的正向压降、反向漏电流、耐高温性能以及抗静电性能。然后，将两种器件装配到光伏接线盒中，对比研究两种器件的结温变化。分析结果表明MOSFET集成电路具有更低的正向压降、更小的反向漏电流以及更小的结温，特别适合作为光伏接线盒的旁路开关。
　　一、MOSFET集成电路作为旁路开关的工作原理
　　新型MOSFET集成电路，主要包括N沟道MOSFET、电荷泵、比较器、MOSFET驱动电路、低阻抗开关电路及电容，可以实现旁路整流功能，并且具有更低的正向压降和更小的反向漏电流。MOSFET集成电路处于正向偏置的时候，分为导通和截止两种工作状态。初始时，电路处于截止状态，当有高电压VH驱动内部电路工作，持续TH时间后，MOSFET导通，电路进入导通状态。此时电路两端电压降为低电压VL，持续TL时间后，MOSFET截止，电路进入截止状态，从而完成一个工作周期。通过对TH和TL进行调整，可以降低电路的平均导通电压，从而降低电路功耗。
　　二、实验部分
　　1、实验样品、仪器及测试条件。本实验测试样品分别为肖特基二极管、MOSFET集成电路、以肖特基二极管为旁路开关的光伏接线盒和以MOSFET集成电路为旁路开关的光伏接线盒。测试设备为：二极管测试仪、高温焊台、静电枪、高低温试验箱、测温计。正向电压和反向漏电流的测试条件分别为：正向电压在25℃温度条件下，通16.5A电流进行测试；反向漏电流在25℃温度条件下，使用40V反向电压进行测试。
　　2、实验内容。（1）高温耐焊性能测试。通过高温焊台对肖特基二极管（样品S1#、S2#和S3#）和MOSFET集成电路（样品M1#、M2#、M3#），在400℃条件下加热1分钟，研究加热前后肖特基二极管和MOSFET集成电路的正向压降和反向漏电流的变化。加热前，样品S1#、S2#、S3#的初始正向电压分别为375mV、378mV、376mV，初始反向漏电流分别为28700nA、29200nA、30200nA；样品M1#、M2#、M3#的初始正向电压分别为65mV、69mV、66 mV，初始反向漏电流分别为15nA、15 A、16nA。然后，将完成初始测试的肖特基二极管和MOSFET集成电路测试样品放到高温焊台上加热1分钟后，取下样品静置4小时，待样品温度恢复到室温后进行测试。加热后，样品S1#、S2#、S3#的初始正向电压分别为380mV、385mV、389mV，初始反向漏电流分别为31400nA、31300nA、31200 nA；样品M1#、M2#、M3#的初始正向电压分别为69mV、69mV、66mV，初始反向漏电流分别为27nA、20nA、13nA。（2）抗静电性能测试。以肖特基二极管（样品S4#、S5#和S6#）和MOSFET集成电路（样品M4#、M5#、M6#）为样品，首先，测试样品的初始正向压降和反向漏电流。接着，使用静电枪，以30KV电压对每个测试样品进行抗静电测试。静电枪对每个样品阴极操作5次（即负向测试）后，测试样品的正向压降和反向漏电流，静置1小时后，静电枪再对每个样品阳极操作5次（即正向测试）后，测试样品的正向压降和反向漏电流。每次静电测试结束后，静置1小时，循环3次。测试发现，静电测试前后样品的的正向压降和反向漏电流变化均很微小。（3）结温性能测试。选取以肖特基二极管为旁路开关的光伏接线盒和以MOSFET集成电路为旁路开关的光伏接线盒各一套作为测试样品，按照IEC61215标准中的旁路二极管热性能试验测试方法。通12.5A的恒定电流，对样品进行结温性能测试。试验测得，肖特基二極管的结温为152.9℃，MOSFET集成电路的结温为102.1℃。
　　三、结果与讨论
　　1、焊接高温对旁路开关性能的影响。光伏接线盒焊接操作时，电烙铁的高温通过铜基板会迅速传导到旁路开关位置，很容易造成旁路开关的热击穿。所以，作为传统旁路开关的肖特基二极管，高温耐焊性是一项重要的测试。由实验数据可以得出MOSFET集成电路作为旁路开关使用，有着优良的高温耐焊性能，不会在接线盒焊接时出现旁路开关热击穿的问题。
　　2、静电对旁路开关性能的影响。由于在光伏行业，接线盒的焊接多采用人工焊接方式，操作人员所携带的静电很容易造成芯片类器件的静电击穿，所以作为光伏接线盒的旁路开关必须具备优良的抗静电性能。本文是以30KV电压分别对肖特基二极管和MOSFET集成电路进行抗静电测试，发现测试前后，样品的正向压降和反向漏电流均无异常波动，未出现静电击穿现象。说明MOSFET集成电路作为旁路开关和肖特基二极管一样都具备优良的抗静电性能，可靠性良好。
　　3、不同类型旁路开关的结温变化。由结温性能测试结果可以看出，作为接线盒旁路开关， MOSFET集成电路的结温比肖特基二极管的结温低50.8℃。以功率Pmax温度系数为- 0.40%/℃的多晶电池为例，当发生热斑时，接线盒附近的电池片温度降低50.8℃，会降低20.32%的电池片功率损耗，进而降低整个组件的功率损耗。所以，使用MOSFET集成电路作为旁路开关，当光伏组件发生热斑现象时，接线盒附近区域温度会相对较低，可以降低热斑对组件功率输出的影响。
　　四、结语
　　本文对MOSFET集成电路作为旁路开关的工作原理进行分析，并与肖特基二极管为对比，分析其高温可焊性、抗静电性能以及结温特性。通过实验验证，MOSFET集成电路具有优良的高温耐焊性、极强的抗静电性能以及较低的结温特性，且MOSFET集成电路正向压降较低和反向漏电流较小，所以MOSFET集成电路具有功耗较低，可靠性良好的特性，非常适合作为光伏接线盒的旁路开关，可以有效降低热斑对组件功率输出的影响。