理想二极管在光伏系统中的应用

引言

在全球范围内，参与气候行动计划、减少碳排放以及降低化石能源使用已成为普遍共识。这使得新能源在生产生活中的应用越来越广泛。其中，光伏发电凭借其易于实施、规模可控、成本低廉等优势，在众多新能源技术中脱颖而出。随着生产技术的不断提升，光伏发电成本持续下降，度电成本逐年降低。

光伏应用形态日趋多样化，从最初大规模集中式地面电站，到如今灵活部署的组串式电站，再到满足工商业需求的光储一体化电站，以及面向家庭用户的户用光储系统和阳台光伏系统，应用场景不断拓展。

在发电领域，无论是大型电站还是户用光伏系统，降低度电成本始终是行业的核心目标。通过持续的材料创新和技术优化，光伏电池转换效率不断提升，已逐步逼近理论极限。同时，光伏组件功率的持续提升也为进一步降低度电成本提供了有力支撑。

安全性是光伏发电的另一个关键指标，主要体现在两个方面：首先是使用寿命，光伏组件设计寿命长达30年，确保其长期安全稳定运行至关重要；其次是运行安全，包括预防光伏系统可能出现的拉弧、火灾等安全隐患，以及建立完善的故障维修和消防应急机制。

为提升系统效率和安全性，光伏组件正经历从传统型向智能化的转型升级。下文将重点介绍大电流组件的技术特点，以及在组件智能化进程中，光伏旁路二极管如何为系统安全提供可靠保障。

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0uS。当二极管接近理想时候，就在正向导通时候，功耗更低和温升更小。反向截止时候，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

传统光伏组件为应对串联系统中因遮挡引发的热斑效应，通常在组件接线盒中配置肖特基旁路二极管。目前主流光伏组件采用三串电池片结构，每串电池片由多个光伏电池通过串并联方式组成。各串电池片通过接线盒实现电气连接，接线盒内集成旁路二极管保护电路。在正常工作状态下，旁路二极管处于反向偏置截止状态；当组件出现遮挡或故障时，二极管正向导通，形成旁路通道，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。

图1 光伏接线盒工作原理

传统组件接线盒使用肖特基二极管，存在如下问题：

肖特基二极管正向导通压降约为500mv，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的功率，当流过光伏板的串联电流是30A，那么肖特基二极管上功率就是15W，当夏季强光日照下，接线盒所处的环境温度可能高达75度以上，15W的功率消耗，可能造成温度大幅度上升，极限情况会超过肖特基二极管最高结温，加速了肖特基二极管的老化。

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mA级别，在一定程度上消耗了发电的电流。

如果使用理想的旁路二极管代替肖特基二极管，正向导通电压极限情况导通电压低于100mV，功耗降低了接近80%，这样有效的降低了接线盒自身功耗，同样散热条件和通流对比，采用理想旁路的二极管接线盒比肖特基二极管的接线盒，温度可以低60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到1uA以下，远远小于肖特基二极管mA级别的反向漏电，减少了电流的消耗，就提升发电效率，而且没有热逃逸的风险。

表1 光伏接线盒场景 理想旁路二极管与肖特基二极管性能对比

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最大区别是都是基于硅的技术，可靠性和寿命都可以使用同样加速因子进行计算。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℃，根据一下老化加速公式计算。

AF为加速系数；

Ea为活化能，0.67eV；

K为玻尔兹曼常数 8.623*E-5 eV/K；

Tuse 工作温度热力学温度值；

TAcce 老化实验的热力学温度值；

表2 根据老化模型推演理想二极管与肖特基二极管可以承受遮挡时间

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。当出现光伏板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按照20A的电流通流，将会有达到12W的功耗，而常用的PCB由于自身150摄氏度最高温度限制，已经无法满足要求，由于优化器上体积较小，这样的高温也会带来器件老化或者损坏。使用多个肖特基并联可以降低散热，但是会增加了PCB的面积和成本，肖特基二极管之间导通电压不平衡也会造成单体二极管过热问题。

在20A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，可以大幅度降低温度。在使用典型2mohm MOSFET阻抗情况下，85度的环境温度，常规PCB尺寸下，仍然可以控制在125度 MOSFET的CASE温度。

图2 光伏优化器中旁路二极管的使用

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，从而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，心跳消失，严重遮挡或者光伏板连接出现问题时候，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低功耗的旁路需求，也能提供更低的反偏置的漏电特性。

图3 关断器中旁路二极管的使用

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都能保证设备高可靠，小体积和低功耗。随着光伏组件效率越来越高，电流越来越多大，针对光伏系统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。

华太公司二极管介绍

华太公司的光伏理想二极管有三种形态，分别是

MSOP8控制器型：可以外接MOSFET实现光伏旁路作用，可以用在关断器和优化器等带有PCB的系统中。

TO-263型：有100V-30A和40V-30A, 40V-40A的三个产品，可以用在光伏关断器，优化器和接线盒中。

接线盒型：40V-30A和40V-35A的两类产品，封装可提供定制，主要用于大电接线盒中。

MSOP8型控制器

TO-263型

接线盒型

结语

在光伏系统技术演进中，无论是面向大电流组件的新型旁路方案，还是提升组件智能化的关断器和优化器技术，采用理想二极管替代传统肖特基二极管都带来了显著的技术突破。这一升级在多个关键性能指标上实现了质的飞跃：显著降低了正向导通功耗和工作温度，有效改善了反向漏电流特性，同时大幅提升了系统可靠性和使用寿命。这些技术改进共同确保了光伏组件能够更加安全、稳定地运行。