光伏組件熱斑電流保護裝置制造方法
【專利摘要】一種光伏組件熱斑電流保護裝置，由N型VDMOS管和集成控制電路組成，集成控制電路連接在N型VDMOS管的柵極和源極之間，用于采集太陽電池串的電流/電壓信號，在太陽電池串正常工作時，控制N型VDMOS管導(dǎo)通，在太陽電池串中非正常工作時，控制N型VDMOS管截止。當(dāng)組件在受遮擋時，局部的太陽電池片形成阻型狀態(tài)，承接了整個電池串的功率損耗，引起電池串產(chǎn)生異常的電流/電壓的變化，該裝置將關(guān)斷電路中的N型VDMOS管，使該路電池串的電流被阻斷，從而防止了電池片過度發(fā)熱而形成熱斑。
【專利說明】光伏組件熱斑電流保護裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及一種保護電路，具體涉對光伏組件中的硅太陽電池在工作時產(chǎn)生 的熱斑電流做適時保護。當(dāng)組件在工作的情況下，由于各種原因使組件中的太陽電池片產(chǎn) 生可能形成熱斑的電流，保護裝置將迅速切斷該故障電池的電池串電流，防止故障電池片 的進一步過熱。對太陽電池片起到了保護作用，延長了太陽電池片的使用壽命。該保護裝置 也具備替代旁路作用的肖特基二極管，其自身產(chǎn)生的熱功耗也小于常規(guī)的肖特基二極管。 同時該裝置具有過熱保護，可以保證組件接線盒的安全工作。
[0002] 該裝置集成在一塊集成電路中，利用高壓集成電路工藝制作。選用N型和P型 VDM0S功率管作為功率執(zhí)行元件。通過功率集成電路的封裝形式，封裝成一塊功率集成電 路。

【背景技術(shù)】
[0003] (1)如圖1所示，光伏系統(tǒng)的組件10中，均有旁路二極管20對太陽電池串30進行 保護，旁路二極管20由一種金屬-半導(dǎo)體接觸形成PN結(jié)二極管擔(dān)任，稱為肖特基二極管。 正常工作狀態(tài)下，旁路二極管處于反向偏置，不影響太陽電池串的工作。組件工作時，太陽 電池串中的一個或數(shù)個太陽電池片40由于陰影遮擋，局部短路，熱斑等情況出現(xiàn)，局部區(qū) 域呈現(xiàn)出阻型特征，產(chǎn)生故障電壓。故障電壓與所在太陽電池串30的光生伏打電壓極性相 反。當(dāng)，
[0004] 故障電壓〉電池串光生伏打電壓+二極管正向開啟電壓
[0005] 后，短路二極管就開啟，旁路（by-pass) 了故障電池串的電流。防止太陽電池串中 的某些太陽電池片產(chǎn)生過大的局部熱量而損毀太陽電池片。
[0006] 組件中太陽電池串的電流50大致在5. 4A (125x125mm2面積電池片）和8. 5A (156x156mm2面積電池片），太陽電池串中的某些電池片由于各種原因（陰影遮擋，局部短 路，微裂等)呈現(xiàn)電阻型狀態(tài)，就會生成反向電壓。同時在呈電阻性的區(qū)域產(chǎn)生大量的熱，直 至反向電壓逐步超過短路二極管的開啟電壓，短路二極管才起到了短路保護的作用。
[0007] 所以，在太陽電池片某些局部區(qū)域的呈阻型狀態(tài)時，這些區(qū)域會產(chǎn)生逆向的故障 電壓。直至故障電壓超過了旁路二極管的開啟電壓，旁路二極管才能起到旁路保護的作用， 太陽電池串的電流才會的大大減小。在這個過程中，呈阻型的故障區(qū)域始終有很大的電流 流過，形成過熱。這個過程會反復(fù)重復(fù)，時間長了就會在太陽電池的局部區(qū)域產(chǎn)生熱斑，直 至太陽電池被損壞。
[0008] 問題的關(guān)鍵是：旁路二極管在太陽電池板正常工作時，是呈反向偏置狀態(tài)的(見圖 1)。旁路二極管通常采用硅肖特基二極管，開啟電壓在0.5V左右。所以要使旁路二極管 處正向的開啟狀態(tài)，必須是故障區(qū)域所產(chǎn)生的反向電壓要大于電池串的電壓（24只電池串 在不同的日照條件下一般在8-13V左右)，再加上肖特基二極管的開啟電壓(一般在0. 5V左 右)。
[0009] 故障區(qū)域的反向電壓上升至負(fù)的8-13V (相對于太陽電池串的正向電壓）時，太陽 電池的故障性區(qū)域?qū)艿酱箅娏魍ㄟ^的作用而被加熱。反復(fù)重復(fù)，最后形成熱斑。解決 方法是：一旦故障區(qū)域產(chǎn)成反向電壓時，就立刻切斷太陽電池串的電流，從而防止局部過 熱反復(fù)發(fā)生，從根本上解決熱斑的產(chǎn)生。
[0010] (2)旁路二極管通常被裝置在接線盒里，接線盒固定在組件的背面，接線盒是組件 的一個組成部件。一般一串太陽電池片（12-24片不等組成）使用一只旁路二極管。對于 大小不一的組件（1-3串太陽電池組)，接線盒內(nèi)的短路二極管為1-3只不等。
[0011] 接線盒是一個完全封閉的塑料材料的部件，一般安放在組件背面。在組件的裝配 過程中，接線盒的開口部分最后用硅膠類的物質(zhì)填充，用以防濕防漏。所以二極管的散熱條 件較差。旁路二極管在執(zhí)行旁路的狀態(tài)下，通常會有5. 4A-8. 5A的電流通過(分別對應(yīng)于電 池片的面積為125xl25mm2和156xl56mm2)。如果二極管的正向?qū)妷涸?. 5V左右的話， 二極管的自身功率則在2. 5W-4W左右。這樣的功率會產(chǎn)生很大的熱量，使接線盒內(nèi)的溫度 不斷升高，直至燃燒。甚至可以燃燒至組件或組件所附屬的載體(如屋頂)。
[0012] 增加接線盒的散熱過程是解決上述問題的有效途徑，如加大接線盒的熱容量，增 加散熱面積和散熱條件等。但是接線盒是一個完全密封的部件，有非常嚴(yán)格的防水防濕等 強制性的認(rèn)證要求。通過加快散熱過程的思路來解決散熱問題，勢必通過增加盒內(nèi)的熱容 量，加大散熱面積，改進散熱循環(huán)條件等方法，這些都會相應(yīng)的使成本增加。
[0013] 降低旁路二極管的自身導(dǎo)通功耗是另一個途徑，它從減少發(fā)熱體的自身功耗來減 少熱量的產(chǎn)生。如從早期的結(jié)性二極管(導(dǎo)通電壓在〇. 7V左右);到現(xiàn)行的肖特基二極管(導(dǎo) 通電壓在0. 5V左右);直至最新出現(xiàn)的VDM0S器件(飽和態(tài)的導(dǎo)通電壓為0. IV左右）。即便 這樣，二極管的自身功耗也在1-2W以上。隨著太陽電池片的單片電流不斷的上升，將對短 路二極管的要求越來越高。通過降低自身功耗的手段則越來越弱。
[0014] 旁路二極管的功能是起到了電壓敏感器的作用，一旦由于某種原因產(chǎn)生了正向電 壓，且此正向電壓超過了旁路二極管的開啟電壓，旁路二極管即起到了旁路的作用，保護了 組件中的太陽電池串不會產(chǎn)生過熱而損害。但是旁路二極管在工作時同時也產(chǎn)生了熱量， 在封閉環(huán)境的接線盒中，熱量不易散熱，積聚后會過熱，甚至引起燃燒。 實用新型內(nèi)容
[0015] 針對上述的情況，本實用新型提供一種光伏組件熱斑電流保護裝置，該裝置能夠 阻止故障電池片的局部發(fā)熱，延長電池片的使用壽命。
[0016] 實現(xiàn)本實用新型的技術(shù)方案是：一種光伏組件熱斑電流保護裝置，由N型VDM0S管 和集成控制電路組成，集成控制電路連接在N型VDM0S管的柵極和源極之間，用于采集太陽 電池串的電流/電壓信號，控制N型VDM0S管的開與關(guān)；在太陽電池串正常向工作時，即電 流或電壓處正常狀態(tài)時，控制N型VDM0S管導(dǎo)通打開，在太陽電池串工作異常時，即電壓降 低或電流異常時，則控制N型VDM0S管關(guān)斷截止。
[0017] 作為本實用新型的進一步改進，所述光伏組件熱斑電流保護裝置還包括一個二極 管，這個二極管是指肖特基二極管。二極管的正極連接N型VDM0S管的漏極，負(fù)極連接集成 控制電路。
[0018] 作為本實用新型的進一步改進，所述光伏組件熱斑電流保護裝置還包括一個P型 VDM0S管，P型VDM0S管的源極連接N型VDM0S管的漏極，柵極和漏極連接集成控制電路。 其P型VDMOS管實際上是用來替代肖特基二極管。
[0019] 本實用新型在組件的各個電池串中加入了一個作為阻塞用的集成電路功率器件， 如圖2所示。用于當(dāng)熱斑，遮擋等原因在太陽電池串中產(chǎn)出電流時，切斷該電池串的電流， 使太陽電池串中無電流流過，阻止了故障電池片的局部發(fā)熱，而達到保護電池片局部發(fā)熱 而引起的電池失效，延長了電池片的使用壽命。其主要的功率阻斷元件為大功率的N型 VDM0S管。組件電池串的旁路用的功率元件，可以是目前流行的肖特基二極管，也可以用P 型VDM0S管替代。本實用新型將控制電路，阻塞用的功率器件，旁路用功率器件集成在一只 集成電路的電路中，可以達到對組件電池串的熱斑，遮擋等引起的電池片局部過熱保護；也 可以對組件接線盒的溫升起到過熱保護。
[0020] 作為本實用新型的進一步改進，所述集成控制電路由基準(zhǔn)電路、采樣電路、比較電 路、控制電路驅(qū)動電路和電源組成；
[0021] 所述基準(zhǔn)電路用于提供穩(wěn)定的基準(zhǔn)參考電壓；
[0022] 所述采樣電路適時萃取太陽能組件中太陽電池串在運行時的數(shù)據(jù)；
[0023] 所述控制電路對采集的數(shù)據(jù)和基準(zhǔn)數(shù)據(jù)做比較，并將信號傳遞給驅(qū)動電路；
[0024] 所述驅(qū)動電路驅(qū)動所述N型VDM0S管執(zhí)行"開"或"關(guān)"的動作。
[0025] 作為本實用新型的進一步改進，所述集成控制電路還具有過熱保護功能，當(dāng)環(huán)境 溫度高于設(shè)定值時，控制N型VDM0S管截止。
[0026] 作為本實用新型的進一步改進，所述集成控制電路還包括溫度保護電路，用于檢 測集成控制電路的溫度，當(dāng)溫度高于第一設(shè)定值時，輸出信號至控制電路，控制驅(qū)動電路關(guān) 斷所述N型VDM0S管；當(dāng)溫度低于第二設(shè)定值時，輸出信號至控制電路，控制驅(qū)動電路打開 所述N型VDM0S管。
[0027] 作為本實用新型的進一步改進，所述溫度保護電路的滯豫寬度為20°C -40°C。
[0028] 將該裝置串聯(lián)在組件的太陽電池串中，可以控制電池串中電流的導(dǎo)通與阻斷狀 態(tài)，及時防止組件中電池串的異常工作狀況，快速地抑制了由于局部過熱而產(chǎn)生的電池片 熱斑，減少了電池片的損害，也增加了組件的壽命。由于該效果對異常工作下的功率損失有 彌補作用，所以在遮擋情況下，可以減少輸出功率的損失，對灰塵等極小的遮擋也起到了 有效的減少功率輸出的作用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0029] 圖1為現(xiàn)有的太陽能組件；
[0030] 圖2為本實用新型實施例1光伏組件熱斑電流保護裝置與太陽能電池串連接的結(jié) 構(gòu)示意圖；
[0031] 圖3為本實用新型實施例2光伏組件熱斑電流保護裝置與太陽能電池串連接的結(jié) 構(gòu)示意圖；
[0032] 圖4為本實用新型實施例3光伏組件熱斑電流保護裝置與太陽能電池串連接的結(jié) 構(gòu)示意圖；
[0033] 圖5為本實用新型實施例中集成控制電路的結(jié)構(gòu)框圖；
[0034] 圖6為本實用新型實施例2光伏組件熱斑電流保護裝置的結(jié)構(gòu)框圖；
[0035] 圖7為本實用新型實施例3光伏組件熱斑電流保護裝置的結(jié)構(gòu)框圖；
[0036] 圖8為本實用新型實施例1光伏組件熱斑電流保護裝置的電路示意圖；
[0037] 圖9為本實用新型實施例2光伏組件熱斑電流保護裝置的電路示意圖；
[0038] 圖10為本實用新型實施例2光伏組件熱斑電流保護裝置的電路示意圖。

【具體實施方式】
[0039] 實施例1
[0040] 如圖2所示，一種光伏組件熱斑電流保護裝置1，由N型VDM0S管2和集成控制電 路3組成，集成控制電路3連接在N型VDM0S管2的柵極和源極之間，用于采集太陽電池串 的電流/電壓，當(dāng)太陽電池串正常工作時，即產(chǎn)生正常的電流/電壓時，控制N型VDM0S管 2導(dǎo)通，在太陽電池串中異常工作時，即電流/電壓50低于正常值時，控制N型VDM0S管截 止。
[0041] 集成控制電路的功率管，采用N型VDM0S管，其主要特點為導(dǎo)通電阻小于7毫歐 姆，在導(dǎo)通狀態(tài)下，功率損耗小于1W。
[0042] 如圖5所示，集成控制電路由基準(zhǔn)電路、采樣電路、比較電路、控制電路、驅(qū)動電路 和電源組成；基準(zhǔn)電路用于提供穩(wěn)定的基準(zhǔn)參考電壓。采樣電路適時萃取太陽能組件中太 陽電池串在運行時的數(shù)據(jù)。控制電路對采集的數(shù)據(jù)和基準(zhǔn)數(shù)據(jù)做比較，并將信號傳遞給驅(qū) 動電路。驅(qū)動電路驅(qū)動N型VDM0S管執(zhí)行"開"或"關(guān)"的動作。
[0043] 如圖8所示，光伏組件熱斑電流保護裝置1顯示在圖中的粗實線框中，是一塊功率 控制集成電路（24V)，本實施例可以直接用于現(xiàn)行的組件接線盒內(nèi)，與現(xiàn)有的肖特基旁路二 極管4合并使用。由基準(zhǔn)、采樣、比較、控制和驅(qū)動等電路組成。其中，圖中電源模塊6由電 源和電容C1和C2組成，為整個集成電路提供電源；采樣電路7由電阻R4和可變電阻RT組 成，用于萃取外部的電流/電壓的變化信息；是控制電路8采用比較器，根據(jù)采用數(shù)據(jù)的結(jié) 果來決定工作狀態(tài)；驅(qū)動電路9主要包括PM0S管Q2,用于驅(qū)動大功率的N型VDM0S管；基 準(zhǔn)電路11是用作比較器的基準(zhǔn)電壓，一旦采樣電壓低于基準(zhǔn)電壓，光伏組件熱斑電流保護 裝置1將會通過控制電路8和驅(qū)動電路9去關(guān)斷阻斷用的N型功率VDM0S管2,從而切斷電 池串的電流，同時打開短旁用的肖特基旁路二極管4,將該電池串旁路。
[0044] 運用該方案得到的實驗結(jié)果如下表：
[0045] 圓…aiiiiattS丨圓…__________________SSS1圓………丨丨EiSSal丨丨丨…丨丨…SilffSl.................................................................................................................. 平?實時功率 C費β二 營}(旁豔二極營> (ΜΜΚΙ ^_輸/天> _____________ <llff串 I4flf導(dǎo)串 2) 比較數(shù)爾 7 027 6.卿 0.H8 (】0天以上灰塵） iSttUC 7^402 7.358 0J44 (10天以上灰生? .tSftliC 10 027 iO-262 -0 235 WHS|am iftturc 6.S37 6.717 0.120 (?天湯法麵件）
[0046] 說明：
[0047] 1.組件串1是對比的標(biāo)準(zhǔn)組件串。組件串1在常態(tài)工作情況下(工作在10天以 上的灰塵條件下)，與組件串2的功率差別為0. 118KWh/天。即組件串2每天平均比組件串 1 少發(fā) 0. 118KWh 電。
[0048] 2.組件串2增加了該項目的1C (控制電路簡稱1C)后，平均每天只比常規(guī)的組件 串1少發(fā)0. 〇44KWh電。也就是說每天少損失0. 074KWh電量，全年大約27KWh。
[0049] 3.如果組件中的電池片有遮擋，增加1C后的組件串將比標(biāo)準(zhǔn)組件串每天多出 0. 235KWh的電量。
[0050] 4.如果組件每天都清洗清潔，那么增加1C的組件串與沒有增加1C (即只有旁路 二極管）的數(shù)據(jù)相當(dāng)。
[0051] 實施例2
[0052] 如圖3、6和9所示，本實施例與實施例1的不同之處在于，光伏組件熱斑電流保 護裝置1還包括一個二極管4,二極管4的正極連接N型VDM0S管2的漏極，負(fù)極連接集成 控制電路3。本實施例中將旁路二極管集成在光伏組件熱斑電流保護裝置1中，利用肖特 基二極管作為旁路二極管；N型VDM0S管作為阻塞用的功率器件，N型VDM0S管導(dǎo)通電阻 Ron〈7mQ。圖9中的粗虛線框中是光伏組件熱斑電流保護裝置1的電路圖。通過多芯片的 封裝形式，將控制電路3與N型VDM0S管2封裝在一塊功率集成電路的電路中。最終形成 一塊單一整體的光伏組件熱斑電流保護裝置的形式。
[0053] 本實施例將控制電路、阻塞用的N型VDM0S管和肖特基旁路二極管，同時封裝在一 塊功率控制集成電路中。它可以完全替代現(xiàn)有的肖特基旁路二極管，而獨立使用。
[0054] 實施例3
[0055] 如圖4、7和10所示，本實施例與實施例2的區(qū)別在于，用P型VDM0S管5替代肖特 基旁路二極管4。本實施例將控制電路、阻塞用的N型VDM0S管和旁路用的P型VDM0S管， 同時封裝在一塊功率集成電路的電路中。原旁路用的肖特基二極管用P型VDM0S管替代， 由于導(dǎo)通阻抗小而降低了功率損耗，熱耗散也大大降低。本實施例比實施例2的自身功率 耗散更低。
[0056] 如圖10所示，光伏組件熱斑電流保護裝置1顯示在圖中的粗實線框中，是一塊集 成電路（24V)。由基準(zhǔn)、采樣、比較、控制、保護和驅(qū)動等電路組成。其中，基準(zhǔn)電路是用作比 較器的基準(zhǔn)電壓，一旦采樣電壓低于基準(zhǔn)電壓，將會通過控制器和驅(qū)動電路去關(guān)斷阻斷用 的N型功率VDMOS管，從而切斷電池串的電流。同時打開短旁用的P型VDMOS管，將該電池 串旁路。保護電路設(shè)置在驅(qū)動模塊9中，主要是起到電路溫度保護的作用，保護電路中設(shè)有 溫度控制二極管15,利用二極管PN結(jié)的溫度特性來達到溫度控制的目的。在當(dāng)環(huán)境溫度上 升到125°C時，二極管15輸出信號至控制電路，直接關(guān)斷阻塞的N型VDMOS，從而阻斷了電 池串的電流。減少了旁路功率器件（肖特基二極管或P型VDMOS管）的無限制溫升，阻斷了 電池串的電流，也阻止了電池片的局部溫升。同時由于減少了旁路功率元件的溫升，也保護 了組件接線盒的安全。保護電路具有滯豫特性(施密特特性)，滯豫寬度為20°C-40°C。即 環(huán)境溫度上升到125°C時關(guān)閉N型VDMOS管，溫度下降到85°C或105°C時才能夠再打開N型 VDMOS管。最有效的保護了器件的溫度工作。同時由于器件的最高溫度不會超過125°C，所 以也保證了組件接線盒的安全使用。
【權(quán)利要求】
1. 一種光伏組件熱斑電流保護裝置，其特征是，該裝置由N型VDMOS管和集成控制電路 組成，集成控制電路連接在N型VDM0S管的柵極和源極之間，用于采集太陽電池串的電流/ 電壓信號，控制N型VDM0S管的開與關(guān)；在太陽電池串正常工作時，即電流或電壓處正常狀 態(tài)時，控制N型VDM0S管導(dǎo)通打開，在太陽電池串工作異常時，即電壓或電流異常時，控制N 型VDM0S管關(guān)斷截止。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏組件熱斑電流保護裝置，其特征是，該裝置還包括一個 肖特基二極管，肖特基二極管的正極連接N型VDM0S管的漏極，負(fù)極連接集成控制電路。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏組件熱斑電流保護裝置，其特征是，該裝置還包括一個 P型VDM0S管，P型VDM0S管的源極連接N型VDM0S管的漏極，柵極和漏極連接集成控制電 路。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏組件熱斑電流保護裝置，其特征是，所述集成控制電路 還具有過熱保護功能，當(dāng)環(huán)境溫度高于設(shè)定值時，控制N型VDM0S管截止。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的光伏組件熱斑電流保護裝置，其特征是，所述集成控 制電路由基準(zhǔn)電路、采樣電路、比較電路、控制電路驅(qū)動電路和電源組成； 所述基準(zhǔn)電路用于提供穩(wěn)定的基準(zhǔn)參考電壓； 所述采樣電路用于適時萃取太陽能組件中太陽電池串在運行時的數(shù)據(jù)； 所述控制電路用于對采集的數(shù)據(jù)和基準(zhǔn)數(shù)據(jù)做比較，并將信號傳遞給驅(qū)動電路； 所述驅(qū)動電路用于驅(qū)動N型VDM0S管執(zhí)行"開"或"關(guān)"的動作。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的光伏組件熱斑電流保護裝置，其特征是，所述集成控制電路 還包括溫度保護電路，用于檢測集成控制電路的溫度，當(dāng)溫度高于第一設(shè)定值時，輸出信號 至控制電路，控制驅(qū)動電路關(guān)斷所述N型VDM0S管；當(dāng)溫度低于第二設(shè)定值時，輸出信號至 控制電路，控制驅(qū)動電路打開所述N型VDM0S管。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的光伏組件熱斑電流保護裝置，其特征是，所述溫度保護電路 的滯豫寬度為20°C -40°C。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的光伏組件熱斑電流保護裝置，其特征是，所述溫度保護電路 設(shè)有溫度控制二極管，在當(dāng)環(huán)境溫度上升到125°C時，二極管輸出信號至控制電路，關(guān)斷阻 塞的N型VDM0S。
【文檔編號】H02H5/04GK203911455SQ201420181108
【公開日】2014年10月29日 申請日期:2014年4月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月15日
【發(fā)明者】蔡世俊, 馬江旭, 趙勝男 申請人:南京安珈源電子有限公司