CN103904616A - 光伏组件热斑电流保护装置 - Google Patents

Abstract

一种光伏组件热斑电流保护装置，由N型VDMOS管和集成控制电路组成，集成控制电路连接在N型VDMOS管的栅极和源极之间，用于采集太阳电池串的电流/电压信号，在太阳电池串正常工作时，控制N型VDMOS管导通，在太阳电池串中非正常工作时，控制N型VDMOS管截止。当组件在受遮挡时，局部的太阳电池片形成阻型状态，承接了整个电池串的功率损耗，引起电池串产生异常的电流/电压的变化，该装置将关断电路中的N型VDMOS管，使该路电池串的电流被阻断，从而防止了电池片过度发热而形成热斑。

Description

光伏组件热斑电流保护装置

技术领域

本发明涉及一种保护电路，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。 

降低旁路二极管的自身导通功耗是另一个途径，它从减少发热体的自身功耗来减少热量的产生。如从早期的结性二极管（导通电压在0.7V左右）；到现行的肖特基二极管（导通电压在0.5V左右）；直至最新出现的VDMOS器件（饱和态的导通电压为0.1V左右）。即便这样，二极管的自身功耗也在1-2W以上。随着太阳电池片的单片电流不断的上升，将对短路二极管的要求越来越高。通过降低自身功耗的手段则越来越弱。 

旁路二极管的功能是起到了电压敏感器的作用，一旦由于某种原因产生了正向电压，且此正向电压超过了旁路二极管的开启电压，旁路二极管即起到了旁路的作用，保护了组件中的太阳电池串不会产生过热而损害。但是旁路二极管在工作时同时也产生了热量，在封闭环境的接线盒中，热量不易散热，积聚后会过热，甚至引起燃烧。 

发明内容

针对上述的情况，本发明提供一种光伏组件热斑电流保护装置，该装置能够阻止故障电池片的局部发热，延长电池片的使用寿命。 

实现本发明的技术方案是：一种光伏组件热斑电流保护装置，由N型VDMOS管和集成控制电路组成，串接在组件的电池串中，集成控制电路用于采集太阳电池串的电流/电压信号，控制N型VDMOS管的开与关；在太阳电池串正常向工作时，即电流或电压处正常状态时，控制N型VDMOS管导通打开，在太阳电池串工作异常时，即电压降低或电流异常时，则控制N型VDMOS管关断截止。 

作为本发明的进一步改进，所述光伏组件热斑电流保护装置还包括一个二极管，这个二极管是指肖特基二极管。二极管的正极连接N型VDMOS管的漏极，负极连接集成控制电路。    

作为本发明的进一步改进，所述光伏组件热斑电流保护装置还包括一个P型VDMOS管，P型VDMOS管的源极连接N型VDMOS管的漏极，栅极和漏极连接集成控制电路。其P型VDMOS管实际上是用来替代肖特基二极管。

本发明在组件的各个电池串中加入了一个作为阻塞用的集成电路功率器件，如图2所示。用于当热斑，遮挡等原因在太阳电池串中产出电流时，切断该电池串的电流，使太阳电池串中无电流流过，阻止了故障电池片的局部发热，而达到保护电池片局部发热而引起的电池失效，延长了电池片的使用寿命。其主要的功率阻断元件为大功率的N型VDMOS管。 组件电池串的旁路用的功率元件，可以是目前流行的肖特基二极管，也可以用P型VDMOS管替代。本发明将控制电路，阻塞用的功率器件，旁路用功率器件集成在一只集成电路的电路中，可以达到对组件电池串的热斑，遮挡等引起的电池片局部过热保护；也可以对组件接线盒的温升起到过热保护。 

作为本发明的进一步改进，所述集成控制电路由基准电路、采样电路、比较电路、控制电路驱动电路和电源组成； 

所述基准电路用于提供稳定的基准参考电压；

所述采样电路适时萃取太阳能组件中太阳电池串在运行时的数据；

所述控制电路对采集的数据和基准数据做比较，并将信号传递给驱动电路；

所述驱动电路驱动所述N型VDMOS管执行“开”或“关”的动作。

作为本发明的进一步改进，所述集成控制电路还具有过热保护功能，当环境温度高于设定值时，控制N型VDMOS管截止。 

作为本发明的进一步改进，所述集成控制电路还包括温度保护电路，用于检测集成控制电路的温度，当温度高于第一设定值时，输出信号至控制电路，控制驱动电路关断所述N型VDMOS管；当温度低于第二设定值时，输出信号至控制电路，控制驱动电路打开所述N型VDMOS管。 

作为本发明的进一步改进，所述温度保护电路的滞豫宽度为20℃-40℃。 

将该装置串联在组件的太阳电池串中，可以控制电池串中电流的导通与阻断状态，及时防止组件中电池串的异常工作状况，快速地抑制了由于局部过热而产生的电池片热斑，减少了电池片的损害，也增加了组件的寿命。由于该效果对异常工作下的功率损失有弥补作用，所以在遮挡情况下,可以减少输出功率的损失，对灰尘等极小的遮挡也起到了有效的减少功率输出的作用。 

附图说明

图1为现有的太阳能组件； 

图2为本发明实施例1光伏组件热斑电流保护装置与太阳能电池串连接的结构示意图；

图3为本发明实施例2光伏组件热斑电流保护装置与太阳能电池串连接的结构示意图；

图4为本发明实施例3光伏组件热斑电流保护装置与太阳能电池串连接的结构示意图；

图5为本发明实施例中集成控制电路的结构框图；

图6为本发明实施例2光伏组件热斑电流保护装置的结构框图；

图7为本发明实施例3光伏组件热斑电流保护装置的结构框图；

图8为本发明实施例1光伏组件热斑电流保护装置的电路示意图；

图9为本发明实施例2光伏组件热斑电流保护装置的电路示意图；

图10为本发明实施例2光伏组件热斑电流保护装置的电路示意图。

具体实施方式

实施例1 

如图2所示，一种光伏组件热斑电流保护装置1，由N型VDMOS管2和集成控制电路3组成，集成控制电路3连接在N型VDMOS管2的栅极和源极之间，用于采集太阳电池串的电流/电压，当太阳电池串正常工作时，即产生正常的电流/电压时，控制N型VDMOS管2导通，在太阳电池串中异常工作时，即电流/电压50低于正常值时，控制N型VDMOS管截止。

集成控制电路的功率管，采用N型VDMOS管，其主要特点为导通电阻小于7毫欧姆，在导通状态下，功率损耗小于1W。 

如图5所示，集成控制电路由基准电路、采样电路、比较电路、控制电路、驱动电路和电源组成；基准电路用于提供稳定的基准参考电压。采样电路适时萃取太阳能组件中太阳电池串在运行时的数据。控制电路对采集的数据和基准数据做比较，并将信号传递给驱动电路。驱动电路驱动N型VDMOS管执行“开”或“关”的动作。 

如图8所示，光伏组件热斑电流保护装置1显示在图中的粗实线框中，是一块功率控制集成电路（24V），本实施例可以直接用于现行的组件接线盒内，与现有的肖特基旁路二极管4合并使用。由基准、采样、比较、控制和驱动等电路组成。其中，图中电源模块6由电源和电容C1和C2组成，为整个集成电路提供电源；采样电路7由电阻R4和可变电阻RT组成，用于萃取外部的电流/电压的变化信息；是控制电路8采用比较器，根据采用数据的结果来决定工作状态；驱动电路9主要包括PMOS管Q2，用于驱动大功率的N型VDMOS管；基准电路11是用作比较器的基准电压，一旦采样电压低于基准电压，光伏组件热斑电流保护装置1将会通过控制电路8和驱动电路9去关断阻断用的N型功率VDMOS管2，从而切断电池串的电流，同时打开短旁用的肖特基旁路二极管4，将该电池串旁路。 

运用该方案得到的实验结果如下表： 

 

说明：

1．  组件串1是对比的标准组件串。组件串1在常态工作情况下（工作在10天以上的灰尘条件下），与组件串2的功率差别为0.118KWh/天。即组件串2每天平均比组件串1少发0.118KWh电。

2．  组件串2增加了该项目的IC（控制电路简称IC）后，平均每天只比常规的组件串1少发0.044KWh电。也就是说每天少损失0.074KWh电量，全年大约27KWh。 

3．  如果组件中的电池片有遮挡，增加IC后的组件串将比标准组件串每天多出0.235KWh的电量。 

4．  如果组件每天都清洗清洁，那么增加IC的组件串与没有增加IC（即只有旁路二极管）的数据相当。 

实施例2 

如图3、6 和9所示，本实施例与实施例1的不同之处在于，光伏组件热斑电流保护装置1还包括一个二极管4，二极管4的正极连接N型VDMOS管2的漏极，负极连接集成控制电路3。本实施例中将旁路二极管集成在光伏组件热斑电流保护装置1中，利用肖特基二极管作为旁路二极管；N型VDMOS管作为阻塞用的功率器件，N型VDMOS管导通电阻Ron<7mΩ。图9中的粗虚线框中是光伏组件热斑电流保护装置1的电路图。通过多芯片的封装形式，将控制电路3与N型VDMOS管2封装在一块功率集成电路的电路中。最终形成一块单一整体的光伏组件热斑电流保护装置的形式。

本实施例将控制电路、阻塞用的N型VDMOS管和肖特基旁路二极管，同时封装在一块功率控制集成电路中。它可以完全替代现有的肖特基旁路二极管，而独立使用。 

实施例3 

如图4、7和10所示，本实施例与实施例2的区别在于，用P型VDMOS管5替代肖特基旁路二极管4。本实施例将控制电路、阻塞用的N型VDMOS管和旁路用的P型VDMOS管，同时封装在一块功率集成电路的电路中。原旁路用的肖特基二极管用P型VDMOS管替代，由于导通阻抗小而降低了功率损耗，热耗散也大大降低。本实施例比实施例2的自身功率耗散更低。

如图10所示，光伏组件热斑电流保护装置1显示在图中的粗实线框中，是一块集成电路（24V）。由基准、采样、比较、控制、保护和驱动等电路组成。其中，基准电路是用作比较器的基准电压，一旦采样电压低于基准电压，将会通过控制器和驱动电路去关断阻断用的N型功率VDMOS管，从而切断电池串的电流。同时打开短旁用的P型VDMOS管，将该电池串旁路。保护电路设置在驱动模块9中，主要是起到电路温度保护的作用，保护电路中设有温度控制二极管15，利用二极管PN结的温度特性来达到温度控制的目的。在当环境温度上升到125℃时，二极管15输出信号至控制电路，直接关断阻塞的N型VDMOS，从而阻断了电池串的电流。减少了旁路功率器件（肖特基二极管或P型VDMOS管）的无限制温升，阻断了电池串的电流，也阻止了电池片的局部温升。同时由于减少了旁路功率元件的温升，也保护了组件接线盒的安全。保护电路具有滞豫特性（施密特特性），滞豫宽度为20℃-40℃。即环境温度上升到125℃时关闭N型VDMOS管，温度下降到85℃或105℃时才能够再打开N型VDMOS管。最有效的保护了器件的温度工作。同时由于器件的最高温度不会超过125℃，所以也保证了组件接线盒的安全使用。 

Claims (8)

1.一种光伏组件热斑电流保护装置，其特征是，该装置由N型VDMOS管和集成控制电路组成，集成控制电路连接在N型VDMOS管的栅极和源极之间，用于采集太阳电池串的电流/电压信号，在太阳电池串正常工作时，控制N型VDMOS管导通，在太阳电池串中产生非正常的电流或电压时，控制N型VDMOS管截止。

2.根据权利要求1所述的光伏组件热斑电流保护装置，其特征是，该装置还包括一个肖特基二极管，肖特基二极管的正极连接N型VDMOS管的漏极，负极连接集成控制电路。

3.根据权利要求1所述的光伏组件热斑电流保护装置，其特征是，该装置还包括一个P型VDMOS管，P型VDMOS管的源极连接N型VDMOS管的漏极，栅极和漏极连接集成控制电路。

4.根据权利要求1所述的光伏组件热斑电流保护装置，其特征是，所述集成控制电路还具有过热保护功能，当环境温度高于设定值时，控制N型VDMOS管截止。

5.根据权利要求1或2或3所述的光伏组件热斑电流保护装置，其特征是，所述集成控制电路由基准电路、采样电路、比较电路、控制电路驱动电路和电源组成；

所述基准电路用于提供稳定的基准参考电压；

所述采样电路用于适时萃取太阳能组件中太阳电池串在运行时的数据；

所述控制电路用于对采集的数据和基准数据做比较，并将信号传递给驱动电路；

所述驱动电路用于驱动N型VDMOS管执行“开”或“关”的动作。

6.根据权利要求5所述的光伏组件热斑电流保护装置，其特征是，所述集成控制电路还包括温度保护电路，用于检测集成控制电路的温度，当温度高于第一设定值时，输出信号至控制电路，控制驱动电路关断所述N型VDMOS管；当温度低于第二设定值时，输出信号至控制电路，控制驱动电路打开所述N型VDMOS管。

7.根据权利要求6所述的光伏组件热斑电流保护装置，其特征是，所述温度保护电路的滞豫宽度为20℃-40℃。

8.根据权利要求6所述的光伏组件热斑电流保护装置，其特征是，所述温度保护电路设有温度控制二极管，在当环境温度上升到125℃时，二极管输出信号至控制电路，关断阻塞的N型VDMOS，从而阻断了电池串的电流。

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