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1．前言

接線盒中二極管不論在旁路工作還是反向截至狀態(tài)，都會產(chǎn)生熱。特別是隨著高效組件輸出電流越來越大，接線盒中二極管工作時的發(fā)熱量通常也會越來越大。據(jù)相關(guān)研究顯示，有些接線盒內(nèi)二極管旁路導(dǎo)通工作時，二極管的表面溫度達(dá)到了170度或更高【1】。

當(dāng)二極管產(chǎn)生熱量大于接線盒冷卻能力后，溫升和漏電流會造成二極管擊穿。這現(xiàn)象定義為熱失控（thermal runaway）。為此，IEC62979對接線盒中二極管抗熱擊穿能力制定了判定標(biāo)準(zhǔn)。明確提出了接線盒的冷卻能力（cooling capacity of the junction box）這樣一個新的衡量接線盒質(zhì)量的指標(biāo)，對接線盒的散熱設(shè)計要進(jìn)行驗證，以確保接線盒中二極管不會發(fā)生熱擊穿。

要滿足IEC62979，將根據(jù)散熱能力，限制接線盒的通過電流能力。理論上，二極管在高溫環(huán)境工作時，也會像逆變器高溫后自動降載一樣，通過電流的能力將下降，右圖為常規(guī)肖特基二級管降流曲線。

因此，接線盒的額定電流不論從接線盒的散熱能力，還是二極管本身高溫降載特性，都不能簡單將二極管在25度環(huán)境下測定的正向通過電流（If）直接標(biāo)定成接線盒的額定電流。而應(yīng)該根據(jù)接線盒的散熱能力，及在高溫下二極管可以通過的電流能力，來定義接線盒的額定電流。

我們搜集了一些市場上常見的，體積大小相似的接線盒，通過實驗分析它們的散熱能力和接線盒承載電流的能力。

2．測試接線盒樣品的選擇

為了盡量消除接線盒中其他因素對測量結(jié)果的干擾，我們統(tǒng)一選體積相似的接線盒，130mil芯片二極管，同一封裝廠制造的二極管，做成5個灌膠接線盒（A／B／C／D／E）對比樣品。

為了觀察軸向二極管和平面二極管的散熱情況，我們選擇了2款軸向二極管的接線盒（A／B），2款貼片二極管的接線盒（C／D）。 4款接線盒（樣品A／B／C／D／）的散熱方式均是二極管產(chǎn)生的熱量先通過導(dǎo)熱硅膠和PPO外殼，再和接線盒殼體外空氣進(jìn)行熱交換。

表1：130二極管基本參數(shù)

樣品E則是在TUV南德完成認(rèn)證的新型散熱結(jié)構(gòu)的接線盒。其二極管產(chǎn)生的熱量通過連接在二極管上的金屬，延伸到接線盒外，直接和盒外空氣進(jìn)行交換散熱，避免通過導(dǎo)熱硅膠和塑料殼體和空氣進(jìn)行熱交換。

3．測試結(jié)果和討論

根據(jù)IEC62790的測試標(biāo)準(zhǔn)，在75℃下，分別對接線盒施加額定電流值和1．25IX接線盒標(biāo)定電流，穩(wěn)定一小時后，測量二極管表面溫度，再根據(jù)熱阻系數(shù)，推算出二極管結(jié)溫。為簡單比較，我們只測量并比較二極管表面溫度。

表2：二極管表面溫度和接線盒上蓋溫度

測量接線盒上蓋溫度，是為了計算二極管表面溫度和接線盒上蓋溫度差。從Pθ＝（T2－T1） 定律可知，熱阻（θ）越小，（T2－T1）熱源和端點溫度差越小，說明熱流傳導(dǎo)能力越好。從溫差絕對值上，我們可以判斷出樣品接線盒中，哪個樣品的的熱阻小，導(dǎo)熱好。

從表2實驗可以得出：

（1）二極管表面溫度： 軸向封裝溫度比貼片封裝高10度左右（A＞D，B＞C）。 平面工藝溫度高于溝槽工藝8度左右（A＞B， D＞C）。軸向封裝平面工藝二極管溫度最高（A），貼片封裝溝槽工藝二極管溫度最低。

（2）從散熱結(jié)構(gòu)上看，樣品A、B，C，D中，二極管產(chǎn)生的熱量是通過導(dǎo)熱系數(shù)只有0．3W／mk的導(dǎo)熱絕緣硅膠層，再通過導(dǎo)熱系數(shù)為0．3W／mk的PPO 外殼才能與盒外空氣交換。因此不論二極管本身封裝和芯片工藝散熱多快，散熱的瓶頸都卡在硅膠塑料外殼這個高熱阻層上�！鳎═2－T1）測試結(jié)果也證實 A／B／C／D四個接線盒散熱結(jié)構(gòu)的熱阻非常相近，導(dǎo)致四種接線盒的溫度差基本一致，維持在78度左右。也說明，目前這種由硅膠，PPO包覆二極管的散熱結(jié)構(gòu)，在相同芯片尺寸，只選擇二極管封裝形式，芯片工藝來達(dá)到降低二極管溫度的做法，都不會取得實質(zhì)性降溫的目的。

（3）樣品E，由于采用了新的散熱結(jié)構(gòu)，二極管產(chǎn)生的熱量通過伸出接線盒體外的金屬直接和接線盒腔體外空氣交換，避開硅膠塑料外殼這樣一個高熱阻散熱通道，從而達(dá)到了快速散熱目的。實驗結(jié)果顯示，即使使用相同的130mil平面工藝二極管，樣品E的表面溫度和散熱性能都比樣品D有近20度的明顯下降。說明通過重新設(shè)計散熱結(jié)構(gòu)，是能將接線盒溫度降下來的。

二極管在旁路不工作的反向截至狀態(tài)，存在一個漏電流Ir。 這個漏電流不僅和二極管所受端電壓相關(guān)（72組件的串電壓高于60組件的串電壓），而且和二極管工作時的環(huán)境溫度成指數(shù)關(guān)系。業(yè)內(nèi)通常認(rèn)為二極管的溫度每升高10度，其漏電流增加1倍。 所以接線盒中二極管即使處于截至狀態(tài)，也會產(chǎn)生持續(xù)漏電流造成二極管結(jié)溫增加。最差的情況是溫升超過接線盒冷卻能力，造成二極管損壞。

IEC62979 提供了認(rèn)定接線盒在高溫時散熱能力和二極管的抗熱失效能力的標(biāo)準(zhǔn)。在90度環(huán)境下，組件1．25倍STC條件下Isc和二極管并聯(lián)電池串的開路電壓Voc 條件下，驗證旁路二極管是不是還能保持PN結(jié)功能。

表3：接線盒二極管抗熱沖擊能力

從表3的實驗結(jié)果可以得出。取Isc ＝ 9．8A，以接線盒A／B／C／D這種硅膠加塑料外殼的高熱阻散熱結(jié)構(gòu)，130mil二極管芯片為例，不論是軸向封裝，還是貼片封裝，樣品A／B／C／D 中二極管都已失效了，只有樣品E通過IEC62979 測試。顯示接線盒的散熱能力越好，二極管結(jié)溫也越低，抗熱失效能力也越強。

這個結(jié)果也說明，如果接線盒的散熱能力不好，就要降低Isc來滿足IEC62979測試，反過來限制了接線盒的承載電流能力。對于高效組件來說（輸出電流比常規(guī)電池高），由于傳統(tǒng)接線盒的散熱結(jié)構(gòu)－硅膠－塑料外殼－空氣的散熱能力所限，繼續(xù)使用這種散熱效率低的接線盒，不僅有可能導(dǎo)致二極管的結(jié)溫不能快速下降，引發(fā)其中的二極管損壞，同時限制了接線盒的承載電流能力。

4．接線盒散熱能力對成本和長期可靠性的影響

晶體硅半導(dǎo)體器件遵循一個定律，溫度每升高10度，半導(dǎo)體器件的可靠性下降50％【3】，工作溫度越低，器件的可靠性越高。顯然，接線盒的散熱體系越好，長期可靠性越好。

由于電池效率的提高，旁路二極管在工作狀態(tài)時，通過的電流越來越高，產(chǎn)生的熱量也越來越大。制造接線盒的塑料PPO的軟化溫度只有190度，已經(jīng)不能抵抗二極管工作時產(chǎn)生的高溫。接線盒廠家不得不在底座上使用部分玻纖增強尼龍材料，來保證高溫下的殼體的機(jī)械強度。因此，散熱設(shè)計好的接線盒，不僅可以減小接線盒的體積，還可以使用價格合適的殼體材料，直接降低接線盒的材料成本。

在接線盒中，占成本次高的是二極管。而為了降低高效電池大電流帶來的高溫，目前接線盒廠家在不改變原接線盒尺寸和散熱結(jié)構(gòu)條件下，只好通過使用溝槽工藝二極管或提高芯片尺寸來降低二極管溫度。但事實上，二極管是被完整包在硅膠和塑料接線盒里面，使用溝槽工藝的散熱效果也并不理想。加大芯片面積反倒拉高了接線盒的成本。因此，低熱阻結(jié)構(gòu)的接線盒，不僅可以保障長期可靠性，還可以通過使用合適面積的二極管芯片和簡單工藝的二極管達(dá)到降低成本， 同時保證質(zhì)量的目的。

5．總結(jié)

電流和溫度是影響硅基二極管長期可靠工作的重要因素。 接線盒是連接光伏電池和系統(tǒng)的唯一電路通路。只有接線盒長期可靠的工作，系統(tǒng)才能穩(wěn)定可靠發(fā)電。從上面實驗容易得出，接線盒的散熱能力主要依賴盒體的結(jié)構(gòu)設(shè)計。散熱能力越強，二極管的結(jié)溫越低，通過IEC62979抗熱能力越好，可以加載的Isc越高。 因此，接線盒的標(biāo)定電流值不能簡單以25度環(huán)境下二極管的正向通過最大電流值If來代替，而應(yīng)該根據(jù)接線盒通過IEC62979的測試結(jié)果，來確定接線盒高溫下的承載電流能力。特別是高效組件的電流比較大，發(fā)熱比較厲害，就更應(yīng)該注意接線盒的散熱，這樣才能保障二極管在高溫下的通過電流能力和保障其長期可靠性。同時，良好散熱結(jié)構(gòu)的接線盒還可以在保證質(zhì)量的前提下減小接線盒的體積，降低接線盒的成本。

總之，接線盒的散熱能力應(yīng)該成為判定接線盒質(zhì)量優(yōu)異與否的量化標(biāo)準(zhǔn)之一，特別是對高效組件用接線盒。IEC62979 就是量化接線盒散熱能力的標(biāo)準(zhǔn)。

【1】MOS管接線盒可靠性研究 沈文／李一凡／劉仁中等 2017中國光伏學(xué)術(shù)大會

【2】IEC62979第2部分 測試條件

【3】電力電子技術(shù)（廣東工業(yè)大學(xué)）第二版 程漢湘主編 科學(xué)出版社

作者：黃子健 劉仁生 陳義