光伏接線盒散熱能力分析及評估

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。據相關研究顯示，有些接線盒內二極管旁路導通工作時，二極管的表面溫度達到了170度或更高【1】。

當二極管產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準。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量的指標，對接線盒的散熱設計要進行驗證，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）直接標定成接線盒的額定電流。而應該根據接線盒的散熱能力，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生的熱量先通過導熱硅膠和PPO外殼，再和接線盒殼體外空氣進行熱交換。

表1130二極管基本參數(shù)

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

3．測試結果和討論

根據IEC62790的測試標準，在75℃下，分別對接線盒施加額定電流值和1．25IX接線盒標定電流，穩(wěn)定一小時后，測量二極管表面溫度，再根據熱阻系數(shù)，推算出二極管結溫。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）從散熱結構上看，樣品A、B，C，D中，二極管產生的熱量是通過導熱系數(shù)只有0．3W／mk的導熱絕緣硅膠層，再通過導熱系數(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）測試結果也證實 A／B／C／D四個接線盒散熱結構的熱阻非常相近，導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構，在相同芯片尺寸，只選擇二極管封裝形式，芯片工藝來達到降低二極管溫度的做法，都不會取得實質性降溫的目的。

（3）樣品E，由于采用了新的散熱結構，二極管產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，從而達到了快速散熱目的。實驗結果顯示，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。說明通過重新設計散熱結構，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（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)關系。業(yè)內通常認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)，也會產生持續(xù)漏電流造成二極管結溫增加。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準。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結功能。

表3接線盒二極管抗熱沖擊能力

從表3的實驗結果可以得出。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構，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，二極管結溫也越低，抗熱失效能力也越強。

這個結果也說明，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)接線盒的散熱結構－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，不僅有可能導致二極管的結溫不能快速下降，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

晶體硅半導體器件遵循一個定律，溫度每升高10度，半導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，已經不能抵抗二極管工作時產生的高溫。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械強度。因此，散熱設計好的接線盒，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構條件下，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，低熱阻結構的接線盒，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到降低成本， 同時保證質量的目的。

5．總結

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構設計。散熱能力越強，二極管的結溫越低，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，而應該根據接線盒通過IEC62979的測試結果，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，良好散熱結構的接線盒還可以在保證質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該成為判定接線盒質量優(yōu)異與否的量化標準之一，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準。

【1】MOS管接線盒可靠性研究 沈文／李一凡／劉仁中等 2017中國光伏學術大會

【2】IEC62979第2部分 測試條件

【3】電力電子技術（廣東工業(yè)大學）第二版 程漢湘主編 科學出版社

作者黃子健 劉仁生 陳義