光伏組件熱斑電流保護(hù)裝置制造方法
【專利摘要】一種光伏組件熱斑電流保護(hù)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(hù)裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種保護(hù)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(hù)。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(hù)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(jìn)一步過熱。對太陽電池片起到了保護(hù)作用，延長了太陽電池片的使用壽命。該保護(hù)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(hù)，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VDMOS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](I)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(jìn)行保護(hù)，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)，故障電壓 > 電池串光生伏打電壓+ 二極管正向開啟電壓
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。
[0004]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(hù)的作用。
[0005]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(hù)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。
[0006]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)。
[0007]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。
[0008](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。
[0009]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)。
[0010]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(qiáng)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(jìn)散熱循環(huán)條件等方法，這些都會相應(yīng)的使成本增加。
[0011]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0.7V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VDMOS器件(飽和態(tài)的導(dǎo)通電壓為0.1V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。
[0012]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(hù)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。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]針對上述的情況，本發(fā)明提供一種光伏組件熱斑電流保護(hù)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。
[0014]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種光伏組件熱斑電流保護(hù)裝置，由N型VDMOS管和集成控制電路組成，串接在組件的電池串中，集成控制電路用于采集太陽電池串的電流/電壓信號，控制N型VDMOS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VDMOS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VDMOS管關(guān)斷截止。
[0015]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述光伏組件熱斑電流保護(hù)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VDMOS管的漏極，負(fù)極連接集成控制電路。
作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述光伏組件熱斑電流保護(hù)裝置還包括一個P型VDMOS管，P型VDMOS管的源極連接N型VDMOS管的漏極，柵極和漏極連接集成控制電路。其P型VDMOS管實(shí)際上是用來替代肖特基二極管。[0016]本發(fā)明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(dá)到保護(hù)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VDMOS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VDMOS管替代。本發(fā)明將控制電路，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(dá)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(hù)；也可以對組件接線盒的溫升起到過熱保護(hù)。
[0017]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，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；
所述采樣電路適時萃取太陽能組件中太陽電池串在運(yùn)行時的數(shù)據(jù)；
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；
所述驅(qū)動電路驅(qū)動所述N型VDMOS管執(zhí)行“開”或“關(guān)”的動作。
[0018]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述集成控制電路還具有過熱保護(hù)功能，當(dāng)環(huán)境溫度高于設(shè)定值時，控制N型VDMOS管截止。
[0019]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述集成控制電路還包括溫度保護(hù)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VDMOS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 VDMOS 管。
[0020]作為本發(fā)明的進(jìn)一步改進(jìn)，所述溫度保護(hù)電路的滯豫寬度為20°C -40°C。
[0021]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(bǔ)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】
[0022]圖1為現(xiàn)有的太陽能組件；
圖2為本發(fā)明實(shí)施例1光伏組件熱斑電流保護(hù)裝置與太陽能電池串連接的結(jié)構(gòu)示意
圖；
圖3為本發(fā)明實(shí)施例2光伏組件熱斑電流保護(hù)裝置與太陽能電池串連接的結(jié)構(gòu)示意
圖；
圖4為本發(fā)明實(shí)施例3光伏組件熱斑電流保護(hù)裝置與太陽能電池串連接的結(jié)構(gòu)示意
圖；
圖5為本發(fā)明實(shí)施例中集成控制電路的結(jié)構(gòu)框圖；
圖6為本發(fā)明實(shí)施例2光伏組件熱斑電流保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)框圖；
圖7為本發(fā)明實(shí)施例3光伏組件熱斑電流保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)框圖；
圖8為本發(fā)明實(shí)施例1光伏組件熱斑電流保護(hù)裝置的電路示意圖； 圖9為本發(fā)明實(shí)施例2光伏組件熱斑電流保護(hù)裝置的電路示意圖；
圖10為本發(fā)明實(shí)施例2光伏組件熱斑電流保護(hù)裝置的電路示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]實(shí)施例1
如圖2所示，一種光伏組件熱斑電流保護(hù)裝置1，由N型VDMOS管2和集成控制電路3組成，集成控制電路3連接在N型VDMOS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VDMOS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VDMOS管截止。
[0024]集成控制電路的功率管，采用N型VDMOS管，其主要特點(diǎn)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。
[0025]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(yùn)行時的數(shù)據(jù)?？刂齐娐穼Σ杉臄?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VDMOS管執(zhí)行“開”或“關(guān)”的動作。
[0026]如圖8所示，光伏組件熱斑電流保護(hù)裝置I顯示在圖中的粗實(shí)線框中，是一塊功率控制集成電路(24V)，本實(shí)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Cl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PMOS管Q2，用于驅(qū)動大功率的N型VDMOS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(hù)裝置I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VDMOS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。
[0027]運(yùn)用該方案得到的實(shí)驗結(jié)果如下表:
【權(quán)利要求】
1.一種光伏組件熱斑電流保護(hù)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，在太陽電池串中產(chǎn)生非正常的電流或電壓時，控制N型VDMOS管截止。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光伏組件熱斑電流保護(hù)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VDMOS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(hù)裝置，其特征是，該裝置還包括一個P型VDMOS管，P型VDMOS管的源極連接N型VDMOS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(hù)裝置，其特征是，所述集成控制電路還具有過熱保護(hù)功能，當(dāng)環(huán)境溫度高于設(shè)定值時，控制N型VDMOS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(hù)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(yùn)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VDMOS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(hù)裝置，其特征是，所述集成控制電路還包括溫度保護(hù)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VDMOS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VDMOS管。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的光伏組件熱斑電流保護(hù)裝置，其特征是，所述溫度保護(hù)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(hù)裝置，其特征是，所述溫度保護(hù)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VDMOS，從而阻斷了電池串的電流。
【文檔編號】H02S40/36GK103904616SQ201410149997
【公開日】2014年7月2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