PV組件之旁路二極管知識總結(jié)

1、嚴(yán)電子，所以1個(gè)磷原子同相鄰I束縛而變成自由電子，此種旁路二極管知識一、半導(dǎo)體介紹：幾乎在所有的電子電路中，都要用到半導(dǎo)體二極管，它在許多的電路中起著重要的作用，應(yīng)用也非常廣泛。下面首先對半導(dǎo)體做個(gè)介紹：本征半導(dǎo)體純凈晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體稱為本征半導(dǎo)體。常用的半導(dǎo)體材素是元素周期表中的4價(jià)元素，女如硅（si）、鍺（Ge）。其原子結(jié)構(gòu)中最外層軌道上有4個(gè)電子；純凈的晶體中相鄰的兩個(gè)原子的一對最外層電子（價(jià)電子）結(jié)合成為共有電子，組成共價(jià)鍵；原子可以形成穩(wěn)定的8原子殼層，如下圖所示。.o；Q打si）:（Si）；共價(jià)鍵中的價(jià)電子在熱運(yùn)動(dòng)中能獲得能量形成自由電子和空穴（價(jià)電子擺脫共價(jià)鍵束縛后成為自由電子，

2、此時(shí)在共價(jià)鍵中留有了空位，稱為空穴，空穴帶正電）.本征半導(dǎo)體中存在的兩種載流子即自由電子和空穴，由于其兩者是成對產(chǎn)生，所以在本征半導(dǎo)體中兩者濃度是相同的，因此本征半導(dǎo)體本身稱電中性。本征半導(dǎo)體材料中載流子的濃度除了和其本身的性能有關(guān)外，還和溫度有關(guān)，隨著溫度的升高稱指數(shù)規(guī)律上升，硅材料的溫度每升高8攝氏度，本征載流子的濃度增加一倍，鍺材料的溫度每升高12攝氏度，載流子的濃度增加一倍.另外，半導(dǎo)體載流子的濃度與光照有關(guān).P型半導(dǎo)體如果在純凈的硅晶體中摻入3價(jià)雜質(zhì)，如硼（或鋁、鎵或銦等），這些3價(jià)雜質(zhì)原子的最外層只有3個(gè)價(jià)電子，當(dāng)它與相鄰的硅原子形成共價(jià)鍵時(shí)，還缺少1個(gè)價(jià)電子，因而其它共價(jià)鍵電子只

3、要少量能量擺脫原子核束縛，即可填充之，而在其本身位置形成空穴，在一個(gè)共價(jià)鍵上要出現(xiàn)一個(gè)空穴，此種半導(dǎo)體主要靠空穴導(dǎo)電；此種半導(dǎo)體稱之為P型半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體材料中，空穴數(shù)目很多，稱為多數(shù)載流子，而電子數(shù)目很少，稱為少數(shù)載流子。P型半導(dǎo)體只有一種多子一一空穴，對外呈電中性，導(dǎo)電特性與摻雜的雜質(zhì)濃度有關(guān)。P型半導(dǎo)體如下圖所示：空位N型半導(dǎo)體如果在純凈的硅晶體中摻入少量的5價(jià)雜質(zhì)磷的4個(gè)硅原子結(jié)成共價(jià)鍵時(shí)，還多余1個(gè)價(jià)電子，.半導(dǎo)體主要靠自由電子導(dǎo)電；此種半導(dǎo)體稱之為N型半導(dǎo)體。N型半導(dǎo)體材料中，空穴數(shù)目很少，稱為少數(shù)載流子，而電子數(shù)目很多，稱為多數(shù)載流子。N型半導(dǎo)體只有一種多子一一自由電子，對外呈

4、電中性，導(dǎo)電特性與摻雜的雜質(zhì)濃度有關(guān)。P型半導(dǎo)體如下圖所示:多余價(jià)電子SiPN結(jié)介紹：PN結(jié)若將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體兩者緊密結(jié)合，聯(lián)成一體時(shí)，由于交界面兩邊，電子和空穴的濃度不相等，因此會(huì)產(chǎn)生多數(shù)載流子的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散的結(jié)果是在交界面形成空間電荷區(qū)，即為PN結(jié)，電荷聚積形成內(nèi)建電場E，電場方向:NP，此電場作用下，少數(shù)載流子將做漂移運(yùn)動(dòng)，方向與擴(kuò)散方向相反，阻止擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)。擴(kuò)散得越多，電場越強(qiáng)，漂移運(yùn)動(dòng)越強(qiáng)，對擴(kuò)散的阻力越大。平衡時(shí)，擴(kuò)散和漂移運(yùn)動(dòng)作用相等，界面通過的載流子數(shù)為0,PN結(jié)無電流通過，此時(shí)，PN結(jié)形成一個(gè)阻擋層，電子學(xué)上稱為耗盡層。如下圖所示：2PN結(jié)的單向?qū)щ娞匦噪娫吹恼龢O接到

5、P區(qū)，負(fù)極接到N區(qū)，則PN結(jié)出于正向偏置狀態(tài)。此時(shí)的外加電場與其內(nèi)部自建電場的方向相反,消弱了其內(nèi)建電場，從而使得阻擋層變窄，擴(kuò)散作用將大于漂移作用，此時(shí)多數(shù)載流子將向?qū)Ψ絽^(qū)域擴(kuò)散而形成正向電流，電流方向?yàn)檎龢OP區(qū)流向負(fù)極N區(qū)。PN結(jié)出于導(dǎo)通狀態(tài)，呈現(xiàn)出正向?qū)娮韬苄　啥说膲航翟酱?，其流過PN結(jié)的電流越大，如下圖所示。UID呈線的函數(shù)關(guān)系：ID=ISeu/utID:流過PN結(jié)的電流；U:PN結(jié)兩端電壓；UT=kT/q稱為電壓當(dāng)量，其中k為玻爾茲曼常數(shù)，1.381X10Y-23J/K，T為絕對溫度，q為電子的電量；IS:反向飽和電流。S自連齦+當(dāng)P區(qū)接到電源負(fù)極，N區(qū)接到電源正極時(shí)，PN結(jié)處

6、于反向偏置。外加的電場與PN結(jié)內(nèi)建的電場的方向一致，增加了阻擋層的寬度，此時(shí)漂移作用大于擴(kuò)散作用，少子在電場的作用下做漂移運(yùn)動(dòng)，形成漂移電流，漂移電流的方向與正向壓降方向相反，故稱為反向電流，反向電流是由少數(shù)載流子形成的，故電流很小，外加反向電壓不需很大，少數(shù)載流子將會(huì)全部做漂移運(yùn)動(dòng)形成漂移電流，反向電壓即使再增加，少數(shù)載流子數(shù)目也不會(huì)增加，故形成反向飽和電流：ID=-IS如下圖所示：外電場see綜述，PN結(jié)加正向偏置電壓，3PN結(jié)V-I特性綜合PN結(jié)介紹的1、2所述，（UT=kT/q，k玻爾茲f處于導(dǎo)通狀態(tài),加反向電壓處于截至狀態(tài)，Pn結(jié)具有單向?qū)i具有單向?qū)щ娦?。PN結(jié)VI特性曲線：曼常

7、數(shù)1.381X10Y-23J/KID=IS（eu/ut-1）T絕對溫度q電子電量）三、二極管介紹：二極管實(shí)際就是一個(gè)PN結(jié)，由于考慮到引線電阻和半導(dǎo)體的體電阻以及漏電流等因素的影響，使得二極管的特型與PN結(jié)的特性稍有不同。1二極管分類按照所用的半導(dǎo)體材料，可分為鍺二極管（Ge管）和硅二極管（Si管）。按照其不同用途可分為檢波二極管、整流二極管、穩(wěn)壓二極管、開關(guān)二極管等。按照管芯結(jié)構(gòu)，又可分為點(diǎn)接觸型二極管、面接觸型二極管及平面型二極管。A、點(diǎn)接觸型二極管是用一根很細(xì)的金屬絲壓在光潔的半導(dǎo)體晶片表面，通以脈沖電流，使觸絲一端與晶片牢固地?zé)Y(jié)在一起，形成一個(gè)“PN結(jié)”。由于是點(diǎn)接觸，只允許通過較小

8、的電流（不超過幾十毫安），適用于高頻小電流電路，如收音機(jī)的檢波等。B、面接觸型二極管的“PN結(jié)”面積較大，允許通過較大的電流（幾安到幾十安），主要用于把交流電變換成直流電的“整流”電路中。C、平面型二極管是一種特制的硅二極管，它不僅能通過較大的電流，而且性能穩(wěn)定可靠，常被用來制作肖特級二極管，多用于開關(guān)、脈沖及高頻電路中。肖特基二極管簡介肖特基二極管在結(jié)構(gòu)原理上與PN結(jié)二極管有很大區(qū)別，它的內(nèi)部是由陽極金屬（用鉬或鋁等材料制成的阻擋層）、二氧化硅（Si02）電場消除材料、N-外延層（砷材料）、N型硅基片、N+陰極層及陰極金屬等構(gòu)成，如下圖所示。電皈X羸滋ftN*P1G帕舞號tt屯扳/肖特基整流

9、管僅用一種載流子（電子）輸送電荷，在勢壘外側(cè)無過剩少數(shù)載流子的積累，因此，不存在電荷儲(chǔ)存問題。它的反向耐壓值較低，一般不超過100V。因此適宜在低壓、大電流情況下工作。利用其低壓降這特點(diǎn)，能提高低壓、大電流整流（或續(xù)流）電路的效率。所以，太陽能組件上的旁路二極管選用肖特基二極管。二極管的導(dǎo)電特性二極管最重要的特性就是單方向?qū)щ娦?。在電路中，電流從二極管的正極流入，負(fù)極流出。A、正向特性在電子電路中，將二極管的正極接在高電位端，負(fù)極接在低電位端，二極管就會(huì)導(dǎo)通，這種連接方式，稱為正向偏置。必須說明，當(dāng)加在二極管兩端的正向電壓很小時(shí)，二極管仍然不能導(dǎo)通，流過二極管的正向電流十分微弱。只有當(dāng)正向電壓

10、達(dá)到某一數(shù)值（這一數(shù)值稱為“門檻電壓”Vth,鍺管約為0.2V,硅管約為0.6V）以后，二極管才能直正導(dǎo)通。導(dǎo)通后二極管兩端的電壓基本上保持不變（鍺管約為0.3V,硅管約為0.7V）,稱為二極管的“正向壓降”。B、反向特性在電子電路中，二極管的正極接在低電位端，負(fù)極接在高電位端，此時(shí)二極管中幾乎沒有電流流過，此時(shí)二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，這種連接方式，稱為反向偏置。二極管處于反向偏置時(shí)，仍然會(huì)有微弱的反向電流流過二極管，稱為漏電流。當(dāng)二極管兩端的反向電壓增大到某一數(shù)值，反向電流會(huì)急劇增大，二極管將失去單方向?qū)щ娞匦裕@種狀態(tài)稱為二極管的擊穿。綜述，二極管加正向偏置電壓，處于導(dǎo)通狀態(tài)，加反向電壓處于截

11、至狀態(tài)，二極管具有單向?qū)щ娦裕蓞⒄誔N街單項(xiàng)導(dǎo)電性）。二極管的主要特性參數(shù)用來表示二極管的性能好壞和適用范圍的技術(shù)指標(biāo)，稱為二極管的參數(shù)。不同類型的二極管有不同的特性參數(shù)。A、額定正向工作電流IFF是指二極管長期連續(xù)工作時(shí)允許通過的最大正向電流值。因?yàn)殡娏魍ㄟ^管子時(shí)會(huì)使管芯發(fā)熱，溫度上升，溫度超過容許限度（硅管為140左右，鍺管為90左右）時(shí)，就會(huì)使管芯過熱而損壞。所以，二極管使用中不要超過二極管額定正向工作電流值。B、最高反向工作電壓URR加在二極管兩端的反向電壓高到一定值時(shí)，會(huì)將管子擊穿，失去單向?qū)щ娔芰?。為了保證使用安全，規(guī)定了最高反向工作電壓值。C、反向電流IRR反向電流是指二極管在

12、規(guī)定的溫度和最高反向電壓作用下，流過二極管的反向電流。反向電流越小，管子的單方向?qū)щ娦阅茉胶?。值得注意的是反向電流與溫度有著密切的關(guān)系，大約溫度每升高10，反向電流增大一倍。溫度持續(xù)升高，反向電流將集聚增大，因此，溫度升高不僅可以引起二極管失去單方向?qū)щ娞匦裕€會(huì)使管子過熱而損壞。硅二極管比鍺二極管在高溫下具有較好的穩(wěn)定性。D、最高工作頻率fm取決于二極管的結(jié)電容大小，結(jié)電容越大，允許的最高工作頻率越低。E、直流電阻Rd加載到二極管兩端的直流電壓與流過二極管的電流之比。F、交流電阻rd在二極管工作點(diǎn)附近電壓的微變值與相應(yīng)的電流微變值之比。G、正向壓降Vf二極管導(dǎo)通時(shí)，正極到負(fù)極的電壓降。H、溫

13、度特性溫度對二極管的性能參數(shù)的影響。I、ESD特性關(guān)于靜電釋放及靜電擊穿防護(hù)的性能。4、測試二極管的好壞辨別最簡單的方法可以使用萬用表定性測試二極管的好壞。測試前先把萬用表的轉(zhuǎn)換開關(guān)撥到歐姆檔的RX1K檔位（注意不要使用RX1檔，以免電流過大燒壞二極管），再將紅、黑兩根表筆短路，進(jìn)行歐姆調(diào)零。A、正向特性測試把萬用表的紅表筆（表正極）搭觸二極管的正極，黑表筆（表負(fù)極）搭觸二極管的負(fù)極。若表針不擺到0值而是停在標(biāo)度盤的中間，這時(shí)的阻值就是二極管的正向電阻，一般正向電阻越小越好。若正向電阻為0值，說明管芯短路損壞，若正向電阻接近無窮大值，說明管芯斷路。短路和斷路的管子都不能使用。B、反向特性測試把

14、萬用表的黑表筆搭觸二極管的正極，紅表筆搭觸二極管的負(fù)極，若表針指在無窮大值或接近無窮大值，管子就是合格的。鑒于二極管測試的準(zhǔn)確性，對接線盒內(nèi)的旁路二極管測試選用專業(yè)的測試設(shè)備。以保證質(zhì)量，現(xiàn)在測試二極管的主要參數(shù)有：Vf、Ir、Vb等。四、太陽能電池介紹：A、光生伏打效應(yīng)太陽電池在光照下，能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度的光子，使得半導(dǎo)體中原子的價(jià)電子受到激發(fā)，在p區(qū)、空間電荷區(qū)和n區(qū)都會(huì)產(chǎn)生光生電子-空穴對，也稱光生載流子。這樣形成的電子-空穴對由于熱運(yùn)動(dòng)，向各個(gè)方向遷移。光生電子-空穴對在空間電荷區(qū)中產(chǎn)生后，立即被內(nèi)建電場分離，光生電子被推進(jìn)n區(qū)，光生空穴被推進(jìn)p區(qū)。在空間電荷區(qū)邊界處總的載流子濃度

15、近似為0。在n區(qū)，光生電子-空穴產(chǎn)生后，光生空穴便向p-n結(jié)邊界擴(kuò)散，一旦到達(dá)p-n結(jié)邊界，便立即受到內(nèi)建電場的作用，在電場力作用下作漂移運(yùn)動(dòng)，越過空間電荷區(qū)進(jìn)入p區(qū)，而光生電子（多數(shù)載流子）則被留在n區(qū)。p區(qū)中的光生電子也會(huì)向p-n結(jié)邊界擴(kuò)散，并在到達(dá)p-n結(jié)邊界后，同樣由于受到內(nèi)建電場的作用而在電場力作用下作漂移運(yùn)動(dòng)，進(jìn)入n區(qū)，而光生空穴（多數(shù)載流子）則被留在p區(qū)。因此在p-n結(jié)兩側(cè)形成了正、負(fù)電荷的積累，形成與內(nèi)建電場方向相反的光生電場。這個(gè)電場除了一部分抵消內(nèi)建電場以外，還使p型層帶正電，n型層帶負(fù)電，因此產(chǎn)生了光生電動(dòng)勢。這就是“光生伏打效應(yīng)”（簡稱光伏）。如下圖所示：he/he/h

16、：杵朗克陽就6.626xlOJSClh:朮軸射笑率s-1關(guān)于太陽電池的光譜響應(yīng)等內(nèi)容，本文不作介紹，主要從太陽電池的等效電分析太陽電池。詳細(xì)情況如下B、太陽電池的等效電路太陽能電池實(shí)際上也是個(gè)大的PN結(jié)。其理想的等效電路圖如下圖所示：21SPV光伏社區(qū)bbs21感謝ocean整理并共享，21SPV光伏社區(qū)歡迎您!21SPV光伏社區(qū)感謝ocean整理并共享，21SPV光伏社區(qū)歡迎您!太陽能電池理想的等效電路圖相當(dāng)于一個(gè)電流為Iph的恒流電源與A片1LLICC5OLLIZ由曲線，很明顯得可以看到，溫度及反向偏置壓降對R的影響；溫度Im100|100n同樣，反向壓降的增但在實(shí)際應(yīng)用中，沒有廠家會(huì)加可

17、以導(dǎo)致二極管漏電流的增加。/7I匕出於“八允5酉疋丐廠I七丫也廠野口萬叼T一ZI2KSqQz?這么做，只能是在在滿足組件使用要求的情況下，統(tǒng)籌考慮每個(gè)旁路二極管旁路的太陽電池?cái)?shù)量。這樣以來，對旁路二極管的性能要求就尤為重要了。由于大多數(shù)二極管安裝在接線盒內(nèi)，盒內(nèi)受有限的散熱空間及接線盒結(jié)構(gòu)和材料的限制，要求二極管的熱性能一定要好，關(guān)于二極管的熱性能，IEC6121510.18節(jié)有旁路二極管熱性能試驗(yàn)專門介紹。熱斑發(fā)生時(shí)，組件電流基本上都流經(jīng)旁路二極管，有電流流過就會(huì)有熱產(chǎn)生，同時(shí)，由于接線盒內(nèi)的二極管發(fā)熱也對接線盒提出了要求：接線盒要具備好的耐熱和好的散熱特性。下式為計(jì)算二極管結(jié)溫：心、計(jì)算式中：Tj：二極管結(jié)溫；Tease：二極管殼溫;T=T+RU-1jcaseTHjcDD21SPV光伏社區(qū)bbs21感謝ocean整理并共享，21SPV光伏社區(qū)歡迎您!21SPV光伏社區(qū)感謝ocean整理并共享，21SPV光伏社區(qū)歡迎您!RTHjc：二極管熱阻uD：二極管兩端壓降ID：流經(jīng)二極管電流由上式可見，從二極管本身看，二極管的熱性能與其封裝形式、正向?qū)▔航?、熱阻系?shù)、流經(jīng)電流有直接關(guān)系。出于對二極管的熱性能考慮，對于二極管的選擇，個(gè)人認(rèn)為主要參數(shù)要遵循一下幾點(diǎn)：1、熱阻系數(shù)小越小越好；2、正向壓降越小越好；3、正向耐電流越大越好；4、反向電流越小越好；5、溫度特性曲