光伏接线盒散热能力分析及评估

1．前言

接线盒中二极管不论在旁路工作还是反向截至状态，都会产生热。特别是随着高效组件输出电流越来越大，接线盒中二极管工作时的发热量通常也会越来越大。据相关研究显示，有些接线盒内二极管旁路导通工作时，二极管的表面温度达到了170度或更高【1】。

当二极管产生热量大于接线盒冷却能力后，温升和漏电流会造成二极管击穿。这现象定义为热失控（thermal runaway）。为此，IEC62979对接线盒中二极管抗热击穿能力制定了判定标准。明确提出了接线盒的冷却能力（cooling capacity of the junction box）这样一个新的衡量接线盒质量的指标，对接线盒的散热设计要进行验证，以确保接线盒中二极管不会发生热击穿。

要满足IEC62979，将根据散热能力，限制接线盒的通过电流能力。理论上，二极管在高温环境工作时，也会像逆变器高温后自动降载一样，通过电流的能力将下降，右图为常规肖特基二级管降流曲线。

因此，接线盒的额定电流不论从接线盒的散热能力，还是二极管本身高温降载特性，都不能简单将二极管在25度环境下测定的正向通过电流（If）直接标定成接线盒的额定电流。而应该根据接线盒的散热能力，及在高温下二极管可以通过的电流能力，来定义接线盒的额定电流。

我们搜集了一些市场上常见的，体积大小相似的接线盒，通过实验分析它们的散热能力和接线盒承载电流的能力。

2．测试接线盒样品的选择

为了尽量消除接线盒中其他因素对测量结果的干扰，我们统一选体积相似的接线盒，130mil芯片二极管，同一封装厂制造的二极管，做成5个灌胶接线盒（A／B／C／D／E）对比样品。

为了观察轴向二极管和平面二极管的散热情况，我们选择了2款轴向二极管的接线盒（A／B），2款贴片二极管的接线盒（C／D）。 4款接线盒（样品A／B／C／D／）的散热方式均是二极管产生的热量先通过导热硅胶和PPO外壳，再和接线盒壳体外空气进行热交换。

表1130二极管基本参数

样品E则是在TUV南德完成认证的新型散热结构的接线盒。其二极管产生的热量通过连接在二极管上的金属，延伸到接线盒外，直接和盒外空气进行交换散热，避免通过导热硅胶和塑料壳体和空气进行热交换。

3．测试结果和讨论

根据IEC62790的测试标准，在75℃下，分别对接线盒施加额定电流值和1．25IX接线盒标定电流，稳定一小时后，测量二极管表面温度，再根据热阻系数，推算出二极管结温。为简单比较，我们只测量并比较二极管表面温度。

表2二极管表面温度和接线盒上盖温度

测量接线盒上盖温度，是为了计算二极管表面温度和接线盒上盖温度差。从Pθ＝（T2－T1） 定律可知，热阻（θ）越小，（T2－T1）热源和端点温度差越小，说明热流传导能力越好。从温差绝对值上，我们可以判断出样品接线盒中，哪个样品的的热阻小，导热好。

从表2实验可以得出

（1）二极管表面温度 轴向封装温度比贴片封装高10度左右（A＞D，B＞C）。 平面工艺温度高于沟槽工艺8度左右（A＞B， D＞C）。轴向封装平面工艺二极管温度最高（A），贴片封装沟槽工艺二极管温度最低。

（2）从散热结构上看，样品A、B，C，D中，二极管产生的热量是通过导热系数只有0．3W／mk的导热绝缘硅胶层，再通过导热系数为0．3W／mk的PPO 外壳才能与盒外空气交换。因此不论二极管本身封装和芯片工艺散热多快，散热的瓶颈都卡在硅胶塑料外壳这个高热阻层上。△（T2－T1）测试结果也证实 A／B／C／D四个接线盒散热结构的热阻非常相近，导致四种接线盒的温度差基本一致，维持在78度左右。也说明，目前这种由硅胶，PPO包覆二极管的散热结构，在相同芯片尺寸，只选择二极管封装形式，芯片工艺来达到降低二极管温度的做法，都不会取得实质性降温的目的。

（3）样品E，由于采用了新的散热结构，二极管产生的热量通过伸出接线盒体外的金属直接和接线盒腔体外空气交换，避开硅胶塑料外壳这样一个高热阻散热通道，从而达到了快速散热目的。实验结果显示，即使使用相同的130mil平面工艺二极管，样品E的表面温度和散热性能都比样品D有近20度的明显下降。说明通过重新设计散热结构，是能将接线盒温度降下来的。

二极管在旁路不工作的反向截至状态，存在一个漏电流Ir。 这个漏电流不仅和二极管所受端电压相关（72组件的串电压高于60组件的串电压），而且和二极管工作时的环境温度成指数关系。业内通常认为二极管的温度每升高10度，其漏电流增加1倍。 所以接线盒中二极管即使处于截至状态，也会产生持续漏电流造成二极管结温增加。最差的情况是温升超过接线盒冷却能力，造成二极管损坏。

IEC62979 提供了认定接线盒在高温时散热能力和二极管的抗热失效能力的标准。在90度环境下，组件1．25倍STC条件下Isc和二极管并联电池串的开路电压Voc 条件下，验证旁路二极管是不是还能保持PN结功能。

表3接线盒二极管抗热冲击能力

从表3的实验结果可以得出。取Isc ＝ 9．8A，以接线盒A／B／C／D这种硅胶加塑料外壳的高热阻散热结构，130mil二极管芯片为例，不论是轴向封装，还是贴片封装，样品A／B／C／D 中二极管都已失效了，只有样品E通过IEC62979 测试。显示接线盒的散热能力越好，二极管结温也越低，抗热失效能力也越强。

这个结果也说明，如果接线盒的散热能力不好，就要降低Isc来满足IEC62979测试，反过来限制了接线盒的承载电流能力。对于高效组件来说（输出电流比常规电池高），由于传统接线盒的散热结构－硅胶－塑料外壳－空气的散热能力所限，继续使用这种散热效率低的接线盒，不仅有可能导致二极管的结温不能快速下降，引发其中的二极管损坏，同时限制了接线盒的承载电流能力。

4．接线盒散热能力对成本和长期可靠性的影响

晶体硅半导体器件遵循一个定律，温度每升高10度，半导体器件的可靠性下降50％【3】，工作温度越低，器件的可靠性越高。显然，接线盒的散热体系越好，长期可靠性越好。

由于电池效率的提高，旁路二极管在工作状态时，通过的电流越来越高，产生的热量也越来越大。制造接线盒的塑料PPO的软化温度只有190度，已经不能抵抗二极管工作时产生的高温。接线盒厂家不得不在底座上使用部分玻纤增强尼龙材料，来保证高温下的壳体的机械强度。因此，散热设计好的接线盒，不仅可以减小接线盒的体积，还可以使用价格合适的壳体材料，直接降低接线盒的材料成本。

在接线盒中，占成本次高的是二极管。而为了降低高效电池大电流带来的高温，目前接线盒厂家在不改变原接线盒尺寸和散热结构条件下，只好通过使用沟槽工艺二极管或提高芯片尺寸来降低二极管温度。但事实上，二极管是被完整包在硅胶和塑料接线盒里面，使用沟槽工艺的散热效果也并不理想。加大芯片面积反倒拉高了接线盒的成本。因此，低热阻结构的接线盒，不仅可以保障长期可靠性，还可以通过使用合适面积的二极管芯片和简单工艺的二极管达到降低成本， 同时保证质量的目的。

5．总结

电流和温度是影响硅基二极管长期可靠工作的重要因素。 接线盒是连接光伏电池和系统的唯一电路通路。只有接线盒长期可靠的工作，系统才能稳定可靠发电。从上面实验容易得出，接线盒的散热能力主要依赖盒体的结构设计。散热能力越强，二极管的结温越低，通过IEC62979抗热能力越好，可以加载的Isc越高。 因此，接线盒的标定电流值不能简单以25度环境下二极管的正向通过最大电流值If来代替，而应该根据接线盒通过IEC62979的测试结果，来确定接线盒高温下的承载电流能力。特别是高效组件的电流比较大，发热比较厉害，就更应该注意接线盒的散热，这样才能保障二极管在高温下的通过电流能力和保障其长期可靠性。同时，良好散热结构的接线盒还可以在保证质量的前提下减小接线盒的体积，降低接线盒的成本。

总之，接线盒的散热能力应该成为判定接线盒质量优异与否的量化标准之一，特别是对高效组件用接线盒。IEC62979 就是量化接线盒散热能力的标准。

【1】MOS管接线盒可靠性研究 沈文／李一凡／刘仁中等 2017中国光伏学术大会

【2】IEC62979第2部分 测试条件

【3】电力电子技术（广东工业大学）第二版 程汉湘主编 科学出版社

作者黄子健 刘仁生 陈义