局部阴影条件下光伏阵列旁路二极管和阻塞二极管的影响和作用

同济大学电子与信息工程学院、上海电气集团股份有限公司中央研究院的研究人员张明锐、蒋利明、欧阳丽，在2017年第8期《电气技术》杂志上撰文，通过分析局部阴影条件下光伏阵列旁路二极管和阻断二极管对其输出特性的不同影响，区别旁路和阻断二极管减小功率失配损失的效果。

采用被证明适用于建立局部阴影条件下光伏阵列电路模型的Matlab自带solar cell双二极管电路模型，代替构建复杂的数学模型。光伏电池短路电流随辐照度线性变化，旁路二极管不同配置方式对应光伏阵列输出特性变化明显。光伏电池开路电压随辐照度非线性变化且变化范围更小，阻塞二极管配置前后对应输出特性变化小。

光伏阵列输出特性容易受到光伏电池温度、太阳辐照度和负载等因素的影响[1]。电池是光伏发电的最小单元，经过封装后构成组件，组件经过串并联连接后构成光伏阵列。局部阴影条件（partially shadedconditions，PSC）下，即使只有1个阴影电池也可能造成大量功率损失[2]。

PSC下为避免组件损坏和提高输出功率，配置旁路二极管和阻塞二极管。导致PSC下光伏阵列的输出特性出现多个功率峰值点，具有复杂非线性特点[3]。分析其输出特性，有助于研究光伏阵列旁路二极管配置、故障诊断和多峰值最大功率点跟踪算法等[4-8]。

PSC下光伏阵列的仿真模型，与均匀光照时不同。PSC下光伏阵列的分段函数拟合模型[9]，工程用模型[10]，基于基尔霍夫定律模型[11]等数学模型具有构建复杂等缺点。文献[12]利用电池单二极管模型分析局部阴影条件下集中式光伏阵列的输出特性，但未考虑阻塞二极管的影响。辐照度对电池短路电流和开路电压的影响不同，文献[13-14]未区别研究旁路二极管和阻塞二极管对光伏阵列输出特性的不同影响。

Matlab具有强大的仿真计算能力，其自带的solar cell可表示电池双二极管电路模型，使用灵活直观。本文以电池考虑雪崩击穿双二极管模型为标准，校验solar cell双二极管电路模型的伏安特性，证明solar cell适用于建立PSC下光伏阵列电路模型。并仿真分析PSC下旁路二极管和阻塞二极管对光伏阵列输出特性的不同影响，区别旁路二极管和阻塞二极管减小功率失配损失的效果。

1 solar cell 的伏安特性

表1 光伏电池参数

图1 电池考虑雪崩击穿双二极管模型的等效电路

图2 牛顿法计算电池考虑雪崩击穿双二极管模型伏安特性曲线的流程图

图2是牛顿法计算电池考虑雪崩击穿双二极管模型伏安特性曲线的流程图。电池参数如表1所示，S为辐照度。仿真比较两者的伏安特性，结果如图3所示。

电池是1个PN结，但太阳光照射时可以输出电流。如图3所示，其伏安特性与普通二极管不同，承受反向电压时，Icl最小保持为5 A。Ucl<-10 V时式（1）的Icl迅速上升，消耗功率过大超过散热能力时，出现导致电池损坏的热斑效应。-10V<Ucl<0 V时，两者的伏安特性相似。因此承受-10 V~0 V反向电压或无需精确计算充当负载消耗的功率时，solar cell可作为PSC下光伏组件及阵列电路模型的电池模型。

图3 solar cell双二极管电路模型和式（1）考虑雪崩击穿双二极管模型的伏安特性比较

如图4所示，Ie表示两者的伏安特性差值。由于solar cell双二极管电路模型不考虑雪崩击穿，Ucl<0 V时两者之间出现差值的原因是表示雪崩击穿电流的Iv。Ucl>0 V时Iv的值尽管很小，在实际使用中仍需注意。

图4 solar cell双二极管电路模型和式（1）考虑雪崩击穿双二极管模型的伏安特性差值及Iv影响

2 旁路二极管和阻塞二极管配置

2.1 旁路二极管

2.2 阻塞二极管

PSC下阴影电池的Ucoc减小。受PSC影响支路开路电压小于光伏阵列工作电压时，并联的其他正常支路电流流入此支路，出现电流环流现象。为避免电流环流现象损坏组件，支路串联阻断二极管，提供电压补偿，使得阴影支路电压等于光伏阵列工作电压。

3 仿真验证

3.1 光伏阵列电路模型及参数设置

仿真采用36个电池串联组成组件，9个光伏组件串并联组成3×3光伏阵列，npb为并联的支路编号，如图5所示。图5（a）中1个旁路二极管并联m个电池组成发电单元，nsu为各发电单元的编号。电池参数如表1所示。

出于简化考虑，设置旁路二极管和阻塞二极管的特性如下：旁路二极管的正向电阻忽略不计，反向电阻近似无穷大。阻塞二极管正向压降和电阻忽略不计，反向电阻近似无穷大。

3.2 旁路二极管的影响和作用

（a）组件（m×nsu=36）

（b）3×3光伏阵列

图5 仿真光伏组件和阵列

本文Ucoc=0.630 V，Upd=0.7 V，Ucb=-25 V，按照式（9）求得1个旁路二极管可以并联的最大电池个数mmax为32。因为m越小，旁路二极管数目越多，功率峰值点个数越多，光伏阵列输出特性越复杂。需要研究旁路二极管最优配置方案，确定m的最优值。采用Im表示组件电流，Um表示组件电压，Pm表示组件功率。仿真分析不同阴影分布下，旁路二极管对如图5（a）所示组件输出特性的影响。

假设1个组件只有2个辐照度不同的阴影电池，比较m=12和m=18时旁路二极管减小功率损失的效果。m=12时，1个辐照度为200 W/m2的阴影电池在发电单元1，1个辐照度为400 W/m2的阴影电池在发电单元2。

m=18时分两种工况：1）辐照度分别为200 W/m2和400 W/m2的2个阴影电池均在发电单元1。2） 1个辐照度为200 W/m2的阴影电池在发电单元1，1个辐照度为400 W/m2的阴影电池在发电单元2。

图6 不同阴影分布下组件输出特性

仿真结果如图6所示。m=18，2个阴影电池均在发电单元1时，16个无阴影电池无法发电，最大输出功率为42.841 W。发电单元1的旁路二极管作用提供补偿电流。m=12，2个阴影电池分别在发电单元1和发电单元2时，11个无阴影电池无法发电，23个无阴影电池小于其发电能力发电。最大输出功率为27.432 W，发电单元1的旁路二极管作用提供补偿电流。

不是m越小，旁路二极管减小功率损失的效果越好，还与阴影分布有关。m越大，阴影电池处于同一发电单元的可能性越大。需要根据具体PSC确定旁路二极管最优配置方案，但如何选取具体PSC及相应计算方法尚有待研究。

3.3 阻塞二极管的影响和作用

如图5（b）所示3×3光伏阵列，整个支路1受阴影影响，阴影辐照度为200 W/m2。支路2和支路3均不受阴影影响，辐照度为1000 W/m2。采用Ia表示光伏阵列电流，Ua表示光伏阵列电压，Pa表示光伏阵列功率，Ix表示支路电流，Px表示支路功率。仿真比较串联阻塞二极管前后光伏阵列输出特性，证明阻塞二极管对光伏阵列输出特性的影响比旁路二极管更小，结果如图7和图8所示。

阴影支路1的开路电压只有62.971 V，小于正常支路的67.592 V。串联阻塞二极管前，光伏阵列的工作电压大于62.971 V后，阴影支路1的电流变为负值，出现电流环流现象。支路2和支路3正常发电，如图7（a）所示。

采用受控电压源模拟电网，阴影支路1消耗功率大于支路2和支路3的发电功率时，受控电压源为其提供功率。阴影支路1消耗功率最大为-15.685 W，如图7（b）所示。

（a）电流-电压特性曲线

（b）功率-电压特性曲线

图7 串联阻塞二极管前的光伏阵列输出特性

（a）电流-电压特性曲线

（b）功率-电压特性曲线

图8 串联阻塞二极管后的光伏阵列输出特性

串联阻塞二极管后，阴影支路1在光伏阵列的工作电压大于62.971 V后，其阻塞二极管截止，提供电压补偿。此时，阴影支路1的电流保持为0 A，如图8（a）所示。电池开路电压与辐照度的关系为非线性，与电池短路电流随辐照度线性变化不同，电池开路电压受辐照度变化影响更小，如式（10）所示。

由于阴影支路开路电压减小，串联阻塞二极管也会造成光伏阵列的输出特性出现多个功率峰值点。阻塞二极管造成的功率峰值点不明显，并在最大功率峰值点右侧，如图8（b）所示。对比旁路二极管在只有1个阴影电池时，就作用提供补偿电流。阴影辐照度很小或串联支路阴影电池个数很多，阴影串联支路开路电压小于最大功率峰值点电压时，阻塞二极管才作用提供补偿电压。

4 结论

阴影电池只承受较小反向电压或无需计算反向消耗的功率时，Matlab自带的solar cell适用于建立PSC下光伏组件及阵列的电路模型。仿真结果表明旁路二极管的数目对功率峰值点的影响和阴影分布同样重要，对输出特性影响明显。

阻塞二极管造成的功率峰值点不明显，其对光伏阵列输出特性的影响比旁路二极管更小。PSC下光伏阵列正常工作时，阴影电池的旁路二极管需作用提供补偿电流，阻塞二极管是否作用提供补偿电压取决于阴影辐照度和光伏阵列拓扑。

牛人讲解PFC旁路二极管的作用

图1所示，PFC旁路二极管D2的作用是什么，已经是一个是老生常谈的事，今天我们来好好的讨论下。

图1

网上有这么几种说法：

01

当启动的时候，冲击电流是从D2流过，D2是慢管耐冲击电流比较大，D1是快管，会损坏二极管。

对于这一个观点，我觉得是次要原因，因为我们随意找一个600V/10A的快管，他的冲击电流也不小的，如下图所示120A：

图2

我们电源一般的要求冲击电流时不会允许这么大，一般我们都会在输入回路里面加NTC，这就会大大的减小了冲击电流，还有就时没有D2，开机的瞬间L1时会串在里面，L1时有一定的感抗，这样冲击电流应该会更小，更不能说明时保护D1的作用了。

在这里好像有点说不过去，难道这种说法是错误的吗？？应该也不会。据我所知道是以前时没有这个二极管的，后来随着技术的的发展而加上的。

原因是CCM模式的PFC二极管的反向恢复电流太大，损耗比较大，PFC mos管的温升高，效率做不上去，技术的发展碳化硅二极管的应用开始流行在CCM模式里面，碳化硅二极管与普通的快恢复的二极管优势很明显，我们有做个实验用普通的快恢复二极管做的500W。

PFC就换一个碳化硅，输出功率不变的情况下，输入会少7W，效率明显提升很多，虽然成本上去了，但是散热成本降下来了，综合来看，成本上升很小，但是正确效率提升是一个大的亮点，这有点扯题外话了。碳化硅二极管的特性是耐冲击电流太小。

图3

如下图就是碳化硅的参数

图4

从上图中我明显看到碳化硅的冲击电流只有30.5A还是在25摄氏度的是，高温下更低。随碳化硅二极管的应用，D2就必须得用。

02

看上面的描述。感觉是不用碳化硅就不需要了用了？临界模式下PFC都是快恢复的二极管，应该不用也可以，我有实验过不用，反复开机没有任何问题。但是很多工程师会有一下的疑问。

图5所示：

如果没有旁路二极管D2，开机时的冲击电流比较大直接流过PFC电感L1，现在很多的PFC电感是铁氧体的磁芯，会出现饱和现象，有了D2可以起到一个很好的保护作用。

乍一听好像是这样，但是仔细想想，当冲击电流来的时候电感饱和又会怎么样了，因为这个时候我们的PWM还没有输出，就算饱和了也没有事情，等我们的PWM发出的时候，电感已经恢复了。

图5

这是一个我们值得深思的问题，感觉不用是可以的，是不是大家看到CCM模式有用就随大众加了，真的是这样吗，我想当然是不可能的。

这个D2的出现还有一个非常大的原因就是随电源技术的发展，各种可靠性实验越来越多，其中的雷击实验是越来越严酷，现在有些客户可能要求差模与共模都是10KV 内阻2欧姆，在这么严酷的实验要求下，D2就应运而生了。当我说到这里的时候有很多的工程师都来知道怎么回事了，特别是经常做雷击实验的工程师肯定是深有体会。下面我们来分析是什么原因。

图6

如图6所示，当PWM驱动波形是高电平时，MOSFET打开，电流从L1流入MOSFET ，这时候MOSFET雷击的浪涌电流正好发生，那么一个很大的电流将进入L1与MOSFET，L1会出现饱和，一但饱和，我们的电感就相当与短路，那MOS管Q1上的压降等于输入电压，因为MOS管时在开通状态，现在的MOS管等于是一很小的电阻，一般都是mΩ级别，那MOS管的电流一定会过应力而损坏MOSFEG。

有人会问我的L1电感非常强壮，不会出现饱和，这种可能性太小了，雷击浪涌实验感应过来的电流一般都是几百上千安培，你的有多大的电感，假设这种情况成立，L1上可以承受这么大的电流，电感上的自感电动势也非常高，会使得A点电压过高，也有会使整流桥电压过应力损坏。

图7

03

还有一种说法在网上可以查到：

不加旁路二级管，如果功率MOSFET发生失效，那么，发生失效的条件通常是：输出满负载，系统进行老化测试、输入掉电测试以及输入AC电源插拔的过程中。

在上述条件下，输入电压瞬态的降到较低值或0V，由于输出满载，PFC输出大电容的电压VBUS迅速降低到非常低的值，PFC控制IC的VCC的电容大，VCC的电流小，因此，VCC的掉电速度远远小于VBUS的掉电速度，VCC的掉电速度慢，只要VCC高于PFC控制IC的VCC的UVLO，那么PFC控制IC仍然在工作。

当VCC的值比UVLO稍高一点时，输入电源AC再加电，PFC控制IC没有软起动过程直接工作 ，由于输出电压比较低，特别是在输入正弦波峰值点附近开通功率MOSFET，PFC电感和功率MOSFET的工作峰值电流非常大，如果电感的饱和电流余量不够，或PFC的电流取样电阻选取得过小时，PFC电感有可能发生饱和，功率MOSFET在大电流的冲击下，就有可能发生损坏。

同时，功率MOSFET的VGS电压比较低，约等于PFC控制IC的VCC的UVLO电压，如果功率MOSFET的饱和电流比较低，就有可能会进入线性区工作，更容易导致功率MOSFET线性区工作而损坏。

如果电流取样电阻RS在功率MOSFET的驱动回路中，就是PFC控制IC的地，没有直接连接到功率MOSFET的源极S，功率MOSFET的VGS实际电压为：

VGS=VCC-VDRH-VRS

其中，VDRH为 PFC控制IC内部图腾柱上管的导通压降

上面这种说法有一定的道理，但是我觉得还是一些次要原因，我们在实验室里面110VAC老化的过程中，可以通过source90°相位来切换电压到230V，只是可以明显看到我们的PFC会过流的，但是我过流点做好了是不会出现上面说的损坏MOS管的情况。

该内容是小编转载 电源研发精英圈，仅供学习交流使用，如有侵权，请联系删除。如果你还想了解更多关于电子元器件的相关知识及电子元器件行业实时市场信息，敬请关注微信公众号 【上海衡丽贸易有限公司】

相关问答

旁路二极管有什么作用?

暗特性是为了验证电路模型的正确,也就是为了确认(不是说明)无光条件下是个二极管而不是别的元器件(比如电阻)。从发展历史上,光伏的模型是根据暗特性和伏...

为什么在太阳能电池组件输出端的两极并联一个旁路二极管?

应该是限压保护用的。太阳能电池正常工作时是向外输出电能的,但是如果因为某种原因(接错线,误操作、雷击等等),接受反向电压,因其反向耐压很低,很容易被击...

短路和旁路有什么联系和区别电路中的用电?

旁路是与主通道并联的另一个通道,通过旁路的信号是有条件的。如三极管放大器的直流负反馈电阻,并联旁路电容器让交流信号通过,使得交流放大倍数不变。而变化...

现在的光伏组件接线盒里面都有旁路二极管吗?

并非所有的光伏组件接线盒里面都有旁路二极管。旁路二极管(也称为绕流二极管)通常用于光伏组件中,以防止光伏电池板在部分遮挡或故障时发生反向电流。旁路二极...

光伏板325W不接二极管发出的电是多少伏?

光伏板的输出电压和接不接二极管没多大关系。一只二极管的压降只有零点几伏,而325W的光伏板输出电压一般都在40V以上,这零点几伏的压降完全可以忽略不计。题主...

卡脖子概念股龙头有哪些?-股票知识问答-我爱卡

[回答]ST乐凯:中国航天科技集团旗下,生产的压力测试膜是京东方、深天马除日本富士外国内唯一的供应商;EMI屏蔽膜和导电胶膜成为5G产品发力点是国内除方邦...

热斑效应影响光伏组件出力吗？

[回答]一串联支路中被遮蔽的太阳电池组件,将被当作负载消耗其他有光照的太阳电池组件所产生的能量,被遮蔽的太阳电池组件此时会发热,这就是热斑效应。这...

光伏板4个接线头?

答:光伏板4个接线头,红,蓝,绿线接到太阳能仪表上相应的接线柱上,白线接到黄接线柱上。光伏板接线盒4个端子光伏组件内的电池串通过引出线引出电流,并采用...

热斑效应产生原因?

有光照的太阳电池所产生的部分能量,都可能被遮蔽的电池所消耗。为了防止太阳电池由于热斑效应而遭受破坏,最好在太阳电池组件的正负极间并联一个旁路二极管,...

什么是热斑效应?有哪些因素会致使热斑效应?它对光伏电池方阵的影响是什么?

在一定条件下,一串联支路中被遮蔽的太阳电池组件,将被当作负载消耗其他有光照的太阳电池组件所产生的能量。被遮蔽的太阳电池组件此时会发热,这就是热斑效应...