一種光伏發電組件接線盒的製作方法

2023-10-11 21:14:39 2

專利名稱：一種光伏發電組件接線盒的製作方法
技術領域：
本發明涉及光伏發電裝置，特別涉及一種光伏發電組件接線盒。
背景技術：
進入21世紀以來，以太陽能為代表的光伏新能源產業取得了突飛猛進的發展；為了提高當前太陽能發電系統的可靠性，克服太陽能電池組件不可迴避的「熱班」效應，工業界採用的方式是為之提供旁路保護，如每12-24片串聯連接的電池片提供一個旁路通路；當其中的一片或幾片電池片因某種原因出現遮擋時，旁路二極體處於正嚮導通，提供旁路通路，使其餘未被遮擋的電池片仍能正常工作，同時避免了被遮擋電池片因熱班效應而損壞。美國亞利桑那州立大學光伏測試實驗室G Tamizh Mani等人在「PhotovoltaicsInternational，，雜誌 2008 年8 月發表文章「Failure Analysis of Design QualificationTesting 2005 vs.2007」 指出:根據 IEC61215/IEEE1262 標準，對 1997-2005 年間安裝在現場的1200個組件，以及2005-2007年間安裝在現場的1000個組件，進行重新測試發現:旁路二極體失效率表現為:1997-2005年間約為4%，而2005-2007年間約為31%。主要表現為熱應力引起近年來旁路二極體的失效率急劇增加；其原因在於:在太陽能光伏產業發展的早期，由於電池片尺寸較小、電池片的光電 轉換效率較低等原因，電池組件的工作電流比較小，故早期的旁路二極體通常採用PN結整流二極體；近年來，在巨大市場需求驅動下，太陽能光伏產業鏈相關領域技術快速進步，電池片的尺寸越來越大，電池片的光電轉換效率越來越高，如美國Sunpower公司的背接觸電池片商業化轉換效率已經達到22%以上；導致電池組件的工作電流已經達到10A的數量級；如再採用PN結整流二極體，其在旁路工作狀態下的功耗將達到10W以上，PN結旁路二極體將不能承受自身的熱功耗；因此近年來，工業界已經將旁路二極體改為正向壓降更低的肖特基整流二極體替代；典型的肖特基整流二極體在10A下的正向壓降約0.5V左右，因此功耗在5W左右；此功耗仍然是一個很高的功耗，對旁路二極體的可靠性提出了嚴峻的考驗；隨著技術的進步，未來電池片尺寸進一步變大，光電轉換效率將進一步提高，電池組件工作電流進一步加大，上述旁路二極體的發熱問題，將變得更加嚴重。造成旁路二極體近年來高失效率的主要原因，是由於對太陽能光伏發電各種運行工況下，其旁路二極體器件設計、器件封裝設計，以及太陽能接線盒結構熱設計不合理導致的；IEC61215標準規定的測試方法尚未完全覆蓋失效機理，故在TUV等機構考核認證中不能完全發現潛在的失效，因此所謂太陽能組件壽命25-30年的承諾形同虛設。旁路整流二極體與其他電源管理應用不同，它使用在直流DC工作狀態下:旁路工作，即正嚮導通，或者待機工作，即反向截止。旁路工作狀態下:
此時旁路二極體I處於正嚮導通，在10A電流下，肖特基旁路二極體約有5W的功率，由於目前接線盒是一個密閉的腔體，沒有空氣的對流散熱；傳熱路徑為:旁路二極體晶片--旁路二極體晶片塑封體--接線盒腔體內空氣介質--接線盒塑料外殼體--外界；其中塑料是接線盒腔體內空氣的不良熱傳導介質，旁路二極體出現嚴重的過熱；典型的溫升試驗表明:目前旁路二極體R6封裝形式，旁路二極體的結溫在150-200°C，接線盒內空氣的環境溫度約為90-110°C，接線盒殼體溫度約90°C ;上述數據表明，旁路二極體的發熱，不能有效的耗散掉，結溫與環境溫度的梯度> 50°C以上；說明了目前採用的R6封裝形式不合理；工業界雖然採用散熱性更好的T0263/220封裝形式，但是目前接線盒的結構決定了其改善依然有限。更為嚴重的問題是:太陽能組件被安裝在屋頂、戶外，日照好的沙漠或高原，發電運行中完全有可能出現旁路二極體長時間工作在旁路狀態，這個時間可能是10分鐘，可能是10小時，甚至可能是一個月或更長，如一群鳥在太陽能組件上拉屎，遮擋了電池片，馬上及時清除的可能性極小；這會導致旁路二極體一直工作在150-200°C的高溫下；長時間高溫工作，不但旁路二極體R6封裝塑封體的壽命呈指數下降，高發熱將在晶片內引入嚴重的熱應力，長時間的熱疲勞甚至會導致晶片斷裂，器件永久性失效；因此，必須改善目前旁路二極體和接線盒的熱設計以應對上述運行工況的出現。待機工作狀態下:
此時旁路二極體I處於反向截止工作狀態；反向偏置在IOV左右，25°C下的漏電流在10微安數量級，功耗大致在mW數量級。由於太陽能組件的工作電流越來越大，因此不得不放棄PN結整流二極體作為旁路二極體，因為其旁路工作工況下的功耗在IOA下將達到IOW數量級；肖特基整流二極體則成為了首選；但早期業界對肖特基作為旁路二極體的反向漏電流物理特性認識不足；肖特基整流二極體反向漏電流的溫度特性有一個經驗法則:溫度升高每10°C，漏電流加倍；實際測量市面上15SQ045肖特基旁路二極體25°C下的漏電流為0.4mAi45V ;125°C下則變為250mAi45V ;太陽能組件旁路二極體在待機工作狀態下的反向偏置約為IOV數量級；如果因為某種原因，旁路二極體的溫度在100-130°C，其IOV反向偏置下的漏電流在IO-1OOmA數量級；此時待機狀態下的旁路二極體的功耗為:100mW-l.0W之間；這足以導致旁路二極體的自發熱:自發熱一溫度升聞一漏電變大一發熱更大一溫升更聞一反向熱擊穿燒壞，永久性失效；試驗表明，進入反向熱擊穿狀態的旁路二極體在1-2秒內即永久性損壞。目前接線盒內的旁路二極體的安裝結構，相互之間通過導電良好的金屬條，銅或者鋁，實現電連接，但也是良好的熱幹擾連接；如其中的一隻處於旁路工作狀態；該只旁路二極體溫升在150°C以上；通過金屬連接條的熱傳導幹擾連接，將使與之相鄰的處於待機狀態下的旁路二極體溫度不斷升高，導致漏電流不斷變大，最壞情況下會出現上述反向熱擊穿正反饋循環。接線盒內，一隻以上旁路二極體必須實現串聯的電連接，但是必須將相互之間的熱幹擾效果降至最低，才能應對上述運行工況；現行的接線盒結構設計顯然上述問題考慮不足。電池片從「遮擋」到「無遮擋」運行工況的轉變:
當電池片被遮擋，與之並聯的旁路二極體則處於旁路工作狀態，該旁路二極體的溫升將達到150° C左右甚至更高；此時如果電池片變成了無遮擋，如一片樹葉先遮擋I小時，然後瞬間被風吹走，旁路二極體電氣上立刻恢復到待機工作狀態，處於反向偏置約10V，而此時旁路二極體的溫度不會立刻下降，熱弛豫時間一般較長；此時旁路二極體的反向漏電流將會在IOOmA以上數量級,則功耗在1-2W數量級,旁路二極體將迅速進入反向熱擊穿正反饋循環，直至永久性損壞；而目前的接線盒結構熱設計，明顯考慮不足。綜上所述，要解決太陽能接線盒、旁路電路的可靠性問題以至於太陽能組件發電系統的可靠性問題，必須解決旁路電路的熱設計問題；公開號為US7898114B2的美國專利所公開的太陽能電池模塊，採用了不同的原理，它由三顆器件組成集成模塊:一顆功率MOSFET, 一顆電容，一顆專用集成電路晶片，一起被封裝在T0220/263封裝體內形成了旁路電路；非常好的解決了溫升可靠性問題。該原理的商業化產品如ST公司的SPV1001等系列以及美國TI公司2013年發布的SM74611系列；其潛在的問題是:成本高，其次，如果其中的一個器件出現可靠性問題，如引線鍵合問題，將導致旁路電路永久性失效。公開號為CN202004017U的中國實用新型專利所公開的太陽能光伏發電組件接線盒，在接線盒內設置了 3個獨立的散熱塊，有利於旁路二極體相互之間的熱隔離，但是散熱仍然在接線盒內，不能有效散熱，也就避免不了旁路二極體相互之間的熱幹擾；公開號為CN202651125U的中國實用新型專利所公開的光伏旁路集成模塊，提出了一種模塊化的設計，其電路電氣內連片的設計方式和一體化封裝，沒有充分考慮到旁路二極體之間熱幹擾需要進行有效隔離；公開號為CN202259234U的另一中國實用新型專利在接線盒外配置了一個統一的熱沉散熱，仍沒有解決旁路二極體之間熱幹擾需要進行有效隔離的問題，而統一的熱沉反而會加強太陽能接線盒內旁路二極體相互之間的熱幹擾。

發明內容
本發明的目的是提供 一種光伏發電組件接線盒，它將旁路二極體的熱量引出至接線盒外，從而加強旁路二極體的散熱性能，有效解決背景技術所述的旁路二極體溫升問題。本發明的上述技術目的是通過以下技術方案得以實現的:一種光伏發電組件接線盒，包括盒體、至少具有一個旁路二極體的二極體晶片組及用於封裝所述二極體晶片組的封裝體，該種接線盒還包括用於對所述旁路二極體進行散熱且與所述旁路二極體電氣絕緣且延伸至所述盒體外的散熱片。作為本發明的優選，所述散熱片上設有熱沉。作為本發明的優選，所述熱沉設於所述散熱片位於所述盒體外的部分。作為本發明的優選，所述旁路二極體下方設有導熱絕緣片，所述散熱片設於絕緣片下方。作為本發明的優選，所述散熱片位於所述旁路二極體的下方。作為本發明的優選，每個所述旁路二極體都對應有一個所述散熱片。作為本發明的優選，所述二極體晶片組至少具有兩個旁路二極體；所述封裝體位於相鄰兩個所述旁路二極體之間的部分向內凹進形成缺口。作為本發明的優選，所述缺口與所述盒體外界相通。作為本發明的優選，所述二極體晶片組至少具有三個旁路二極體；所述旁路二極體分別位於所述盒體的兩側；且盒體兩側的旁路二極體相互交錯分布。作為本發明的優選，所述二極體晶片組至少具有兩個旁路二極體；所述旁路二極體分別位於所述盒體的兩側。
作為本發明的優選，封裝體與盒體一體成型。作為本發明的優選，該種光伏發電組件接線盒還包括分別電連接旁路電路位於所述盒體兩端的電纜引線端子、分別電連接於相應所述旁路二極體及電池組件匯流帶連接端子、設於相鄰所述電池組件匯流帶連接端子之間的旁路二極體晶片連接跳線。綜上所述，本發明具有以下有益效果:本發明結構簡單，易於實施；首先，通過延伸至盒體外的散熱片使旁路二極體產生的熱量能被有效傳導至盒體外，從而有效解決旁路二極體的溫升問題；且每個旁路二極體都對應有一個散熱片的設置，使得每個旁路二極體都能被獨立散熱，從而儘可能地降低了相鄰旁路二極體之間的熱幹擾效果；同時，封裝體也可以露出於盒體外，以進一步加強散熱性能；熱沉的設計更進一步提高了旁路二極體的散熱性能；導熱絕緣片與散熱片的設置，使散熱片可以採用具有良好導熱性能的銅鋁材料，從而一方面使散熱片與旁路二極體之間具有良好的電氣絕緣性能，另一方面使散熱片具有良好的散熱功能，從而最大限度地使旁路二極體產生的熱量被引至盒體外；其次通過封裝體位於相鄰兩個所述旁路二極體之間的部分向內凹進形成缺口的設置，有效降低了相鄰旁路二極體之間的熱傳遞幹擾效果，同時，該缺口的設置，使相鄰旁路二極體之間的電連接金屬導線需繞過此缺口，因此使電連接金屬導線得以加長，從而也加大了金屬導線的熱傳導行程，進一步降低相鄰旁路二極體之間的熱傳遞幹擾效果；再次，通過旁路二極體分別位於所述盒體的兩側的空間結構設置，也即在電連接結構上相鄰的兩個旁路二極體分別位於盒體的兩側，從而使金屬導線的熱傳導行程更長，也加大了散熱面積，加強了旁路二極體相互之間的熱隔離；同時如此設置，也會使接線盒內呈現網格狀的結構，有利於加強了接線盒的機械結構；本發明中的封裝體與二極體晶片組可以作為一個模塊一體成型，以便組裝成接線盒；同時盒體與封裝體也可以一體成型，使整個接線盒一體化，從而簡化設計，降低成本，提高可靠性。


圖1是實施例1示意 圖2是實施例1中電路連接結構示意 圖3是實施例2 意 圖4是實施例2中電路連接結構示意圖。圖中，1、旁路二極體，2、封裝體，3、散熱片，4、電纜引線端子，5、電池組件匯流帶連接端子，6、旁路二極體晶片跳線，7、盒體，31、熱沉，32、導熱絕緣片，21、缺口。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明作進一步詳細說明。本具體實施例僅僅是對本發明的解釋，其並不是對本發明的限制，本領域技術人員在閱讀完本說明書後可以根據需要對本實施例做出沒有創造性貢獻的修改，但只要在本發明的權利要求範圍內都受到專利法的保護。實施例1:如圖1-2所示，一種光伏發電組件接線盒，包括盒體7，盒體7上設有二極體晶片組及用於封裝二極體晶片組的封裝體2，二極體晶片組至少具有一個旁路二極體1，本實施例圖1-2顯示有三個；旁路電路與盒體7兩端的電纜電連的連接端子4，與每個旁路二極體I電連接的電池組件匯流帶連接端子5，相鄰電池組件匯流帶連接端子5之間設有旁路二極體晶片跳線6 ;圖中所示的盒體7為盒體7的局部示意。在每個旁路二極體丨的下方設有用於散熱的散熱片3，散熱片3與旁路二極體I通過導熱絕緣片32實現電氣絕緣，且散熱片3延伸至盒體7的外面。散熱片3位於盒體7外的部分設有熱沉31。散熱片3可以採用銅或鋁等高導熱性能材料，導熱絕緣片32可以採用A1N，Al2O3,絕緣石墨等高導熱但良好電絕緣的陶瓷基片，或者是刻有圖形的單面或者雙面DBC/DPC等陶瓷基片，從而一方面具有良好的電氣絕緣，另一方面又具有良好的導熱性能，使旁路二極體I發熱能最大限度的就地通過散熱片3傳遞至外界。封裝體2位於相鄰兩個旁路二極體I之間的部分向內凹進形成缺口 21。 每隻旁路二極體I都獨立具有散熱片3及熱沉31的設置，使所述旁路二極體發熱大部分就地散掉到接線盒外部；旁路二極體I之間封裝體2上缺口 21的設計，減少熱量通過封裝體2進行熱傳導幹擾；缺口 21的設置，使相鄰旁路二極體I之間的電連接金屬導線需繞過此缺口 21，因此使電連接金屬導線得以加長，從而也加大了金屬導線的熱傳導行程，進一步降低相鄰旁路二極體I之間的熱傳遞幹擾。實施例2:如圖3-4所示，一種光伏發電組件接線盒，包括盒體7，盒體7上設有二極體晶片組及用於封裝二極體晶片組的封裝體2，二極體晶片組至少具有一個旁路二極體I，本實施例圖4顯示有三個；盒體7兩端的旁路二極體I還分別電連接有電纜引線端子4，每個旁路二極體I及電纜引線端子4都電連接有電池組件匯流帶連接端子5，相鄰電池組件匯流帶連接端子5之間設有旁路二極體晶片跳線6。採用電絕緣高導熱環氧樹脂對二極體晶片組進行全包封封裝，與封裝體2 —次成型。同時，旁路二極體I分別設置於封裝體2的兩側，使得在電連接結構上相鄰的兩個旁路二極體I之間距離更遠，使得旁路二極體I之間電連接金屬框架距離更大，進一步減緩了旁路二極體I相互之間熱幹擾。在每個旁路二極體I的下方設有用於散熱的散熱片3，散熱片3與旁路二極體I通過導熱絕緣片實現電氣絕緣，且散熱片3延伸至盒體7的外面；散熱片3位於盒體7外的部分設有熱沉31 ;導熱絕緣片在圖中未示出。本發明的封裝體2與盒體7可以一次整體成型。
權利要求
1.一種光伏發電組件接線盒，包括盒體(7)、至少具有一個旁路二極體(I)的二極體晶片組及用於封裝所述二極體晶片組的封裝體(2)，其特徵在於，該種接線盒還包括用於對所述旁路二極體(I)進行散熱且與所述旁路二極體(I)電氣絕緣且延伸至所述盒體(7 )外的散熱片(3)。
2.根據權利要求1所述的一種光伏發電組件接線盒，其特徵在於，所述散熱片(3)上設有熱沉(31)。
3.根據權利要求2所述的一種光伏發電組件接線盒，其特徵在於，所述熱沉(31)設於所述散熱片(3)位於所述盒體(7)外的部分。
4.根據權利要求1所述的一種光伏發電組件接線盒，其特徵在於，所述旁路二極體(I)下方設有導熱絕緣片(32)，所述散熱片(3)設於導熱絕緣片(32)下方。
5.根據權利要求1所述的一種光伏發電組件接線盒，其特徵在於，所述散熱片(3)位於所述旁路二極體(I)的下方。
6.根據權利要求1或5所述的一種光伏發電組件接線盒，其特徵在於，每個所述旁路二極體(I)都對應有一個所述散熱片(3 )。
7.根據權利要求1或2所述的一種光伏發電組件接線盒，其特徵在於，所述二極體晶片組至少具有兩個旁路二極體(I);所述封裝體(2 )位於相鄰兩個所述旁路二極體(I)之間的部分向內凹進形成缺口( 21 )。
8.根據權利要求1或2所述的一種光伏發電組件接線盒，其特徵在於，所述二極體晶片組至少具有三個旁路二極體(I);所述旁路二極體(I)分別位於所述盒體(7)的兩側；且盒體(7)兩側的旁路二極體(I)相互交錯分布。
9.根據權利要求1或2所述的一種光伏發電組件接線盒，其特徵在於，所述二極體晶片組至少具有兩個旁路二極體(I);所述旁路二極體(I)分別位於所述盒體(7)的兩側。
10.根據權利要求1所述的一種光伏發電組件接線盒，其特徵在於，封裝體(2)與盒體(7)一體成型。
全文摘要
本發明涉及光伏發電裝置，特別涉及一種光伏發電組件接線盒。本發明是通過以下技術方案得以實現的一種光伏發電組件接線盒，包括盒體、至少具有一個旁路二極體的二極體晶片組及用於封裝所述二極體晶片組的封裝體，該種接線盒還包括用於對所述旁路二極體進行散熱且與所述旁路二極體電氣絕緣且延伸至所述盒體外的散熱片。本發明將旁路二極體的熱量引出至接線盒外，從而加強旁路二極體的散熱性能，有效解決背景技術所述的旁路二極體溫升問題。
文檔編號H01L23/367GK103227223SQ20131011551
公開日2013年7月31日 申請日期2013年4月3日 優先權日2013年4月3日
發明者馮春陽, 戴勝強, 高聖超 申請人:馮春陽, 浙江美晶科技有限公司