太陽(yáng)能電池利用半導(dǎo)體器件的光伏效應(yīng)，把太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)換成電能，再通過電子技術(shù)的轉(zhuǎn)換加以利用或存儲(chǔ)。太陽(yáng)能電池系統(tǒng)的重要部件是太陽(yáng)能電池、蓄電池、控制器和逆變器，其結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)分為獨(dú)立太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)和并網(wǎng)太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)。獨(dú)立太陽(yáng)能光伏發(fā)電是指太陽(yáng)能光伏發(fā)電不與電網(wǎng)連接的發(fā)電方式，典型特點(diǎn)為要蓄電池來(lái)存儲(chǔ)夜晚用電的能量。獨(dú)立太陽(yáng)能光伏發(fā)電在民用范圍內(nèi)重要用于邊遠(yuǎn)的鄉(xiāng)村，如家庭系統(tǒng)、村級(jí)太陽(yáng)能光伏電站;在工業(yè)范圍內(nèi)重要用于電訊、衛(wèi)星廣播電視、太陽(yáng)能水泵，在具備風(fēng)力發(fā)電和小水電的地區(qū)還可以組成混合發(fā)電系統(tǒng)，如風(fēng)力發(fā)電/太陽(yáng)能發(fā)電互補(bǔ)系統(tǒng)等。

圖1太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)示意圖

小型太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的防雷保護(hù)

由于太陽(yáng)能電池板所處環(huán)境為戶外，通常設(shè)立在空曠處或高處以保證日照。按照IEC61000-4-5電氣環(huán)境分類，其電源連接線路隸屬于4類電氣環(huán)境，即互連線按戶外電纜沿電源電纜敷設(shè)并且這些電纜被作為電子和電氣線路的電氣環(huán)境。依據(jù)IEC對(duì)4類電氣系統(tǒng)的防雷保護(hù)要求，太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的電力輸入部分要進(jìn)行防雷保護(hù)，這包括交流電力輸入電路、充放電回路和逆變電路。保護(hù)級(jí)別依據(jù)線線間2KV，線地間4KV的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。保護(hù)形式可能要按不同電路位置進(jìn)行一級(jí)至多級(jí)防護(hù)。由于太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)工作場(chǎng)合環(huán)境苛刻，維修周期長(zhǎng)，無(wú)人值守，使用壽命要求高等各種特殊需求，要在進(jìn)行過壓保護(hù)解決方法的設(shè)計(jì)中，除了對(duì)過壓保護(hù)器件的浪涌能力進(jìn)行考慮之外，整個(gè)保護(hù)方法的工作壽命和抗老化能力都要進(jìn)行評(píng)估;必要時(shí)應(yīng)采用6KV防護(hù)等級(jí)。

太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中每一塊太陽(yáng)能電池板電纜首先接入太陽(yáng)能系統(tǒng)控制器的匯流箱。因此在匯流箱及控制器的輸入端應(yīng)使用如圖2所示的過壓保護(hù)設(shè)計(jì)。其中A、B和C為過壓保護(hù)器件。關(guān)于電壓較高的、高可靠要求的系統(tǒng)和設(shè)備，應(yīng)當(dāng)使用氣體放電管(GDT)和壓敏電阻(MOV)串聯(lián)來(lái)作為A、B和C位置的保護(hù)器件來(lái)完成戶外電纜的防雷保護(hù)。而關(guān)于電壓低于48VDC的低功率系統(tǒng)，可以直接使用GDT進(jìn)行過壓保護(hù)。考慮到過壓保護(hù)器件的失效模式，要過流保護(hù)器件配合保護(hù)。在無(wú)人值守或不易維修的場(chǎng)合，應(yīng)當(dāng)使用可自恢復(fù)的過流保護(hù)器件。泰科電子電路保護(hù)部門關(guān)于此類的防雷保護(hù)，針對(duì)不同的應(yīng)用環(huán)境和保護(hù)要求有著多種保護(hù)方法。

圖2太陽(yáng)能電池匯流盒、控制器輸入端防雷保護(hù)

關(guān)于太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的直流負(fù)載也可以采用上述的方法來(lái)進(jìn)行防雷保護(hù)。而關(guān)于交流負(fù)載的防雷保護(hù)(即逆變器的輸出端)，則要使用圖3所示的的保護(hù)電路設(shè)計(jì)。泰科電子電路保護(hù)部門對(duì)此同樣有著深厚的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)積累和多樣的解決方法。

圖3太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)交流負(fù)載防雷保護(hù)電路

控制器和逆變器的過壓/過流/過熱保護(hù)

由于太陽(yáng)能電池陣列供應(yīng)直流電的電壓和電流都是不穩(wěn)定的，太陽(yáng)能控制器和逆變器要將其轉(zhuǎn)換成終端負(fù)載或者電網(wǎng)要求的電壓和電流。防止控制器和逆變器遭受ESD以及其它電磁干擾的損害是必要的。除了ESD器件外，泰科電子電路保護(hù)部門推出的2pro過流過壓綜合保護(hù)器件可有效解決太陽(yáng)能控制器和逆變器通訊端口的電路保護(hù)問題。2pro將聚合物型正溫度系數(shù)(ppTC)可恢復(fù)過溫過流保護(hù)器件與傳統(tǒng)壓敏電阻(MOV)貼合在一起使用。2pro除了可對(duì)雷擊，浪涌等瞬態(tài)過壓保護(hù)之外，在電壓波動(dòng)或失中線等長(zhǎng)時(shí)間過壓故障中，由于ppTC與MOV貼合在一起，MOV發(fā)散出來(lái)的熱將觸發(fā)ppTC使其動(dòng)作進(jìn)入高阻態(tài)，因而可以保護(hù)MOV不會(huì)因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間過壓而燃燒損壞。同時(shí)2pro還可針對(duì)短路等過流故障進(jìn)行保護(hù)，并在故障排除之后，自動(dòng)恢復(fù)到正常工作狀態(tài)，免去了更換器件等繁重的維護(hù)過程。圖4所示為2pro產(chǎn)品的應(yīng)用電路和實(shí)物圖。

圖42pro產(chǎn)品電路和實(shí)物圖由于作為儲(chǔ)能部件的可充電電池在充電程度改變時(shí)，電壓變化范圍較大。關(guān)于控制器和逆變器的核心控制單元可以使用泰科電子電路保護(hù)部門的polyZen器件，polyZen器件可以更精確地保護(hù)昂貴的控制、驅(qū)動(dòng)芯片，防止其在電壓過高地情況下?lián)p壞。圖5所示的為polyZen器件的應(yīng)用電路。

圖5polyZen器件電路

在控制器、逆變器的電路中，大功率的半導(dǎo)體開關(guān)器件用于電力轉(zhuǎn)換開關(guān)。這些器件即使在規(guī)定工作條件下運(yùn)行，也會(huì)出現(xiàn)隨機(jī)、不可預(yù)測(cè)并且呈現(xiàn)不同阻值的阻性短路。出現(xiàn)電阻失效時(shí)，僅10W的功率就可能出現(xiàn)溫度在180℃以上的局部熱點(diǎn)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于典型的印刷電路板玻璃躍變溫度(135℃)，造成電路板的環(huán)氧結(jié)構(gòu)損壞，并出現(xiàn)熱故障事件;最終可能導(dǎo)致器件及印刷電路板過熱、冒煙甚至起火。

泰科電子電路保護(hù)部門新推出的RTp器件具有既適合最高溫度達(dá)260℃的無(wú)鉛回流焊工藝，又能在激活后在200℃斷開進(jìn)行溫度保護(hù)。200℃的斷開溫度高于大部分正常工作的電子器件的正常工作溫度范圍，有助于防止誤動(dòng)作，提高系統(tǒng)可靠性。同時(shí)該溫度低于常見無(wú)鉛焊料熔點(diǎn)。所以，當(dāng)旁邊的器件在規(guī)定溫度范圍內(nèi)工作時(shí)，RTp器件不會(huì)斷開電路，但在器件脫焊和形成額外短路的潛在風(fēng)險(xiǎn)之前會(huì)斷開電路。這種適合回流焊的表面貼裝溫度保險(xiǎn)器件相關(guān)于要手工焊接的插腳溫度保險(xiǎn)絲，在裝配焊接后具有良好的可靠性和一致性。

儲(chǔ)能電池組的保護(hù)

在太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中，儲(chǔ)能電池的性能和安全也是非常重要的。不管是鉛酸電池還是鋰離子電池構(gòu)成的儲(chǔ)能電池組，在接線安裝過程中、在使用中都存在電纜短路、電池正負(fù)極誤接短路、或電池組溫度過高等潛在故障。這些故障輕則損壞設(shè)備電路，重則造成財(cái)產(chǎn)、人身安全事故。在電池組中合理使用基于ppTC技術(shù)的過流保護(hù)和溫度檢測(cè)可有效保護(hù)電池組、減少此類故障造成的性能下降和安全隱患。

任何類型的儲(chǔ)能電池組在運(yùn)輸、安裝及使用時(shí)都有可能遭遇外部短路。為防止電池組短路引起的嚴(yán)重后果，過流保護(hù)是必須的。除了polySwitch自恢復(fù)保險(xiǎn)絲以外，泰科電子電路保護(hù)部門還研發(fā)了MHp混合器件。這種MHp器件采用了一種新的混合式技術(shù)，它可供應(yīng)一種可恢復(fù)得、緊湊、穩(wěn)健的電路保護(hù)器件。它能在額定電壓超過30VDC的情況下供應(yīng)30A以上的工作電流。這種金屬混合ppTC器件(MHp)由一個(gè)雙金屬片保護(hù)器和一個(gè)聚合物正溫度系數(shù)(ppTC)器件并聯(lián)而成。這種組合既能供應(yīng)可復(fù)位的過電流保護(hù)功能，又可利用ppTC器件的低電阻特性來(lái)防止雙金屬片在大電流條件下出現(xiàn)電弧，同時(shí)還能加熱雙金屬片，使其保持在打開鎖定狀態(tài)。這種器件防止了電路斷開時(shí)出現(xiàn)的拉弧，故而延長(zhǎng)了觸電的壽命。由于該器件是密封且無(wú)弧，特別適合防暴場(chǎng)合的應(yīng)用。

圖6MHp30-36實(shí)物圖和機(jī)械尺寸圖

圖6所示的MHp30-36器件是泰科電子規(guī)劃的MHp產(chǎn)品系列中的首批器件，最大額定值為36VDC/100A，在100A(@25°C)條件下的跳閘時(shí)間小于5秒。這些器件的工作電流為30A，初始電阻不到2mΩ，低于常見雙金屬保護(hù)器的初始電阻(通常為3至4mΩ)。該系列的產(chǎn)品能為太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)中的儲(chǔ)能系統(tǒng)供應(yīng)更可靠和安全的電路保護(hù)。

由于充、放電及能量密度等方面的優(yōu)勢(shì)，越來(lái)越多的鋰離子電池組用于太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)中。鋰離子電池組的安全保護(hù)的要求更加嚴(yán)格。除了傳統(tǒng)過流、過溫(過沖引起的)保護(hù)要求之外，高串鋰離子電池的均衡以及電壓檢測(cè)電路的保護(hù)問題均隨之而來(lái)。泰科電子電路保護(hù)部門成功為高串鋰離子電池組客戶供應(yīng)了涉及過溫檢測(cè)保護(hù)，以及均衡及電壓檢測(cè)電路短路保護(hù)的解決方法，并在客戶應(yīng)用中得到了很好的驗(yàn)證。圖7所示即為ppTC在高串鋰離子電池組中的應(yīng)用，重要用于檢測(cè)電池組內(nèi)部溫度實(shí)現(xiàn)過溫保護(hù)和防止電池在均衡或者電壓檢測(cè)過程中的短路狀況。

圖7ppTC在高串鋰離子中的應(yīng)用：溫度檢測(cè)保護(hù)以及均衡/電壓檢測(cè)短路保護(hù)

太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)的負(fù)載可以是多種多樣的子系統(tǒng)或設(shè)備，譬如LED照明燈具，野外無(wú)人值守檢測(cè)、記錄或通訊設(shè)施等。依據(jù)子系統(tǒng)的特點(diǎn)和使用環(huán)境不同，子系統(tǒng)及設(shè)備也要不同等級(jí)的電路保護(hù)。在設(shè)計(jì)這些保護(hù)時(shí)，應(yīng)當(dāng)從系統(tǒng)的角度出發(fā)，協(xié)同耦合各設(shè)備、各子系統(tǒng)保護(hù)，以達(dá)到最好的保護(hù)系統(tǒng)的效果。在這方面，泰科電子瑞侃電路保護(hù)部擁有豐富的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)，竭誠(chéng)為業(yè)內(nèi)客戶供應(yīng)完整的解決方法。