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© Fraunhofer ISE
BYPASS-DIODEN: ZUVERLÄSSIGKEIT (UND FEHLERDETEKTION)
(VERSION MIT ERGÄNZENDEN ERLÄUTERUNGEN)
Heribert Schmidt
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE
12. Workshop „PV-Modultechnik“
TÜV Rhld., 13.11.2015
www.ise.fraunhofer.de
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Ausgangslage & Fragestellungen
z. Zt. weltweit ca. 200 GWp PV installiert
das sind ca. 1 Mrd. Module
das sind ca. 60 Mrd. Solarzellen
das sind ca. 300 Mrd. Lötstellen
das sind ca. 3 Mrd. Bypass-Dioden
es gibt offene Bypass-Dioden
es gibt kurzgeschlossene Bypass-Dioden
es gibt „angeknackste“ Bypass-Dioden
was sind die Ausfallursachen?
wie können die Fehler gefunden werden?
wie kann die Ausfallrate vermindert werden? Quelle: FhG ISE
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Fehlerstatistik (Ergänzung zum Vortrag)Guter Überblick z. B. in:
http://www.schruefer-messtechnik.de/Buch_Zuverlassigkeit/4_Ausfallraten_von_Bauelementen.pdf
Im Bereich der Ausfallstatistik werden zur Beschreibung der statistischen Ausfälle, also solche, die nicht durch bestimmte Ereignisse wie z. B. Überspannungen hervorgerufen werden, mit den Maßzahlen FIT (Failure in Time) oder auch der MTBF (Mean Time Between Failures) beschrieben.
https://de.wikipedia.org/wiki/Failure_In_Time
https://de.wikipedia.org/wiki/Mean_Time_Between_Failures
Eine spezielle Einheit für die Ausfallrate ist FIT Failure In Time mit der Einheit „Ausfälle pro 109
Stunden“. Die FIT-Rate ist abhängig von den Betriebsbedingungen, für Dioden wird in der oben angeführten Quelle ein Anhaltswert von „1“ genannt. Das bedeutet, das bei derzeit 3*109
installierten Bypass-Dioden pro Stunde 3 Stück ausfallen, pro Jahr also rund 26.000 Stück. Dies entspräche einer jährlichen Ausfallrate von ca. 0,03 ‰. Über eine Lebensdauer der PV-Anlage von 25 Jahren lässt sich daraus eine Ausfallrate von ca. 0,7 ‰ abschätzen.
Zu diesen statistischen Ausfällen kommen noch die durch Überspannungen etc. hervorgerufenen Ausfälle hinzu.
Leider fehlen bislang aussagekräftige Statistiken, um diese grobe Abschätzung zu bestätigen.
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Fehlerstatistik / 1
weltweit bislang keine umfassende Fehlerstatistik zu Bypass-Dioden
insbesondere keine nach Ausfallursachen differenzierte Fehlerstatistik
zwei Beispiele:KATO: mit 47 % untypisch hochM-Versich.: Bezugsgröße fehlt
Quelle: KATO
Schadensursache bei 642 Modulen (Auszug):
101 x Versagen, technisch 15,8% 66 x Überspannung (m. Blitz) 10,4 % 20 x Überspannung (o. Blitz) 3,2 %
Quelle: KOHLENBERG, Mannheimer Versicherung
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Fehlerstatistik / 2
wahrscheinlich große „Grauzone“ (unentdeckte Fehler, Austausch-aktionen bei Serienfehlern, etc. etc.)
viele Literaturstellen zum Thema „Reliability of Bypass-Diodes“
einige Diskussionsforen im Internet, insb. zu Reparaturmöglichkeiten
erste Ansätze zu differenzierter Fehlerstatistik z. B. bei IEA PVPS (U. Jahn et al.), NREL (J. Wohlgemuth et al.) oder FSEC (N. Dhere et al. )
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Aufgaben und Betriebsbedingungen von Bypass-Dioden(Ergänzung zum Vortrag)Wesentlich erscheint die Anmerkung, dass sich der Strom durch die Bypass-Diode aus der Differenz zwischen Strangstrom und dem noch möglichen Strom der abgeschatteten Zelle ergibt. Abhängig von der Abschattung liegt er somit zwischen 0 und 100 % des Strangstromes. Bei einer Unterbrechung im Modul entspricht er immer zu 100 % dem Strangstrom:
IBypass = IStrang - IZelle ≈ 0 … 100 % (IStrang)
In vielen Veröffentlichungen wird immer vom „worst case“ einer vollständigen Abschattung oder einer Unterbrechung ausgegangen, was die Erklärung vereinfacht und auch für die Auslegung der Bauteile sinnvoll ist.
In vielen Abschattungssituationen (siehe Beispiele weiter hinten) liegt die Verschattungsursache aber weit von den Solarzellen entfernt, so dass diese immer noch den diffusen Anteil der Einstrahlung erhalten. Dieser liegt auch bei klarem Wetter zwischen 10 und etwa 30 % der Einstrahlung, und somit der Bypass-Strom bei etwa 70 … 90 % des Strangstroms.
Quelle: Konrad Mertens „Photovoltaik – Lehrbuch zu Grundlagen, Technologie und Praxis“, Seite 288 ff
http://www.hanser-fachbuch.de/buch/Photovoltaik/9783446442320
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Aufgaben und Betriebsbedingungen von Bypass-Dioden
Vermeidung großer Sperrspannungen der Solarzelle (Hot Spots)
Vorbeileiten des Generatorstroms (Bypass)
Normal- / Sperr-Betrieb (bei 20 Zellen):
U‘Sperr = 20 * U‘Zelle ≈ 20 * 0,5 … 0,75 V = 10 …15 V
I‘Sperr , bei niedrigen Temperaturen vernachlässigbar
P‘Sperr wenige Milliwatt
Bypass- / Durchlass-Betrieb:
IBypass = IStrang - IZelle ≈ 0 … 100 % (IStrang)
UFluss ≈ wenige mV … 700 mV
PBypass = UFluss * Ibypass
PBypass im Bereich von 0 … ca. 5 Watt
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Welche Optionen für Bypass-Dioden gibt es?
p-n-Diode Schottky Aktive Dioden
Sperrspannung
Durchlass-Spannung @ TJ = 125 °C, ID = 10 A
Sperrstrom @ TJ = 125 °C, UR = 15 V
Stoßstrom- und ESD-Widerstandsfähigkeit
Grundprinzip
200 – 1000 V 40 – 70 V 30 – 40 V
0,5 - > 1 V 0,3 - 0,5 V 0,05 - 0,1 V
μA mA - A nA - μA
uni-direkt. uni-direkt. bi-direktional
Preis / Stück 0,2 - 0,5 € 0,2 - 0,5 € 1,0 - 1,5 €
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Statistisches Ausfallverhalten von Bypass-Dioden
Phase 1: Frühausfälle
Materialfehler (Halbleiter etc.)
Produktionsfehler (Lötung Chip etc.)
Montagefehler (mech. Stress etc.)
Phase 2: Nutzphase
statistische Ausfälle
siehe folgende Folien
und weitere Ursachen
Phase 3: Verschleißausfälle
z. B. Materialermüdung Badewannen-Kurve
Quelle: FAHRENBRUCH
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Was schädigt Bypass-Dioden?
Fertigungs- und Montagemängel
Überspannung
Überstrom
Erhöhte Temperatur / Temperaturzyklen
Thermal Runaway
Übergangswiderstände / Oxidation
Partikelstrahlung
weitere Ursachen?
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Überspannung durch „Electrostatic Discharge ESD“ (Ergänzungen zum Vortrag)Bei den im Folgenden beschriebenen Ausfallursachen „ESD“, „induzierte Spannungen durch Blitze“ sowie „Selbstinduktion“ ist wesentlich, dass die Überspannungen direkt an den gefährdeten Bypass-Dioden entstehen resp. bei ESD dort eingeprägt werden.
So entstehen z. B. die genannten Induktionsspannungen in den von den Solarzellen aufgespann-ten Leiterschleifen innerhalb des Moduls. Ein globaler Blitzschutz an den äußeren Klemmen eines Modul-Strings oder eines Generators ist also gegen derartige im Inneren induzierte Spannungen wirkungslos!
Da die Strom-/Spannungsrichtung abhängig ist von der Richtung des Blitzstroms und auch den geometrischen Verhältnissen und somit beide Richtungen einnehmen kann, ist ein bi-direktio-naler Schutz direkt am oder im Bauteil elementar. Konventionelle Dioden können in Durchlass-richtung impulsmäßig ein Vielfaches des Nennstroms führen und sind daher in Durchlassrichtung unkritisch. In Sperrrichtung hingegen sind sie sehr empfindlich, insbesondere Schottky-Dioden. Sie können z. B. durch die Parallelschaltung einer Überspannungs-Schutzdiode (TVS-Diode) geschützt werden.
Bei Aktiven Bypass-Dioden ist der Schutz in Durchlassrichtung durch die inhärent vorhandene Body-Diode des MOSFET gegeben. Bei Überspannungen in Sperrrichtung wird der MOSFET durch spezielle Schaltungsanordnungen aktiviert und begrenzt dadurch die Spannung auf zulässige Werte.
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Überspannung durch „Electrostatic Discharge ESD“ / 1
Entladung statischer Aufladungen
z.B. bei Montage der Anschlussdose
z.B. beim Auspacken des Moduls
z.B. durch Wind (lt. Fa. VISHAY) (???)
sehr hohe Spannungen ( > 25 kV)
Spitzenströme Ipeak > 20 A
Anstiegszeit tr < 1 ns
Pulsdauer ca. 100 ns
Energie im mJ-Bereich
Quelle: BAAK typische ESD-Pulsform
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Überspannung durch „Electrostatic Discharge ESD“ / 2
Dioden-Chip oft nur „angeknackst“
Kennlinie im Durchlassbereich fast normal
in Sperrrichtung sehr hohe Ströme
dadurch nachfolgend Überhitzung im Normalbetrieb
verbrannte Dioden / Anschlussdosen
- 2
6
4
- 1 1
- 6
- 4
- 2
2
UD / V
ID / A
Si-Schottky
Si-p/n
- 2
6
4
- 1 1
- 6
- 4
- 2
2
UD / V
ID / A
Si-Schottky
Si-p/n
Picture 2A and 2B: Burn track on the Schottky chip caused by ESD
Quelle: VISHAY
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Überspannung durch „Electrostatic Discharge ESD“ / 3
Was hilft gegen ESD-Schäden?
durchgängiger ESD-Schutz in der Produktion!
ggf. ESD-Schutz bei der Montage (???)
Entwicklung von ESD-Prüfnormen
für einzelne Dioden
für die Kombination Diode / Modul
Einsatz ESD-resistenter Bypass-Dioden
Schottky- parallel mit TVS-Diode
„Protectifier“ (Fa. DIOTEC)
Aktive Bypass-Dioden mit bi-direktionalem ESD-Schutz
Picture 13 Vishay TVS- (Transient Voltage Suppressordevices in parallel to each bypass diode
Quelle: VISHAY
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Überspannung durch Blitze / 1
Entladung statischer Aufladungen
Spannungen von einigen MV
Ströme bis zu einigen Hundert kA
Dauer mehrere Hundert μs
keine Chance bei direktem Einschlag!
Quelle: BERGERBeispiel für Negativ-Blitz
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Überspannung durch Blitze / 2
Stromgradienten di/dt von bis zu mehreren 100 kA/μs
kann auch bei Ferneinschlägen hohe Spannungen / Ströme im Zell-String (!) und im PV-System induzieren
beide Stromrichtungen möglich
defekte Dioden sehen typischerweise äußerlich „normal“ aus
zumeist perfekter Kurzschluss (siehe Folie 13, blaue Gerade)
teilweise aber auch nur „angeknackst“
dann nachfolgend thermische Über-lastung im Normalbetrieb
dadurch verbrannte Dioden / Anschluss-dosen
Quelle: HÄBERLIN, DWD
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Überspannung durch Blitze / 3
Was tun gegen Blitzschäden?
Normen zu Blitzschutzkomponenten
Test mit Surge-Normpulsen IEC 6100-4-5
8 / 20-Puls, (Stirnzeit 8 μs, Rücken-Halbwertszeit 20 μs)
Spannung bis 1 kV
Spitzenstrom Ipeak bis 500 A
Einsatz Surge-resistenter Bypass-Dioden
Schottky-D. parallel mit TVS-Diode
„Protectifier“ (Fa. DIOTEC)
Aktive Bypass-Dioden mit bi-direktionalem Surge-Schutz
8 / 20 -Surge Puls
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Überspannung durch Selbstinduktion
war angeblich Problem bei SHELL-Modulen(???)
Leiterschleifen im Modul (Zell-Strings)(ca. 1,5 m * 0,15 m) bilden Induktivitäten im μH-Bereich
bei Stromfluss wird Energie gespeichert
bei schnellem Abschalten (z. B. beim „Bruzzeln“ der Drahtenden) entsteht hohe Selbstinduktionsspannung
kann im Bereich > 100 V liegen
damit Durchbruch und Schädigung bei Schottky-Dioden vergleichbar zu ESD-Schäden prinzipiell möglich
seriöse Untersuchungen erforderlich!!!
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Überstrom
Solarmodule prinzipiell strombegrenzt
Woher kann Überstrom kommen?
Blitzereignisse (siehe vorne)
verpolte Batterie
verpolter Strang (Parallelschaltung)
verpolte Batterie verpolter Strang
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Erhöhte Temperatur / Temperaturzyklen (Ergänzungen zum Vortrag) Erhöhte Temperaturen führen gemäß dem Arrhenius-Gesetz zu einer exponentiell ansteigenden Ausfallrate. Es ist daher immer ein niedriges Temperaturniveau anzustreben.
Zur Erklärung des thermischen Verhaltens sollen die Grafiken auf der Folie 24 herangezogen werden. Die von der Sperrschicht abgeführte (Kühl-) Leistung ist proportional zur Temperatur-differenz zwischen der Sperrschicht und der Umgebung und umgekehrt proportional zum Wärme-Übergangswiderstand zwischen Sperrschicht und Umgebung. Dieser Zusammenhang wird im unteren Bild durch die blaue Gerade dargestellt.
PKühl = 1/Rth_J-A * (TJunc - TAmb).
Die Wärmeleistung der Bypass-Diode im Bypass-Betrieb (Durchlassrichtung) beträgt
PBypass = UFluss * IBypass
und hat - bei konstantem IBypass - wegen des negativen Temperaturkoeffizienten der Flussspannung ebenfalls einen negativen Temperaturkoeffizienten. Am Schnittpunkt der beiden Geraden besteht ein Gleichgewicht zwischen Wärmeerzeugung und -abfuhr. Letztlich ergibt sich daraus die bekannte Gleichung für die stationäre Sperrschichttemperatur
TJunc = TAmb + Rth_J-A * (UFluss * IBypass)
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Erhöhte Temperatur / Temperaturzyklen (Ergänzungen zum Vortrag) Temperaturzyklen haben einen starken Einfluss auf die Lebensdauer von Bauteilen, da es aufgrund unterschiedlicher Temperaturkoeffizienten zu mechanischen Spannungen innerhalb der Bauteile kommt.
Je nach Abschattungssituation tritt z. B. ein täglicher Zyklus auf, der als unkritisch anzusehen ist. Kritischer sind jedoch periodische Abschattungen mit niedriger Frequenz, wie sie z. B. durch den Schatten eines Windrades verursacht werden können. Bei einer Wiederholfrequenz von z. B. 1 Hz können die Temperaturänderungen an der Diode aufgrund deren geringer thermischen Masse erheblich sein, verbunden mit erhöhten Ausfallraten.
Quelle:
http://www.uni-kassel.de/upress/online/frei/978-3-89958-718-0.volltext.frei.pdf (Seite 23 ff)
Quelle:http://www.erneuerbareenergien.de/kaum-verschattung-durch-windtuerme/150/436/62186/
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Erhöhte Temperatur / Temperaturzyklen(Ergänzungen zum Vortrag) Guter Überblick z. B. in:
http://www.schruefer-messtechnik.de/Buch_Zuverlassigkeit/4_Ausfallraten_von_Bauelementen.pdf
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Erhöhte Temperatur / Temperaturzyklen / 1
Hohe Temperaturen und Temperaturzyklen der Bypass-Dioden
belasten die Dioden und deren Gehäuse
zermürben die Lötstellen
schädigen auf Dauer alle umgebenden Materialien
Arrhenius-Gesetz:
Pro 10 K Temperaturerhö-hung Verdopplung der Reaktionsgeschwindigkeit von Zersetzungsvorgängen
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Erhöhte Temperatur / Temperaturzyklen /2
Sperrschichttemperatur:
TJunc = TAmb + Rth_J-A * (UFluss * IBypass)
Höchste Sperrschicht-Temperatur, wenn gleichzeitig vorliegen:
eine hohe Umgebungstemperatur
ein hoher thermischer Widerstand
eine hohe Durchlass-Spannung
ein hoher Bypass-Strom
eine hohe Einstrahlung
MPP- oder Kurzschluss-Betrieb
eine hohe Abschattung oder
eine Unterbrechung im String
wie groß ist die Wahrscheinlichkeit?
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Beispiele zu Abschattungs-Situationen(Ergänzung zum Vortrag)
TAmb Rth-J-A ESolar IBypass Häufigkeit Gefährdung
Die nachfolgenden Bilder von typischen Abschattungs-Situationen sollen ein Gefühl für die Gefährdung von Bypass-Dioden und die umgebenden Materialien aufgrund von erhöhten Temperaturen vermitteln.
Es wird dabei von mitteleuropäischen Umgebungstemperaturen ausgegangen – extreme Temperaturen wie an Wüstenstandorten müssen entsprechend berücksichtigt werden.
Der thermische Widerstand wir bei Freiflächen-Anlagen als ideal angenommen. Bei Dachanlagen kann er erhöht sein, bei Gebäudeintegration tritt häufig ein erhöhter Wärmewiderstand auf verbunden mit einem „Wärmestau“ und deutlich überhöhten Temperaturen.
Die Einstrahlung kann je nach Situation zwischen gering (grün) und voll (rot) liegen.
Der Bypass-Strom ist von der Höhe der Einstrahlung und der Art der Abschattung abhängig.
Der Bypass-Strom kann sporadisch oder regelmäßig auftreten.
Aus den genannten Randbedingungen ergibt sich letztlich die Gefährdung der Bypass-Diode nebst umgebender Materialien aufgrund erhöhter Temperaturen.
Die hier vorgenommene Klassierung ist recht grob und könnte durch eine reguläre FMEA-Analyse verfeinert werden!
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Idealfall, immer abschattungsfrei, keine Modulfehler
TAmb Rth-J-A ESolar IBypass Häufigkeit Gefährdung
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Große Schatten, kleine Einstrahlung, regelmäßig
TAmb Rth-J-A ESolar IBypass Häufigkeit Gefährdung
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TAmb Rth-J-A ESolar IBypass Häufigkeit Gefährdung
Kleine, harte Schatten, regelmäßig
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Große Schatten bei mittlerer Einstrahlung, regelmäßig
TAmb Rth-J-A ESolar IBypass Häufigkeit Gefährdung
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TAmb Rth-J-A ESolar IBypass Häufigkeit Gefährdung
Großer, harter Schatten durch Blätter oder Kot
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TAmb Rth-J-A ESolar IBypass Häufigkeit Gefährdung
Große Schatten, volle Einstrahlung, regelmäßig
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Großer harter Schatten, regelmäßig, bei Wind variabel
TAmb Rth-J-A ESolar IBypass Häufigkeit Gefährdung
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Große harte Schatten, regelmäßig, thermisch ungünstig
TAmb Rth-J-A ESolar IBypass Häufigkeit Gefährdung
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Vollständiger Zell- oder Verbinderbruch im Modul
TAmb Rth-J-A ESolar IBypass Häufigkeit Gefährdung
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Übertemperatur / Temperatur-Zyklen /3
Wie kann man Übertemperatur vermeiden?
niedrige Umgebungstemperatur
niedriger thermischer Widerstand
z. B. Alu-Dosen / Kühlkörper (???)
kein Wärmestau (BIPV!!!)
kleiner Bypass-Strom
z. B. halbe oder viertel Zellen (???)
niedrige Durchlass-Spannung
Schottky-Dioden (kaum Verbesserungs-Potenzial)
Aktive Bypass-Dioden
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Thermal Runaway bei Schottky-Dioden (Ergänzungen zum Vortrag)Thermal Runaway tritt bei Bypass-Dioden nur bei Schottky-Dioden auf, da diese im Vergleich zu normalen p-n-Dioden oder auch Aktiven Dioden einen sehr hohen Sperrstrom aufweisen (siehe hierzu auch Folie 8).
Zur Erklärung soll zunächst die untere Grafik auf der Folie 39 herangezogen werden. Die von der Sperrschicht abgeführte (Kühl-) Leistung ist proportional zur Temperaturdifferenz zwischen der Sperrschicht und der Umgebung und umgekehrt proportional zum Wärme-Übergangswiderstand zwischen Sperrschicht und Umgebung. Dieser Zusammenhang wird durch die blaue Gerade dargestellt.
PKühl = 1/Rth_J-A * (TJunc - TAmb).
Die Wärmeleistung der Bypass-Diode im Bypass-Betrieb (Durchlassrichtung) beträgt
PBypass = UFluss * IBypass
und hat - bei konstantem IBypass - wegen des negativen Temperaturkoeffizienten der Flussspannung ebenfalls einen negativen Temperaturkoeffizienten. Es kommt daher zu einem Schnittpunkt der beiden Geraden. Bei der zugehörigen stationären Temperaturdifferenz besteht ein Gleichgewicht zwischen Wärmeerzeugung und -abfuhr. Letztlich ergibt sich daraus die bekannte Gleichung für die Sperrschichttemperatur
TJunc = TAmb + Rth_J-A * (UFluss * IBypass)
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Thermal Runaway bei Schottky-Dioden (Ergänzungen zum Vortrag)Die Wärmeleistung der Bypass-Diode im Normal-Betrieb (Sperrrichtung) beträgt
PNormal = USperr * ISperr
Sie hat - bei konstanter Sperrspannung - einen positiven Temperaturkoeffizienten, da der Sperrstrom exponentiell mit der Temperatur zunimmt. Dieser Zusammenhang ist anhand der violetten Kennlinie dargestellt.
Bei niedrigen Temperaturen stellt sich der stabile Arbeitspunkt links unten ein, da rechts davon die Kühlleistung höher ist als die Heizleistung. Bei Erhöhung der Sperrschichttemperatur oder auch der Umgebungstemperatur wird eine bestimmte kritische Temperatur erreicht, bei welcher sich die violette und die blaue Kurve erneut schneiden - ab hier ist die Heizleistung größer als die Kühlleistung, und die Sperrschichttempera-tur erhöht sich weiter. Aufgrund des positiven Temperaturkoeffizienten des Sperrstroms (und somit der Heizleistung) ist dieser Vorgang selbstverstärkend -Thermal Runaway.
Es ist zu erkennen, dass der instabile Bereich bereits vor dem Erreichen der stationären Temperatur beginnen kann - dies ist bei dynamischen Abschattungen (bewegte Bäume, ggf. Rotorblätter von Windkraftanlagen etc. ) zu berücksichtigen.
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Thermal Runaway bei Schottky-Dioden (Ergänzungen zum Vortrag)Eine andere Darstellung des Thermal Runaway wird in der oberen Grafik der Folie 39 gezeigt.
Hier ist zum leichteren Verständnis der Extremfall eines Umschaltens vom Kurzschluss in den Leerlauf bei vollständiger Abschattung / Unterbrechung einer Zelle dargestellt. Vergleichbar, aber praxisnäher ist ggf. die Umschaltung in den MPP-Betrieb.
Im Bypass-Betrieb fließt nahezu der volle Kurzschlussstrom durch die Bypass-Diode (rote Kennlinie), woraus sich der Arbeitspunkt links oben mit der zur Leistung proportionalen rot schraffierten Fläche ergibt. Die Diode heizt sich z. B. bis zur stationären Temperatur auf, wodurch ihr Sperrstrom stark zunimmt.
Nach dem Umschalten in den Leerlauf bleibt der Sperrstrom zunächst auf seinem hohen Niveau, so dass sich der rechts gezeigte Arbeitspunkt nahe bei der Leerlaufspannung ergibt. Ist die sich ergebende Leistung (violett schraffierte Fläche) größer als vor dem Umschalten (rot schraffierte Fläche), so tritt Thermal Runaway auf.
Dieser Übergang von einem stabilen stationären Arbeitspunkt in einen instabilen ist auch in der unteren Grafik anhand des Pfeiles dargestellt.
Thermal Runaway ist bei p-n-Dioden und Aktiven Bypass-Dioden aufgrund der niedrigen Sperrströme ausgeschlossen.
© Fraunhofer ISE
39
Thermal Runaway bei Schottky-Dioden / 1 Diode heizt sich im Bypass-Betrieb auf
Sperrstrom steigt exponentiell mit TJunc
bei Schottky-Dioden auf >> 100 mA
schneller Übergang zu Normal-Betrieb
Entfernen der Abschattung oder
Umschalten auf Leerlauf
instabil, wenn PNormal > PKühl oder
wenn Leistung nach Umschalten größer ist als vor Umschalten
im Labor einfach herbeizuführen
Thermal Runaway als Ausfallursache in der Praxis schwer nachweisbar
in einem Fall evtl. bei extremer Regelschwingung des MPPT(???)
Worst case: Umschaltung Kurzschluss - Leerlauf
Quellen: ROOS, UCHIDA
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Thermal Runaway bei Schottky-Dioden / 2
Wie kann man Thermal Runaway vermeiden?
niedriges Temperaturniveau anstreben
niedrige Umgebungstemperaturen
kleiner thermischer Widerstand
kleine Durchlassspannung
kleinen Sperrstrom anstreben
p-n-Dioden verwenden (nicht sinnvoll, da UFluss hoch!)
Schottky-Dioden mit niedriger Durchlassspannung und niedrigem Sperrstrom verwenden (steht jedoch im Widerspruch!)
Aktive Bypass-Dioden verwenden
Worst case: Umschaltung Kurzschluss - Leerlauf
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41
Hohe Übergangswiderstände
Konstruktionsfehler
unzulässiger Verguss
falsche Materialen
lösende Schraubkontakte
etc.
Fertigungs- oder Montagefehler
unvollständige / verpolte Steckung
mangelndes Anzugsmoment
etc.
Oxidation
undichte Dosen
Kondensation
etc.
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42
Kosmische Strahlung
Partikelstrahlung schädigt Halbleiter
großes Problem in Raumfahrt
kann auch terrestrische Anlagen schädigen, insbesondere in Höhenlagen(Peter Zacharias, SOL 2013)
vornehmlich bei komplexen Halbleiter-Strukturen oder solchen mit hohen Sperrspannungen
betrifft aber auch niedrigsperrende Bauteile wie Bypass-Dioden
Offene Frage: Gibt es eine Korrelation zwischen Ausfallrate und Höhenlage???
Quellen: ZACHARIAS, BUSATTO
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43
Zusammenfassung
derzeit etwa 3 Mrd. Bypass-Dioden weltweit im Einsatz
Zuwachsraten 1… 1,5 Mrd. Stück/a
keine seriöse Statistik zur Ausfallwahrscheinlichkeit / -ursachen
Wahrnehmung:Bypass-Dioden haben eine relevante Ausfallrate durch
statistische Ausfälle
Überspannung (ESD, direkte und indirekte Blitzeinschläge)
Übertemperatur (Abschattung bei hoher Einstrahlung, BIPV)
Konstruktions- und Fertigungsmängel
unklar: Thermal Runaway & Partikelstrahlung
Möglichkeiten zur Verbesserung
Einsatz von ESD- / Surge-resistenten Bauteilen (TVS, Aktive Dioden)
aufwändigere Kühlung (Alu-Dosen, Kühlkörper etc.)
Verringerung der Wärmeentwicklung (Aktive Bypass-Dioden)
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44
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!
Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE
Heribert Schmidt
www.ise.fraunhofer.de
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45
Quellenangaben / 1
KATO, K. : http://www1.eere.energy.gov/solar/pdfs/pvmrw12_tuesam_aist_kato.pdf
Seite 3
DHERE, N.G. : http://spie.org/Publications/Proceedings/Paper/10.1117/12.2026782
KOHLENBERG, R. : Photovoltaik im Wandel der Zeit, Sonnenenergie 4/2015
Seite 4
WOHLGEMUT, J. : http://www.nrel.gov/docs/fy13osti/58225.pdf
IEA-PVPS: http://iea-pvps.org/index.php?id=275
Seite 6
FAHRENBRUCH, S. : http://www.all-electronics.de/wp-content/uploads/migrated/article-pdf/86561/541ag1010-microsemi.pdf
MICROSEMI: LX2410A http://www.microsemi.com/document-portal/doc_view/135254-lx2410a
SCHMIDT, H. : A NOVEL DIODE-LESS BYPASS TECHNOLOGY FOR HIGH PERFORMANCE PV MODULES, Proceedings EU-PVSEC Valencia, 2007
TEXAS INSTRUMENTS : https://www.youtube.com/watch?v=fp1DB30WEpU
STmicroelectronics : http://www.stmicroelectronics.com.cn/web/en/press/cn/p3328
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46
Quellenangaben / 2
BAAK: http://www.baak.de/esd
Seite 9
Seite 10
VISHAY: http://www.vishay.com/docs/89398/solarcell.pdf
Seite 12
HÄBERLIN, H. :Photovoltaik, VDE-Verlag 2010, ISBN 978-3-8007-3205-0, Seiten 393 ff
BERGER, K. UND E. VOGELSÄNGER: Messung und Resultate der Blitzforschung der Jahre1955 bis 1963 auf dem Monte San Salvatore, Bull. SEV Bd. 56, Nr.1, S.1 – 22, Jan. 1965
Seite 13
Seite 29
ROOS, M. : http://www.tuv.com/media/germany/10_industrialservices/pv_modulworkshop/pv_modulworkshop_2014/61_Roos_Betriebsbedingungen_fuer_Bypass-Dioden_in_BIPV.pdf
UCHIDA: http://energy.gov/sites/prod/files/2014/01/f7/pvmrw13_diodes_intertek_robusto.pdf
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47
Quellenangaben / 3
ZACHARIAS, P. : Was hat kosmische Strahlung mit der Lösung des 50,2 Hz-Problems und der Blindleistungsbereitstellung der Photovoltaik zu tun? 28. Symp. PV-Solarenergie, Bad Staffelstein 2013, Seite 166 ff
Seite 32
BUSATTO, G. : http://www-g.eng.cam.ac.uk/robuspic/pub_present/ISPSD06/02_Busatto.pdf