光伏電子系統(tǒng)電路保護設(shè)計

　　大多數(shù)電路設(shè)計師將電路保護器件的標(biāo)簽額定值自然等同于造成該器件開路的負(fù)載電流值。然而，在設(shè)計用于中斷直流電壓、高交流電壓或提供極端短路電流極限值的電路保護器件中，情況并不總是這樣。由于中斷高能量故障特別具有挑戰(zhàn)性，電路保護設(shè)計師經(jīng)常不得不犧牲低過載保護功能。在需要這類電路保護的大多數(shù)應(yīng)用中，如UPS系統(tǒng)或可變頻率驅(qū)動器（VFD），這是一種可接受的折衷方法，因為UPS或VFD系統(tǒng)使用微處理器或固態(tài)型控制電路來檢測和中斷這些低過載電流。在太陽能光伏系統(tǒng)中的數(shù)十、數(shù)百或數(shù)千結(jié)點上使用這類低過載保護電路在成本上是非常不經(jīng)濟的，因此設(shè)計師都使用單獨的OCPD。

　　只要OCPD被設(shè)計和認(rèn)證為全范圍熔絲，這就是一種完全可接受的設(shè)計。全范圍熔絲被定義為設(shè)計用于中斷UL標(biāo)示額定值110%與IEC及標(biāo)示最大中斷額定值113%之間電流的任何熔絲。對UL來說這包括了所有列出的熔絲和一些公認(rèn)的熔絲。在使用公認(rèn)熔絲時必須十分小心，要確保這種熔絲也是一種全范圍熔絲。對IEC來說這包括了所有特征名稱以“g”開頭的熔絲（如gPV和gR）。對直流光伏電路保護來說，特征名稱以“a”開頭的熔絲是不可接受的，不應(yīng)該使用。

　　其它光伏系統(tǒng)電路保護問題

　　除了太陽能電池板與電池串保護器件的重要協(xié)調(diào)和全范圍保護要求外，UL和IEC標(biāo)準(zhǔn)還涉及太陽能光伏系統(tǒng)的其它獨特電氣特性，例如不同環(huán)境條件和高層電流循環(huán)等。

　　太陽能系統(tǒng)經(jīng)常工作在惡劣的室外環(huán)境中，其溫度條件可能導(dǎo)致熱沖擊現(xiàn)象發(fā)生。像UL2579和IEC60269-6中強制要求執(zhí)行的溫度循環(huán)測試有助于確保不會發(fā)生與熔絲工作有關(guān)的顯著溫度漂移（老化特性或其它性能漂移）。針對溫度循環(huán)測試的UL和IEC要求將進(jìn)一步限制太陽能系統(tǒng)中可以使用的熔絲。

　　太陽能系統(tǒng)使用高電壓高效地傳送能量，這樣的設(shè)計要求與120V或240V設(shè)計有本質(zhì)區(qū)別。在設(shè)計太陽能系統(tǒng)的保護電路和其它單元時，需要將魯棒性、長壽命性能要求謹(jǐn)記在心。雖然對消費電子設(shè)備中的直流電源來說5年壽命是可以接受的，但對太陽能系統(tǒng)來說是完全不可接受的，因為太陽能系統(tǒng)的期望壽命通常長達(dá)25年。記住電子器件要在室外工作，暴露在高低溫環(huán)境中，還可能經(jīng)受附近雷擊造成的ESD浪涌。因此選擇具有魯棒性的元件——從電路板走線到匯流條到機械單元——非常重要。外殼應(yīng)該既堅固又能防水。浪涌抑制器件應(yīng)安裝在合適的電路位置。

　　工程師經(jīng)常承受著提供高性價比設(shè)計的壓力，但在光伏系統(tǒng)開發(fā)中走捷徑極易導(dǎo)致問題發(fā)生。舉例來說，在光伏系統(tǒng)匯流箱內(nèi)使用斷路器合并斷開器和OCPD功能似乎很有吸引力，但使用正確認(rèn)證的器件可能導(dǎo)致非最優(yōu)的成本結(jié)構(gòu)，而使用便宜的器件可能導(dǎo)致安全和可靠性問題。在大多數(shù)情況下，在需要時熔絲、熔絲夾具和獨立斷開器的成本將具有較低的初始成本，維護成本也較低。為了確保正常工作并避免破壞制造商的信譽，許多斷路器制造商要求對他們的產(chǎn)品進(jìn)行年度測試和重新校準(zhǔn)。斷路器必須退出服務(wù)，進(jìn)行冷卻，然后根據(jù)制造商指令進(jìn)行重新校準(zhǔn)。這種年度維護要求增加了相當(dāng)大的費用、難度和安全危害。

　　本文重點討論了光伏系統(tǒng)直流側(cè)所需的保護電路。然而，如圖1所示，許多其它位置也要求其它電路保護器件。系統(tǒng)設(shè)計師同樣需要保護系統(tǒng)中的其它元件不受瞬態(tài)過壓、ESD和交流過流的破壞。幸運的是，數(shù)十年來像MOV、TVS二極管和交流熔絲等防止這些威脅的器件的應(yīng)用已經(jīng)成為正確設(shè)計并受到保護的其它系統(tǒng)的典型應(yīng)用。這些應(yīng)用在光伏能量系統(tǒng)中一般沒什么區(qū)別，但安全細(xì)心的設(shè)計工作仍有很高價值。