用于光伏电源系统的电路保护设计

了解有关低电流中断和UL与IEC熔丝标准的更多细节

大多数电路设计师将电路保护器件的标签额定值自然等同于造成该器件开路的负载电流值。然而，在设计用于中断直流电压、高交流电压或提供极端短路电流极限值的电路保护器件中，情况并不总是这样。由于中断高能量故障特别具有挑战性，电路保护设计师经常不得不牺牲低过载保护功能。在需要这类电路保护的大多数应用中，如UPS系统或可变频率驱动器(VFD)，这是一种可接受的折衷方法，因为UPS或VFD系统使用微处理器或固态型控制电路来检测和中断这些低过载电流。在太阳能光伏系统中的数十、数百或数千结点上使用这类低过载保护电路在成本上是非常不经济的，因此设计师都使用单独的OCPD。

只要OCPD被设计和认证为全范围熔丝，这就是一种完全可接受的设计。全范围熔丝被定义为设计用于中断UL标示额定值110%与IEC及标示最大中断额定值113%之间电流的任何熔丝。对UL来说这包括了所有列出的熔丝和一些公认的熔丝。在使用公认熔丝时必须十分小心，要确保这种熔丝也是一种全范围熔丝。对IEC来说这包括了所有特征名称以“g”开头的熔丝(如gPV和gR)。对直流光伏电路保护来说，特征名称以“a”开头的熔丝是不可接受的，不应该使用。

其它光伏系统电路保护问题

除了太阳能电池板与电池串保护器件的重要协调和全范围保护要求外，UL和IEC标准还涉及太阳能光伏系统的其它独特电气特性，例如不同环境条件和高层电流循环等。

太阳能系统经常工作在恶劣的室外环境中，其温度条件可能导致热冲击现象发生。像UL2579和IEC60269-6中强制要求执行的温度循环测试有助于确保不会发生与熔丝工作有关的显著温度漂移(老化特性或其它性能漂移)。针对温度循环测试的UL和IEC要求将进一步限制太阳能系统中可以使用的熔丝。

太阳能系统使用高电压高效地传送能量，这样的设计要求与120V或240V设计有本质区别。在设计太阳能系统的保护电路和其它单元时，需要将鲁棒性、长寿命性能要求谨记在心。虽然对消费电子设备中的直流电源来说5年寿命是可以接受的，但对太阳能系统来说是完全不可接受的，因为太阳能系统的期望寿命通常长达25年。记住电子器件要在室外工作，暴露在高低温环境中，还可能经受附近雷击造成的ESD浪涌。因此选择具有鲁棒性的元件——从电路板走线到汇流条到机械单元——非常重要。外壳应该既坚固又能防水。浪涌抑制器件应安装在合适的电路位置。

工程师经常承受着提供高性价比设计的压力，但在光伏系统开发中走捷径极易导致问题发生。举例来说，在光伏系统汇流箱内使用断路器合并断开器和OCPD功能似乎很有吸引力，但使用正确认证的器件可能导致非最优的成本结构，而使用便宜的器件可能导致安全和可靠性问题。在大多数情况下，在需要时熔丝、熔丝夹具和独立断开器的成本将具有较低的初始成本，维护成本也较低。为了确保正常工作并避免破坏制造商的信誉，许多断路器制造商要求对他们的产品进行年度测试和重新校准。断路器必须退出服务，进行冷却，然后根据制造商指令进行重新校准。这种年度维护要求增加了相当大的费用、难度和安全危害。

本文重点讨论了光伏系统直流侧所需的保护电路。然而，如图1所示，许多其它位置也要求其它电路保护器件。系统设计师同样需要保护系统中的其它元件不受瞬态过压、ESD和交流过流的破坏。幸运的是，数十年来像MOV、TVS二极管和交流熔丝等防止这些威胁的器件的应用已经成为正确设计并受到保护的其它系统的典型应用。这些应用在光伏能量系统中一般没什么区别，但安全细心的设计工作仍有很高价值。