【光伏優(yōu)化器（IEC kV浪涌失效）—增加TVS管與氣體放電管組合防護(hù)】

作者：深圳市南柯電子科技有限公司技術(shù)工程部

隨著光伏發(fā)電系統(tǒng)在全球范圍內(nèi)的廣泛應(yīng)用，光伏優(yōu)化器作為提高光伏組件發(fā)電效率與系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要設(shè)備，其可靠性和抗干擾能力成為衡量產(chǎn)品品質(zhì)的關(guān)鍵。尤其是在戶外運(yùn)行環(huán)境中，光伏優(yōu)化器面臨復(fù)雜的電磁兼容（EMC）挑戰(zhàn)，浪涌電壓（如雷擊感應(yīng)產(chǎn)生的高速過電壓）引發(fā)的失效是普遍問題。本文聚焦于光伏優(yōu)化器在IEC 標(biāo)準(zhǔn)4kV浪涌測試中的失效分析，并探討通過TVS（二極管瞬態(tài)抑制器）與氣體放電管（GDT）組合防護(hù)方案提升設(shè)備抗浪涌能力的技術(shù)路徑。

一、光伏優(yōu)化器產(chǎn)品概述與關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)分析

光伏優(yōu)化器主要作用于單個(gè)光伏組件電氣特性的動(dòng)態(tài)管理，優(yōu)化每塊組件的工作點(diǎn)，提升整體系統(tǒng)發(fā)電能效。典型情況下，優(yōu)化器安裝于光伏組件背面，暴露于戶外自然環(huán)境，易受雷擊及電網(wǎng)浪涌影響。

設(shè)備輸入輸出端口暴露于高壓浪涌環(huán)境，特別是直流側(cè)與逆變器連接處常見過電壓。

內(nèi)部電路板密集，信號(hào)線及電源線間相互干擾風(fēng)險(xiǎn)高。

傳統(tǒng)保護(hù)結(jié)構(gòu)多為單一類型的浪涌保護(hù)元件，無法覆蓋寬頻高幅射的浪涌幅值。

通過初步摸底測試，深圳市南柯電子科技有限公司發(fā)現(xiàn)多數(shù)市售光伏優(yōu)化器在施加IEC kV電涌沖擊時(shí)出現(xiàn)功能異常，甚至器件損壞，表明保護(hù)設(shè)計(jì)不足。

二、IEC 標(biāo)準(zhǔn)及電涌測試項(xiàng)目解讀

IEC 為國際電工委員會(huì)發(fā)布的電磁兼容性測試標(biāo)準(zhǔn)，專注于浪涌抗擾度試驗(yàn)，模擬雷電、大功率開關(guān)等產(chǎn)生的過電壓。

測試電壓等級(jí)涵蓋0.5kV到6kV不等，本案例聚焦于4kV等級(jí)，代表典型中等級(jí)浪涌。

浪涌波形標(biāo)準(zhǔn)定義為1.2/50μs（上升/持續(xù)時(shí)間），以保證測試效果及數(shù)據(jù)一致性。

測試注重設(shè)備關(guān)鍵接口，包括直流輸入端口、交流輸出端口及通信接口，全面覆蓋光伏優(yōu)化器可能受損路徑。

通過jingque模擬浪涌干擾，IEC 保障設(shè)備在電網(wǎng)和自然環(huán)境干擾下依然保持功能完整，顯著提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

三、產(chǎn)品摸底測試發(fā)現(xiàn)的問題及失效分析

在深圳市南柯電子科技有限公司實(shí)驗(yàn)室對光伏優(yōu)化器開展IEC kV浪涌測試時(shí)，產(chǎn)品普遍呈現(xiàn)以下問題：

保護(hù)器件單一，通常采用TVS管獨(dú)自防護(hù)，面對大型浪涌沖擊時(shí)TVS管容易燒毀。

氣體放電管配置不足或缺失，無法對高能量浪涌有效分流。

PCB布線布局未能有效降低浪涌尖峰進(jìn)入核心IC區(qū)域，導(dǎo)致芯片損壞風(fēng)險(xiǎn)極大。

系統(tǒng)缺乏多級(jí)防護(hù)設(shè)計(jì)，防護(hù)措施無法應(yīng)對多種幅值及波形的浪涌脈沖。

失效分析顯示，單一TVS管在遭遇波形復(fù)雜且能量大浪涌時(shí)，因能耗限制造成疏于保護(hù)，一旦擊穿即無法復(fù)位。缺乏氣體放電管作為高能浪涌的第一道分流屏障，浪涌能量直接沖擊后端電路，造成yongjiu損壞。

四、TVS管與氣體放電管組合防護(hù)設(shè)計(jì)原理

通過增加氣體放電管以及合理選型TVS管，構(gòu)建多級(jí)浪涌保護(hù)體系成為提升光伏優(yōu)化器抗浪涌能力的有效手段，具體原理如下：

結(jié)合使用時(shí)，氣體放電管承擔(dān)高能量浪涌的主要泄流負(fù)荷，TVS管負(fù)責(zé)精細(xì)鉗位后續(xù)電壓。此雙重保護(hù)顯著降低了單個(gè)元件因能耗過高而失效的風(fēng)險(xiǎn)。

五、整改方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化實(shí)現(xiàn)

針對測試中暴露出的不足，深圳市南柯電子科技有限公司設(shè)計(jì)了以下整改方案：

選用與系統(tǒng)電壓匹配的氣體放電管，確保擊穿電壓略高于正常工作電壓，使其僅在浪涌時(shí)導(dǎo)通，避免誤動(dòng)作。

選擇響應(yīng)時(shí)間快、峰值功率高的TVS管，覆蓋多種波形和頻率浪涌，實(shí)現(xiàn)后級(jí)保護(hù)。

合理優(yōu)化PCB布局，縮短保護(hù)元件至負(fù)載的線路，減少浪涌電壓產(chǎn)生的阻抗環(huán)路。

增加輸入端濾波電路，協(xié)調(diào)浪涌保護(hù)元件的響應(yīng)，提高整體抗擾度。

采用多級(jí)分層設(shè)計(jì)思路，低壓浪涌由濾波+TVS管處理，高壓高能浪涌先由氣體放電管卸載。

整改后的樣機(jī)通過IEC kV浪涌測試，功能完整，無異常恢復(fù)，顯示了組合防護(hù)方案的實(shí)用性和有效性。

六、技術(shù)觀點(diǎn)與行業(yè)啟示

浪涌保護(hù)并非單一元件能徹底解決的問題，合理組合不同類型的保護(hù)元件，以發(fā)揮各自優(yōu)勢，是提升整體系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵。光伏優(yōu)化器作為戶外電子設(shè)備，更應(yīng)注重浪涌環(huán)境的復(fù)雜性，避免因設(shè)計(jì)簡單而造成設(shè)備頻繁失效。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，氣體放電管結(jié)合TVS管的組合防護(hù)在光伏優(yōu)化器中應(yīng)用具有廣泛前景。未來產(chǎn)品設(shè)計(jì)建議從以下幾個(gè)角度予以重視：

充分理解和應(yīng)用IEC 標(biāo)準(zhǔn)的測試方法與要求，切實(shí)提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的規(guī)范性。

通過實(shí)際測試與失效分析持續(xù)優(yōu)化浪涌防護(hù)方案，避免僅依賴?yán)碚撛O(shè)計(jì)。

關(guān)注元件選型的響應(yīng)速度、能量承受能力及匹配性，確保各元器件協(xié)調(diào)工作。

建立完善的防護(hù)方案驗(yàn)證體系，包括實(shí)驗(yàn)室模擬與現(xiàn)場運(yùn)行反饋。

七、及對客戶的建議

光伏優(yōu)化器在光伏系統(tǒng)中的重要性不言而喻，提升其可靠性不僅有利于延長設(shè)備壽命，也降低了系統(tǒng)維護(hù)成本，提高了整體發(fā)電效能。深圳市南柯電子科技有限公司致力于提供專業(yè)而系統(tǒng)化的光伏電子產(chǎn)品檢測與設(shè)計(jì)服務(wù)，幫助客戶解決浪涌失效痛點(diǎn)。

基于多年檢測經(jīng)驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)解讀，公司推薦采用TVS管與氣體放電管組合保護(hù)方案，結(jié)合系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，顯著提升光伏優(yōu)化器抗浪涌能力。歡迎廣大光伏設(shè)備制造商及系統(tǒng)集成商與深圳市南柯電子科技有限公司聯(lián)系，獲得專業(yè)的EMC檢測、設(shè)計(jì)整改方案及技術(shù)咨詢服務(wù)，共同推動(dòng)光伏行業(yè)設(shè)備的質(zhì)量升級(jí)。

通過科學(xué)的產(chǎn)品摸底測試及整改方案實(shí)施，您將體驗(yàn)到光伏優(yōu)化器在復(fù)雜電磁環(huán)境下的穩(wěn)定表現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)高效、可靠、安全的長久運(yùn)行。

深圳市南柯電子科技有限公司

通過驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)966三米半電波暗室

主要包括EMC摸底測試，EMC整改，EMC器件選型，EMC設(shè)計(jì)，線上線下培訓(xùn)等服務(wù)。

實(shí)驗(yàn)室測試儀器都經(jīng)過精密調(diào)整，每月會(huì)與第三方機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)備校準(zhǔn)。

首次租場可以體驗(yàn)免費(fèi)測試，現(xiàn)場還有EMC整改團(tuán)隊(duì)提供整改建議。