BYPASS-DIODEN: ZUVERLÄSSIGKEIT (UND FEHLERDETEKTION)

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

Ausgangslage & Fragestellungen z. Zt. weltweit ca. 200 GW p 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 2

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 10 9 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*10 9 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. 3

Fehlerstatistik / 1 weltweit bislang keine umfassende Fehlerstatistik zu Bypass-Dioden insbesondere keine nach Ausfallursachen differenzierte Fehlerstatistik zwei Beispiele: KATO: mit 47 % untypisch hoch M-Versich.: Bezugsgröße fehlt 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: KATO 4 Quelle: KOHLENBERG, Mannheimer Versicherung

Fehlerstatistik / 2 wahrscheinlich große Grauzone (unentdeckte Fehler, Austauschaktionen 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. ) 5

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: I Bypass = I Strang -I Zelle 0 100 % (I Strang ) 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 6

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: I Bypass = I Strang -I Zelle 0 100 % (I Strang ) U Fluss wenige mv 700 mv P Bypass = U Fluss * I bypass P Bypass im Bereich von 0 ca. 5 Watt 7

Welche Optionen für Bypass-Dioden gibt es? p-n-diode Schottky Aktive Dioden Grundprinzip Sperrspannung Durchlass-Spannung @ T J = 125 C, I D = 10 A Sperrstrom @ T J = 125 C, U R = 15 V Stoßstrom- und ESD- Widerstandsfähigkeit 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 8 Preis / Stück 0,2-0,5 0,2-0,5 1,0-1,5

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 9 Quelle: FAHRENBRUCH

Was schädigt Bypass-Dioden? Fertigungs- und Montagemängel Überspannung Überstrom Erhöhte Temperatur / Temperaturzyklen Thermal Runaway Übergangswiderstände / Oxidation Partikelstrahlung weitere Ursachen? 10

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 aufgespannten 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-direktionaler Schutz direkt am oder im Bauteil elementar. Konventionelle Dioden können in Durchlassrichtung 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. 11

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 I peak > 20 A Anstiegszeit t r < 1 ns Pulsdauer ca. 100 ns Energie im mj-bereich Quelle: BAAK typische ESD-Pulsform 12

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 I D / A 6 4 2 Si-p/n Si-Schottky -2-1 1-2 U D / V Picture 2A and 2B: Burn track on the Schottky chip caused by ESD Quelle: VISHAY -4-6 13

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 Suppressor devices in parallel to each bypass diode Quelle: VISHAY 14

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! 15 Quelle: BERGER Beispiel für Negativ-Blitz

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 Überlastung im Normalbetrieb dadurch verbrannte Dioden / Anschlussdosen 16 Quelle: HÄBERLIN, DWD

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 I peak 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 17

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!!! 18

Überstrom Solarmodule prinzipiell strombegrenzt Woher kann Überstrom kommen? Blitzereignisse (siehe vorne) verpolte Batterie verpolter Strang (Parallelschaltung) verpolte Batterie verpolter Strang 19

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 Temperaturdifferenz 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. P Kühl = 1/R th_j-a *(T Junc -T Amb ). Die Wärmeleistung der Bypass-Diode im Bypass-Betrieb (Durchlassrichtung) beträgt P Bypass = U Fluss * I Bypass und hat - bei konstantem I Bypass - 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 T Junc = T Amb + R th_j-a *(U Fluss * I Bypass ) 20

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-verschattungdurch-windtuerme/150/436/62186/ 21

Erhöhte Temperatur / Temperaturzyklen (Ergänzungen zum Vortrag) Guter Überblick z. B. in: http://www.schruefer-messtechnik.de/buch_zuverlassigkeit/4_ausfallraten_von_bauelementen.pdf 22

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 Temperaturerhöhung Verdopplung der Reaktionsgeschwindigkeit von Zersetzungsvorgängen 23

Erhöhte Temperatur / Temperaturzyklen /2 Sperrschichttemperatur: T Junc = T Amb + R th_j-a *(U Fluss * I Bypass ) Höchste Sperrschicht-Temperatur, wenn gleichzeitig vorliegen: 24 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?

Beispiele zu Abschattungs-Situationen (Ergänzung zum Vortrag) 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! T Amb R th-j-a E Solar I Bypass Häufigkeit Gefährdung 25

Idealfall, immer abschattungsfrei, keine Modulfehler T Amb R th-j-a E Solar I Bypass Häufigkeit Gefährdung 26

Große Schatten, kleine Einstrahlung, regelmäßig T Amb R th-j-a E Solar I Bypass Häufigkeit Gefährdung 27

Kleine, harte Schatten, regelmäßig T Amb R th-j-a E Solar I Bypass Häufigkeit Gefährdung 28

Große Schatten bei mittlerer Einstrahlung, regelmäßig T Amb R th-j-a E Solar I Bypass Häufigkeit Gefährdung 29

Großer, harter Schatten durch Blätter oder Kot T Amb R th-j-a E Solar I Bypass Häufigkeit Gefährdung 30

Große Schatten, volle Einstrahlung, regelmäßig T Amb R th-j-a E Solar I Bypass Häufigkeit Gefährdung 31

Großer harter Schatten, regelmäßig, bei Wind variabel T Amb R th-j-a E Solar I Bypass Häufigkeit Gefährdung 32

Große harte Schatten, regelmäßig, thermisch ungünstig T Amb R th-j-a E Solar I Bypass Häufigkeit Gefährdung 33

Vollständiger Zell- oder Verbinderbruch im Modul T Amb R th-j-a E Solar I Bypass Häufigkeit Gefährdung 34

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 35

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. P Kühl = 1/R th_j-a *(T Junc -T Amb ). Die Wärmeleistung der Bypass-Diode im Bypass-Betrieb (Durchlassrichtung) beträgt P Bypass = U Fluss * I Bypass und hat - bei konstantem I Bypass - 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 T Junc = T Amb + R th_j-a *(U Fluss * I Bypass ) 36

Thermal Runaway bei Schottky-Dioden (Ergänzungen zum Vortrag) Die Wärmeleistung der Bypass-Diode im Normal-Betrieb (Sperrrichtung) beträgt P Normal = U Sperr * I Sperr 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 Sperrschichttemperatur 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. 37

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. 38

Thermal Runaway bei Schottky-Dioden / 1 Diode heizt sich im Bypass-Betrieb auf Sperrstrom steigt exponentiell mit T Junc bei Schottky-Dioden auf >> 100 ma schneller Übergang zu Normal-Betrieb Entfernen der Abschattung oder Umschalten auf Leerlauf instabil, wenn P Normal > P Kühl oder Worst case: Umschaltung Kurzschluss - Leerlauf 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(???) 39 Quellen: ROOS, UCHIDA

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 U Fluss hoch!) Schottky-Dioden mit niedriger Durchlassspannung und niedrigem Sperrstrom verwenden (steht jedoch im Widerspruch!) Aktive Bypass-Dioden verwenden Worst case: Umschaltung Kurzschluss - Leerlauf 40

Hohe Übergangswiderstände Konstruktionsfehler unzulässiger Verguss falsche Materialen lösende Schraubkontakte etc. Fertigungs- oder Montagefehler unvollständige / verpolte Steckung mangelndes Anzugsmoment etc. Oxidation undichte Dosen Kondensation etc. 41

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??? 42 Quellen: ZACHARIAS, BUSATTO

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 43 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)

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Heribert Schmidt www.ise.fraunhofer.de heribert.schmidt@ise.fraunhofer.de 44

Quellenangaben / 1 Seite 3 KATO, K. : http://www1.eere.energy.gov/solar/pdfs/pvmrw12_tuesam_aist_kato.pdf KOHLENBERG, R. : Photovoltaik im Wandel der Zeit, Sonnenenergie 4/2015 Seite 4 IEA-PVPS: http://iea-pvps.org/index.php?id=275 DHERE, N.G. : http://spie.org/publications/proceedings/paper/10.1117/12.2026782 WOHLGEMUT, J. : http://www.nrel.gov/docs/fy13osti/58225.pdf Seite 6 SCHMIDT, H. : A NOVEL DIODE-LESS BYPASS TECHNOLOGY FOR HIGH PERFORMANCE PV MODULES, Proceedings EU-PVSEC Valencia, 2007 FAHRENBRUCH, S. : http://www.all-electronics.de/wp-content/uploads/migrated/articlepdf/86561/541ag1010-microsemi.pdf MICROSEMI: LX2410A http://www.microsemi.com/document-portal/doc_view/135254-lx2410a TEXAS INSTRUMENTS : https://www.youtube.com/watch?v=fp1db30wepu STmicroelectronics : http://www.stmicroelectronics.com.cn/web/en/press/cn/p3328 45

Quellenangaben / 2 46 Seite 9 BAAK: http://www.baak.de/esd Seite 10 VISHAY: http://www.vishay.com/docs/89398/solarcell.pdf Seite 12 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 HÄBERLIN, H. :Photovoltaik, VDE-Verlag 2010, ISBN 978-3-8007-3205-0, Seiten 393 ff Seite 29 ROOS, M. : http://www.tuv.com/media/germany/10_industrialservices/pv_modulworkshop/pv_modulworksho p_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

Quellenangaben / 3 Seite 32 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 BUSATTO, G. : http://www-g.eng.cam.ac.uk/robuspic/pub_present/ispsd06/02_busatto.pdf 47