Електричні властивості фотогальванічного елемента з вбудованим позисторним шаром на основі полімерного нанокомпозиту з вуглецевим наповнювачем
Анотація
Розглянуто проблеми запобігання перегріву і теплового пробою фотогальванічного елементу при прикладенні до його p–n-переходу високої зворотної напруги. Експериментально вивчено здатність до захисту від перенапруги структури у вигляді фотогальванічного елемента з вбудованим позисторним шаром, що знаходяться в безпосередньому тепловому контакті. Як фотогальванічний елемент використовувалися фрагменти сонячних елементів, виготовлених на основі монокристалічного кремнію. Позисторним шаром був полімерний нанокомпозит з вуглецевим наповнювачем, який використовується в самовідновлювальних запобіжниках типу PolySwitсh.
Досліджено кінетику змін електричних характеристик такої структури при виникненні постійної електричної перенапруги на затіненому фотогальванічному елементі, коли його p–n-перехід опиняється включеним у зворотному напрямку. Показано, що струм і зворотна напруга на затіненому фотогальванічному елементі обмежуються і знижуються з моменту, коли температура цієї структури досягає значень, близьких до температури переходу позисторного нанокомпозиту в низькопровідний стан, що дорівнює приблизно 125°С. При збільшенні величини перенапруги спостерігається зменшення часу спрацьовування розглянутого захисту і зростання максимального струму, який протікає досліджуваною структурою. Зменшення струму, необхідного для досягнення позисторним шаром температури спрацьовування, може бути досягнуто зниженням теплового опору контакту між фотогальванічним і позисторним елементами структури.
Отримані результати вказують на можливість реалізації захисту від зворотних електричних перенапруг і теплового пробою фотоелектричних систем на основі фотогальванічних елементів з вбудованими шарами запобіжників зазначеного типу.
Посилання
Gupta T. K. Application of zinc oxide varistors. Journal of the American Ceramic Society, 1990, vol. 73, iss. 7, pp. 1817–1840. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1990.tb05232.x
Standler R. B. Protection of electronic circuits from overvoltages. USA, Mineola, New York. Dover Publications, Inc. 2002. 464 p.
Gretzke W. Use of PolySwitch PPTC protection in automotive applications. In book: 42 V-PowerNets. Eds. by H. Wallentowitz, C. Amsel. Germany, Berlin, Heidelberg, Springer-Verlag, 2003, pp. 75–87. https://doi.org/10.1007/978-3-642-18139-9_4
Gavrikov V. [Resettable PTC fuses for protection of current overload]. Novosti Elektroniki, 2014, no. 12, pp. 11–15. (Rus)
Golubovic B., Becker P. N., Moore R. P. Circuit protection device having thermally coupled MOV overvoltage element and PPTC overcurrent element. Pat. USA, no. 7660096, 2010.
Du Y., Kim H., Jiang T. Solid state resettable fuses. Pat. USA, no. 9998117, 2018.
Anthony A. A. Polymer fuse and filter apparatus. Pat. USA, no. 6282074, 2001.
Tonkoshkur A. S., Ivanchenko A. V., Mazurik S. V., Makarov V. O. [Device for protection of photovoltaic modules against overload current]. Pat. UА, no. 134899, 2019, bull 11. (Ukr)
Tonkoshkur A. S., Ivanchenko A. V., Nakashydze L. V., Mazurik S. V. Application of resettable elements for electrical protection of solar batteries. Tekhnologiya i Konstruirovanie v Elektronnoi Apparature, 2018, no. 1, pp. 43–49. https://doi.org/10.15222/TKEA2018.1.43 (Rus)
Cheon K. Y. Battery pack with battery protection circuit. Pat. USA no. 5963019, 1999.
Oglesbee J. W., Burns A. G., More G. Overcharge protection device and methods for lithium based rechargeable batteries. Pat. USA, no. 6608470, 2003.
Minervini A. D., Nguyen T. K. Electrical devices having a polymer PTC array. Pat. USA, no. 6282072, 2001.
Littelfuse Inc. Protecting rechargeable Li-ion and Li-polymer batteries, http://www.littelfuse.com/~/media/ electronics/application_notes/littelfuse_protecting_rechargeable_li_ion_and_li_polymer_batteries_in_ consumer_portable_electronics_application_note.pdf.pdf (27 February 2020)
Dimpault-Darcy E. C., Bragg B. J. Thermal switch disc for short circuit protection of batteries. Pat. USA, no. 4973936, 1990.
Tonkoshkur A. S., Nakashidze L. V. Modeling of current limitations in photo-electrical systems of solar batteries using self-restoring fuses Polyswitch. Radio Electronics, Computer Science, Control, 2019, no. 2, pp. 15-22. https://doi.org/10.15588/1607-3274-2019-2-2 (Rus)
Tonkoshkur A. S., Ivanchenko A. V. Modeling of electrical characteristics of photovoltaic solar arrays with protection against current overloads based on PolySwitch elements. Multidiscipline Modeling in Materials and Structures, 2019, vol. ahead-of-print, no. ahead-of-print. https://doi.org/10.1108/MMMS-01-2019-0022
Tonkoshkur A. S., Ivanchenko A.V. Electrical properties of structures based on varistor ceramics and polymer nanocomposites with carbon filler. Journal of Advanced Dielectrics, 2019, vol. 9, no. 03, p. 1950023. https://doi.org/10.1142/S2010135X19500231
Ivanchenko A. V., Tonkoshkur A. S., Mazurik S. V. Application of varistor-posistor structure for protection from overvoltages of photovoltaic cells of solar arrays. Journal of Physics and Electronics, 2019, vol. 27, no. 1, pp. 79–88. https://doi.org/10.15421/331913
Herrmann W., Adrian M., Wiesner W. Operational behaviour of commercial solar cells under reverse biased conditions. Proceedings of the Second World conference on photovoltaic solar energy conversion. Austria, Vienna, 1998, pp. 2357–2359.
Vorob’yov G. A., Pokholkov Yu. P., Korolev Yu. D., Merkulov V. I. [Physics of dielectrics (region of strong fields): Study Guide], Russia, Tomsk, Publishing House of Tomsk Polytechnic University, 2011, 245 p. (Rus)
Chumakov V. I. [Methods for modeling thermal damages to semiconductor devices]. Radioelektronika i informatika, 1999, no. 2, pp. 31–37. (Rus)
Virchenko Yu. P., Vodyanitskii A. A. Heat localization and formation of heat breakdown structure in semiconductor materials. I. Nonlinear model. Functional Materials, 2001, vol. 8, no. 3, pp. 428–434.
Nakashidze L. V., Knysh L. I. [Methodology for determining the composition and circuit design of solar photovoltaic equipments]. Aviatsionno-kosmicheskaya tekhnika i tekhnologiya. 2008, no. 10(57), pp. 100–103. (Rus)
Ivanchenko A. V., Tonkoshkur A. S., Mazurik S. V. Application of “PolySwitch” fuses for the limitation of current overloads in photovoltaic systems of solar arrays. Journal of Physics and Electronics, 2018, vol. 26, no 1, p. 77–82. https://doi.org/10.15421/331813
FRX Series - Radial Leaded PTC. http://www.fuzetec.com/products_2.php?bgid=1&gid=31 (27 February 2020)
[The thermal conductivity of the thermal pastes, comparison of the thermal pastes for thermal conductivity and viscosity]. http://thermalinfo.ru/svojstva-materialov/materialy-raznye/teploprovodnost-termopast-sravnenie-termopast-po-teploprovodnosti-i-vyazkost (27 February 2020) (Rus)
Ivanchenko A. V., Tonkoshkur A. S. Changes in the characteristics of silicon photovoltaic cells of solar arrays after current overloads. Tekhnologiya i Konstruirovanie v Elektronnoi Apparature, 2019, no. 3–4, pp. 19–25. http://dx.doi.org/10.15222/TKEA2019.3-4.19 (Rus)
d’Alessandro V., Guerriero P., Daliento S. A simple bipolar transistor-based bypass approach for photovoltaic modules. IEEE Journal of Photovoltaics, 2014, vol. 4, no. 1, pp. 405–413. https://doi.org/10.1109/JPHOTOV.2013.2282736
Daliento S., Di Napoli F., Guerriero P., d’Alessandro V. A modified bypass circuit for improved hot spot reliability of solar panels subject to partial shading. Solar Energy. 2016, vol. 134, pp. 211–218. https://doi.org/10.1016/j.solener.2016.05.001
Raushenbakh G. [Handbook on the design of solar batteries] Moscow, Energoatoizdat, 1983, 357 p. (Rus)
Авторське право (c) 2020 Іванченко О. В., Тонкошкур О. С.
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
