Главная
Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2020, № 1-2, с. 30-36.
DOI: 10.15222/TKEA2020.1-2.30
УДК 621.31
Електричні властивості фотогальванічного елемента з вбудованим позисторним шаром на основі полімерного нанокомпозиту з вуглецевим наповнювачем
(російською мовою)
Іванченко О. В., Тонкошкур О. С.

Україна, Дніпровський національний університет імені Олеся Гончара.

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.

Ключові слова: фотогальванічний елемент, електрична перенапруга, кінетика, електричні характеристики, позисторний полімерний нанокомпозит, температура спрацьовування.

Дата подання рукопису 12.02 2020
Використані джерела
  1. 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
  2. Standler R. B. Protection of electronic circuits from overvoltages. USA, Mineola, New York. Dover Publications, Inc. 2002. 464 p.
  3. 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
  4. Гавриков В. Самовосстанавливающиеся PTC-предо¬хранители для защиты от токовых перегрузок. Новости Электроники, 2014, № 12, с. 11–15.
  5. 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.
  6. Du Y., Kim H., Jiang T. Solid state resettable fuses. Pat. USA, no. 9998117, 2018.
  7. Anthony A. A. Polymer fuse and filter apparatus. Pat. USA, no. 6282074, 2001.
  8. Тонкошкур О. С., Іванченко О. В., Мазурик С. В., Макаров В. О. Пристрій захисту фотоелектричних модулів від струму перенавантаження. Пат. 134899 України, 2019, бюл. №11.
  9. Тонкошкур А. С., Иванченко А. В., Накашидзе Л. В., Мазурик С. В. Применение самовосстанавливающихся элементов для электрической защиты солнечных батарей. Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2018, № 1, с. 43–49. https://doi.org/10.15222/TKEA2018.1.43 (Rus)
  10. Cheon K. Y. Battery pack with battery protection circuit. Pat. USA no. 5963019, 1999.
  11. Oglesbee J. W., Burns A. G., More G. Overcharge protection device and methods for lithium based rechargeable batteries. Pat. USA, no. 6608470, 2003.
  12. Minervini A. D., Nguyen T. K. Electrical devices having a polymer PTC array. Pat. USA, no. 6282072, 2001.
  13. 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)
  14. Dimpault-Darcy E. C., Bragg B. J. Thermal switch disc for short circuit protection of batteries. Pat. USA, no. 4973936, 1990.
  15. Тонкошкур А. С., Накашидзе Л. В. Моделирование ограничения тока в фотоэлектрических системах солнечных батарей с использованием самовосстанавливающихся предохранителей PolySwitch. Радіоелектроніка, інформатика, управління, 2019, № 2, c. 15–22. https://doi.org/10.15588/1607-3274-2019-2-2 (Rus)
  16. 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
  17. 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
  18. 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
  19. 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.
  20. Воробьев Г. А., Похолков Ю. П., Королев Ю. Д., Меркулов В. И. Физика диэлектриков (область сильных полей): Учебное пособие, Томск, Изд-во Томского политехнического университета, 2011.
  21. Чумаков В. И. Методы моделирования тепловых повреждений полупроводниковых приборов. Радиоэлектроника и информатика, 1999, № 2. с. 31–37.
  22. 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.
  23. Накашидзе Л. В., Кныш Л. И. Методология определения состава и схемных решений солнечных фотоэлектрических установок. Авиационно-космическая техника и технология, 2008, № 10(57), с. 100–103.
  24. 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
  25. FRX Series - Radial Leaded PTC. http://www.fuzetec.com/products_2.php?bgid=1&gid=31 (27 February 2020)
  26. Теплопроводность термопаст, сравнение термопаст по теплопроводности и вязкости. http://thermalinfo.ru/svojstva-materialov/materialy-raznye/teploprovodnost-termopast-sravnenie-termopast-po-teploprovodnosti-i-vyazkost (27 февраля 2020)
  27. Иванченко А. В., Тонкошкур А.. Изменения характеристик кремниевых фотоэлектрических преобразователей солнечных батарей после токовых перегрузок. Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2019, № 3–4, c. 19–25. http://dx.doi.org/10.15222/TKEA2019.3-4.19 (Rus)
  28. 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
  29. 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
  30. Раушенбах Г. Справочник по проектированию солнечных батарей. Москва, Энергоатоиздат, 1983.