CN101315407B

CN101315407B - 太阳模拟器

Info

Publication number: CN101315407B
Application number: CN2008101005238A
Authority: CN
Inventors: 下斗米光博; 筱原善裕; 入江克实; 补永治
Original assignee: Nisshinbo Industries Inc
Current assignee: Nisshinbo Holdings Inc
Priority date: 2007-05-31
Filing date: 2008-05-20
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2028-05-20
Also published as: TW200913796A; US20080298043A1; CN101315407A; KR20080106033A; US8198821B2; EP1998154A2; JP2008300632A; TWI457053B; EP1998154A3; KR101469989B1; JP5184819B2

Abstract

在本发明的太阳模拟器(1)中，控制器(12)根据被预先设定成以目标照度将从氙灯(14)发出的闪耀光(F)维持一定时间的控制模式，对功率开关元件(20)进行开关驱动，由此来控制从蓄电器(26)放出并在氙灯(14)中流动的电流。从而，可提供一种容易使从灯发出的闪耀光成为所希望的照度波形的太阳模拟器。

Description

太阳模拟器

技术领域

本发明涉及一种用于向太阳电池等对象物照射模拟太阳光的太阳模拟器(模拟太阳光照射装置)。

背景技术

以往，公知有一种在对太阳电池的电流电压特性进行测量时，将从氙灯发出的闪耀光(闪光)作为模拟太阳光向太阳电池照射的太阳模拟器。

专利文献1中公开了一种通过采用借助线圈将多个电容器并联连接的电源电路，使从氙灯发出的闪耀光的照度波形平坦化，来确保太阳电池的特性测量时间的技术。

而且，在专利文献2中公开了一种通过利用含有输出放电维持电压的电容器的电源电路，使氙灯长脉冲发光，来确保太阳电池的特性测量时间的技术。

并且，在专利文献3中公开了一种以低照度维持连续点亮用的氙灯，在测定时将其控制为高的照度，在照度波形的平坦部测量太阳电池的特性的技术。

【专利文献1】特开2007-088419号公报

【专利文献2】特开2007-128861号公报

【专利文献3】日本专利第2886215号公报

但是，专利文献1中存在着下述的问题。1)在利用专利文献1中所采用的电源电路时，为了将从灯发出的闪耀光设定为所希望的照度波形，必须细致地设定电容器的个数和电容等电源电路的构成。而且，每当想要改变照度波形时，都需要重新设置电源电路的构成。2)为了实现照度波形的平坦化，需要排列多个线圈和电容器，不仅成本增高，而且需要大的空间。

而且，在利用专利文献2中所采用的电源电路时，由于在一般的电流控制电路中会发生耐压的问题，所以，需要降低灯的发光电压。为了降低灯的发光电压，只要缩短灯即可，但如果将灯缩短，则难以得到充足的光量。另外，如果想以短的灯获得充足的光量，则需要流动大电流，这对于一般的电流控制电路是无法对应的。

并且，如专利文献3那样，在利用连续发光对太阳电池的特性进行测量时，存在着灯及光学部件的寿命会因为长时间的发光而缩短的问题。

发明内容

本发明是鉴于上述实际情况而研发的，其目的在于提供一种容易将从灯发出的闪耀光形成所希望的照度波形的太阳模拟器。

为了解决上述课题，本发明的太阳模拟器具备：蓄电器；基于从所述蓄电器放出的电流而发出闪耀光的灯；和根据被预先设定为以规定照度将所述闪耀光维持规定时间的控制模式，对所述灯中流动的电流的量进行前馈控制的控制器。

根据本发明，通过根据预先设定的控制模式对灯中流动的电流的量进行前馈控制，能够容易地使从灯发出的闪耀光成为希望的照度波形。而且，该情况下，蓄电器不需要上述专利文献1及2那样的特别构成。

而且，在本发明的一个技术方案中，还具备对所述闪耀光的照度进行检测的检测器，所述控制器根据所述检测到的照度对所述灯中流动的电流的量进行反馈控制，以便能够以所述规定照度维持所述闪耀光的照度。根据该技术方案，能够以规定照度使闪耀光的照度稳定。

并且，在本发明的一个技术方案中，还具备根据所述控制部的过去的控制对所述控制模式进行修正的修正部。根据该技术方案，即使灯的特性发生时效变化等改变，也可以提供恰当的控制模式。

另外，在本发明的一个技术方案中，所述控制模式被设定成：从所述闪耀光的照度达到最大照度之后、降低到所述规定照度为止的时刻开始，根据时间增加在所述灯中流动的电流的量。根据该技术方案，由于以规定照度维持将要衰减的闪耀光的照度，所以，与维持增加的闪耀光F的照度的情况相比，容易控制。

此外，在本发明的一个技术方案中，所述控制模式被设定成：在以第一照度将所述闪耀光维持规定时间之后，以比该第一照度更低的第二照度维持规定时间。根据该技术方案，能够以灯的一次发光，实现改变了照度条件的多次特性测量。即，当采用以往的太阳模拟器想要以不同的照度条件测量太阳电池的特性时，需要变更电容器等的设置以使灯多次发光，但是根据本发明的技术方案，能够在灯的一次发光中实现不同照度条件的特性测量。

另外，在本发明的一个技术方案中，所述控制器对在包括所述灯在内的电流路径中设置的功率开关元件进行开关控制。根据该技术方案，可以通过高速的开关动作控制在灯中流动的电流。

并且，在本发明的一个技术方案中，所述蓄电器能够切换蓄电容量。根据该技术方案，可以选择与维持闪耀光的照度的时间相应的蓄电容量。

附图说明

图1是本发明的一个实施方式所涉及的太阳模拟器的框图。

图2是表示控制器的功能构成例的图。

图3是表示闪耀光的照度波形及控制模式的曲线。

图4是表示闪耀光的照度波形及控制模式的变形例的曲线。

图5是表示本发明的一个实施方式所涉及的太阳模拟器的动作例的流程图。

图中：1-太阳模拟器，2-测量单元，3-修正部，10-计算机，12-控制器(controller)，14-氙灯，16-触发电路，18-照度传感器，20-功率开关元件，22-电阻，24-高电压电源，26-蓄电器，31-电容器，33-电容器组，41-第一加法部，43-反馈控制部，45-前馈控制部，47-第二加法部，49-驱动部，64-绕组，F-闪耀光。

具体实施方式

下面参照附图，对本发明的实施方式进行说明。

图1表示本发明的一个实施方式所涉及的太阳模拟器(模拟太阳光照射装置)的框图的一个例子。

该太阳模拟器1包括：测量单元2、计算机(以下称作PC)10、控制器(controller)12、氙灯14、触发电路16、照度传感器(检测器)18、功率开关元件20、高电压电源24及蓄电器26。

太阳模拟器1将从氙灯14发出的闪耀光F向太阳模拟器1中载置的作为测量对象的太阳电池照射，来测量其电流电压特性。其中，测量对象不限定于太阳电池，也可以是其他的光电变换元件。

测量单元2在对被设定为测量对象的太阳电池的电流电压特性进行测量时，对从太阳电池输出的电流检测信号与电压检测信号进行处理。由于该测量单元2是公知的单元，所以省略详细的说明。

而且，太阳模拟器1包括多个氙灯14，与各个氙灯14对应地设置有照度传感器18、功率开关元件20、高电压电源24及蓄电器26。

氙灯14具有封入了氙气的放电管，卷绕有从触发电路16延伸出的绕组64。并且，氙灯14被蓄电后的蓄电器26施加电压。

如果从触发电路16向绕组64输出高电压的触发信号，则该氙灯14因氙气的离子化而引起放电，从蓄电器26急剧地流入电流，使得氙气瞬间发光。将这种基于瞬间放电而发出的光称作闪耀光FlashF(闪光、频闪光(stroboscopic))。

由于从氙灯14发出的闪耀光F具有光谱接近太阳光的特征，所以适合作为模拟太阳光。另外，不限定于氙灯14，也可以使用其他的稀有气体灯。

触发电路16包括变压器，向卷绕于氙灯14的绕组64输出高电压的触发信号。该触发电路16接收来自PC10的控制，输出触发信号。

照度传感器18对从氙灯14发出的闪耀光F的照度进行检测，将检测信号向控制器12输出。

蓄电器26包括电容器31，通过高电压电源24被蓄电。该蓄电器26对氙灯14施加电压，并且在载氙灯14放电之际放出电流。高电压电源24接收来自PC10的控制，对蓄电器26蓄电。

而且，蓄电器26还包括能够通过开关与电容器31连接/断开的电容器组33，能够切换蓄电容量。该电容器组33由多个电容器并联连接而成。

PC10对太阳模拟器1的整体进行控制。而且，PC10在功能上具有修正部3。该修正部3通过PC10的软件方式的动作实现。关于PC10的具体功能及修正部3的具体功能将在后面详细叙述。

控制器12通过对设置在氙灯14的下游侧(接地侧)的功率开关元件20进行开关驱动，来控制从蓄电器26放出并在氙灯14中流动的电流的量。该控制器12例如由DSP(数字信号处理器)构成。关于控制器12的具体功能将在后面进行详细叙述。

功率开关元件20例如由IGBT(绝缘栅极双极型晶体管)构成。另外，功率开关元件20也可以是功率晶体管或功率MOSFET。

此外，与功率开关元件20并联设置的电阻22的设计目的在于，即使在功率开关元件20断开的情况下，也在氙灯14中流动一定量的电流。

图2表示控制器12的功能构成例。控制器12在功能上具有：第一加法部41、反馈控制部(FB控制部)43、前馈控制部(FF控制部)45、第二加法部47及驱动部49。这些功能构成通过控制器12读出并执行存储器(未图示)中存储的程序来实现。

第一加法部41生成对闪耀光F的目标照度、与照度传感器18检测到的当前照度之间的误差量进行表示的误差信号，并向FB控制部43输出。闪耀光F的目标照度由PC10设定。另外，来自照度传感器18的检测信号由AD变换器(未图示)变换为数字信号，并被输入到第一加法部41。

FB控制部43根据从第一加法部41输入的误差信号，生成对照度的误差量进行抑制的控制信号，并向第二加法部47输出。该FB控制部43的灵敏度函数按照将照度的误差量为0的点作为稳定点，并具有与照度的误差量相应的增益的方式建成。该FB控制部43的灵敏度函数由PC10设定。

在从氙灯14发出的闪耀光F的照度超过了阈值的情况下，FF控制部45根据存储器(未图示)中存储的控制模式，向第二加法部47输出控制信号。该控制模式被设定成闪耀光F以目标照度维持一定时间，由PC10存储在存储器(未图示)中。关于控制模式将在后面进行详述。

该FF控制部45将照度传感器18检测的闪耀光F的照度超过了阈值的情况作为反馈控制(开环控制)的契机，但不限定于此，例如也可以从触发电路16或PC10接收表示输出了触发信号的时刻信号，将该时刻信号的接收作为反馈控制的契机。

第二加法部47将从FB控制部43输出的控制信号、和从FF控制部45输出的控制信号相加，并向驱动部49输出。

驱动部49根据从第二加法部47输入的控制信号，对功率开关元件20进行开关驱动。具体而言，驱动部49通过基于脉冲宽度调制(PWM)，使向功率开关元件20输出的脉冲波的占空比变化，来控制在氙灯14中流动的电流的量。从第二加法部47输入的控制信号，与脉冲波的占空比对应。

图3表示闪耀光F的照度波形及控制模式。

图3(A)表示在本实施方式中作为目标的各个照度波形例(A～D)、和不进行电流控制情况下的照度波形(N)。纵轴表示闪耀光F的照度，横轴表示从闪耀光F的发光开始之后的时间。

图3(B)表示用于实现上述各个照度波形例(A～D)的各个控制模式例(A～D)。纵轴表示应该向功率开关元件20输出的脉冲波的占空比

(即，FF控制部45应该输出的控制值)。而横轴表示从闪耀光F的发光开始之后的时间，与上述图3(A)的横轴对应。

如该图3(A)所示，在照度波形(N)中，闪耀光F的照度从发光开始就急剧上升，在达到最大照度之后，以指数函数的方式衰减。因此，照度波形(N)不具有平坦的部分。

与之相对，在各个照度波形例(A～D)中，在图3(A)所示的箭头和箭头所夹持的期间，维持着闪耀光F的照度。在该维持着照度的期间中，图3(B)所示的各个控制模式例(A～D)使占空比以指数函数的方式渐增。

即，图3(B)所示的各个控制模式例(A～D)通过从闪耀光F的照度达到最大照度之后、下降到目标照度的时刻开始，使占空比以指数函数的方式渐增，来使氙灯14中流动的电流的量以指数函数的方式渐增。因此，对于各个控制模式例(A～D)而言，占空比开始增加的时刻因目标照度而不同。基于这样的电流控制，能够以目标照度阻止闪耀光F的照度的衰减，可以延长闪耀光F的照度停留在目标照度的时间。这样的控制模式例(A～D)例如可以通过实验来求出。

而且，各个控制模式例(A～D)通过在使占空比增大至最大值之后，暂时将占空比保持为最大值，来完成氙灯14的放电。

FF控制部45通过根据上述的控制模式例(A～D)进行前馈控制，能够以目标照度将闪耀光F维持一定时间。这样的前馈控制由于响应性快，所以，容易将闪耀光F维持在目标照度。

另外，FF控制部45如上所述，在照度传感器18检测的闪耀光F的照度超过了阈值的时刻(即，达到最大照度之前)，转移到动作状态，但根据各个控制模式例(A～D)，直到闪耀光F的照度达到目标照度的时刻为止，都将占空比维持为0进行待机。

FB控制部43在FF控制部45使占空比渐增的期间(图3所示的箭头与箭头夹持的期间)进行反馈控制，以便以目标照度维持闪耀光F。通过这样的反馈控制，能够以目标照度使闪耀光F的照度稳定。

这样，可以确保太阳电池的特性测量时间。在以目标照度维持闪耀光F的期间，PC10使测量单元2动作，对太阳电池的电流电压特性进行测量。

另外，如上所述，除了电容器31之外，蓄电器26还包括电容器组33，能够切换蓄电容量。因此，通过将电容器组33与电容器31连接、使蓄电容量增加，与单独使用电容器31的情况相比，在控制模式中可以增长使占空比渐增的期间，能够进一步增长维持闪耀光F的照度的时间。

接着，图4表示闪耀光F的照度波形及控制模式的变形例。图4(A)表示本变形例中作为目标的照度波形例。图4(B)表示用于实现该照度波形例的控制模式例。

该图4(A)所示的照度波形例中，在该图所示的箭头与箭头夹持的多个期间(1)、(2)中，维持着闪耀光F的照度。即，该照度波形例中，在闪耀光F的照度达到了最大照度之后，以第一照度维持一定期间，然后，以比第一照度低的第二照度维持一定期间。

在该维持照度的各期间(1)、(2)中，图4(B)所示的控制模式例以指数函数的方式使占空比渐增。即，图4(B)所示的控制模式例在闪耀光F的照度达到最大照度之后，通过从达到第一照度的时刻开始以指数函数的方式使占空比渐增，来以第一照度维持闪耀光F的照度。在以第一照度维持之后，将占空比返回为0，再次使闪耀光F的照度下降。然后，通过从闪耀光F的照度降低至第二照度的时刻开始，以指数方式使占空比渐增，来以第二照度维持闪耀光F的照度。

FF控制部45通过根据这样的控制模式例进行前馈控制，从而在以第一照度将闪耀光F维持一定时间之后，能够以比该第一照度低的第二照度维持一定时间。

FB控制部43在FF控制部45使占空比渐增的各期间(1)、(2)进行反馈控制。即，FB控制部43在期间(1)中进行反馈控制，以便以第一照度维持闪耀光F；在期间(2)中进行反馈控制，以便以第二照度维持闪耀光F。

PC10在以目标照度维持闪耀光F的各个期间(1)、(2)中，使测量单元2动作，对太阳电池的电流电压特性进行测量。即，PC10在期间(1)中使测量单元2动作，对太阳电池的电流电压特性进行测量；然后，在期间(2)中也使测量单元2动作，对太阳电池的电流电压特性进行测量。这样，能够实现改变照度条件的多次特性测量。

接着，对控制模式的修正例进行说明。修正部3根据控制器12的过去的控制内容，修正对控制器12设定的控制模式。

作为控制器12的过去的控制内容，使用控制器12实际驱动功率开关元件20的驱动模式(实驱动模式)。该实驱动模式是由第二加法部47将上述图2所示的FB控制部43输出的控制信号、与FF控制部45输出的控制信号相加而得到的控制信号的模式。

即，将根据检测到的照度来进行反馈控制的FB控制部43的控制信号，与根据控制模式来进行前馈控制的FF控制部45的控制信号相加的实驱动模式，对获得目标照度波形是有用的，因此，本实施方式中将实驱动模式用于控制模式的修正。

每当进行闪耀光F的照度控制(氙灯14的电流控制)时，控制器12都将该实驱动模式输出给修正部3。修正部3根据从控制器12输入的实驱动模式来修正控制模式，并将该修正后的控制模式设定给控制器12。可以通过将作为基础的控制模式和从过去的控制得到的实驱动模式以规定的比例进行匹配，来进行控制模式的修正，。

具体而言，修正部3根据下述公式1所示的计算，来决定对控制器12设定的新的控制模式U(t)_new。

【公式1】

U(t)_new＝τ·U(t)_old+(1-τ)·W(t)_old

其中，U(t)_old是过去对控制器12设定的控制模式。本实施方式中，是上一次对控制器12设定的控制模式。W(t)_old是表示控制器12的过去的控制内容的实驱动模式。本实施方式中，设为控制器12的上一次控制中的实驱动模式。

而且，τ是取0～1的任何值的系数，确定过去对控制器12设定的控制模式U(t)_old、与表示控制器12的过去的控制内容的实驱动模式W(t)_old的比率。另外，该τ也可以对通过过去的控制获得的照度波形的平坦度进行评价、确定。照度波形的平坦度例如可以通过取得目标照度与当前照度的差值的平方和来求得。

这样，通过根据对控制器12的过去的控制内容进行表示的实驱动模式，修正对控制器12新设定的控制模式，即使氙灯14发生时效变化等的变化，也能够在每次进行闪耀光F的照度控制(氙灯14的电流控制)时，向控制器12提供恰当的控制模式。

另外，不限定于上述实施方式，也可以根据控制器12的过去的控制结果，修正对控制器12设定的控制模式。作为控制器12的过去的控制结果，利用通过控制器12实际驱动功率开关元件20，从而从照度传感器18得到的闪耀光F的照度波形。该情况下，每当进行闪耀光F的照度控制时，控制器12都向修正部3输出从照度传感器18得到的闪耀光F的照度波形。修正部3根据从控制器12输入的照度波形对控制模式进行修正，并将该修正后的控制模式设定给控制器12。

接着，图5表示太阳模拟器1中包含的PC10及控制器12的动作例。

PC10基于修正部3的功能，根据对控制器12的过去的控制内容进行表示的实驱动模式，来修正对控制器12设定的控制模式(S11)。

而且，PC10向控制器12输出修正后的控制模式(S12)。另一方面，控制器12将从PC10输入的控制模式作为FF控制部45的前馈控制所使用的控制模式，存储到存储器(未图示)中(S21)。

并且，PC10向控制器12输出与控制模式的目标照度相同的目标照度、及与该目标照度对应的灵敏度函数(S13)。另一方面，控制器12将从PC10输入的目标照度及灵敏度函数作为FB控制部43的反馈控制所使用的目标照度及灵敏度函数，存储到存储器(未图示)中(S22)。

然后，PC10向高电压电源24输出充电指令。接收到该充电指令的高电压电源24向蓄电器26蓄电(S14)。

另外，PC10向触发电路16输出触发指令。接收到该触发指令的触发电路16向卷绕于氙灯14的绕组64输出触发信号(S15)。

如果从触发电路16向绕组64输出了触发信号，则氙灯14开始放电，发出闪耀光F。而且，照度传感器18向控制器12输出表示闪耀光F的照度的检测信号。

如果闪耀光F的照度超越阈值，则控制器12转变为动作状态(S23：是)，进行前馈控制(S24)及反馈控制(S25)。

具体而言，控制器12基于FF控制部45的功能，根据存储器(未图示)中存储的控制模式进行前馈控制，以便能够以目标照度将闪耀光F维持一定时间。

而且，控制器12基于FB控制部43的功能，利用存储器(未图示)中存储的目标值及灵敏度函数进行反馈控制，以便能够以上述目标照度维持闪耀光F。

另一方面，PC10在规定的时刻使测量单元2动作，以测量太阳电池的电流电压特性(S16、S17)。该时刻被设定成在以目标照度维持闪耀光F的照度的期间，以便能够测量太阳电池的电流电压特性。

另外，也可以在以目标照度维持闪耀光F的照度的时刻，从控制器12向PC10通知能够测定状态，在接收到该通知的情况下，PC10使测量单元2动作。

这里，在对控制器12设定了上述图4所示的、在多个期间(1)、(2)维持闪耀光F的照度的控制模式时，控制器12基于FF控制部45的功能，在各期间(1)、(2)中进行前馈控制，以便将闪耀光F的各照度维持一定期间。

而且，控制器12被设定第一照度、第二照度作为目标值，及与它们对应的灵敏度函数，基于FB控制部43的功能在各期间(1)、(2)中进行反馈控制，以便维持闪耀光F的各照度。

该情况下，PC10在维持闪耀光F的照度的各期间(1)、(2)中使测量单元2动作，来测量太阳电池的电流电压特性。

另外，以上所说明的实施方式也可以如下所述。

可以由PC10使闪耀光F多次照射于太阳电池，使测量单元2测量太阳电池的电流电压特性。例如，测量单元2可以预先以第一次的闪耀光F求出太阳电池的电流电压特性的概略值(所谓的预备闪光)，然后利用该概略值以第二次的闪耀光F正式测量太阳电池的电流电压特性。

此外，向各照度传感器18不仅入射来自各个对应的氙灯14的闪耀光F，还入射来自其他氙灯14的闪耀光F。因此，控制器12可以求出照度传感器18所检测的照度中，来自对应的氙灯14的闪耀光F的有用成分，将其用于对应的氙灯14的电流控制(反馈控制等)。闪耀光F的有用比例例如可以事先通过实验等算出。

Claims

1.一种太阳模拟器，具备：

蓄电器；

基于从所述蓄电器放出的电流而发出闪耀光的灯；和

根据被预先设定为以规定照度将所述闪耀光维持规定时间的控制模式，对所述灯中流动的电流的量进行前馈控制的控制器，

所述控制模式被设定成从所述闪耀光的照度达到最大照度之后、降低到所述规定照度为止的时刻开始，根据时间使在所述灯中流动的电流的量增加，

在所述控制模式下，所述规定照度越低，使所述灯中流动的电流量开始增加的时刻越晚。

2.根据权利要求1所述的太阳模拟器，其特征在于，

还具备对所述闪耀光的照度进行检测的检测器，

所述控制器根据所述检测到的照度对所述灯中流动的电流的量进行反馈控制，以便以所述规定照度维持所述闪耀光的照度。

3.根据权利要求1或2所述的太阳模拟器，其特征在于，

还具备根据所述控制部的过去的控制对所述控制模式进行修正的修正部。

4.根据权利要求1或2所述的太阳模拟器，其特征在于，

所述控制模式被设定成在以第一照度将所述闪耀光维持规定时间之后，以比该第一照度更低的第二照度维持规定时间。

5.根据权利要求1或2所述的太阳模拟器，其特征在于，

所述控制器对在包含所述灯在内的电流路径中设置的功率开关元件进行开关控制。

6.根据权利要求1或2所述的太阳模拟器，其特征在于，

所述蓄电器能够切换蓄电容量。