CN101726696A - 太阳模拟器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有闪光灯的辐射照度控制单元的太阳模拟器，其具有：电气发光连续控制单元和功率吸收单元，电气发光连续控制单元具备：作为控制阻抗使用的一个或多个大功率元件，以将闪光灯点亮到规定的发光量对的方式，连续地控制大功率元件。功率吸收单元具备：一个或多个功率吸收元件，通过以切换单元选择功率吸收元件的工作，将大功率元件的功耗控制在规定范围内。

Description

太阳模拟器
技术领域
本发明涉及在进行太阳能电池的性能评价时，作为模拟太阳光使用的太阳模拟器(solar simulator)，更详细地说，涉及具有闪光灯的辐射照度控制单元的太阳模拟器。
背景技术
以往，作为太阳能电池模块的性能评价用太阳模拟器，简单的蓄电器(以下称电容器)方式的长弧氙闪光灯已经被实用化。
电容器方式闪光灯的工作原理是，将蓄电了的电容器连接于低压长弧氙灯，向长弧氙灯的管外施加高电压，通过来自内部冷阴极电极的电场放射电子使放电等离子体产生，以等离子体使电容器的电荷放电来进行发光。
由于这种方法能够仅以电容器的能量而容易地控制总发光量，并且是简单的电路，因此在拍照照明和夜间信号灯等中广泛地普及。可是，伴随着放电，电容器的电荷减少，辐射照度随着时间而指数函数式下降，因此不能获得固定的辐射照度。可是，如果限定于减少函数的窄范围的话，能够对变化进行校正而在太阳能电池模块的性能评价用中使用。这种电容器方式的闪光灯，例如如图8所示，通过在电源和放电管之间设置有放电电容器和触发电路的电路而被驱动。此外，在日本专利申请特开2001-37095号公报中公开了一种氙闪光灯用电源电路。
已知在这种闪光灯中，为了进行太阳能电池模块的性能评价，在实用上只要具有数毫秒的1kW/m2(±20％)的辐射照度就足够了。
图9中，示出了电容器方式闪光灯的光量和时间的关系的一个例子。电容器开始放电，闪光灯进行发光。发光量随着时间流逝而指数函数式下降。在太阳能电池模块的性能评价中，仅使用发光量在0.8kW/m2到1.2kW/m2范围即可。也就是说，相对于电容器的总放电，测定中利用的范围是一部分，剩余的放电(图9的斜线部分)是无用的。由于这种多余的放电，闪光灯和电容器劣化，其寿命缩短。
因此，设计了当用于性能评价的计测结束时中止不需要的放电的各种方法，已经实用化。可是，从放电开始起至适合测定的放射强度为止的利用初期大放电的放射的控制，还没有实用化。虽然在原理上是可行的，但是由于变为复杂的结构，而抵消了电容器方式的闪光灯的简便性，因此直到目前，与简便性适合的单元也没有实用化。
在太阳能电池模块的性能评价用太阳模拟器的闪光灯中，谋求在数十μ秒的时间内进行功率300kW、电流2000A、电压800V的控制。这种电气(在没有特别指出的情况下，包括功率、电流、电压而简称为电气)控制在现有的电子元件的额定功率下是难以控制的。
在电气电路中，众所周知，电气的控制是通过断续电路，或在电路中设置控制阻抗来进行。在直流电气中，使用了电子元件作为控制阻抗的连续控制电路，作为高速响应且低噪声的控制方式早就被实用化，并广泛普及。可是，在这种方式中，原理上控制阻抗作为负载起作用，具有消耗电力的特性。因此，无法进行构成控制阻抗的控制元件的容许功耗以上的电气控制。
在如电力机车的电动机那样的大功率控制的情况下，切换电阻器作为控制阻抗来进行控制。另一方面，在10kW左右以下，在实用中使用电子元件作为控制阻抗。
发明内容
本发明通过对现有的控制阻抗电子元件和电阻器的切换进行组合，排除作为大功率控制切换的缺陷的非连续控制，使作为连续控制电路的特征的高速响应且低噪声的控制成为可能。由此，本发明的目的在于，在太阳能电池模块的性能评价用太阳模拟器中，仅在测定利用的范围使闪光灯点亮。
为了解决上述问题，本发明提供一种使用了闪光灯的太阳能电池模块性能评价用太阳模拟器，其中，其具有电气发光连续控制单元和功率吸收单元，所述电气发光连续控制单元具备作为控制阻抗使用的一个或多个大功率元件，以使闪光灯点亮为规定的发光量的方式，连续地控制上述大功率元件，上述功率吸收单元具备一个或多个功率吸收元件，通过以切换单元选择上述功率吸收元件的工作，将上述大功率元件的功耗控制在规定范围内。
根据本发明，通过对控制阻抗电子元件和电阻器的切换进行组合，可以连续且高速响应地进行大功率控制切换，并且，能进行低噪声控制。因此，在太阳能电池模块的性能评价用太阳模拟器中，能够仅针对测定中利用的范围，以固定的电流使闪光灯点亮。因此，能减少闪光灯和电容器的劣化。
附图说明
图1是表示本发明的原理的框图。
图2是表示本发明的实施方式的框图。
图3是说明图2中的电压的设定区域的图表。
图4是表示在功率吸收块(block)的电阻值中存在不均的情况下的电压的图表。
图5是表示本发明的另一实施方式的框图。
图6是表示本发明的又一实施方式的框图。
图7是表示本发明的又一实施方式的框图。
图8是表示现有的电容器方式闪光灯的电路图。
图9是表示电容器方式闪光灯的光量和时间的关系的例子的图表。
具体实施方式
下面参照附图说明本发明的实施方式。再有，在本说明书和附图中，对具有实质上相同功能结构的要素赋予同一符号，并省略重复说明。
在太阳能电池模块的性能评价中，很明显如果能将闪光灯的发光控制为固定光量，则原理上不需要光量校正。此外，测定时间是数毫秒左右就足够了。因此，也可以在固定光量发光后立刻停止发光，因为由此可以减轻各部件消耗的总功率，所以能期待部件寿命大幅度延长。为了实现这点，考虑了采用如下电气控制电路的控制方法，该电气控制电路使用了大功率元件、例如IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极晶体管)等。
可是，在太阳能电池模块性能评价用太阳模拟器的闪光灯点亮时，为了获得进行太阳能电池的性能测定所必须的光量1kW/m2，需要300kW的巨大功率。因此，即使是大功率用元件，元件也在一瞬间被破坏。例如，在对灯施加700V的高压电压、驱动700A的固定电流的情况下，灯中消耗的功率为300kW，在半导体中消耗的功率为190kW。大功率用IGBT模块的极限为数kW，因此不能承受。
因此，考虑在灯和大功率元件之间插入电阻等功率吸收元件、吸收不需要的功率的方法。太阳能电池模块性能评价被标准化为在3种模式(pattern)的光量(0.8kW/m2、1.0kW/m2、1.2kW/m2)下进行测定。因此，就需要对应于与光量对应的3种电气控制。另外，当考虑通过长期使用而灯寿命导致光量降低的情况，要求电气控制在宽范围内可变。
下面示出了在使用电阻作为功率吸收元件的情况下的例子。为了在宽范围内可变，以单一电阻不能够应对。为了发挥半导体的特性，需要在能动区域(active region)内使用半导体。例如在IGBT的情况下，集电极和发射极之间的电压必需在数十V以上。可是，由于可变范围非常大，是数百A，所以当配合电流下限值来确定电阻值时，对于电流上限值，电阻的电压降变得过大、IGBT的集电极和发射极之间的电压变小，从IGBT的能动区域偏移。即，需要对应于电流值使电阻值动态地可变。
这里，在下面参照图1说明本发明的工作原理。如图1所示，本发明由电源11、闪光灯12、功率吸收块3、以及电气发光连续控制块4构成。功率吸收块3由一个以上的功率吸收元件31(R1、R2)、一个以上的功率吸收元件切换开关32(SW)、以及切换电路34构成。电气发光连续控制块4由一个以上的大功率元件41(IGBT)、均流电阻(current equalization resistor 42(R3)、大功率元件驱动电路43以及定时控制电路44构成。
大功率元件41(IGBT)作为连续控制阻抗而被使用，其被连续地控制以使闪光灯以预先设定的发光量点亮。此外，在功率吸收块3中，通过切换电路34使功率吸收元件切换开关32为OFF/ON，动态地切换功率吸收元件31，以便变成电气发光连续控制块4的大功率元件41能够正常工作的功耗。
也就是说，以大功率元件41的功耗IL·VCE不超过额定功率的方式，用功率吸收元件31的R1吸收功率。在IL大的情况下，即，VCE＝V-(VL+IL·R1)＜10V的情况下，VCE变为控制范围以外。这种情况下，当使功率吸收元件切换开关32为ON，使IL·R1变小为IL·(R1//R2)，提高VCE时，进入控制范围内。
在图2中表示本发明的太阳能电池模块性能评价用太阳模拟器的第一实施方式。
如图2所示，本实施方式由电源11、闪光灯12、功率吸收块103、电气发光连续控制块104构成。电源11和闪光灯12与现有技术中使用的电容器方式闪光灯相同。功率吸收块103具有：由三个元件(R1、R2、R3)构成的功率吸收元件131；由2个开关(SW1、SW2)构成的功率吸收元件切换开关132；开关驱动电路133；以及切换判定电路134。该功率吸收块103监视电压VR，通过该电压对功率吸收元件131(R1、R2、R3)的工作进行选择，由此，能够对后述的电气发光连续控制块104的大功率元件141(IGBT1～IGBT4)的电压VCE供给容许范围内的电压。
电气发光连续控制块104具有：由4个元件(IGBT1、IGBT2、IGBT3、IGBT4)构成的大功率元件141；由对应于大功率元件141的各元件的4个电阻(R4、R5、R6、R7)构成的均流电阻142；大功率元件驱动电路143；定时控制电路144；灯点亮检测电路145；以及电气隔离器(electric isolator)146。
在大功率元件驱动电路143中，在进行发光之前，储存在闪光灯12中流过的电流值(光量)的设定值。大功率元件驱动电路143按照该设定值，以在闪光灯12中流过的电流变为该电流值的方式，决定大功率元件141(IGBT1～IGBT4)的控制电压VG。
灯点亮检测电路145通过大功率元件141(IGBT1～IGBT4)的电压VE，对闪光灯12点亮而变为能进行太阳能电池模块性能评价的光量的情况进行检测，将控制开始向定时控制电路144传达。
定时控制电路144接收来自灯点亮检测电路145的点亮检测信号151，使控制许可信号153为ON，向大功率元件驱动电路143通知发光开始。此外，同样，使控制许可信号152为ON，经由电气隔离器146，通过控制开始信号154，向开关驱动电路133通知发光开始。此外，在使控制许可信号152、153为ON之后，定时控制电路144监视时间，当经过规定时间(从开始发光到结束为止的时间)时，使控制许可信号152、153为OFF。进而，对于大功率元件驱动电路143，在规定时间(电源11变为OFF，到电源11内的电容器被充电为止的时间)经过之后，使控制许可信号153为ON。
电气隔离器146是将电气发光连续控制块104和功率吸收块103电气绝缘，传达控制信息(信号)的电子电路。
切换判定电路134、定时控制电路144和灯点亮检测电路145通过模拟计算机或数字计算机、或者两者的组合来实现。
这种结构的本实施方式在太阳能电池模块性能评价时按照以下方式工作。
在大功率元件驱动电路143中，设定闪光灯12中流过的电流(光量)。这里设定的电流值对应于用于进行太阳能电池模块的性能测定的3种模式的光量(0.8kW/m2、1.0kW/m2、1.2kW/m2)而设定。
按照大功率元件驱动电路143中设定的电流值，以闪光灯12中流过的电流变为该电流值的方式，在大功率元件驱动电路143中决定电气发光连续控制块104的大功率元件141的栅电压VG的电压值。当决定了电压值时，取得定时控制电路144的控制许可信号152和逻辑积，输出大功率元件141的栅电压VG。再有，在投入太阳能电池模块性能评价用太阳模拟器本体的电源的时刻，使定时控制电路144的控制许可信号152为ON。但是，在此时，由于没有电源11的放电开始触发器，因此来自电源11的灯点亮电流IL不流动。
为了太阳模拟器开始放电，施加电源11的灯触发电压。由此，灯点亮电流IL流动。电源11开始放电，例如通过按压放电开始(触发)开关(省略图示)。
当灯点亮电流IL开始流动时，灯点亮检测电路145监视大功率元件141(IGBT1～IGBT4)的电压VE，通过VE对闪光灯12点亮，变为能进行太阳能电池模块的测定的光量的情况进行检测。当检测到时，通过点亮检测信号151向定时控制器电路144传达开始。
定时控制电路144通过来自灯点亮检测电路145的点亮检测信号151，经由电气隔离器146使切换判定电路134的控制许可信号154、和大功率元件驱动电路143的控制许可信号153为ON，通知控制开始。
通过控制开始，在功率吸收块103中决定功率吸收块103的电阻值，以使电气发光连续控制块104能在能动范围内工作。具体地说，如图3所示，当决定用于进行太阳能电池模块的性能测定的3种模式的光量的1个时，首先利用图3右侧的图表决定灯点亮电流IL。用于获得该灯点亮电流IL的栅电压VG通过图3中央的图表决定，作为设定值存储在大功率元件驱动电路143中。按照该设定值，以灯点亮电流IL进行流动的方式，大功率元件驱动电路143控制栅电压VG，决定VCE。电气发光连续控制块104的大功率元件141在电压VCE过小的情况下，不能作为恒定电流工作进行工作，此外在过大的情况下，存在被破坏的可能性。为了使其在能动范围内工作，以成为图3左侧的图表中表示的设定区域内的方式对VCE进行控制。
为了将VCE保持在设定区域内，在来自定时控制电路144的控制许可信号152为OFF的期间，在功率吸收块103中仅选择功率吸收元件131的R1。由此，功率吸收元件切换开关132(SW1、SW2)变为OFF，不选择功率吸收元件131的R2、R3。由此，决定最初的电压VR。
在切换判定电路134中，在与灯点亮电流IL成比例的功率吸收元件131的两端电压VR和电压VCE的轨迹中，判断VR是否超过了预先决定的阈值1和阈值2。其是以对VCE施加的电压值是否在大功率元件141(IGBT1～IGBT4)的设定区域内来决定的。在超过了该阈值的情况下，表示VCE的电压不足、变为设定区域外的情况，在这种情况下改变电阻值，以保持在设定区域内。
具体地，在点亮开始后，灯点亮电流IL伴随时间的经过一起增加，VR也增加。在超过阈值1的情况下，切换判定电路134为了在R1之外，还选择功率吸收元件131的R2，使功率吸收元件切换开关132的SW1为ON。或者，在预先已知时，以与阈值无关地选择规定的功率吸收元件131的方式进行设定。进而，在灯点亮电流IL继续增加，超过阈值2的情况下，切换判定电路134进一步使功率吸收元件切换开关132的SW2为ON，在R1、R2之外还选择功率吸收元件131的R3。例如，在功率吸收元件131的各个电阻值R1、R2、R3为相同电阻值1Ω的情况下，通过范围(range)的切换，作为功率吸收块103的电阻值，切换为1Ω、1/2Ω、1/3Ω。结果是，虽然灯点亮电流IL随着时间经过而增加，但由于电阻值相反地减小，就是说由于VR也配合其进行变化，因此能使VCE在设定区域内。
开关驱动电路133按照切换判定电路134的输出信号，使对应的功率吸收元件切换开关132(SW1、SW2)为ON/OFF。
另一方面，在电气发光连续控制块104中，即使灯点亮电流IL随着时间经过而增加，但工作不变化，持续输出大功率元件141的电压VG。
在使控制许可信号152、153为ON之后，定时控制电路144监视时间，当规定时间、即从进行发光起至其结束为止的时间经过时，使向开关驱动电路133和大功率元件驱动电路143的控制许可信号154、153为OFF。
在开关驱动电路133中，通过控制许可信号154的OFF，使功率吸收元件切换开关132(SW1、SW2)的电压VR为OFF。
在大功率元件驱动电路143中，通过控制许可信号153的OFF，使大功率元件141(IGBT1～IGBT4)的电压VG为OFF。由此，大功率元件141(IGBT1～IGBT4)变为OFF，灯点亮电流IL变得不流过。
通过灯点亮电流IL变得不流过，在电源11中，电源11内的开关变为OFF，来自电源11的灯点亮电流IL变得不流过。而且，开始电源11内的电容器的充电。该电源11的工作与现有技术的电源相同。但是，在本实施方式中，与现有技术相比，因为被充电到电容器的能量的消耗量少，准备下次点亮的充电时间以短时间即可。
进而，在电源11变为OFF，到电源11内的电容器被充电为止的时间经过之后，定时控制电路144使大功率元件驱动电路143的控制许可信号153为ON。经由电气隔离器146的向开关驱动电路133的控制许可信号154保持OFF的状态。由此，完成了进行下一次发光的准备。
通过这样的工作，能够仅在太阳能电池模块性能评价中使用的范围中使闪光灯发光，并且能够将向闪光灯的光量控制为预订光量。由此，因为能减少闪光灯和电容器的负载，所以能降低闪光灯和电容器的劣化。
在图2所示的实施方式中，功率吸收块103的功率吸收元件131(R1～R3)是3个，作为功率吸收块103的电阻值，可以选择3种电阻值。原理上，通过这3种电阻值的选择，能够实现闪光灯的辐射照度的电气控制。可是，当在功率吸收块103的电阻值中存在不均时，如图4所示，存在对VCE施加的电压值选择大功率元件141(IGBT1～IGBT4)的设定区域的边界附近的情况，由于电压不足，所以存在不能进入适当的工作的情况。
图5中表示了避免这种情况的实施方式。在图5中，与图2不同的是功率吸收块303的结构，电气发光连续控制块104与图2相同。功率吸收块303具有：由4个元件(R1、R2、R3、R4)构成的功率吸收元件331；由对应于功率吸收元件331的各个的4个开关(SW1、SW2、SW3、SW4)构成的功率吸收元件切换开关332；开关驱动电路333；以及切换判定电路334。该功率吸收块303监视VR的电压，通过该电压，通过加权对功率吸收元件331(R1～R4)进行选择，由此，能够对电气发光连续控制块104的大功率元件141(IGBT1～IGBT4)的电压VCE供给最适合的电压。
例如，如表1所示，将功率吸收元件331(R1～R4)的电阻值分别作为0.4Ω、0.6Ω、0.8Ω、1.0Ω，进行来自切换判定电路334的加权，选择功率吸收块303的电阻值。通过加权，能够精密地选择功率吸收元件331(R1～R4)的电阻值，因此能够将施加到VCE的电压值设定在大功率元件141(IGBT1～IGBT4)的设定区域的中心附近。由此，即使在功率吸收块303的电阻值中存在不均，也能获得规定电流。
在图5中，在大功率元件驱动电路143中，按照设定的光量，以灯点亮电流IL流动的方式控制电压VG，决定VCE，。可是，在电气发光连续控制块104的大功率元件141(IGBT1～IGBT4)的静态特性(static characteristics)中存在不均。为此，各个大功率元件141的电流平衡差，有在特定半导体中发生电流集中的情况。
图6中表示了避免这种情况的实施方式。在图6中与图5不同的是电气发光连续控制块404的结构。电气发光连续控制块404具有：大功率元件141(IGBT1～IGBT4)；均流电阻142(R5～R8)；大功率元件驱动电路443；定时控制电路144；灯点亮检测电路145；以及电气隔离器146。
在电气发光连续控制块404中，大功率元件驱动电路443个别地监视大功率元件141(IGBT1～IGBT4)的各电压VE。
在这样的电气发光连续控制块404中，首先，通过适当的灯点亮电流IL，使闪光灯12点亮。此时，在电气发光连续控制块404的大功率元件驱动电路443中，监视大功率元件141(IGBT1～IGBT4)的各电压VE4、VE5、VE6、VE7，存储电压VE。按照存储的电压VE，求取大功率元件141(IGBT1～IGBT4)的不均(variations)，以IGBT1～IGBT4的电流平衡一致的方式，对大功率元件141(IGBT1～IGBT4)的电压VG进行校正。
在此后进行发光的情况下，大功率元件驱动电路443使用分别校正后的电压VG，驱动大功率元件141(IGBT1～IGBT4)。由此，即使大功率元件141(IGBT1～IGBT4)中存在不均，也可以使大功率元件141(IGBT1～IGBT4)中流过的电流均等。
另一方面，由于闪光灯12的特性，存在能观察到光量降低的情况。当有光量降低时，就不能得到正确的太阳能电池模块性能评价结果。
图7中表示避免这种情况的实施方式。在图7中与图6不同的是电气发光连续控制块504的结构。电气发光连续控制块504具有：大功率元件141(IGBT1～IGBT4)、均流电阻142(R5～R8)、大功率元件驱动电路543、定时控制电路144、灯点亮检测电路145、电气隔离器146以及光量监视器547。
在这样的电气发光连续控制块504中，首先，通过适当的灯点亮电流IL使闪光灯12点亮。此时，光量监视器547通过来自灯点亮检测电路145的点亮检测信号151监视闪光灯12的光量，并存储此时的光量。
在电气发光连续控制块504的大功率元件驱动电路543中，按照在光量监视器547中存储的光量，求取光量的降低量。在大功率元件驱动电路543中，按照该求取的光量的降低，校正大功率元件141(IGBT1～IGBT4)的电压VG。再有，在该校正中，针对大功率元件141(IGBT1～IGBT4)的不均，与图6的实施方式同样地，也对大功率元件141(IGBT1～IGBT4)的电压VG进行校正。
在以后进行发光的情况下，大功率元件驱动电路543使用分别校正后的电压VG，驱动大功率元件141(IGBT1～IGBT4)。由此，即使在能观察到光量降低的情况下，也能校正光量而获得固定的辐射照度，因此能获得正确的太阳能电池模块性能评价结果。
以上虽然介绍了本发明的优选实施方式，但是本发明不限于这些例子。很明显，只要是本领域技术人员，在本技术方案所要求的范围中记载的技术思想的范围内，能够想到各种变形例或修正例，这些变形例和修正例也应属于本发明的技术范围。
本发明作为需要大功率的灯的进行辐射照度控制的单元是有用的。
表1
R1＝0.4Ω R2＝0.6Ω R3＝0.8Ω R4＝1.0Ω   功率吸收块的电阻值Ω
  0   0   0   0   -
  0   0   0   1   1.00
  0   0   1   0   0.80
  0   0   1   1   0.44
  0   1   0   0   0.60
  0   1   0   1   0.63
R1＝0.4Ω R2＝0.6Ω R3＝0.8Ω R4＝1.0Ω   功率吸收块的电阻值Ω
  0   1   1   0   0.34
  0   1   1   1   0.20
  1   0   0   0   0.40
  1   0   0   1   0.29
  1   0   1   0   0.27
  1   0   1   1   0.15
  1   1   0   0   0.24
  1   1   0   1   0.12
  1   1   1   0   0.11
  1   1   1   1   0.07

Claims (6)

1.一种使用了闪光灯的太阳能电池模块性能评价用太阳模拟器，其中，
具有：电气发光连续控制单元和功率吸收单元，
所述电气发光连续控制单元具备：作为控制阻抗使用的一个或多个大功率元件，以使闪光灯点亮到规定的发光量的方式，连续地控制所述大功率元件，
所述功率吸收单元具备：一个或多个功率吸收元件，通过以切换单元选择所述功率吸收元件的工作，将所述大功率元件的功耗控制在规定范围内。
2.根据权利要求1所述的太阳模拟器，其中，
所述电气发光连续控制单元具有：所述闪光灯的光量的检测单元，以所述光量成为规定的值的方式，控制所述大功率元件。
3.根据权利要求1所述的太阳模拟器，其中，
所述电气发光连续控制单元具有：对所述大功率元件的控制输出值个别地进行检测的单元，以所述控制输出成为规定的值的方式，对控制输入值进行校正。
4.根据权利要求1所述的太阳模拟器，其中，
通过模拟计算机、数字计算机、或该两者动态地控制所述大功率元件。
5.根据权利要求1所述的太阳模拟器，其中，
所述切换单元通过大功率元件的控制进行工作。
6.根据权利要求1所述的太阳模拟器，其中，
所述功率吸收单元经由电气隔离器与所述电气发光连续控制单元连接。
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