TWI462645B - 氙氣燈驅動單元、氙氣燈驅動方法及人工太陽光照射單元 - Google Patents

Description

氙氣燈驅動單元、氙氣燈驅動方法及人工太陽光照射單元

本發明係關於用於發射人工太陽光的人工太陽光照射單元的氙氣燈驅動單元、以及氙氣燈驅動方法。

已知人工太陽光照射單元，其以產生自然太陽光的光譜分佈的人工太陽光照射照射靶，以測量利用太陽能的各種裝置的性能，例如太陽能電池的光電轉換特徵。在此種人工太陽光照射單元中，包含氙氣燈的光源(於下稱為「燈」)設置在盒中，來自光源的光通過濾光器並因而作為人工太陽光從發射表面發射。

人工太陽光照射單元使用具有例如1000 mm或更大的發光長度之燈；被供予直流燈電流；以及，以驅動單元調整燈電流的值，而控制照射表面上的照度。一般而言，用於驅動的燈電流約為數十安培(舉例而言，70A)，以及，燈電壓約為數佰伏特(舉例而言，500V)。每一閃光，施加/供應燈電流/電壓數十mSec至數佰mSec。藉由使用固定電流或固定電力，控制此輸出狀態，以及，在驅動週期期間，測量照射靶的性能。舉例而言，日本專利申請公開號2009-283846揭示人工太陽光照射單元，其中，藉由使用固定電流，以控制燈電流。

在上述情形中，燈功率是35 kW，造成下述問題。具體而言，當從主電源直接供應電力片刻(舉例而言，100 mSec)時，主電源的相同線上的週邊裝置受不利影響。此外，在主電源與照射單元之間須要大容量接點及大容量佈線。基於這些理由，一般使用一配置，其中，驅動單元設在照射單元中，驅動單元儲存電力，以及供應儲存的電力給燈以回應操作指令。

當以人工太陽光照射照射靶時測量例如太陽能面板等照射靶的特徵，為了特徵的準確測量，希望每一閃光時人工太陽光總是具有相同的照度。但是，在真實使用時，在多次閃光期間，有時發生瞬間更高照度。這是導因於氙氣燈的不穩定燈電壓。圖8顯示習知情形中各別閃光之燈電壓。從圖8可知，觀察到某些燈電壓高於其它。由於燈由固定電流驅動，所以，較高的燈電壓造成供應的電力因而增加，造成降低的照度。在測量期間人工太陽光的照度波動造成太陽能面板的特徵測量的精確度變差。此外，在設置及同時驅動多個氙氣燈以用於寬廣面積照射的單元之情形中，假使這些燈之間的照度不同時，無法取得均勻的光。

在這些情形下，本發明的目的是提供氙氣燈驅動單元以及氙氣燈驅動方法，本發明考慮如上所述的燈特徵，藉由施加燈電流控制而提供閃光中穩定的照度。

本發明的第一態樣是氙氣燈驅動單元，包括：充電電路(200)；以及，電流控制電路(300)，藉由使用充電 電路的充電電壓作為電源以供應電流至氙氣燈。電流控制電路在燈點亮後的第一週期中，以固定電流控制，供應具有比穩定輸出燈電流更高的電流值之高輸出燈電流給氙氣燈，以及，在第一週期後的第二週期中，以固定電流控制，供應穩定的輸出燈電流給氙氣燈。

本發明的第二態樣是用於氙氣燈驅動單元的氙氣燈驅動方法，氙氣燈驅動單元包含電流控制電路(300)，電流控制電路(300)藉由使用充電電路(200)的充電電壓作為電源，供應電流給氙氣燈。方法包括下述步驟：在電流控制電路中，在燈點亮之後的第一週期中，以固定電流控制，供應具有比穩定輸出燈電流還高的電流值之高輸出燈電流給氙氣燈；以及，在第一週期之後的第二週期中，以固定電流控制，供應穩定的輸出燈電流給氙氣燈。

本發明的第三態樣是人工太陽光照射單元，包括：第一態樣的氙氣燈驅動單元；連接至氙氣燈驅動單元的氙氣燈；以及，殼，氙氣燈附著於其中。

參考附圖，從下述舉例說明的實施例之說明中，將清楚本發明的進一步特點。

現在將根據附圖，詳述本發明的較佳實施例。

圖1顯示本發明的實施例中使用的氙氣燈驅動單元。在驅動單元中，直流電源電路100包含整流器2及平滑電容器3，直流電流電路100將交流電源1轉換成直流電壓 ，以及，直流電壓供應至充電電路200。充電電路200包含反相器，反相器包含電晶體4、5、6、及7。為了回應指示充電電路200之充電指令，脈衝寬度調變(PWM)控制電路8控制電晶體4和7以及電晶體5和6的導通次數，以致於使電晶體4和7以及電晶體5和6以高頻率地交替導通。結果，在變壓器9的主繞組中產生交流電壓，在變壓器9的次級繞組中產生取決於變壓器比例的電壓。在變壓器9的次級繞組中產生的電壓由整流器10整流，在線圈11中平滑化，以及，充電至高電容電解電容器(充電電容器)13。此處，與電流感測電阻器12感測的充電電流成比例之輸入電壓及參考電壓15輸入至誤差放大器14，以及，PWM控制電路8對電晶體4至7的導通次數執行PWM控制，以致於二電壓相等。結果，以具有預定電流值的固定電流，將高電容充電電容器13充電。當充電電容器13充電至充份高於燈電壓的電壓(舉例而言，1000V)時，PWM控制電路8暫時停止反相器的操作(或者，固持充電的電壓)，以及取得備用狀態。

接著，為了回應燈操作指令，電流控制電路300啟動操作。電流控制電路300包含降壓截波電路。降壓截波電路包含例如IGBT等半導體開關16、二極體17、線圈18、電容器19、電流感測電阻器20、用於控制半導體開關16的導通次數的PWM控制電路21、誤差放大器22、及回饋元件(未顯示)。在此點，幾乎等於充電電容器13的電壓之直流電壓(1000 V)立即跨越施加至燈25。之後 ，點燈器(未顯示)的脈衝變壓器24疊加脈衝電壓在直流電壓上，以致於發生燈25的電崩潰。

當燈25的電崩潰發生時，藉由使用電容器13的充電電壓作為電源，將受限制的電流從電流控制電路300供應至燈25。在電流控制電路300中，與電流感測電阻器20感測到的燈電流成比例之電壓訊號(感測電壓)以及與燈電流設定值成比例的來自中央處理單元(CPU)26的可變電壓訊號輸入至誤差放大器22，以回應操作指令，以及，PWM控制電路21對半導體開關16的導通次數執行PWM控制，以致於二電壓相等。結果，根據燈電流設定值，執行使用電容器13作為電源的燈25之直流操作的固定電流控制。注意，CPU 26可以在電流控制電路300的內部或外部。

圖1中所示的驅動單元的硬體部份是一般的硬體。在本發明的實施例中，從電流控制電路300輸出的燈電流的波形不同於圖7中所示的習知波形。

首先，當使用圖7中所示之習知的(穩定輸出燈電流及固定的)燈電流波形時閃光間的燈電壓不穩定的原因據推測是如下所述。

圖2A至2C顯示燈25的陰極的電極形狀。電極是圓柱的。當脈衝電壓施加至電極時，發生燈25的電崩潰，以及，開始輝光放電。此處，具有小熱容量的圓柱的端部之溫度首先升高(圖2A至2C中的陰影部份代表溫度升高的部份)。基於此理由，電子從那些部份快速地放電，接 著發生從輝光放電至電弧放電的轉換。由於電極是圓柱的，所以，具有小熱容量的端部出現在電極的尖端及根部。當如圖2A中所示般放電僅從電極的尖端發生時，不會發生問題。但是，假使如圖2B中所示般，放電從根部發生時，整體電弧長度因而增加，結果，燈電壓增加。

在原理上，電弧放電經由最短的電弧長度發生。因此，長時間供應電流允許整個電極的溫度上升，以及，放電的位置移至電弧長度最短之電極的尖端。但是，在真正使用時在重複的閃光中，對每一閃光，放電僅執行短至數十mSec至數佰mSec。因此，溫度僅在具有小熱容量的圓柱的端部中上升，因此，電弧放電更容易從端部發生。

因此，藉由在電崩潰及確保燈的點亮之後，以預定時間長度供應比一般狀態中還高的電流給燈(於下，「一般狀態」意指以人工太陽光照射的測量之穩定操作狀態)，本發明允許整個電極的溫度如圖2C中所示般快速地增加。具體而言，在燈點亮之後的第一週期中，以固定電流控制，將具有比穩定輸出燈電流還高的電流值之高輸出燈電流供應至燈。因此，在點燈之後，在短時間內，使整個電極的溫度容易上升。結果，每次都從電弧長度最短的電極之尖端處發生放電，允許閃光間的燈電壓穩定。

圖3顯示本發明的燈電流波形。垂直軸代表燈電流值，水平軸代表燈閃光時間。在電崩潰及確保燈點亮之後圖3中對應於TH的第一週期中，燈接受高於一般狀態的燈電流值IH之高輸出操作。在對應於圖3中的TL之第二週 期中，以用於一般狀態的燈電流值IL施加燈的穩定操作。高輸出燈電流的電流值及供應高輸出燈電流的時間可以依實驗方式決定。注意，在燈點亮之後立即出現的類雜訊部份主要導因於電容器19造成的衝擊電流，且在此週期期間未執行電流控制。

更具體而言，在電流控制電路300中，CPU 26將用於第一週期TH中高輸出操作的燈電流設定值及第二週期TL中用於穩定操作的燈電流設定值輸入至誤差放大器22(負端)。

(實例)

藉由使用本發明的燈電流波形，檢查燈電壓的穩定度。注意，電路配置與上述圖1的配置相同。

圖5顯示實驗中使用的本發明的燈電流波形。穩定操作週期是114 mSec，以及，穩定操作期間的燈電流值是40A。在點燈的初期階段施加本發明的特點之一的高輸出燈電流之週期是6 mSec，以及，其電流值是75 A。

圖5顯示應用根據本發明的實施例之燈電流波形(圖3)的情形中閃光間的燈電壓變化。圖8顯示施加根據習知實例的燈電流波形(圖7)的情形中閃光間的燈電壓變化。與圖8的習知實例相反，在圖5中所示的本發明的實施例中未觀察到具有更高的燈電壓的點，以及，看到取得高穩定度。

從實驗的結果，發現藉由施加本發明的電流波形，可 以將閃光間的燈電壓穩定。這能夠提供氙氣燈驅動單元以及氙燈驅動方法，而對導因於燈電壓的不穩定度而不同地發生的照度不穩定提供解決之道，因此，使閃光間的照度穩定。

圖6顯示本發明的人工太陽光照射單元。人工太陽光照射單元包含控制器50、操作由控制器50控制的氙氣燈驅動單元51、以佈線(未顯示)連接至氙氣燈驅動單元51的氙氣燈25、以及氙氣燈25附著的殼60。在附著成面對氙氣燈25的太陽能電池70上的殼60中執行照射。由於設置上述氙氣燈驅動單元51，所以，能夠取得以閃光間照度的觀點而言是穩定的人工太陽光照射單元。

注意，由於以用於高輸出操作(誤差放大器22的負輸入)電流設定值作為標的值而執行固定電流控制的結果，在第一週期(TH)中，可期望真實燈電流是固定的。但是，由於控制響應的效果或是電路的時間常數，真實的燈電流不必是固定的。但是，這些情形也包含在固定電流控制中。

此外，在上述實施例中，燈電流波形包含二等級的高輸出燈電流(IH)及穩定輸出燈電流(IL)。但是，燈電流波形可以包含三等級或更多，或者，可以連續地執行從高輸出燈電流至穩定輸出燈電流的轉換。

注意，在上述實施例中說明固定電流控制的情形，但是，本發明也可以應用至固定功率控制的情形。也在固定功率控制的情形中，假使燈電壓不穩定時，由於控制延遲 等等，可能發生燈功率的波動。在此情形中，由於照度也波動，所以，本發明有效作為用抑制照度波動的解決之道。

具體而言，可以採用一配置，其中，電流控制電路300包含燈電壓感測電路(未顯示)、以及乘法器(未顯示)，乘法器用於將燈電壓感測電路感測的電壓乘以電流感測電阻器20感測的電流(電壓)。此外，可以採用一配置，其中，來自乘法器的輸出(亦即，燈功率)輸入至誤差放大器22(正端)，與燈功率設定值成比例之來自CPU 26的可變電壓訊號輸入至誤差放大器22(負端)，以及，PWM控制電路21對半導體開關16的導通時間執行PWM控制，以致於二輸入是相等的。結果，根據燈功率設定值，執行使用電容器13作為電源之燈25的直流操作的固定功率控制。此外，電流控制電路300可以配置成CPU 26將用於第一週期TH的高輸出操作之燈功率設定值以及用於第二週期TL的穩定操作之燈功率設定值輸入至誤差放大器22(負端)。

雖然已參考舉例說明的實施例來說明本發明，但是，須瞭解本發明不限於揭示的舉例說明的實施例。後附申請專利範圍的範圍是根據最廣的解釋而涵蓋所有這些修改及均等結構和功能。

1‧‧‧交流電源

2‧‧‧整流器

3‧‧‧平滑電容器

4‧‧‧電晶體

5‧‧‧電晶體

6‧‧‧電晶體

7‧‧‧電晶體

8‧‧‧脈衝調變控制電路

9‧‧‧變壓器

10‧‧‧整流器

11‧‧‧線圈

12‧‧‧電流感測電阻器

13‧‧‧充電電容器

14‧‧‧誤差放大器

16‧‧‧開關

17‧‧‧二極體

18‧‧‧線圈

19‧‧‧電容器

20‧‧‧電流感測電阻器

21‧‧‧脈衝調變控制電路

22‧‧‧誤差放大器

24‧‧‧脈衝變壓器

25‧‧‧燈

26‧‧‧中央處理單元

50‧‧‧控制器

51‧‧‧氙氣燈驅動單元

60‧‧‧殼

70‧‧‧太陽能電池

100‧‧‧直流電源電路

200‧‧‧充電電路

300‧‧‧電流控制電路

圖1顯示本發明的氙氣燈驅動單元。

圖2A及2B顯示使用習知的氙氣燈驅動單元的情形中氙氣燈的電極之狀態。

圖2C顯示使用本發明的氙氣燈驅動單元的情形中電極之狀態。

圖3是用於說明本發明的氙氣燈驅動單元的電流波形的圖形。

圖4是用於說明本發明的實施例的電流波形的圖形。

圖5是顯示根據本發明的氙氣燈驅動單元的各別閃光之燈電壓值的圖形。

圖6顯示本發明的人工太陽光照射單元。

圖7是顯示習知的氙氣燈驅動單元的燈電流波形的圖形。

圖8是顯示根據習知的氙氣燈驅動單元的各別閃光之燈電壓值的圖形。

Claims (3)

1. 一種氙氣燈驅動單元，包括：充電電路；及電流控制電路，適以藉由使用該充電電路的充電電壓作為電源以對一閃光供應電流至氙氣燈，其中，在該閃光中，該電流控制電路適以在燈點亮後的包括從輝光放電至電弧放電的轉換的第一週期中，以固定電流控制，供應具有比穩定輸出燈電流更高的電流值之高輸出燈電流給該氙氣燈，使整個電極的溫度容易上升，以及，在該第一週期後的第二週期中，以固定電流控制，供應該穩定輸出燈電流給該氙氣燈。
2. 一種用於氙氣燈驅動單元的氙氣燈驅動方法，該氙氣燈驅動單元包含電流控制電路，該電流控制電路適以藉由使用充電電路的充電電壓作為電源，對一閃光供應電流給氙氣燈，該方法包括下述步驟：在該電流控制電路中，在該閃光中，在燈點亮之後的包括從輝光放電至電弧放電的轉換的第一週期中，以固定電流控制，供應具有比穩定輸出燈電流還高的電流值之高輸出燈電流給該氙氣燈，使整個電極的溫度容易上升；以及在第一週期之後的第二週期中，以固定電流控制，供應該穩定輸出燈電流給該氙氣燈。
3. 一種人工太陽光照射單元，包括：如申請專利範圍第1項的氙氣燈驅動單元； 連接至該氙氣燈驅動單元的氙氣燈；以及，殼，該氙氣燈附著在該殼中。