基于脈沖受控電壓源補償電源的太陽電池伏安特性測量方法

孫匯聰，劉 民，梅高峰，張 于，王 凱

(北京東方計量測試研究所，北京 100086)

0 引言

目前，絕大多數的空間飛行器均采用太陽電池陣電源系統作為其一次能源，太陽電池則是其中最主要的部件。因此空間太陽電池電性能參數的準確測試對空間太陽電池研制以及空間飛行器太陽電池陣的設計、研制和生產都至關重要[1-3]。

在傳統的測量技術中，一般都采用補償電壓是固定值的測量技術來測量太陽電池的伏安特性曲線[4]但用固定值作為補償電源負載電阻的設定值與特性曲線的工作點沒有直接對應關系。

ISO15387中CNES在高空氣球標定法[5]和西北工業大學的任駒設計的太陽電池伏安特性測試電路中采用橋式補償電源的方法[6]。如圖1所示，在可變電阻兩端連接兩個相同的電阻，并聯一個補償電路，構成橋路。當可變電阻滑到中間位置時電橋平衡，太陽電池沒有受到外加的電壓。如果此時把可變電阻從零點向A點調整，電橋平衡就被破壞，外電路給電池施加了一個反向電壓。當反向電壓足夠大，且與太陽電池具有相同的電動勢時，回路中無電流流過，即通過被測電池的總電流為零，這時等效于電池開路。隨著離開平衡點的距離增大，橋路的輸出電流也隨之增大，當略大于太陽電池的光生電流時，流過太陽電池的總電流變為負值，相當于負載曲線進人了第四象限。和上述過程相反，當把可變電阻Rw向 B點調整時，電池受外電路施以正向壓降，當正向壓降增大到一定程度，使流過太陽電池的總電流大于它的短路電流時，曲線就進入了第二象限。

此種方法可測出太陽電池的短路電流點，但在此種方法中，滑動變阻器無法實現程控和線性變化。

隨著數字控制快速電子負載的出現，急需要能夠跟隨回路電流變化的可控補償電源，達到負載電阻能夠準確設定的目的。由此，本文提出一種基于脈沖受控電壓源補償電源的太陽電池伏安特性控制方法。配合已有的程控快速電子負載，可達到對太陽電池的伏安特性進行準確測試的目的。

1 補償電源的基本原理

常用太陽電池伏安特性的基本原理為：由光源發出模擬太陽光照射在被測太陽電池上，并將電子負載串聯在被測太陽電池的輸出回路中。將電子負載阻值從某一個設定的高阻變成某一個設定的低阻，同時承載太陽電池的輸出功率，此時采集被測太陽電池兩端電壓 V與回路電流 I。同一時刻的一對電流電壓特性被測參數稱為被測太陽電池的伏安特性[7-8]。

在太陽電池伏安特性的測量過程中，尤其是在標準太陽電池的標定過程中，對短路電流點的準確測量尤為重要[9]。測量短路電流，即要求得到太陽電池輸出電壓為零時的電流值，而在太陽電池的伏安特性測量回路中，由電池陣和負載電阻串聯形成的回路，回路總電阻是不可避免的，包括導線電阻、負載殘余電阻、電流分流器電阻等，當電池陣輸出電壓降低到一定程度時，電流在回路電阻上產生電壓降，使電池陣輸出電壓不可能為零，因而達不到I-V曲線的短路電流工作點。所以需要在回路中串入補償電源，可抵消電流在回路總電阻上的電壓降。

太陽電池伏安特性采集電路的關鍵是對太陽電池的短路電流點進行準確測試。在不使用補償電源的情況下，利用普通電阻作負載對太陽電池的短路電流進行測試時，如圖 3，只能實現對太陽電池伏安曲線的第一象限的測量。并且由于回路中串聯著導線電阻和接觸電阻，使得負載電阻（可變電阻）變到零時，電池也不能達到短路狀態。另外可變電阻也不可能從零變到無窮大，所以又達不到開路狀態。其結果是測得的曲線不能和電流軸相交，也不能和電壓軸相交，難于精確地測得開路電壓Voc和短路電流Isc。在未使用補償電源的情況下，測試結果如圖4所示。

為了克服以上缺點，可使電池等效于從短路狀態變到開路狀態的過程，需采用補償電源補償導線電阻、負載殘余電阻、電流分流器電阻等上的電壓降。

2 脈沖受控電壓源設計原理

2.1 總體設計

基于脈沖受控電壓源補償電源的太陽電池伏安特性控制方法中，補償電源是脈沖受控電壓源，補償電源的輸出電壓可跟隨整個太陽電池測量回路的電流而變化，用以補償回路電流在測量回路上的電壓降，包括負載電阻的全導通電阻、引線電阻、電流分流器電阻上的電壓降。電路設計可等效為下圖 5，將太陽電池陣、負載電阻、電流分流器電阻、引線電阻、補償電源串聯成一個回路，并且在太陽電池陣的兩端并聯一個差分脈沖分壓器。如圖 5，太陽電池陣接有 4條導線，一對正負極導線用于導通整個回路的電流，而另一對正負極導線連接至差分脈沖分壓器，差分脈沖分壓器輸出差分電壓，連接差分放大器被高速電壓采集器測量，從而測量獲得太陽電池陣的電壓；負載電阻R4選用的是由數字量控制的場效應管的數控負載電路；電流分流器電阻有4條導線，其中，一對正負極負載電阻的輸出端和補償電源的接地電位參考點，用于導通回路電流，另一對正負極導線連接差分放大器被高速電壓采集器測量，從而測量獲得太陽電池陣的電流；在補償電源與電流分流器電阻之間設置接地電位參考點。

由上可知，太陽電池的伏安特性曲線指以太陽電池兩端電壓和整個回路電流為坐標在電流-電壓直角坐標系中的點連成的曲線，隨負載電阻變化，太陽電池的伏安特性曲線公式可表示為：

其中，Vc為太陽電池兩端的電壓，Ic為太陽電池的電流并作為整個回路電流，V3為補償電源的輸出電壓，R1為電流分流器電阻，R4為負載電阻的設定值，Ron為負載電阻的全導通電阻值，R5為引線電阻。補償電源的負極性輸出端用作回路的接地電位參考點，當補償電源的輸出電壓V3=Ic(Ron+R5+R1)時，太陽電池陣的伏安特性變化公式簡化為Vc=IcR4，從而僅通過負載電阻的設定值來控制太陽電池陣的伏安特性曲線的工作點（Ic，Vc）的位置。

2.2 脈沖受控電壓源補償電源的詳細設計

補償電源由直流電源、電壓控制調節部分、電流反饋部分和電壓反饋部分組成，如圖 6。直流電源負極性端連接接地電位參考點，其額定輸出電流應大于太陽電池的短路電流，其額定輸出電壓應大于太陽電池的短路電流在負載電阻的全導通電阻、引線電阻、電流分流器電阻上的電壓降之和；電壓控制調節部分用于調節直流電源的輸出，使輸出電壓波形受到控制，由調整場效應管、控制場效應管、低通濾波器、反饋放大器組成；電流反饋部分用于跟蹤整個回路的電流，由同相放大器、電流跟隨分壓器和電壓跟隨器組成；電壓反饋部分用于控制電壓穩定，由輸出電容器和補償電壓分流器組成。

在此對電壓控制調節部分和電流反饋部分詳細進行介紹。

電壓控制調節部分的調整場效應管為P溝道型場效應管，其源極連接直流電源，其柵極串聯一個電阻連接到直流電源，其漏極作為受控電源的輸出端；控制場效應管為N溝道型場效應管，其源極連接接地電位參考點，其柵極連接低通濾波器的輸出端，其漏極串聯一個電阻連接到調整場效應管的柵極；低通濾波器串聯在控制場效應管的柵極和反饋放大器的輸出端之間；反饋放大器的輸出端連接低通濾波器的輸入端，其同相端連接電流反饋部分的輸出端，其反相端連接電壓反饋部分的輸出端；

電流反饋部分中的電壓跟隨器的輸出電壓等于分流器電阻的電壓，與整個回路的電流成正比，并且電壓跟隨器的輸出端連接至電流跟隨分壓器的輸入端；同相放大器的同相端連接至電流跟隨分壓器的輸出端，其反相端與輸出端之間串聯一個反饋電阻，其反相端與接地電位參考點之間串聯一個接地電阻，其輸出端連接到電壓控制調節部分的反饋放大器的同相端；輸出電容并聯在補償電源的輸出端與接地電位參考點之間；補償電壓分壓器的輸入端連接補償電源輸出端，其輸出端連接到電壓控制調節部分的反饋放大器反相輸入端；

其中，接地電阻為電流分流器電阻的預定倍數，并且預定倍數的范圍選自102～104之間的任意值，反饋電阻是通過公式R32＝k1(Ron+R5+Rs3)計算獲得的，其中，k1為預定倍數，R32為反饋電阻，Rs3為補償電源的等效輸出電阻值。

2.3 保護電路的設計

在太陽電池伏安特性曲線測試回路中，為防止補償電源的電壓跟隨整個回路的電流產生正反饋特性，從而防止自激振蕩或過大電流，本文除太陽電池伏安特性控制電路還設計一種保護電路，如圖 6，其中保護電路由電壓比較器、保護場效應管、低通濾波器和門限電壓組成，門限電壓由穩壓管、電阻和電位器的組合產生，或者由數模轉換器來產生。在保護電路中電壓比較器的正極輸入端連接至門限電壓；電壓比較器的負極輸入端連接差分脈沖分壓器之后的差分運算放大器的輸出端與太陽電池陣的電壓成正比。在保護電路過程中，R32用于調節電壓負值的大小，R32的值大則電壓過零點的值大，當R32過于大時，為防止負值電壓過大損壞太陽電池片，保護電路進行保護，使補償電源不起作用。

2.4 快速電子負載的設計

R4為可程控電子負載[10]，原理圖如圖 7，可變電阻法測量，控制電路通過軟件控制改變電子負載的數值，使其等效阻值從零變化到無窮大，同時控制電路控制電壓和電流采樣電路，采樣電子負載在每個工作點時的電壓和電流，這些采樣點的組合就構成了當前環境條件下陣列的 I-V特性曲線。當電子負載等效阻值為零時，太陽電池陣列相當于開路，此時測定的電流為短路電流Isc；當電子負載等效阻值為無窮大時，太陽電池陣列相當于開路，此時測得的電壓為開路電壓Uoc。其中，R4的表達式為：

其中數字量D的取值范圍是 0≤D＜1，數字量D是二進制小數，對于N位D/A的表達式為：

其中：aN-1，aN-2，…a1，a0取值為0或1。可通過程序設置 D/A來改變 D的值，進而改變RL的值，例如，對于12bit乘法型D/A：假設D/A設置D=1 000 0000 0000B，D=2 048/40 96=0.5，則RL=Rs(1/0.5-1)=Rs。

3 實驗設計驗證

本文在對補償電源電路進行驗證的過程如圖 8，用太陽能電池陣列仿真器模擬太陽電池，可模擬光照下的太陽電池輸出的電流電壓特性。采用本文研究的脈沖受控電壓源補償電源和快速電子負載構成的采集電路，通過采集器采集太陽電池的I-V特性曲線，采集得到的太陽電池的電流電壓值如下，IV曲線過電壓為0的點，即可求出短路電流點。測試結果如表 1，測試結果中電壓電流值為AD的直接輸出值。由圖9可知，在太陽電池伏安特性測試在串入補償電源后，可以從第二象限，電壓零點前開始測太陽電池的電流，達到準確測量短路電流的效果。

表1 I-V特性采集值Tab.1 Acquiring the value of I-V characteristics

4 結論

補償電源在太陽電池的伏安特性測試中必不可少，當前在太陽電池伏安特性測試過程中的補償電源為固定值，或者使用橋式補償電源法，隨著快速可變電子負載的出現，用固定電源值作為補償電源和橋式補償電源法，不能根據快速可變電子負載的變化而調節補償電源值，而本文提出的用脈沖受控電壓源作為補償電源的方法中，補償電源值可根據太陽電池測試回路的電流的變化而變化，可滿足當前快速電子負載對補償電源的要求，達到僅通過負載電阻的設定值來控制太陽電池陣的伏安特性曲線的工作點的位置的目的，在當前對太陽電池組件的快速自動測試過程中，達到良好的測試效果。