基于脉冲受控电压源补偿电源的太阳电池伏安特性测量方法

孙汇聪，刘 民，梅高峰，张 于，王 凯

(北京东方计量测试研究所，北京 100086)

0 引言

目前，绝大多数的空间飞行器均采用太阳电池阵电源系统作为其一次能源，太阳电池则是其中最主要的部件。因此空间太阳电池电性能参数的准确测试对空间太阳电池研制以及空间飞行器太阳电池阵的设计、研制和生产都至关重要[1-3]。

在传统的测量技术中，一般都采用补偿电压是固定值的测量技术来测量太阳电池的伏安特性曲线[4]但用固定值作为补偿电源负载电阻的设定值与特性曲线的工作点没有直接对应关系。

ISO15387中CNES在高空气球标定法[5]和西北工业大学的任驹设计的太阳电池伏安特性测试电路中采用桥式补偿电源的方法[6]。如图1所示，在可变电阻两端连接两个相同的电阻，并联一个补偿电路，构成桥路。当可变电阻滑到中间位置时电桥平衡，太阳电池没有受到外加的电压。如果此时把可变电阻从零点向A点调整，电桥平衡就被破坏，外电路给电池施加了一个反向电压。当反向电压足够大，且与太阳电池具有相同的电动势时，回路中无电流流过，即通过被测电池的总电流为零，这时等效于电池开路。随着离开平衡点的距离增大，桥路的输出电流也随之增大，当略大于太阳电池的光生电流时，流过太阳电池的总电流变为负值，相当于负载曲线进人了第四象限。和上述过程相反，当把可变电阻Rw向 B点调整时，电池受外电路施以正向压降，当正向压降增大到一定程度，使流过太阳电池的总电流大于它的短路电流时，曲线就进入了第二象限。

此种方法可测出太阳电池的短路电流点，但在此种方法中，滑动变阻器无法实现程控和线性变化。

随着数字控制快速电子负载的出现，急需要能够跟随回路电流变化的可控补偿电源，达到负载电阻能够准确设定的目的。由此，本文提出一种基于脉冲受控电压源补偿电源的太阳电池伏安特性控制方法。配合已有的程控快速电子负载，可达到对太阳电池的伏安特性进行准确测试的目的。

1 补偿电源的基本原理

常用太阳电池伏安特性的基本原理为：由光源发出模拟太阳光照射在被测太阳电池上，并将电子负载串联在被测太阳电池的输出回路中。将电子负载阻值从某一个设定的高阻变成某一个设定的低阻，同时承载太阳电池的输出功率，此时采集被测太阳电池两端电压 V与回路电流 I。同一时刻的一对电流电压特性被测参数称为被测太阳电池的伏安特性[7-8]。

在太阳电池伏安特性的测量过程中，尤其是在标准太阳电池的标定过程中，对短路电流点的准确测量尤为重要[9]。测量短路电流，即要求得到太阳电池输出电压为零时的电流值，而在太阳电池的伏安特性测量回路中，由电池阵和负载电阻串联形成的回路，回路总电阻是不可避免的，包括导线电阻、负载残余电阻、电流分流器电阻等，当电池阵输出电压降低到一定程度时，电流在回路电阻上产生电压降，使电池阵输出电压不可能为零，因而达不到I-V曲线的短路电流工作点。所以需要在回路中串入补偿电源，可抵消电流在回路总电阻上的电压降。

太阳电池伏安特性采集电路的关键是对太阳电池的短路电流点进行准确测试。在不使用补偿电源的情况下，利用普通电阻作负载对太阳电池的短路电流进行测试时，如图 3，只能实现对太阳电池伏安曲线的第一象限的测量。并且由于回路中串联着导线电阻和接触电阻，使得负载电阻（可变电阻）变到零时，电池也不能达到短路状态。另外可变电阻也不可能从零变到无穷大，所以又达不到开路状态。其结果是测得的曲线不能和电流轴相交，也不能和电压轴相交，难于精确地测得开路电压Voc和短路电流Isc。在未使用补偿电源的情况下，测试结果如图4所示。

为了克服以上缺点，可使电池等效于从短路状态变到开路状态的过程，需采用补偿电源补偿导线电阻、负载残余电阻、电流分流器电阻等上的电压降。

2 脉冲受控电压源设计原理

2.1 总体设计

基于脉冲受控电压源补偿电源的太阳电池伏安特性控制方法中，补偿电源是脉冲受控电压源，补偿电源的输出电压可跟随整个太阳电池测量回路的电流而变化，用以补偿回路电流在测量回路上的电压降，包括负载电阻的全导通电阻、引线电阻、电流分流器电阻上的电压降。电路设计可等效为下图 5，将太阳电池阵、负载电阻、电流分流器电阻、引线电阻、补偿电源串联成一个回路，并且在太阳电池阵的两端并联一个差分脉冲分压器。如图 5，太阳电池阵接有 4条导线，一对正负极导线用于导通整个回路的电流，而另一对正负极导线连接至差分脉冲分压器，差分脉冲分压器输出差分电压，连接差分放大器被高速电压采集器测量，从而测量获得太阳电池阵的电压；负载电阻R4选用的是由数字量控制的场效应管的数控负载电路；电流分流器电阻有4条导线，其中，一对正负极负载电阻的输出端和补偿电源的接地电位参考点，用于导通回路电流，另一对正负极导线连接差分放大器被高速电压采集器测量，从而测量获得太阳电池阵的电流；在补偿电源与电流分流器电阻之间设置接地电位参考点。

由上可知，太阳电池的伏安特性曲线指以太阳电池两端电压和整个回路电流为坐标在电流-电压直角坐标系中的点连成的曲线，随负载电阻变化，太阳电池的伏安特性曲线公式可表示为：

其中，Vc为太阳电池两端的电压，Ic为太阳电池的电流并作为整个回路电流，V3为补偿电源的输出电压，R1为电流分流器电阻，R4为负载电阻的设定值，Ron为负载电阻的全导通电阻值，R5为引线电阻。补偿电源的负极性输出端用作回路的接地电位参考点，当补偿电源的输出电压V3=Ic(Ron+R5+R1)时，太阳电池阵的伏安特性变化公式简化为Vc=IcR4，从而仅通过负载电阻的设定值来控制太阳电池阵的伏安特性曲线的工作点（Ic，Vc）的位置。

2.2 脉冲受控电压源补偿电源的详细设计

补偿电源由直流电源、电压控制调节部分、电流反馈部分和电压反馈部分组成，如图 6。直流电源负极性端连接接地电位参考点，其额定输出电流应大于太阳电池的短路电流，其额定输出电压应大于太阳电池的短路电流在负载电阻的全导通电阻、引线电阻、电流分流器电阻上的电压降之和；电压控制调节部分用于调节直流电源的输出，使输出电压波形受到控制，由调整场效应管、控制场效应管、低通滤波器、反馈放大器组成；电流反馈部分用于跟踪整个回路的电流，由同相放大器、电流跟随分压器和电压跟随器组成；电压反馈部分用于控制电压稳定，由输出电容器和补偿电压分流器组成。

在此对电压控制调节部分和电流反馈部分详细进行介绍。

电压控制调节部分的调整场效应管为P沟道型场效应管，其源极连接直流电源，其栅极串联一个电阻连接到直流电源，其漏极作为受控电源的输出端；控制场效应管为N沟道型场效应管，其源极连接接地电位参考点，其栅极连接低通滤波器的输出端，其漏极串联一个电阻连接到调整场效应管的栅极；低通滤波器串联在控制场效应管的栅极和反馈放大器的输出端之间；反馈放大器的输出端连接低通滤波器的输入端，其同相端连接电流反馈部分的输出端，其反相端连接电压反馈部分的输出端；

电流反馈部分中的电压跟随器的输出电压等于分流器电阻的电压，与整个回路的电流成正比，并且电压跟随器的输出端连接至电流跟随分压器的输入端；同相放大器的同相端连接至电流跟随分压器的输出端，其反相端与输出端之间串联一个反馈电阻，其反相端与接地电位参考点之间串联一个接地电阻，其输出端连接到电压控制调节部分的反馈放大器的同相端；输出电容并联在补偿电源的输出端与接地电位参考点之间；补偿电压分压器的输入端连接补偿电源输出端，其输出端连接到电压控制调节部分的反馈放大器反相输入端；

其中，接地电阻为电流分流器电阻的预定倍数，并且预定倍数的范围选自102～104之间的任意值，反馈电阻是通过公式R32＝k1(Ron+R5+Rs3)计算获得的，其中，k1为预定倍数，R32为反馈电阻，Rs3为补偿电源的等效输出电阻值。

2.3 保护电路的设计

在太阳电池伏安特性曲线测试回路中，为防止补偿电源的电压跟随整个回路的电流产生正反馈特性，从而防止自激振荡或过大电流，本文除太阳电池伏安特性控制电路还设计一种保护电路，如图 6，其中保护电路由电压比较器、保护场效应管、低通滤波器和门限电压组成，门限电压由稳压管、电阻和电位器的组合产生，或者由数模转换器来产生。在保护电路中电压比较器的正极输入端连接至门限电压；电压比较器的负极输入端连接差分脉冲分压器之后的差分运算放大器的输出端与太阳电池阵的电压成正比。在保护电路过程中，R32用于调节电压负值的大小，R32的值大则电压过零点的值大，当R32过于大时，为防止负值电压过大损坏太阳电池片，保护电路进行保护，使补偿电源不起作用。

2.4 快速电子负载的设计

R4为可程控电子负载[10]，原理图如图 7，可变电阻法测量，控制电路通过软件控制改变电子负载的数值，使其等效阻值从零变化到无穷大，同时控制电路控制电压和电流采样电路，采样电子负载在每个工作点时的电压和电流，这些采样点的组合就构成了当前环境条件下阵列的 I-V特性曲线。当电子负载等效阻值为零时，太阳电池阵列相当于开路，此时测定的电流为短路电流Isc；当电子负载等效阻值为无穷大时，太阳电池阵列相当于开路，此时测得的电压为开路电压Uoc。其中，R4的表达式为：

其中数字量D的取值范围是 0≤D＜1，数字量D是二进制小数，对于N位D/A的表达式为：

其中：aN-1，aN-2，…a1，a0取值为0或1。可通过程序设置 D/A来改变 D的值，进而改变RL的值，例如，对于12bit乘法型D/A：假设D/A设置D=1 000 0000 0000B，D=2 048/40 96=0.5，则RL=Rs(1/0.5-1)=Rs。

3 实验设计验证

本文在对补偿电源电路进行验证的过程如图 8，用太阳能电池阵列仿真器模拟太阳电池，可模拟光照下的太阳电池输出的电流电压特性。采用本文研究的脉冲受控电压源补偿电源和快速电子负载构成的采集电路，通过采集器采集太阳电池的I-V特性曲线，采集得到的太阳电池的电流电压值如下，IV曲线过电压为0的点，即可求出短路电流点。测试结果如表 1，测试结果中电压电流值为AD的直接输出值。由图9可知，在太阳电池伏安特性测试在串入补偿电源后，可以从第二象限，电压零点前开始测太阳电池的电流，达到准确测量短路电流的效果。

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

4 结论

补偿电源在太阳电池的伏安特性测试中必不可少，当前在太阳电池伏安特性测试过程中的补偿电源为固定值，或者使用桥式补偿电源法，随着快速可变电子负载的出现，用固定电源值作为补偿电源和桥式补偿电源法，不能根据快速可变电子负载的变化而调节补偿电源值，而本文提出的用脉冲受控电压源作为补偿电源的方法中，补偿电源值可根据太阳电池测试回路的电流的变化而变化，可满足当前快速电子负载对补偿电源的要求，达到仅通过负载电阻的设定值来控制太阳电池阵的伏安特性曲线的工作点的位置的目的，在当前对太阳电池组件的快速自动测试过程中，达到良好的测试效果。