Catherine Chang、Aaron Schultz 和 Henry Surtihadi ADI公司

光伏 (PV) 模塊是普及和經(jīng)濟適用的可再生能源。大多數(shù)光伏模塊的壽命約為 20 年，但是，熱應(yīng)力和濕度侵入等其他原因會導(dǎo)致光伏模塊的輸出功率隨著時間的推移而下降。為了進行調(diào)試，可通過 PV 模塊的電壓-電流特性曲線的變化來測量其性能下降情況。

由于 PV 模塊的功率輸出會隨著溫度發(fā)生很大的變化，因此需在其典型工作環(huán)境中測量其性能，這一點很重要。此類工作環(huán)境通常是陽光充足的戶外區(qū)域，比如屋頂或未開發(fā)的空地，在這些地方很難為測量設(shè)備提供電力或控制溫度。

因此，有一點很重要，即：用于對模塊性能進行特性分析的測量設(shè)備不會隨溫度變化出現(xiàn)指標漂移。另外，理想的 I-V 測量解決方案還將是便攜式的，并且功率極小。

LTC2058 的單電源軌操作和關(guān)斷模式可實現(xiàn)電池供電型操作，并最大限度延長電池壽命。其雙路放大器實現(xiàn)了兩個通道（例如，電流和電壓）的同時測量。對于 PV 模塊測量等需要經(jīng)受寬溫度變化范圍的應(yīng)用，盡管工作溫度的波動幅度很大，LTC2058 極低的最大輸入失調(diào)電壓溫度漂移 (0.025 μV/°C) 可保持其精準度。例如，在日光照射非常充足的地區(qū)，環(huán)境溫度可達 45°C (113°F)，這相當于在正常的室溫操作條件下額外增加了20°C。LTC2058 在極端條件下產(chǎn)生的最大附加輸入失調(diào)漂移僅為 0.5 μV。

測量 PV 模塊 I-V 特性

PV 模塊的 I-V 特性曲線是通過給 PV 模塊施加從短路到開路的一系列阻抗、并測量在每個負載上產(chǎn)生的電流和電壓后生成的。

一種方法是通過高額定功率電位計或負載箱的多種設(shè)置進行迭代，并在每個點上實施測量。這種方法有一個缺陷：短暫的遮蔽或照明，比如飛鳥、云彩、或明亮反射體越過頭頂，會引起輸出功率的瞬間下降或驟增，從而在 I-V 曲線中引入誤差。一種較快的方法是打開一個并聯(lián)開關(guān)至一個大電容器，因為電容器在其幾百 ms 的充電時間里將高效地對其阻抗進行從短路至開路的掃描，可最大限度減少瞬態(tài)效應(yīng)影響 I-V 曲線的機率。除了這種方法所具備的明顯優(yōu)勢（即速度、簡單性和測量的簡易性）之外，采用瞬態(tài)電容性掃描所需的高額定功率組件極少。組件承受高功率的持續(xù)時間不超過幾百毫秒。因此，通過正確地選擇負載電容器和檢測電阻器，可以將該精確的測量電路用于眾多模塊開路電壓和短路電流的測量，例如，用于大面積 PV 模塊測試器中。

用于 PV 電池板模塊的 I-V 掃描測試電路

圖 1 示出了一款用于對 PV 模塊進行特性分析的 I-V 掃描方法實施方案。C2 是主容性負載，其大小的選擇需在測量速度和準確度之間進行權(quán)衡：當選擇較小的電容器 C2 時，掃描速度較快，可降低出錯的風險；選擇較大的電容器 C2 時，則掃描速度較慢，同時可完成更精確的測量采樣。

在初始狀態(tài)中，SW1 和 SW2 均短路，因此 C2 的兩端上沒有電壓。這兩個開關(guān)都必須打開（先打開 SW2，然后打開 SW1），以啟動一次持續(xù)時間為 150 ms 的測量掃描，并以 C2 兩端達到模塊的滿電壓為結(jié)束。在測量之后對 C2 進行放電以為下一個周期做準備，所需的操作包括：首先將 SW2 閉合，此時額定功率為 2 W 的串聯(lián)電阻 R3 降低了產(chǎn)生電火花的風險，然后將 SW1閉合，以在 C2 兩端提供真正的短路 (RON = 0.3 Ω) 并將 C2 兩端的電壓拉至 0。就全系統(tǒng)實施方案而言，這些開關(guān)可以是功率MOSFET，由負責控制定時和開關(guān)切換順序的數(shù)字信號驅(qū)動。

LTC2058 穩(wěn)健的 2.5 MHz 增益帶寬乘積對于精確跟蹤流過 RSENSE的 PV 電流的掃描速率至關(guān)重要。最大的電流檢測測量誤差出現(xiàn)在掃描周期里瞬變最急劇的過程中。盡管 RSENSE 兩端的輸入電壓具有 3.6 V/s 的較低下降壓擺率（見圖 2），但是運放的群延遲將轉(zhuǎn)化為電流檢測輸出中的實時誤差。而且，由于 RSENSE相當大，因此電流檢測電路的閉環(huán)增益可小到 4 V/V，以在 0.5A 最大短路電流 (ISC) 條件下產(chǎn)生一個 2 V 全標度輸出。這個低增益并不是問題，因為 LTC2058 具有穩(wěn)定的單位增益。于是，LTC2058 的高增益帶寬和低閉環(huán)增益要求可實現(xiàn)快速閉環(huán)響應(yīng)，從而最大限度減少由群延遲引起的誤差。

大的電容器 C2 與大的 RSENSE 共同決定了瞬變的壓擺率，因而確定了由固定延遲引起的誤差。采用較大 C2 所付出的代價是 I-V測量所需的時間有所延長。

二極管 D1 允許電流檢測通道的輸出一直擺動至 0 V，以測量掃描周期結(jié)束時開路情況下的精確電流。二極管 D2 和 200 Ω 電阻器 R8 有助于保護電流檢測放大器的 IN+ 免遭電氣應(yīng)力過載的損壞。

對于電壓檢測通道，R1 和 R2 對模塊的全電壓進行分壓，以使VPV 上的輸出在經(jīng)過了 5 V/V 的閉環(huán)增益級之后位于 5 V 電源軌之內(nèi)。R1 和 R2 是可調(diào)整的，以對任何模塊開路電壓 (VOC) 進行分壓，只要它們的電流消耗量不太大（相對于模塊 ISC）即可。在該設(shè)計中，流過 R1 和 R2 的電流產(chǎn)生 19 μA 的誤差，即 ISC 的0.0038%。

結(jié)論

如果測量設(shè)備的安放位置靠近 PV 模塊，那么它也將暴露在寒冷、明亮的陽光或炎熱的沙漠氣候等環(huán)境中的極端溫度之下。然而，它必須保持其精準度，以捕獲 PV 模塊的性能隨溫度起伏發(fā)生的變化。LTC2058 的最大平均輸入失調(diào)溫度漂移僅為0.025 μV/°C，因而可在寬廣的溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)太陽能電池板性能的精準測量。

作者簡介

Catherine Chang 是加利福尼亞州米爾皮塔斯線性產(chǎn)品和解決方案部的應(yīng)用工程師。她自 2016 年以來一直供職于 AnalogDevices。她負責的產(chǎn)品包括零漂移放大器、電流檢測放大器以及傳感器信號調(diào)理鏈路中的其他精準型運算放大器。她擁有斯坦福大學電氣工程學士和電氣工程碩士學位。
聯(lián)系方式：[email protected]。

Aaron Schultz 是線性產(chǎn)品和解決方案部的應(yīng)用工程經(jīng)理。他曾在設(shè)計和應(yīng)用系統(tǒng)工程領(lǐng)域擔任過多個職務(wù)，接觸過眾多主題，包括電池管理、光伏、可調(diào)光 LED 驅(qū)動電路、低電壓和高電流 DC-DC 轉(zhuǎn)換、高速光纖通信、高級 DDR3 存儲器研發(fā)、定制工具開發(fā)、驗證和基本模擬電路等。他職業(yè)生涯有一半以上貢獻給了功率轉(zhuǎn)換領(lǐng)域。他 1993 年畢業(yè)于美國卡內(nèi)基梅隆大學，1995 年畢業(yè)于 MIT。晚上，他喜歡彈奏爵士鋼琴音樂。聯(lián)系方式：[email protected]。

Henry Surtihadi 是加利福尼亞州米爾皮塔斯 Analog Devices的儀表和精準技術(shù)部的 IC 設(shè)計工程師。他在設(shè)計采用CMOS 和 BJT 工藝技術(shù)的精準型放大器方面擁有 15 年以上的豐富經(jīng)驗。聯(lián)系方式：[email protected]。