专利名称：氙灯驱动单元、驱动氙灯的方法以及模拟太阳光照射单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于辐射模拟太阳光的模拟太阳光照射单元的氙灯驱动单元，以及驱动氙灯的方法。
背景技术：
模拟太阳光照射单元是众所周知的，其以再现自然阳光的光谱分布的模拟太阳光来辐照照射目标以测量利用太阳能的各种设备的性能，诸如太阳能电池的光电转换特性。在这种类型的模拟太阳光照射单元中，包括氙灯(以下称为“灯”)的光源设置在盒体中，且来自光源的光通过滤光器并由此作为模拟太阳光从福射表面福射。模拟太阳光照射单元例如使用具有IOOOmm或更大的发光长(emission length) 的灯，该灯由直流灯电流供电，且通过以驱动单元调整灯电流值来控制照射表面上的照度。通常，用于驱动的灯电流约为几十安培(例如70A)，且灯电压约为几百伏特(例如500V)。灯电流/电压在每次闪光被提供/应用几十毫秒(mSec)至几百毫秒。通过使用恒流或恒定功率控制这种输出状态，且在驱动时段期间测量照射目标的性能。例如，日本专利申请特开No. 2009-283846公开了一种模拟太阳光照射单元，其中使用恒流控制灯电流。在上述情况下，灯功率是35kW，这会导致以下问题。具体地，当功率直接从主电源被提供了即使瞬间(例如lOOmSec)时，也会对处于与主电源相同的线路上的外围设备产生不利影响。而且，在主电源和照射单元之间需要大容量接触和大容量布线。鉴于上述原因，通常采用这样的构造，其中在照射单元中提供驱动单元，且驱动单元存储功率，并响应于操作指令将存储的功率提供至灯。
发明内容
当使用模拟太阳光辐照照射目标来测量诸如太阳能电池板的照射目标的特性时，希望模拟太阳光总是在每次闪光中都具有相同等级的照度，从而精确测量特性。但在实际应用中，在多次闪光期间中有时会出现突然的较高照度。这是由氙灯的不稳定灯电压造成的。图8示出在常规情况下的各次闪光的灯电压。如可以从图8中理解的，可以看出某些灯电压高于其他灯电压。因为灯由恒流驱动，所以较高的灯电压会导致提供的功率增大，由此致使照度增大。在测量期间模拟太阳光的照度的波动使太阳能电池板的特性测量的精度下降。而且，在其中设置多个氙灯并同时驱动上述多个氙灯从而照射宽区域的单元的情况下，如果这些灯之中的照度发生变化，则不能获得均匀的光。有鉴于此，本发明的目的是提供一种氙灯驱动单元以及驱动氙灯的方法，其能通过应用考虑到上述灯特性的灯电流控制而在闪光之间提供稳定的照度。本发明的第一方面是一种氙灯驱动单元，其包括充电电路(200);以及电流控制电路(300)，其适于通过使用作为电源的充电电路的充电电压而为氙灯提供电流。电流控制电路适于在灯启动后的第一时段内，通过恒流控制将相比于稳定输出灯电流具有更高电流值的高输出灯电流提供给氙灯，且在第一时段后的第二时段内，通过恒流控制将稳定输出灯电流提供给氙灯。本发明的第二方面是一种使用氙灯驱动单元驱动氙灯的方法，该氙灯驱动单元包括电流控制电路(300)，该电流控制电路(300)适于通过使用作为电源的充电电路(200)的充电电压而为氙灯提供电流。该方法包括如下步骤在电流控制电路，在灯启动后的第一时段内，通过恒流控制将相比于稳定输出灯电流具有更高电流值的高输出灯电流提供给氙灯，且在第一时段后的第二时段内，通过恒流控制将稳定输出灯电流提供给氙灯。本发明的第三方面是一种模拟太阳光照射单元，包括第一方面的氙灯驱动单元；连接至氙灯驱动单元的氙灯；以及其中附接有氙灯的外壳。本发明的其他特征将通过参考附图从对示例性实施例的下述说明而变得显而易见。
图I示出本发明的氙灯驱动单元。图2A和图2B示出使用常规氙灯驱动单元的情况下的氙灯电极的状态。图2C示出使用本发明的氙灯驱动单元的情况下电极的状态。图3是说明本发明的氙灯驱动单元的电流波形的曲线图。图4是说明本发明的实施例的电流波形的曲线图。图5是示出根据本发明的氙灯驱动单元的各次闪光的灯电压值的曲线图。图6示出本发明的模拟太阳光照射单元。图7是示出常规氙灯驱动单元的灯电流波形的曲线图。图8是示出根据常规氙灯驱动单元的各次闪光的灯电压值的曲线图。
具体实施例方式现在将根据附图详细说明本发明的优选实施例。图I示出本发明的一个实施例中使用的氙灯驱动单元。在驱动单元中，直流电源电路100包括将交流电源I转换成直流电压的整流器2以及滤波电容器3，且将直流电流提供给充电电路200。充电电路200包括具有晶体管4、5、6和7的逆变器。响应于施加至充电电路200的充电指令，PWM控制电路8控制晶体管4和7以及晶体管5和6的导通时间，以便晶体管4和7以及晶体管5和6以高频交替导通。因此，在变压器9的初级绕组中产生交流电压，且在变压器9的次级绕组中产生取决于变压比的电压。变压器9的次级绕组中产生的电压由整流器10整流并在线圈11中滤波，且充电至高容量电解电容器(充电电容器)13。此时，与通过电流感测电阻器12感测的充电电流成比例的输入电压以及参考电压15被输入至误差放大器14，且PWM控制单元8对晶体管4至7的导通时间进行PWM控制，以致上述两个电压相等。因此，高容量充电电容器13由具有预定电流值的恒流充电。当充电电容器13的充电至远高于灯电压(例如1000V)的电压时，PWM控制电路8暂时中止逆变器的操作(或保持充电电压)并进入待命状态。随后，响应于灯操作指令，电流控制电路300开始操作。电流控制电路300包括降压斩波电路。降压斩波电路包括诸如IGBT的半导体开关16、二极管17、线圈18、电容器19、电流感测电阻器20、用于控制半导体开关16的导通时间的PWM控制电路21、误差放大器22以及反馈元件(未示出)。在这点上，约等于充电电容器13的电压的直流电压(IOOOV)被立即施加至灯25上。此后，启动器(未图示)的脉冲变压器24在直流电压上叠加脉冲电压，以致发生灯25的电击穿。当发生灯25的电击穿时，通过使用作为电源的电容器13的充电电压将限制电流从电流控制电路300提供至灯25。在电流控制电路300中，响应于操作指令，将与通过电流感测电阻器20感测的灯电流成比例的电压信号(感测电压)和与灯电流设定值成比例的CPU 26的可变电压信号输入至误差放大器22，且PWM控制电路21对半导体开关16的导通时间执行PWM控制，从而使上述两个电压相等。因此，根据灯电流设定值使用作为电源的电容器13执行灯25的直流操作的恒流控制。注意到CPU 26可位于电流控制电路300的内部或外部。图I中所示的驱动单元的硬件部分是普通的硬件。在本发明的实施例中，从电流控制电路300输出的灯电流的波形与图7中所示的常规波形不同。
首先，当使用图7中所示的常规(稳定输出灯电流和恒流)灯电流波形时，在闪光之间灯电压不稳定的原因推测如下。图2A至2C示出灯25的阴极的电极形状。该电极是圆柱形。当脉冲电压施加至电极时会发生灯25的电击穿，并发生辉光放电。这里，具有较小热容量的圆柱形的端部温度会首先升高(图2A至2C中所示的阴影部分表示温度升高的部分)。因此，电子容易从这些部分离开，且随后发生辉光放电到电弧放电的转变。因为电极是圆柱形的，所以具有小热容量的端部存在于电极的尖端和底部。如图2A中所示，当仅从电极的尖端发生放电时不会出现问题。但是，如果如图2B中所示在从底部发生放电时，由此会增加整个电弧长度，且因此增大灯电压。原则上，电弧放电的发生应伴随最短的电弧长度。因此，长时间段提供电流会使整个电极的温度升高，且放电的位置会移动到电弧长度最短的电极尖端处。但在实际应用中的反复闪光的情况下，放电仅传导短至每次闪光几十mSec至几百mSec的时段。因此，温度仅在具有较小热容量的圆柱形的端部升高，且因此电弧放电更可能从端部发生。因此，如图2C中所示，本发明通过在电击穿之后在预定时间段内为灯提供大于常态(以下，“常态”是指借助模拟太阳光照射进行测量的稳定操作状态)的电流并确保灯的启动来使整个电极的温度快速提高。具体地，在灯启动后的第一时段内，在恒流控制下将具有高于稳定输出灯电流的电流值的高输出灯电流提供给灯。因此，在启动之后的短时间段内促进整个电极的温度升高。因此，每次都在电弧长度最短的电极的尖端处发生放电，这使得灯电压在闪光之间稳定。图3示出本发明的灯电流波形。纵轴表示灯电流值且横轴表示灯闪光时间。在电击穿并确保灯启动之后的对应于图3中所示的TH的第一时段内，使用大于常态中的灯电流值的灯电流值IH使灯经受高输出操作。在对应于图3中的TL的第二时段内，使用常态下的灯电流值IL对灯进行稳定操作。可以用实验方法确定高输出灯电流的电流值以及提供高输出灯电流的时间。注意到在灯启动后立即产生的类似噪声的部分，主要是因为由电容器19引起的冲击电流造成的，且在该时段期间没有执行电流控制。更具体地，在电流控制电路300中，CPU 26在第一时段TH中将用于高输出操作的灯电流设定值输入至误差放大器22(负端子)且在第二时段TL中将用于稳定操作的灯电流设定值输入至误差放大器22 (负端子)。(实例)使用本发明的灯电流波形检查灯电压的稳定性。注意到电路设置与上述图I中所示相同。图5示出实验中使用的本发明的灯电流波形。稳定操作时段是114mSec，且稳定操作期间的灯电流值是40A。本发明的特征之一的、在启动的初始阶段施加的用于高输出灯电流的时段是6mSec，且其电流值是75A。图5示出在施加根据本发明的实施例的灯电流波形(图3)的情况下的闪光之间的灯电压变化。图8示出在施加根据常规实例的灯电流波形(图7)的情况下的闪光之间的灯电压变化。与图8所示的常规实例相反，在图5所示的本发明的实施例中并未观察到具有较高灯电压的点，并可以看出实现了高稳定性。 从实验结果已经发现通过施加本发明的电流波形可以在闪光之间稳定灯电压。这使得能够提供一种氙灯驱动单元以及驱动氙灯的方法，其能提供由于灯电压的不稳定性而可能发生的照度不稳定的解决方案，且因此能在闪光之间稳定照度。图6示出本发明的模拟太阳光照射单元。模拟太阳光照射单元包括控制器50、通过控制器50控制操作的氙灯驱动单元51、使用电线(未图示)连接至氙灯驱动单元51的氙灯25以及其中附接氙灯25的外壳60。在外壳60中执行对附接为面向氙灯25的太阳能电池70的照射。因为提供了上述氙灯驱动单元51，所以可以获得在闪光之间就照度而言稳定的模拟太阳光照射单元。注意到因为采用用于高输出操作的电流设定值(误差放大器22的负输入)作为目标值而进行恒流控制，希望在第一时段(TH)中实际灯电流恒定不变。但是因为控制的反应性或电路时间常数的影响，实际灯电流不必保持不变。但是这些情况也涵盖在恒流控制内。此外，在上述实施例中，灯电流波形包括高输出灯电流(IH)和稳定输出灯电流(IL)两种水平。但是，灯电流波形可包括三种水平或更多水平，或从高输出灯电流至稳定输出灯电流的转变可以是连续进行的。注意到上述实施例中描述了恒流控制的情况，但本发明也适用于恒定功率控制的情况。同样在恒定功率控制中，如果灯电压不稳定，则由于控制延迟等可能会发生灯功率波动。在这种情况下，因为照度也波动，所以本发明能作为抑制照度波动的有效的解决方案。具体地，可采用如下构造，其中电流控制电路300包括灯电压感测电路(未图示)以及乘法器(未图示)，该乘法器用于将由灯电压感测电路感测的电压与由电流感测电阻器20感测的电流(电压)相乘。此外，可采用如下构造，其中将乘法器的输出(即灯功率)输入至误差放大器22 (正端子)，将与灯功率设定值成比例的CPU 26的可变电压信号输入至误差放大器22 (负端子)，且PWM控制电路21对半导体开关16的导通时间执行PWM控制，以使两个输入相等。因此，根据灯功率设定值使用作为电源的电容器13执行灯25的直流操作的恒定功率控制。此外，电流控制电路300可构造为使CPU 26在第一时段TH中将用于高输出操作的灯功率设定值输入至误差放大器22 (负端子)且在第二时段TL中将用于稳定操作的灯功率设定值输入至误差放大器22 (负端子)。虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但应当理解本发明不限于公开的示例性实施例。以下权利要求的范围将 与最广义的解释一致，从而涵盖所有这些修改及等效的结构和功能。
权利要求
1.一种氙灯驱动单元，包括 充电电路；以及 电流控制电路，所述电流控制电路适于通过使用作为电源的所述充电电路的充电电压而为氣灯提供电流， 其中所述电流控制电路适于在灯启动后的第一时段内，通过恒流控制将相比于稳定输出灯电流具有更高电流值的高输出灯电流提供给所述氙灯，且在所述第一时段后的第二时段内，通过恒流控制将所述稳定输出灯电流提供给所述氙灯。
2.ー种使用氙灯驱动单元驱动氙灯的方法，所述氙灯驱动单元包括电流控制电路，所述电流控制电路适于通过使用作为电源的充电电路的充电电压而为氙灯提供电流，所述方法包括如下步骤 在所述电流控制电路， 在灯启动后的第一时段内，通过恒流控制将相比于稳定输出灯电流具有更高电流值的高输出灯电流提供给所述氙灯；以及 在所述第一时段后的第二时段内，通过恒流控制将所述稳定输出灯电流提供给所述氙灯。
3.ー种模拟太阳光照射単元，包括 根据权利要求I所述的氙灯驱动单元； 氙灯，所述氙灯连接至所述氙灯驱动单元；以及 外売，所述氙灯附接在所述外壳中。
全文摘要
本发明涉及氙灯驱动单元、驱动氙灯的方法以及模拟太阳光照射单元。本发明的氙灯驱动单元包括充电电路；以及适于通过使用作为电源的充电电路的充电电压而为氙灯提供电流的电流控制电路，其中电流控制电路适于在灯启动后的第一时段内，通过恒流控制将相比于稳定输出灯电流具有更高电流值的高输出灯电流提供给氙灯，且在第一时段后的第二时段内，通过恒流控制将稳定输出灯电流提供给氙灯。
文档编号H05B41/36GK102802331SQ201210048068
公开日2012年11月28日 申请日期2012年2月28日 优先权日2011年5月27日
发明者山崎祐哉, 永濑徹, 大久保胜明, 铃木信一 申请人:岩崎电气株式会社