Catherine Chang、Aaron Schultz 和 Henry Surtihadi ADI公司

光伏 (PV) 模塊是普及和經濟適用的可再生能源。大多數光伏模塊的壽命約為 20 年，但是，熱應力和濕度侵入等其他原因會導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生很大的變化，因此需在其典型工作環境中測量其性能，這一點很重要。此類工作環境通常是陽光充足的戶外區域，比如屋頂或未開發的空地，在這些地方很難為測量設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備不會隨溫度變化出現指標漂移。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斷模式可實現電池供電型操作，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 模塊測量等需要經受寬溫度變化范圍的應用，盡管工作溫度的波動幅度很大，LTC2058 極低的最大輸入失調電壓溫度漂移 (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，環境溫度可達 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 在極端條件下產生的最大附加輸入失調漂移僅為 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開關至一個大電容器，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效應影響 I-V 曲線的機率。除了這種方法所具備的明顯優勢（即速度、簡單性和測量的簡易性）之外，采用瞬態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。

在初始狀態中，SW1 和 SW2 均短路，因此 C2 的兩端上沒有電壓。這兩個開關都必須打開（先打開 SW2，然后打開 SW1），以啟動一次持續時間為 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 的串聯電阻 R3 降低了產生電火花的風險，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。就全系統實施方案而言，這些開關可以是功率MOSFET，由負責控制定時和開關切換順序的數字信號驅動。

LTC2058 穩健的 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重要。最大的電流檢測測量誤差出現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增益可小到 4 V/V，以在 0.5A 最大短路電流 (ISC) 條件下產生一個 2 V 全標度輸出。這個低增益并不是問題，因為 LTC2058 具有穩定的單位增益。于是，LTC2058 的高增益帶寬和低閉環增益要求可實現快速閉環響應，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 上的輸出在經過了 5 V/V 的閉環增益級之后位于 5 V 電源軌之內。R1 和 R2 是可調整的，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。在該設計中，流過 R1 和 R2 的電流產生 19 μA 的誤差，即 ISC 的0.0038%。

結論

如果測量設備的安放位置靠近 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生的變化。LTC2058 的最大平均輸入失調溫度漂移僅為0.025 μV/°C，因而可在寬廣的溫度范圍內實現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品和解決方案部的應用工程師。她自 2016 年以來一直供職于 AnalogDevices。她負責的產品包括零漂移放大器、電流檢測放大器以及傳感器信號調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。
聯系方式：catherine.chang@analog.com。

Aaron Schultz 是線性產品和解決方案部的應用工程經理。他曾在設計和應用系統工程領域擔任過多個職務，接觸過眾多主題，包括電池管理、光伏、可調光 LED 驅動電路、低電壓和高電流 DC-DC 轉換、高速光纖通信、高級 DDR3 存儲器研發、定制工具開發、驗證和基本模擬電路等。他職業生涯有一半以上貢獻給了功率轉換領域。他 1993 年畢業于美國卡內基梅隆大學，1995 年畢業于 MIT。晚上，他喜歡彈奏爵士鋼琴音樂。聯系方式：aaron.schultz@analog.com。

Henry Surtihadi 是加利福尼亞州米爾皮塔斯 Analog Devices的儀表和精準技術部的 IC 設計工程師。他在設計采用CMOS 和 BJT 工藝技術的精準型放大器方面擁有 15 年以上的豐富經驗。聯系方式：henry.surtihadi@analog.com。