測量直流鏈路電容器的 ESR 和 ESL

直流母線電容器常用于逆變器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、醫(yī)療電源設(shè)備等電源轉(zhuǎn)換應(yīng)用中。因此，直流鏈路電容器通常需要具有高介電強(qiáng)度的高電容。從節(jié)能的角度來看，它們還應(yīng)該表現(xiàn)出低損耗因數(shù)（等效地，低等效串聯(lián)電阻，ESR）。

混合動(dòng)力/電動(dòng)汽車上典型的三級(jí)功率逆變器系統(tǒng)中使用的直流鏈路電容器。直流鏈路電容器是此類設(shè)計(jì)中穩(wěn)定直流電壓的關(guān)鍵元件。

更重要的是，直流鏈路電容器可以快速穩(wěn)定直流電壓。低等效串聯(lián)電感 (ESL) 對(duì)此角色至關(guān)重要。因此，設(shè)計(jì)工程師了解 ESR 和 ESL 以及如何在直流鏈路電容器中準(zhǔn)確測量它們非常重要。

考慮電動(dòng)汽車上的典型驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。它包括一個(gè)可充電電池組、一個(gè)三相逆變器和一個(gè)牽引電動(dòng)機(jī)。電池組可以輸出高達(dá) 800 Vdc 的電壓，并使用在千赫頻率范圍內(nèi)切換的功率晶體管（IGBT 或功率 MOSFET）控制電力輸送。直流鏈路電容器位于直流電源和開關(guān)電路之間。它旨在通過最小化逆變器偶爾需要的電壓紋波來提供穩(wěn)定的直流電壓。

任何“理想”電容器的電氣響應(yīng)都是純電容性的，相位角為 -90°。但現(xiàn)實(shí)世界的設(shè)備也有寄生電感和電阻。為了便于理解，我們可以將 ESR 和 ESL 與電容器串聯(lián)在一起。ESR 是介電損耗的集總參數(shù)表示，ESL 對(duì)應(yīng)于電感。ESL 通常來自連接到電容器的引線以及電容器本身的結(jié)構(gòu)（例如繞組）。需要注意的是，即使使用三個(gè)等效元素，此模型有時(shí)也可能過于簡單。因此，ESR 和 ESL 可能不會(huì)在頻率范圍內(nèi)保持恒定。

直流鏈路電容器（及其連接器）的 ESR 和 ESL 在上述 EV 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。ESR 會(huì)導(dǎo)致功耗并產(chǎn)生熱量，從而導(dǎo)致過熱問題。另一方面，ESL 存儲(chǔ)感應(yīng)能量。當(dāng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)晶體管關(guān)閉時(shí)，所產(chǎn)生的瞬態(tài)會(huì)導(dǎo)致電壓過沖。

由于制造技術(shù)的進(jìn)步，直流母線電容器 ESL 可以降低到納亨級(jí)，ESR 可以降低到 1 mΩ 以下。但設(shè)計(jì)人員希望通過準(zhǔn)確的測量來確認(rèn)規(guī)格表上的值，以確保電容器能夠以足夠的裕度滿足安全要求。

LCR 表和阻抗分析儀都可以表征直流鏈路電容器。兩種儀器都根據(jù)歐姆定律通過獲取相敏電壓與電流的比率來測量阻抗。該比率給出了可以計(jì)算實(shí)部和虛部阻抗的絕對(duì)阻抗和相位。隨后從復(fù)阻抗導(dǎo)出諸如電容、電感、電阻、品質(zhì) (Q) 因子及其倒數(shù)（耗散因子，DF）等參數(shù)。它們是通過對(duì)測得的阻抗應(yīng)用適當(dāng)?shù)牡刃щ娐纺Ｐ偷贸龅?。LCR 表和阻抗分析儀通常包括幾個(gè)內(nèi)置模型來提取這些參數(shù)。

然而，這兩種儀器是不同的：LCR 表主要測量固定頻率下的阻抗，而阻抗分析儀（例如 Zurich Instruments MFIA 阻抗分析儀）可以測量作為頻率函數(shù)的阻抗。阻抗分析儀通常更受歡迎，因?yàn)橹绷麈溌冯娙萜鞯?ESR 和 ESL 都不是恒定的，我們想研究它們的頻率依賴性。

使用定制的低 ESL 夾具連接到 MFIA 阻抗分析儀的 EPCOS TDK 直流鏈路電容器。直流鏈路電容器具有三組標(biāo)記為 U、V 和 W 的電極。

MFIA 提供 LCR 功能，同時(shí)還能夠掃描頻率并以圖形方式顯示采集的阻抗參數(shù)。為了測量 ESR 和 ESL，我們主要使用 Zurich Instruments 軟件 LabOne 中提供的兩個(gè)工具：清掃器和補(bǔ)償顧問。掃描器允許以可自由調(diào)整的步數(shù)掃描感興趣的參數(shù)（例如頻率）。補(bǔ)償顧問通過分步指南促進(jìn)準(zhǔn)確且可重復(fù)的測量結(jié)果，以消除測試夾具或電纜的寄生阻抗。

例如，考慮 TDK 的被測器件 (DUT) 電容器，其標(biāo)稱電容為 120 μF、ESR 為 0.8 mΩ、ESL <15 nH。我們可以通過定制夾具將 DUT 連接到儀器的前面板。該夾具采用靈活的連接器，允許直流母線連接器的垂直偏移，與制造商的 IGBT 模塊設(shè)計(jì)相匹配。夾具的另一端使用標(biāo)準(zhǔn) 22 毫米間距的四個(gè) BNC 連接器。

準(zhǔn)確測量直流鏈路電容器阻抗的第一步包括運(yùn)行一個(gè)補(bǔ)償程序，該程序允許實(shí)際測量數(shù)據(jù)中的夾具阻抗。在這個(gè)例子中，我們可以運(yùn)行一個(gè)從 1 kHz 到 5 MHz 的負(fù)載短路例程。此程序允許我們將測量平面重新定義為直接接觸電容器的夾具連接器。

接下來，我們可以再次測量短路以了解測量基線。得到的短路 ESR 和 ESL 可以分別顯示在兩個(gè)掃描窗口中。在本例中，這些掃描確認(rèn) ESR 和 ESL 的基線分別為 15.7 μΩ 和 1.7 pH。如此低的值使我們有信心隨后可以可靠地測量電容器。

下一步是在整個(gè)感興趣的頻率范圍內(nèi)測量直流鏈路電容器。結(jié)果顯示在附近的屏幕截圖中，帶有多軌跡

LabOne 的屏幕截圖顯示了運(yùn)行夾具補(bǔ)償例程后對(duì)短路的兩次測量掃描。頻率范圍分為兩部分：上部掃描中從 1 kHz 到 100 kHz 的紅色跡線顯示實(shí)數(shù) (Z)，從 100 kHz 到 5 MHz 的綠色跡線顯示串聯(lián)電感。結(jié)果證實(shí)了該測量設(shè)置的實(shí)部阻抗 (ESR) 和串聯(lián)電感 (ESL) 的低基線。

從 1 kHz 掃描到 5 MHz。一條跡線顯示阻抗的實(shí)部，等效于 ESR。在 1 kHz 的最低頻率下，電容讀數(shù)為 121.999 μF，與 120 uF ±10% 的規(guī)定值一致。高于 90.8 kHz——電容器的自諧振頻率 (SRF)——繪制了 ESL，并顯示了在 175.9 kHz、284.2 kHz 和 749.7 kHz 處標(biāo)注的三個(gè)峰值。除了 ESR 和 ESL，跡線還顯示絕對(duì)阻抗和相位。這種全景視圖有助于了解電容器在不同頻率下的行為，因此我們可以更可靠地預(yù)測其在實(shí)際應(yīng)用中的響應(yīng)。

因此，我們得出結(jié)論，ESR 應(yīng)該在低頻下測量，而 ESL 應(yīng)該在更高頻率下測量。然后我們可以簡單地重復(fù)第一步，打開兩個(gè)不同的掃描器窗口以覆蓋兩個(gè)范圍：1 kHz 到 100 kHz 和 100 kHz 到 5 MHz。

由于本例中的直流鏈路電容器具有三組不同的電極，因此每個(gè)電極組都按順序測量并重復(fù)五次，以證明測量的可重復(fù)性。測試信號(hào)幅度設(shè)置為 900 mV。在默認(rèn)設(shè)置下，200 個(gè)頻點(diǎn)的掃描持續(xù)大約 12 秒。

LabOne 的屏幕截圖顯示了從 1 kHz 到 5 MHz 的直流鏈路電容器的寬頻率掃描。這五條跡線是：電容（深藍(lán)色）、實(shí)際阻抗 Z（綠色）、絕對(duì)阻抗 Z（紅色）、串聯(lián)電感（淺藍(lán)色）和相位（紫色）。該電容器的自諧振頻率為 90.8 kHz。綠色實(shí) Z 跡線相當(dāng)于 ESR。低于 90.8 kHz，即電容的自諧振頻率（SRF），電容可見為深藍(lán)色跡線。在 1 kHz 時(shí)，電容讀數(shù)為 121.999 μF，與 120 uF ±10% 的規(guī)定值一致。在 SRF 上方，ESL 被繪制為淺藍(lán)色跡線。這里三個(gè)峰值在 175.9 kHz、284.2 kHz 和 749.7 kHz 處用黑色箭頭標(biāo)注。

附近屏幕截圖的上方窗口顯示了對(duì)應(yīng)于 ESR 的實(shí)數(shù) (Z) 掃描。清掃器中總共有 15 條跡線，顏色編碼到電極組。由于即使在斷開和重新連接后測量的出色重復(fù)性，跡線也高度重疊。使用電極 W（藍(lán)色跡線）測量的 ESR 可以從黑色箭頭中讀取，黑色箭頭顯示 11.35 kHz 時(shí)為 718 μΩ。這很好地同意并確認(rèn)了 ESR 在 0.8 mΩ 時(shí)的規(guī)定值。清掃器中的黃色跡線對(duì)應(yīng)于作為我們基線的短測量。

在附近的屏幕截圖中，下方的掃描儀窗口顯示了從 100 kHz 到 5 MHz 的 ESL。跡線采用顏色編碼以匹配三組電極，并且跡線

LabOne 的屏幕截圖顯示了兩個(gè)掃描儀窗口，每個(gè)窗口顯示十五個(gè)軌跡，對(duì)應(yīng)于每組三個(gè)電極的五個(gè)測量值。上方掃描器窗口顯示 1 kHz 至 100 kHz 的 ESR，下方掃描器窗口顯示 100 kHz 至 5 MHz 的 ESL。跡線采用顏色編碼以對(duì)三組電極（U 紅色、V 綠色和 W 藍(lán)色）進(jìn)行分組。

重疊，因?yàn)闇y量在很大程度上是可重復(fù)的。淺綠色跡線對(duì)應(yīng)于 ESL 中作為基線的短測量，并且遠(yuǎn)低于三個(gè)電極組。電極 U 和 W 是幾何對(duì)稱的并且表現(xiàn)出相似的行為，在大約 176 kHz、283 kHz 和 742 kHz 處具有三個(gè)峰值。相比之下，中心電極組 U 在 ESL 中只有兩個(gè)峰值。藍(lán)色跡線中 ESL 的最低峰值在 742 kHz 時(shí)為 9.49 nH。這再次與 <15 nH 的規(guī)定值非常吻合。

因此，可以使用阻抗分析儀準(zhǔn)確且可重復(fù)地測量直流鏈路電容器的 ESR 和 ESL。仔細(xì)補(bǔ)償測試夾具的寄生阻抗后，可以將測量平面從儀器的前面板重置到 DUT 的位置。

在這種情況下，ESR 和 ESL 的測量基線均顯著降低，分別為 15.7 μΩ 和 1.7 pH。隨著制造商不斷改進(jìn) ESR 和/或 ESL，這為未來的測量留下了很大的空間。此外，阻抗分析顯示了 ESR 和 ESL 隨頻率的變化。測量不僅確認(rèn)了制造商的指定值，還可以通過電路建模對(duì) DUT 進(jìn)行詳細(xì)研究。