使用MFIA阻抗分析仪测量DC-Link电容器的低串联等效电阻(ESR)和低串联等效电感(ESL)

简介
本文将介绍如何使用MFIA阻抗测试仪(或MFLI锁相放大器和IA阻抗分析选件),表征直流支撑电容器(DC-link capacitor)的等效串联电阻(ESR)和等效串联电感(ESL)。在1 kHz到5 MHz的测试频率范围内,最低ESL仅为9.5 nH (742 kHz),最低ESR仅为0.7 mOhm (11 kHz)。

背景
直流支撑电容器本身和接口的ESL和ESR对绝缘栅双极晶体管(IGBT)开关模组(例如电动车上的逆变器)的性能有着很大的影响。当IGBT模组关闭时,瞬时产生的电压浪涌会储存在寄生电感之中。为了降低或者消除此电压浪涌的影响,设计低ESL的直流支撑电容器至关重要。

因此,近来随着直流支撑电容器的发展,已经可以实现很低的ESL和ESR了。在本文中,我们使用MFIA阻抗分析仪和专用的低ESL阻抗测试夹具来验证标称的器件参数。这里,我们选取了TDK的 EPCOS B25655PXXX DC-Link XXX 120 µF作为被测器件。该器件具有极低的ESR和ESL,标称值仅为0.8 mOhm和15 nH。

需要说明的是,这里使用的低ESL夹具上的弹性接口使得它能与直流支撑电容器的母线接头(垂直间距受IGBT模组限制)相匹配。夹具上的4个BNC接口的间距为22 mm。MFIA和电容器的连接方法如图1所示。

 

图1:使用MFIA和专用的低ESL的阻抗测试夹具测试TDK的EPCOS直流支撑电容器。

 

首先,检查基线

为了能够准确测量器件的阻抗,必须要先对阻抗测试夹具的阻抗进行补偿。 在这里我们使用了LabOne的用户智能补偿功能,在1 kHz到5 MHz的频率段进行短路补偿。

这样,我们就可以将测试夹具和电容器的接触面定义为测试平面。在进行用户补偿之后,我们就可以通过短路测试来获取一系列测量的基线。从图2的LabOne软件扫频界面中我们可以看到,在1 kHz到100 kHz范围内,电阻的基线仅为15.7 µOhm。而在100 kHz到5 MHz的范围内,电感的基线仅为1.7 pH。这保证了我们随后能够精确地测量电容器的ESR和ESL。

 

图2:使用LabOne的两个参数扫描仪窗口同时显示用户智能补偿后的短路测试。上图为1 kHz到100 kHz的电阻,而下图为100 kHz到5 MHz的电感。此即为后续测试的基线。

 

然后,总览

再确定基线之后,我们对器件在1 kHz到5 MHz的全频率范围进行了测试。结果如图3所示。绿色曲线显示了器件阻抗的实部,即ESR。在低于自谐频率(90.8 kHz)时,蓝色曲线显示了器件的电容。在1 kHz时,电容值实测为121.999 µF,和厂商标称的120 µF大小十分接近。大于自谐频率后,浅蓝色曲线显示了器件的ESL。黑色箭头标注了ESL在175.9 kHz,284.2 kHz和749.7 kHz的三个峰。除此之外,绿色曲线显示了器件的阻抗幅值,而紫色显示了相位。

 

图3:LabOne界面截图显示了1 kHz到5 MHz频率段直流支撑电容器的完整参数扫描。五条曲线分别为:电容(蓝色),阻抗实部(绿色),阻抗幅值(红色),串联电感(浅蓝色)和相位(紫色)。器件自谐的频率为90.8 kHz。

 

最后,数据采集

从图3可以看出,ESR应该在低频测量,ESL应该在较高频率测量。因此,这里我们使用两个参数扫描窗口,分别对应1 kHz到100 kHz,以及100 kHz到5 MHz。我们使用红色、绿色和蓝色,来对应电容器上的三对电极U(红)、V(绿)、W(蓝)。在每对电极上,我们都重复扫描了五次,用来验证测试的可重复性。图4是前面提到的两个频段的LabOne扫频图。这里我们使用的是幅值是900 mV的信号,并在12秒内扫描 200个数据点。

上方的扫描窗口显示了器件的阻抗Z的实部(即ESR)。对每对电极,五组扫描曲线近乎重合。即使拔出器件后再插入重新测量也没有明显变化。如黑色箭头所示,ESR在W电极对上的ESR最低值仅为718 µOhm (11.35 kHz)。这与厂商声明的0.8 mOhm相吻合。在本窗口中,黄色曲线即为短路测试对应的基线。

下方的扫描窗口显示了器件的ESL。与ESR的结果类似,在同电极对上的五次扫描曲线高度重合。因为结构对称,左侧和右侧的U、W电极对的结果相似,分别在176 kHz,283 kHz和742 kHz有三个峰值。而中间的V电极只有两个峰。在本窗口中,基线为浅绿色。

从蓝色曲线中,我们发现ESL的值在742 kHz时是9.49 nH。这符合厂商标称的小于15 nH的参数范围。

图4:使用LabOne的两个参数扫描仪窗口同时显示15条测试曲线(3对电极,每对5条)。上方的窗口显示了1 kHz到100 kHz段的ESR。下方的窗口展示了100 kHz到5 MHz段的ESL。本图中,U、V、W三对电极分别对应红、绿、蓝三种颜色。

 

结论

在本文中我们使用MFIA阻抗分析仪测量了直流支撑电容器的ESR和ESL。相比于传统固定频率的测试,MFIA能在更宽的频率段检测ESR和ESR的变化。这种测量方式能使生产厂商更好的检测器件不同电极之间的阻抗区别。另外,MFIA所能达到的低基线,也为厂商未来更进一步优化器件,降低ESR和ESL留下了很多提升的空间。

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原作者Tim Ashworth。