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

混合動力/電動汽車上典型的三級功率逆變器系統(tǒng)中使用的直流鏈路電容器。直流鏈路電容器是此類設計中穩(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) 對此角色至關(guān)重要。因此，設計工程師了解 ESR 和 ESL 以及如何在直流鏈路電容器中準確測量它們非常重要。

考慮電動汽車上的典型驅(qū)動系統(tǒng)。它包括一個可充電電池組、一個三相逆變器和一個牽引電動機。電池組可以輸出高達 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”電容器的電氣響應都是純電容性的，相位角為 -90°。但現(xiàn)實世界的設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 對應于電感。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，即使使用三個等效元素，此模型有時也可能過于簡單。因此，ESR 和 ESL 可能不會在頻率范圍內(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)動系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用。ESR 會導致功耗并產(chǎn)生熱量，從而導致過熱問題。另一方面，ESL 存儲感應能量。當電機驅(qū)動晶體管關(guān)閉時，所產(chǎn)生的瞬態(tài)會導致電壓過沖。

由于制造技術(shù)的進步，直流母線電容器 ESL 可以降低到納亨級，ESR 可以降低到 1 mΩ 以下。但設計人員希望通過準確的測量來確認規(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算實部和虛部阻抗的絕對阻抗和相位。隨后從復阻抗導出諸如電容、電感、電阻、品質(zhì) (Q) 因子及其倒數(shù)（耗散因子，DF）等參數(shù)。它們是通過對測得的阻抗應用適當?shù)牡刃щ娐纺Ｐ偷贸龅?。LCR 表和阻抗分析儀通常包括幾個內(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，因為直流鏈路電容器的 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記為 U、V 和 W 的電極。

MFIA 提供 LCR 功能，同時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 中提供的兩個工具：清掃器和補償顧問。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）。補償顧問通過分步指南促進準確且可重復的測量結(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 模塊設計相匹配。夾具的另一端使用標準 22 毫米間距的四個 BNC 連接器。

準確測量直流鏈路電容器阻抗的第一步包括運行一個補償程序，該程序允許實際測量數(shù)據(jù)中的夾具阻抗。在這個例子中，我們可以運行一個從 1 kHz 到 5 MHz 的負載短路例程。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掃描窗口中。在本例中，這些掃描確認 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行夾具補償例程后對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)果證實了該測量設置的實部阻抗 (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 處標注的三個峰值。除了 ESR 和 ESL，跡線還顯示絕對阻抗和相位。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測其在實際應用中的響應。

因此，我們得出結(jié)論，ESR 應該在低頻下測量，而 ESL 應該在更高頻率下測量。然后我們可以簡單地重復第一步，打開兩個不同的掃描器窗口以覆蓋兩個范圍：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，因此每個電極組都按順序測量并重復五次，以證明測量的可重復性。測試信號幅度設置為 900 mV。在默認設置下，200 個頻點的掃描持續(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（深藍色）、實際阻抗 Z（綠色）、絕對阻抗 Z（紅色）、串聯(lián)電感（淺藍色）和相位（紫色）。該電容器的自諧振頻率為 90.8 kHz。綠色實 Z 跡線相當于 ESR。低于 90.8 kHz，即電容的自諧振頻率（SRF），電容可見為深藍色跡線。在 1 kHz 時，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 被繪制為淺藍色跡線。這里三個峰值在 175.9 kHz、284.2 kHz 和 749.7 kHz 處用黑色箭頭標注。

附近屏幕截圖的上方窗口顯示了對應于 ESR 的實數(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性，跡線也高度重疊。使用電極 W（藍色跡線）測量的 ESR 可以從黑色箭頭中讀取，黑色箭頭顯示 11.35 kHz 時為 718 μΩ。這很好地同意并確認了 ESR 在 0.8 mΩ 時的規(guī)定值。清掃器中的黃色跡線對應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掃描儀窗口，每個窗口顯示十五個軌跡，對應于每組三個電極的五個測量值。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三組電極（U 紅色、V 綠色和 W 藍色）進行分組。

重疊，因為測量在很大程度上是可重復的。淺綠色跡線對應于 ESL 中作為基線的短測量，并且遠低于三個電極組。電極 U 和 W 是幾何對稱的并且表現(xiàn)出相似的行為，在大約 176 kHz、283 kHz 和 742 kHz 處具有三個峰值。相比之下，中心電極組 U 在 ESL 中只有兩個峰值。藍色跡線中 ESL 的最低峰值在 742 kHz 時為 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確且可重復地測量直流鏈路電容器的 ESR 和 ESL。仔細補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 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。測量不僅確認了制造商的指定值，還可以通過電路建模對 DUT 進行詳細研究。