簡介
本文將介紹如何使用MFIA阻抗測試儀（或MFLI鎖相放大器和IA阻抗分析選件），表徵直流支撐電容器（DC-link capacitor）的等效串聯電阻（ESR）和等效串聯電感（ESL）。在1 kHz到5 MHz的測試頻率範圍內，最低ESL僅為9.5 nH （742 kHz），最低ESR僅為0.7 mOhm （11 kHz）。
背景
直流支撐電容器本身和介面的ESL和ESR對絕緣柵雙極電晶體（IGBT）開關模組（例如電動車上的逆變器）的性能有著很大的影響。當IGBT模組關閉時，暫態產生的電壓浪湧會儲存在寄生電感之中。為了降低或者消除此電壓浪湧的影響，設計低ESL的直流支撐電容器至關重要。
因此，近來隨著直流支撐電容器的發展，已經可以實現很低的ESL和ESR了。在本文中，我們使用MFIA阻抗分析儀和專用的低ESL阻抗測試夾具來驗證標稱的器件參數。這裡，我們選取了TDK的 EPCOS B25655PXXX DC-Link XXX 120 µF作為被測器件。該器件具有極低的ESR和ESL，標稱值僅為0.8 mOhm和15 nH。
需要說明的是，這裡使用的低ESL夾具上的彈性介面使得它能與直流支撐電容器的母線接頭（垂直間距受IGBT模組限制）相匹配。夾具上的4個BNC介面的間距為22 mm。MFIA和電容器的連接方法如圖1所示。
圖1：使用MFIA和專用的低ESL的阻抗測試夾具測試TDK的EPCOS直流支撐電容器。
首先，檢查基線
為了能夠準確測量器件的阻抗，必須要先對阻抗測試夾具的阻抗進行補償。 在這裡我們使用了LabOne的用戶智慧補償功能，在1 kHz到5 MHz的頻率段進行短路補償。
這樣，我們就可以將測試夾具和電容器的接觸面定義為測試平面。在進行用戶補償之後，我們就可以通過短路測試來獲取一系列測量的基線。從圖2的LabOne軟體掃頻介面中我們可以看到，在1 kHz到100 kHz範圍內，電阻的基線僅為15.7 µOhm。而在100 kHz到5 MHz的範圍內，電感的基線僅為1.7 pH。這保證了我們隨後能夠精確地測量電容器的ESR和ESL。
圖2：使用LabOne的兩個參數掃描器視窗同時顯示使用者智慧補償後的短路測試。上圖為1 kHz到100 kHz的電阻，而下圖為100 kHz到5 MHz的電感。此即為後續測試的基線。
然後，總覽
再確定基線之後，我們對器件在1 kHz到5 MHz的全頻率範圍進行了測試。結果如圖3所示。綠色曲線顯示了器件阻抗的實部，即ESR。在低於自諧頻率（90.8 kHz）時，藍色曲線顯示了器件的電容。在1 kHz時，電容值實測為121.999 µF，和廠商標稱的120 µF大小十分接近。大於自諧頻率後，淺藍色曲線顯示了器件的ESL。黑色箭頭標注了ESL在175.9 kHz，284.2 kHz和749.7 kHz的三個峰。除此之外，綠色曲線顯示了器件的阻抗幅值，而紫色顯示了相位。
圖3：LabOne介面截圖顯示了1 kHz到5 MHz頻率段直流支撐電容器的完整參數掃描。五條曲線分別為：電容（藍色），阻抗實部（綠色），阻抗幅值（紅色），串聯電感（淺藍色）和相位（紫色）。器件自諧的頻率為90.8 kHz。
最後，資料獲取
從圖3可以看出，ESR應該在低頻測量，ESL應該在較高頻率測量。因此，這裡我們使用兩個參數掃描視窗，分別對應1 kHz到100 kHz，以及100 kHz到5 MHz。我們使用紅色、綠色和藍色，來對應電容器上的三對電極U（紅）、V（綠）、W（藍）。在每對電極上，我們都重複掃描了五次，用來驗證測試的可重複性。圖4是前面提到的兩個頻段的LabOne掃頻圖。這裡我們使用的是幅值是900 mV的信號，並在12秒內掃描 200個資料點。
上方的掃描視窗顯示了器件的阻抗Z的實部（即ESR）。對每對電極，五組掃描曲線近乎重合。即使拔出器件後再插入重新測量也沒有明顯變化。如黑色箭頭所示，ESR在W電極對上的ESR最低值僅為718 µOhm （11.35 kHz）。這與廠商聲明的0.8 mOhm相吻合。在本視窗中，黃色曲線即為短路測試對應的基線。
下方的掃描視窗顯示了器件的ESL。與ESR的結果類似，在同電極對上的五次掃描曲線高度重合。因為結構對稱，左側和右側的U、W電極對的結果相似，分別在176 kHz，283 kHz和742 kHz有三個峰值。而中間的V電極只有兩個峰。在本視窗中，基線為淺綠色。
從藍色曲線中，我們發現ESL的值在742 kHz時是9.49 nH。這符合廠商標稱的小於15 nH的參數範圍。
圖4：使用LabOne的兩個參數掃描器視窗同時顯示15條測試曲線（3對電極，每對5條）。上方的視窗顯示了1 kHz到100 kHz段的ESR。下方的視窗展示了100 kHz到5 MHz段的ESL。本圖中，U、V、W三對電極分別對應紅、綠、藍三種顏色。
結論
在本文中我們使用MFIA阻抗分析儀測量了直流支撐電容器的ESR和ESL。相比于傳統固定頻率的測試，MFIA能在更寬的頻率段檢測ESR和ESR的變化。這種測量方式能使生產廠商更好的檢測器件不同電極之間的阻抗區別。另外，MFIA所能達到的低基線，也為廠商未來更進一步優化器件，降低ESR和ESL留下了很多提升的空間。
原作者Tim Ashworth。
