直流母线电容器常用于逆变器、电机驱动、医疗电源设备等电源转换应用中。因此，直流链路电容器通常需要具有高介电强度的高电容。从节能的角度来看，它们还应该表现出低损耗因数（等效地，低等效串联电阻，ESR）。

混合动力/电动汽车上典型的三级功率逆变器系统中使用的直流链路电容器。直流链路电容器是此类设计中稳定直流电压的关键元件。

更重要的是，直流链路电容器可以快速稳定直流电压。低等效串联电感 (ESL) 对此角色至关重要。因此，设计工程师了解 ESR 和 ESL 以及如何在直流链路电容器中准确测量它们非常重要。

考虑电动汽车上的典型驱动系统。它包括一个可充电电池组、一个三相逆变器和一个牵引电动机。电池组可以输出高达 800 Vdc 的电压，并使用在千赫频率范围内切换的功率晶体管（IGBT 或功率 MOSFET）控制电力输送。直流链路电容器位于直流电源和开关电路之间。它旨在通过最小化逆变器偶尔需要的电压纹波来提供稳定的直流电压。

任何“理想”电容器的电气响应都是纯电容性的，相位角为 -90°。但现实世界的设备也有寄生电感和电阻。为了便于理解，我们可以将 ESR 和 ESL 与电容器串联在一起。ESR 是介电损耗的集总参数表示，ESL 对应于电感。ESL 通常来自连接到电容器的引线以及电容器本身的结构（例如绕组）。需要注意的是，即使使用三个等效元素，此模型有时也可能过于简单。因此，ESR 和 ESL 可能不会在频率范围内保持恒定。

直流链路电容器（及其连接器）的 ESR 和 ESL 在上述 EV 驱动系统中发挥着重要作用。ESR 会导致功耗并产生热量，从而导致过热问题。另一方面，ESL 存储感应能量。当电机驱动晶体管关闭时，所产生的瞬态会导致电压过冲。

由于制造技术的进步，直流母线电容器 ESL 可以降低到纳亨级，ESR 可以降低到 1 mΩ 以下。但设计人员希望通过准确的测量来确认规格表上的值，以确保电容器能够以足够的裕度满足安全要求。

LCR 表和阻抗分析仪都可以表征直流链路电容器。两种仪器都根据欧姆定律通过获取相敏电压与电流的比率来测量阻抗。该比率给出了可以计算实部和虚部阻抗的绝对阻抗和相位。随后从复阻抗导出诸如电容、电感、电阻、品质 (Q) 因子及其倒数（耗散因子，DF）等参数。它们是通过对测得的阻抗应用适当的等效电路模型得出的。LCR 表和阻抗分析仪通常包括几个内置模型来提取这些参数。

然而，这两种仪器是不同的：LCR 表主要测量固定频率下的阻抗，而阻抗分析仪（例如 Zurich Instruments MFIA 阻抗分析仪）可以测量作为频率函数的阻抗。阻抗分析仪通常更受欢迎，因为直流链路电容器的 ESR 和 ESL 都不是恒定的，我们想研究它们的频率依赖性。

使用定制的低 ESL 夹具连接到 MFIA 阻抗分析仪的 EPCOS TDK 直流链路电容器。直流链路电容器具有三组标记为 U、V 和 W 的电极。

MFIA 提供 LCR 功能，同时还能够扫描频率并以图形方式显示采集的阻抗参数。为了测量 ESR 和 ESL，我们主要使用 Zurich Instruments 软件 LabOne 中提供的两个工具：清扫器和补偿顾问。扫描器允许以可自由调整的步数扫描感兴趣的参数（例如频率）。补偿顾问通过分步指南促进准确且可重复的测量结果，以消除测试夹具或电缆的寄生阻抗。

例如，考虑 TDK 的被测器件 (DUT) 电容器，其标称电容为 120 µF、ESR 为 0.8 mΩ、ESL <15 nH。我们可以通过定制夹具将 DUT 连接到仪器的前面板。该夹具采用灵活的连接器，允许直流母线连接器的垂直偏移，与制造商的 IGBT 模块设计相匹配。夹具的另一端使用标准 22 毫米间距的四个 BNC 连接器。

准确测量直流链路电容器阻抗的第一步包括运行一个补偿程序，该程序允许实际测量数据中的夹具阻抗。在这个例子中，我们可以运行一个从 1 kHz 到 5 MHz 的负载短路例程。此程序允许我们将测量平面重新定义为直接接触电容器的夹具连接器。

接下来，我们可以再次测量短路以了解测量基线。得到的短路 ESR 和 ESL 可以分别显示在两个扫描窗口中。在本例中，这些扫描确认 ESR 和 ESL 的基线分别为 15.7 µΩ 和 1.7 pH。如此低的值使我们有信心随后可以可靠地测量电容器。

下一步是在整个感兴趣的频率范围内测量直流链路电容器。结果显示在附近的屏幕截图中，带有多轨迹

LabOne 的屏幕截图显示了运行夹具补偿例程后对短路的两次测量扫描。频率范围分为两部分：上部扫描中从 1 kHz 到 100 kHz 的红色迹线显示实数 (Z)，从 100 kHz 到 5 MHz 的绿色迹线显示串联电感。结果证实了该测量设置的实部阻抗 (ESR) 和串联电感 (ESL) 的低基线。

从 1 kHz 扫描到 5 MHz。一条迹线显示阻抗的实部，等效于 ESR。在 1 kHz 的最低频率下，电容读数为 121.999 µF，与 120 uF ±10% 的规定值一致。高于 90.8 kHz——电容器的自谐振频率 (SRF)——绘制了 ESL，并显示了在 175.9 kHz、284.2 kHz 和 749.7 kHz 处标注的三个峰值。除了 ESR 和 ESL，迹线还显示绝对阻抗和相位。这种全景视图有助于了解电容器在不同频率下的行为，因此我们可以更可靠地预测其在实际应用中的响应。

因此，我们得出结论，ESR 应该在低频下测量，而 ESL 应该在更高频率下测量。然后我们可以简单地重复第一步，打开两个不同的扫描器窗口以覆盖两个范围：1 kHz 到 100 kHz 和 100 kHz 到 5 MHz。

由于本例中的直流链路电容器具有三组不同的电极，因此每个电极组都按顺序测量并重复五次，以证明测量的可重复性。测试信号幅度设置为 900 mV。在默认设置下，200 个频点的扫描持续大约 12 秒。

LabOne 的屏幕截图显示了从 1 kHz 到 5 MHz 的直流链路电容器的宽频率扫描。这五条迹线是：电容（深蓝色）、实际阻抗 Z（绿色）、绝对阻抗 Z（红色）、串联电感（浅蓝色）和相位（紫色）。该电容器的自谐振频率为 90.8 kHz。绿色实 Z 迹线相当于 ESR。低于 90.8 kHz，即电容的自谐振频率（SRF），电容可见为深蓝色迹线。在 1 kHz 时，电容读数为 121.999 µF，与 120 uF ±10% 的规定值一致。在 SRF 上方，ESL 被绘制为浅蓝色迹线。这里三个峰值在 175.9 kHz、284.2 kHz 和 749.7 kHz 处用黑色箭头标注。

附近屏幕截图的上方窗口显示了对应于 ESR 的实数 (Z) 扫描。清扫器中总共有 15 条迹线，颜色编码到电极组。由于即使在断开和重新连接后测量的出色重复性，迹线也高度重叠。使用电极 W（蓝色迹线）测量的 ESR 可以从黑色箭头中读取，黑色箭头显示 11.35 kHz 时为 718 µΩ。这很好地同意并确认了 ESR 在 0.8 mΩ 时的规定值。清扫器中的黄色迹线对应于作为我们基线的短测量。

在附近的屏幕截图中，下方的扫描仪窗口显示了从 100 kHz 到 5 MHz 的 ESL。迹线采用颜色编码以匹配三组电极，并且迹线

LabOne 的屏幕截图显示了两个扫描仪窗口，每个窗口显示十五个轨迹，对应于每组三个电极的五个测量值。上方扫描器窗口显示 1 kHz 至 100 kHz 的 ESR，下方扫描器窗口显示 100 kHz 至 5 MHz 的 ESL。迹线采用颜色编码以对三组电极（U 红色、V 绿色和 W 蓝色）进行分组。

重叠，因为测量在很大程度上是可重复的。浅绿色迹线对应于 ESL 中作为基线的短测量，并且远低于三个电极组。电极 U 和 W 是几何对称的并且表现出相似的行为，在大约 176 kHz、283 kHz 和 742 kHz 处具有三个峰值。相比之下，中心电极组 U 在 ESL 中只有两个峰值。蓝色迹线中 ESL 的最低峰值在 742 kHz 时为 9.49 nH。这再次与 <15 nH 的规定值非常吻合。

因此，可以使用阻抗分析仪准确且可重复地测量直流链路电容器的 ESR 和 ESL。仔细补偿测试夹具的寄生阻抗后，可以将测量平面从仪器的前面板重置到 DUT 的位置。

在这种情况下，ESR 和 ESL 的测量基线均显着降低，分别为 15.7 µΩ 和 1.7 pH。随着制造商不断改进 ESR 和/或 ESL，这为未来的测量留下了很大的空间。此外，阻抗分析显示了 ESR 和 ESL 随频率的变化。测量不仅确认了制造商的指定值，还可以通过电路建模对 DUT 进行详细研究。

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