MFIA インピーダンスアナライザを使用した
DCリンクコンデンサの低ESL および 低ESRの測定
MFIA 5MHz インピーダンスアナライザ / 高精度 LCRメーター
前書き：
このブログ記事では、MFIA（および MF-IA オプション付きの MFLI）が、電気自動車用のパワーインバータに通常使用される DC リンクコンデンサの等価直列インダクタンス（ESL）および等価直列抵抗（ESR）をどのように評価できるかについて説明します。ESR と ESL は 1 kHz と 5 MHz の間の周波数範囲にわたって測定され、ESL は 9.5 nH（735 kHz）でありそして ESR は 0.7 mΩ（12 kHz）であることを明らかにした。
背景：
例えば電気自動車のインバータにおいて、DC リンクコンデンサが IGBT スイッチモジュールに結合されると、DC リンクコンデンサおよびそのコネクタの ESL および ESR は、全体的な設計に大きな影響を与えます。寄生インダクタンスに蓄えられたエネルギにより、IGBT がオフになったときに電圧オーバシュートが発生する可能性があります。スイッチオフ時のこれらの不要な電圧スパイクは、DC リンクコンデンサとそのコネクタを IGBT に対して非常に低い ESL となるように設計することによって最小限に抑えるか、さらにはなくすことができます。
DC リンクコンデンサの最近の改良により、ESL と ESR が非常に低くなっています。ここでは、製造元から提示された値を確認するために MFIA と低 ESL フィクスチャを使用します。このテストには TDK EPCOS B25655PXXX DC リンク XXXμF コンデンサを選択しました。記載されている ESR の値は 0.8mΩ、ESL は 15 nH です。
図1：カスタム低 ESL フィクスチャを使用して MFIA に接続された EPCOS TDK の DC リンクコンデンサを示す写真。DC-Link コンデンサは、U、V、および W とラベル付けされた３組の電極を持ち、各組は同じ固定具で順次測定されました。
このブログ記事で行われた測定では、DC-リンクバスバーコネクターの垂直オフセットを可能にするフレキシブルコネクター付きの低 ESR フィクスチャを使用しています（製造元が IGBT モジュールに合わせて設計しています）。フィクスチャには、標準の 22 mm 間隔の４つの BNC コネクターがあります。図1 に示すように、MFIA の前面パネルと DC-Link コンデンサの間に接続しました。
まず、ベースラインを確認します
正確なインピーダンス測定のためには、実際の測定データでフィクスチャのインピーダンスが無視できるように、最初に補正ルーチンを実行する必要があります。この補正を行うには、LabOne Compensation Advisor を使用して、1 kHz〜5 MHz の Load-short ルーチンを実行します。
この手順により、コンデンサに接触する固定具のコネクターになるように測定面を定義できます。手順を実行した直後に、測定基準のアイデアを得るために短い測定を実行しました。図2 は LabOne インターフェースソフトウェアのスクリーンショットを示しています。ここでは２つのスイーパーウィンドウが開いて 1 kHz〜100 kHz の絶対インピーダンスと 100 kHz〜5 MHz のインダクタンスを測定しています。スイープは、インピーダンスとインダクタンスの実数部に対して、それぞれ 15.7 µOhm と 1.7 pH という低いベースラインを示しています。これらの低い測定値は、私たちがコンデンサの ESL の ESR を後で確実に測定できるという自信を与えてくれます。
図2：フィクスチャ補正ルーチンを実行した後の２回の測定掃引を示す LabOne のスクリーンショット。周波数範囲は２つの部分に分割されました。上の掃引で 1 kHz〜100 kHz（赤いトレース、Real（Z））、100 kHz〜5 MHz（緑色のトレース、直列インダクタンス）。この測定設定では、実部インピーダンス、Real（Z）、および直列インダクタンスの両方について低ベースラインが確認されます。
さて、概要を知る
次のステップは、インピーダンスの顕著な特徴を調べるために、対象となる全周波数範囲にわたって DC リンクコンデンサを測定することです。図3 は、1 kHz〜5 MHz のマルチトレース掃引を示しています。緑色のトレースはインピーダンスの実数部を示しており、これは ESR と見なすことができます。コンデンサの自己共振周波数（SRF）である 90.8 kHz より下では、静電容量は青いトレースとして表示されます。 1 kHz の最低周波数では、静電容量は 121.999 µF と読み取ることができ、これは与えられた 120 µF +/-10% の値と一致します。SRF の上では、ESL は水色のトレースとして表示されます。それは 175.9kHz、284.2kHz および 749.7kHz に黒い矢印で注釈された３つのピークを示す。ESR と ESL に加えて、緑色のトレースは絶対インピーダンスを示し、紫色のトレースは位相を示します。
図3：DC リンクコンデンサの 1 kHz〜5 MHz の広い周波数掃引を示します。LabOne のスクリーンショットの５つのトレースは、容量（青）、実数（Z）（緑）、絶対Z（赤）、直列インダクタンス（水色）、位相（紫色）です。このコンデンサの自己共振周波数は 90.8 kHz です。
最後に、データを取ります
図3 から明らかなように、ESR は低周波で測定する必要がありますが、ESL は高周波で測定する必要があります。そのため、２つの範囲をカバーするために２つの異なるスイーパーウィンドウが開かれました。1 kHz〜100 kHz および 100 kHz〜5 MHz。コンデンサには３つの異なる電極セット（U（赤のトレース）、V（緑のトレース）、W（青のトレース））が付いているので、各電極セットを順次測定し、５回繰り返して測定の再現性を示しました。図4 は、測定の LabOne スクリーンショットを示しています。２つのスイーパーウィンドウが前述の２つの周波数範囲をカバーしています。テスト信号の振幅は 900 mV です、そして我々は 12 秒で 200 ポイントの各掃引をするために標準的な測定設定を使います。
上のウィンドウは、ESR に対応するインピーダンスの実部 Real（Z）の掃引を示しています。スイーパーには合計 15 のトレースがあり、電極セットに色分けされています。切断して再接続した後も測定の再現性が優れているため、トレースは非常に重なり合っています。電極 W（青いトレース）を使用して測定された ESR は、11.35 kHz で 718 µOhm を示す黒い矢印から読み取ることができます。これは、ESR の規定値 0.8 mOhm によく一致しすることが確認されました。スイーパーの黄色いトレースはショート（短絡）測定値に対応しています。
図4 の下側の掃引ウィンドウは、100 kHz〜5 MHz の ESL を示しています。やはり、トレースは３組の電極と一致するように色分けされ、トレースが重なるように非常に高度に反復可能です。電極 U および W は同様の挙動を示し、約 176 kHz、283 kHz および 742 kHz に３つのピークを示しています。これらの電極は機械的に対称的であるため、動作は似ているはずです。対照的に、電極の中心セットＵは、ちょうど２つのピークを示します。薄緑色のトレースは、ショート（短絡）測定値に対応しています。
742 kHz で青いトレースから ESL の値を取ると、9.49 nH の値が得られます。これもまた < 15 nH の記載値に一します。
図4：LabOne のスクリーンショット。２つのスイーパーウィンドウがそれぞれ 15 のトレースを表示しています。３つの電極の各セットの５つの測定値に対応します。上部のスイーパーウィンドウには ESR が表示され、1 kHz〜100 kHz の周波数範囲があり、下部のスイーパーウィンドウには直列インダクタンスが表示され、100 kHz〜5 MHz の範囲が含まれています。トレースは、３セットの電極（U red、V green、W blue）をグループ化するために色分けされています。
結論
このブログでは、標準の固定周波数だけでなく、広い周波数範囲にわたって DC リンクコンデンサの ESR と ESL を測定するために MFIA インピーダンスアナライザを使用する方法を説明しました。それは製造業者の値を確認することを可能にし、そして周波数の関数としてそして異なる電極間のそれらの変動を示します。製造元が ESR と ESL の両方を向上させるため、ESR と ESL の両方のベースラインが低いため、将来の測定には大きな余裕があります。
低 ESL と ESR を測定するための MFIA の使用に関する詳細については、ご連絡ください。