Cómo medir con precisión la DCR del inductor

A medida que los requisitos para la resistencia de corriente continua (DCR) en convertidores CC-CC de alto rendimiento y módulos de alimentación para IA siguen disminuyendo hasta el nivel de miliohmios o incluso microohmios, el método tradicional de dos cables introduce errores demasiado grandes, lo que hace necesario adoptar un método de conexión de cuatro cables (Kelvin) para la medición. Muchos ingenieros consideran que la medición de la DCR es sencilla y piensan que basta con sujetar el componente con las puntas de prueba de un multímetro o de un medidor LCR. Sin embargo, en la producción real surgen con frecuencia problemas como: lecturas inconsistentes entre varios instrumentos para la misma bobina, fluctuaciones en los datos debidas a una presión variable sobre las puntas de prueba y valores de medición considerablemente inflados en bobinas de baja inductancia. A continuación, analizaremos las causas fundamentales de estos problemas.

1- Comprender la esencia de la resistencia de CC del inductor y las dificultades de su medición

La resistencia en corriente continua (DCR) de un inductor se refiere al componente puramente resistivo que presenta el devanado del inductor bajo excitación en corriente continua, originado por la resistencia intrínseca del cable de cobre utilizado para devanar el inductor. Este parámetro determina directamente la eficiencia de conversión de potencia, la disipación térmica y la fiabilidad a largo plazo del sistema de potencia.

La dificultad técnica principal para medir con precisión la DCR radica en que la DCR de los devanados de inductores comunes suele oscilar entre varios miliohmios y varios cientos de miliohmios. Cuando la resistencia a medir desciende al nivel de miliohmios, la resistencia de los cables de prueba mismos (típicamente de 0,1 Ω a 0,5 Ω) y la resistencia de contacto de las puntas de prueba (de varios miliohmios a decenas de miliohmios) en la medición tradicional de dos hilos ya tienen un orden de magnitud similar al de la resistencia bajo prueba. En consecuencia, el valor medido se desviará considerablemente del valor real.

2- Método Kelvin de cuatro hilos: la solución fundamental para eliminar los errores debidos a los cables de conexión

La solución estándar para la medición de bajas resistencias es la conexión Kelvin de cuatro hilos. Esta técnica fue inventada por Lord William Thomson Kelvin en 1861 y sigue siendo el método de referencia para mediciones precisas de bajas resistencias en la actualidad.

2.1 Por qué el método de dos hilos no es factible

En una medición común de dos hilos, el circuito de excitación de corriente y el circuito de detección de voltaje comparten el mismo par de cables. El valor de resistencia medido por el instrumento es:

R_medida = R_DUT + 2 × (R_cable + R_contacto)

Donde R_cable es la resistencia de un solo cable de prueba (típicamente en el rango de milióhms a cientos de milióhms) y R_contacto es la resistencia de contacto entre la sonda y el punto de prueba (rango). Cuando R_DUT es de solo unos pocos milióhms, el error introducido por las resistencias de los cables y de contacto puede ser hasta decenas de veces mayor que el valor real.

2.2 Principio fundamental del método Kelvin de cuatro hilos

El método de cuatro hilos de Kelvin resuelve este problema separando físicamente la trayectoria de corriente de la trayectoria de detección de voltaje. Los cuatro hilos se dividen en dos pares, cada uno con una función distinta:

◾ Líneas de fuerza (líneas de excitación de corriente, 2 cables): Aplicar una corriente continua conocida y constante al inductor bajo prueba. Pueden existir caídas de tensión en este circuito de corriente, pero la resistencia de los cables de conexión y la resistencia de contacto no afectan la precisión de los resultados de medición.

◾ Líneas de detección (líneas de medición de tensión, 2 cables): Medir de forma independiente la caída de tensión real a través de ambos extremos del inductor (y no en los terminales del accesorio de prueba). Dado que la impedancia de entrada del circuito de detección de tensión es extremadamente alta (los instrumentos de prueba modernos suelen superar los 1 GΩ), la corriente que circula por las líneas de detección se aproxima a cero. Por lo tanto, la resistencia de los cables de conexión y la resistencia de contacto no generan ninguna caída de tensión significativa en las líneas de detección.

Según la ley de Ohm, la resistencia en corriente continua (DCR) del inductor se puede calcular mediante la siguiente fórmula:

DCR = V_Sense / I_Force

V_Sense es el voltaje a través del inductor medido directamente mediante las líneas Sense, sin incluir ninguna caída de voltaje en los conductores, e I_Force es una corriente constante conocida; al dividir ambas magnitudes se obtiene el valor real de la resistencia en corriente continua, que es completamente independiente de todas las resistencias de contacto y de los conductores en el circuito externo.

2.3 Precauciones para la medición de cuatro hilos

◾ Independiente CONTACTO : Los cuatro hilos deben conectarse por separado a cuatro puntos distintos sobre los dos electrodos del inductor. En los accesorios reales, cada electrodo entra en contacto simultáneamente con dos sondas (Force + Sense), pero estas no están conectadas entre sí dentro del accesorio; únicamente convergen en la zona de contacto.

◾ Limpieza de la sonda: La oxidación de la almohadilla o el flujo residual pueden generar una resistencia de contacto inestable. Aunque esto no afecta a las líneas de detección (Sense), puede provocar inestabilidad en el bucle de corriente o saturar la fuente de corriente constante. Antes de la medición, limpie las almohadillas con alcohol anhidro o límpielas suavemente con una goma de borrar.

3- Verificación comparativa de los datos de prueba

Tomando como ejemplo la bobina de potencia moldeada para aplicaciones de IA del sitio web oficial de CODACA, se seleccionó el modelo CSHN100760-56NN para realizar una prueba comparativa mediante tres instrumentos comunes disponibles en el mercado: un medidor de resistencia en corriente continua (DCR), un multímetro y un puente LCR.

Figura 1. Características eléctricas de la bobina de potencia moldeada CSHN100760-56NN

Figura 2. Medidor de resistencia en corriente continua (método Kelvin de cuatro hilos): zona de ensayo de Rcc

Figura 3. Multímetro (método de dos hilos)

Figura 4. Puente LCR (ensayo con accesorio): zona de ensayo LCR

Como se muestra en la figura 1, la hoja de especificaciones del CSHN100760-56NN define la resistencia en corriente continua (DCR) como máximo de 0,22 mΩ. El resultado de la prueba realizada con el medidor de resistencia en corriente continua (método Kelvin de cuatro hilos) es de 0,196 mΩ, lo cual cumple los requisitos de la hoja de especificaciones; el resultado real de la medición se muestra en la figura 2. Al utilizar un multímetro común (método de dos hilos) con el rango ajustado al rango básico de medición de resistencia de 200 Ω, que ofrece una resolución de 0,1 Ω, el resultado de la prueba es de 600 mΩ, lo cual no cumple los requisitos de la hoja de especificaciones, tal como se muestra en la figura 3. Al utilizar el puente LCR (prueba con accesorio), ajustado al rango de DCR y tras realizar la corrección a cero, el resultado de la prueba es de 0,387 mΩ, valor más cercano al valor objetivo, pero que aún no cumple los requisitos de la hoja de especificaciones.

Por consiguiente, para garantizar la precisión de los resultados de las pruebas, se recomienda utilizar un medidor especializado de resistencia en corriente continua (método Kelvin de cuatro hilos) al realizar pruebas de DCR en componentes magnéticos, como los inductores.