最適なコンデンサはどう選ぶ？容量・電圧以上に重要なポイント

（出典：Adobe Stock／VK Studio）

特定の用途に合わせてコンデンサを選定する際は、静電容量や定格電圧だけでなく、その他の要素も考慮することが不可欠です。その他の重要な特性としては、温度安定性、等価直列インダクタンス（ESL）、および等価直列抵抗（ESR）などが挙げられます。データシートをざっと目を通すだけでは見落としがちですが、これらはシステムの性能に大きな影響を与える可能性があります。ここでは、積層セラミックコンデンサ（MLCC）を例に挙げてみましょう。

落とし穴：DCバイアス効果

チタン酸バリウムをベースとするフェロエレクトリックなクラスII誘電体を用いたMLCCに直流電圧を印加すると、静電容量が減少します。これは「直流バイアス効果」としても知られており、温度変化時にも同様の現象が起こります。例えば、動作電圧が400Vの場合、630V定格の部品の実際の静電容量は、直流バイアス効果により定格値の約70％まで低下します。 したがって、このケースでは、クラスII誘電体を用いた220nFのセラミックコンデンサは、わずか63.8nFのコンデンサとなってしまいます（図1）。これは多くの設計において重要な事実であり、温度変化によって状況はさらに悪化します。

図1：クラスII誘電体を使用したMLCCの静電容量は、動作電圧の上昇に伴い低下します。（出典：TDK）

チタン酸ランタン・ジルコニウム・鉛（PLZT）などの反強誘電体誘電体を用いたセラミックコンデンサは、クラスII誘電体を用いたMLCCとは異なります。図2に示すように、静電容量は印加される直流バイアス電圧や交流リップルとともに増加しますが、動作温度にも依存します。 赤い線は、ACリップルが極めて低い場合の静電容量の変化を示しており、黒い線は、0Vから定格電圧までの電圧を印加した場合（スナバ用途など）の動作特性を示しています。リップルが静電容量に与える影響は明らかです。リップルの値が高くなるほど静電容量も高くなり、これはパワーエレクトロニクス用途において有利な点となります。

図2：PLZT系セラミックコンデンサの静電容量は、一般的に動作電圧の上昇に伴い増加します。（出典：TDK）

PLZT系コンデンサは、高周波域においてESRが低いという特性（図3）を持つため、DCリンクやスナバ回路、あるいはxEVの電源システムなどの高電圧・高温環境下におけるフィルタ回路への使用に最適です。これらの用途において、PLZT系コンデンサは寄生インダクタンスの影響を低減することができます。

図3：PLZT系セラミックコンデンサは、高周波域において特に低い等価直列抵抗（ESR）を特徴としています。（出典：TDK）

これらのコンデンサはパワートランジスタの隣に配置することができ、これにより電圧のオーバーシュートが過度になり、半導体を損傷するリスクを防ぐことができます。セラミックコンデンサはスナバ回路において極めて重要な部品であり、トランジスタがオフになった際に寄生インダクタンスから生じる余剰エネルギーを蓄積する役割を果たします。 これは、トランジスタの寄生容量を直ちに充電する必要があるオン時についても同様です。半導体の隣にセラミックコンデンサを配置し、バルクDCリンクコンデンサと並列に接続することで、この瞬時電流を供給することができます。そうでなければ、バルクDCリンクコンデンサがこの電流を供給しなければなりません。その解決策では寄生インダクタンスが高くなり、決して好ましいことではありません。

xEVの電源システムのような高温環境下での用途において、高い電力需要に対応するには、バスコンデンサに対して追加の冷却対策を講じる必要があります。 ポリプロピレン（PP）フィルムコンデンサは必要なエネルギー密度を提供しますが、高温下では性能が低下します。つまり、コンデンサを十分に冷却するために、余分な熱を放散させる必要があります。しかし、TDKのCeraLink SMDコンデンサは、高温下でも高い性能を発揮するように設計されているため、追加の冷却を心配する必要はありません。

炭化ケイ素（SiC）や窒化ガリウム（GaN）などの高速スイッチング半導体を使用するコンバータは、PLZT系コンデンサとの相性が良好です。コンデンサのESRは低いものの、無視できるほどではなく、絶え間ない充放電により内部が加熱されます。 その結果、部品の寿命は短くなります。しかし、PLZT系コンデンサのESRは、温度やスイッチング周波数が高くなるにつれて低下するため、実際のアプリケーションにおいて、はるかに大きな電流を流すことが可能になります。

システムのコスト面での優位性

PLZTコンデンサは、クラスII誘電体を使用したMLCCの約2倍の価格です。それでもなお、コストパフォーマンスに優れていると言えるでしょうか？

表1に示すように、CeraLink B58043E9563M052（56nF/900V）と、同じ2220ケースサイズのMLCC（いずれも1000V）を、異なるMLCCソリューションで比較してみましょう。 直流バイアス効果のため、クラスII誘電体を使用したMLCCでは、それぞれ12.6nFおよび25.9nFしか得られません。これらを3～4個並列接続する必要がありますが、PLZTベースの部品1個で十分です。

表1：800Vで50nFを必要とするスナバ回路における、CeraLinkとMLCCソリューションの比較。（価格は2025年1月15日時点でMouserより取得。）

PLZTコンデンサはMLCCの約2倍のコストがかかりますが、この動作点におけるこの用途では、むしろコストパフォーマンスに優れています。さらに、基板面積や実装コストを考慮に入れると、そのコスト面での優位性はさらに高まります。少なくともこの例に限れば、最大60％のコスト削減が可能となります。

PLZTベースのコンデンサは、部品レベルでもより高いリップル電流耐性を備えています。100kHz、+85°Cの条件下で最大5.0Aまで対応可能ですが、MLCCは同じ条件下で1.17Aしか流せません。したがって、4つのMLCCを並列接続すれば4.68Aに対応できますが、これはCeraLink 1個分よりわずかに少ない値となります。

まとめ

TDKの「CeraLink」のようなPLZT系セラミックコンデンサは、動作点まで直流バイアス電圧と温度の両方が上昇するにつれて静電容量が増加するという点で、通常のクラスII誘電体コンデンサとは異なります。 この独自の特性により、電圧ピークの抑制に最適な選択肢となります。また、ESLが低いため、高速スイッチングを行うワイドバンドギャップ半導体を搭載したコンバータに適しており、高周波数および高温下での低ESRによる高いリップル電流耐性は、その汎用性の高さを示しています。

CeraLinkは実用的な面で役立つだけでなく、熱管理の必要性を低減、あるいは不要にすることで、ソリューションのコスト削減にも貢献します。これにより、システムコストの削減に加え、最終製品の小型化・軽量化も実現します。

著者

Ralf Higgelkeは、パワーエレクトロニクスおよび受動部品に関する報道において20年以上の経験を持っています。現在は、TDKエレクトロニクスの技術コンテンツの大部分を執筆・管理しています。