C0G MLCCは車載充電器に設計上の利点を提供

電気自動車の運転者は、充電効率や熱安定性について心配する必要はありません。彼らはただ、1回の充電で最高の走行距離を実現し、メンテナンスや修理を最小限に抑えた、信頼性の高い輸送手段を求めています。メーカーは、できるだけコンパクトな車載充電器（OBC）を求めています。運転者とメーカーの目標を達成することは、設計上の課題ですが、C0G特性を備えた積層セラミックコンデンサ（MLCC）を使用することで、この課題はますます達成されつつあります。

C0GはNP0とも呼ばれており、極めて安定した静電容量を有するクラス1絶縁体セラミックコンデンサです。静電容量の変化はほぼゼロで、最大許容誤差は±30ppm/°Cです。このため、温度、電圧、経年による変化が少ない優れた動作を実現し、EV用OBCなどの精密回路や信頼性の高いアプリケーションに最適です。これに比べ、X7RなどのクラスII MLCCは±15%のドリフトを示し、フィルムコンデンサは通常±2%のドリフトで動作します。

OBCは、グリッド電力を安全かつ効率的に利用してEVバッテリを充電する高電圧AC/DCコンバータです。C0G MLCCは、電力変換や電磁妨害（EMI）フィルタリングにおける高精度・高安定性機能が評価されており、LLC共振タンク回路、電圧過渡スナバ回路、高周波EMI抑制フィルタ、DCバイアスの影響を受けやすい制御回路、ゲートドライバや補助電源に使用されています。

EV OBCで22kWの出力電力が一般的になる中で、共振回路機能用のコンデンサは、高電圧に耐え、低損失を実現し、コンパクトなフォームファクタで高い電力密度に対応する必要があります。これらは、システム全体の効率と信頼性を確保する上で重要な役割を果たしており、C0G MLCCが魅力的な設計オプションとなっています。

C0Gの利点

C0G特性を持つMLCCは、これらのアプリケーションにおいて従来のフィルムコンデンサと比べて重要な利点があります。設計者は、実装面積の大幅な削減、発熱の抑制、伝送効率の向上といったメリットを活用し、より小型で強力なOBCを実現できます。

OBCパワーステージのスイッチングはEMIを発生させますが、これはシリコンカーバイド（SiC）や窒化ガリウム（GaN）などのワイドバンドギャップ（WBG）半導体によってさらに増幅される可能性があります。これらの材料は、高効率な超高速スイッチングを可能にしますが、急激な電圧過渡現象も発生させます。これらは一般に高電圧経時変化（dv/dt）事象と呼ばれ、従来のシリコンMOSFET設計よりもはるかに高い50kV/µsを超えることがあります。

C0G特性を持つMLCCは本質的に安定しており、非圧電性で、高周波ストレス下でも熱ドリフトや電気ドリフトが発生しにくい特性を持っています。パルス処理に優れ、低ESLを実現するため、スナバ回路やコモンモードフィルタリングに適しています。

C0G MLCCは、極めて低い損失係数と高いQ値の容量特性を備えています。この組み合わせにより、エネルギー損失が最小限に抑えられ、共振動作が安定するため、熱ストレスが低くなり、電力密度が向上します。X7R/X5RクラスII誘電体MLCCと比較して、優れた電気的安定性を提供し、圧電ノイズをゼロに抑え、低損失係数と高Q性能を実現します。これらの特性は、高周波スイッチングアプリケーションにおいて不可欠です。

スナバネットワークやEMIフィルタでは、高Qの部品が正確なインピーダンス特性を確保し、過渡現象の抑制やノイズフィルタリングの効果を高めます。RFシステムや精密アナログ回路では、高Qが狭帯域選択性とシグナルインテグリティをサポートし、より正確なフィルタリングと周波数制御を可能にします。

フィルムコンデンサよりも等価直列抵抗（ESR）が低いため、自己発熱が抑えられ、長寿命化に貢献します。また、部品点数の削減により、C0G MLCCの使用は、OBCアプリケーションの平均故障時間（MTTF）の延長につながります。

C0G MLCCは、充電体験、車両の信頼性、および製造品質に対する全体的な認識を向上させることで、EVドライバーと所有者に影響を与えます。C0G MLCCは、過酷な条件下での熱信頼性、エネルギー効率と航続距離の向上、EMIの低減によるスムーズで静かな動作、ドライバーの安心感に貢献します。

OBCの設計上の考慮事項

安定性、低損失、小型化というユニークな組み合わせにより、C0G MLCCは高速・高精度回路に最適です。しかし、C0G MLCC、X7R MLCC、またはフィルムコンデンサのいずれを使うかを決定する上で、設計者が評価しなければならないトレードオフがあります。

フィルムコンデンサは、高電圧とエネルギー貯蔵のためにより大きな静電容量を提供しますが、一般に、より高価でかさばるオプションです（図1）。X7R MLCCは、フィルムコンデンサよりもコンパクトでコスト効率に優れていますが、その静電容量はDCバイアス下で大きな影響を受ける可能性があり、電圧安定性のためにディレーティングが必要です。

図1：一般的な600Vフィルムコンデンサ（左）と3225パッケージ高電圧C0G MLCCのサイズ比較。（画像提供：TDK Corporation）

C0G MLCCはX7Rよりも価格が若干高くなりますが、ディレーティングが不要で、より高い安定性と優れた性能を保証します。このコスト差は、部品総数の削減による総部品表の低減で少なくとも一部相殺される可能性があります。

EV OBCや低消費電力が重要なその他の車載システムでC0G MLCCを使用して設計する場合、部品の選択に注意を払う必要があります。ベンダーの仕様が類似していても、ESR、ESL、構造のばらつきが回路のチューニングに影響することがあります。異なるベンダーの部品を安易に混ぜて使用せず、ベンチテストやシミュレーションを通じて選択を検証することが不可欠です。

C0G MLCCは、OBCやその他の重要なアプリケーションに効率的で高性能な電力変換を提供する共振回路など、多くのアプリケーションでフィルムコンデンサやX7R MLCCに取って代わりつつあります。超安定性と小型化を高電圧と組み合わせることで、これらの部品は魅力的な設計オプションとなります。

TDKの高容量C0G MLCC

2025年、TDK Corporationは、面実装型C0G MLCCのCGA（車載グレード）シリーズおよびC（商業・産業グレード）シリーズを10ナノファラッド（nF）まで拡大し、定格電圧1,250Vの製品としては業界最高と思われる静電容量を実現しました。これらの製品は、3225（3.2 x 2.5 x 2.5mm）ケースに収められています。それに比べ、TDKの高電圧X7R部品は大型で、630Vまでしか対応していません。

C3225およびCGA6P C0G製品ラインは、最適化された製品およびプロセス設計を採用し、高電圧耐性を実現しています。これらの製品は3225フォームファクタを共有しているため、設計者はこれらを利用して物理的なサイズと直列に実装されるMLCCの数を減らすことができます（図2）。

図2：フィルムコンデンサ、低電圧MLCC、高電圧MLCCを用いた同様のコンデンサバンクに必要な実装面積の比較。（画像提供：TDK Corporation）

TDK C0G MLCCは、代替品と比較して発熱を抑えるよう最適化されており、長寿命と信頼性の向上に貢献します。 共振回路やスナバ回路、DC/DCコンバータ、車載および商用アプリケーションのワイヤレス充電アプリケーションに最適です。

TDKの部品は小型であるため、設計者は次世代自動車向けに、より小型で効率的なAEC-2000準拠のアプリケーションを提供することができます。熱衝撃、振動、温度サイクルなどの過酷な条件下でも信頼性の高い性能を発揮し、温度範囲は-55～125°Cです。

CGA6P1C0G3B103G250AC車載グレードMLCCは、10nFの静電容量を±2%の許容差で提供します。C0G絶縁体は温度に対する優れた安定性を備え、エンジンルーム内の過酷な温度や振動にも耐えることができます。これらのMLCCは、EV充電システムやパワーエレクトロニクスなどに使用される高電圧共振回路やスナバ回路において特に有用です。CGA6P1C0G3B103J250ACは同じ静電容量を提供しますが、±5%の許容差があります。

C3225部品は、同じパッケージングと温度範囲特性を備えていますが、より低コストで、穏やかで規制の緩やかな商業および産業環境向けに設計されています。CGA6ラインの同等品と同様に、C3225C0G3B103G250ACは、10nFの静電容量と1,250Vの高定格電圧を同じ3225パッケージで提供し、静電容量許容差は±2%で、精密アプリケーションに適しています。C3225C0G3B103J250ACの静電容量は10nFで、許容差は±5%です。

まとめ

設計者は、C0G MLCCを使用することで、次世代の電力システムや車載システムにおいて、より大きなフィルムコンデンサや電解コンデンサを自信を持って置き換え、基板レイアウトを合理化し、システムの信頼性を高めることができます。TDKの商用グレードC3225および車載グレードCGA6P C0G MLCCは、コンパクトなパッケージで業界トップクラスの静電容量と優れた安定性を提供し、高電圧、高信頼性のアプリケーションに最適です。