アプリケーションに適したコンデンサ技術の選択

アプリケーションに適したコンデンサを選択することで、防衛、航空宇宙、医療技術、重要なエネルギーインフラ、EV用急速充電器などの電源製品の性能、信頼性、効率に大きな違いが生まれます。

コンデンサは、電気エネルギーの貯蔵と放出、不要信号のフィルタリング、その他の機能を果たすため、多くの電子回路に不可欠な部品です。しかし、すべてのコンデンサが同じように作られているわけではなく、異なるタイプのコンデンサにはさまざまな特性、利点、制限があります。

適切なコンデンサタイプを選択することは、製品設計において極めて重要です。積層セラミックコンデンサ（MLCC）、フィルムコンデンサ、アルミ電解コンデンサという3つの一般的な選択肢には長所と短所があり、それぞれのカテゴリにも無数のバリエーションがあります。適切なタイプを選択することで、最終製品が十分なエネルギー蓄積量を持ち、利用可能なスペースに収まり、使用目的に応じて確実に機能することが保証されます。

MLCCの場合

MLCCは、セラミック誘電体層と金属電極を交互に積層し、焼結してコンパクトなパッケージを形成したものです。多くの電子機器に広く使用されているMLCCは、小型で高静電容量値、低等価直列抵抗（ESR）、低リーク電流、高周波数応答、優れた温度安定性を提供します。

MLCCは、高電力密度、高効率、低ノイズ、高信頼性を必要とするアプリケーションに適しています。しかし、このカテゴリの中にも、成功する製品の開発に違いをもたらす次のようなバリエーションがあります。

• 高信頼性MLCC：高信頼性、低故障率、長寿命、過酷な条件下での高性能を提供します。これらの特性は、MIL-PRF-55681、MIL-PRF-123、MIL-PRF-49470、MIL-PRF-39014の仕様や医療用途など、航空宇宙や防衛といった業界の厳しい要件を満たす上で重要です。
• 高電圧MLCC：500V以上、12kVまでの電圧で動作します。電源、パルスジェネレータ、X線装置など、高電圧絶縁を必要とするアプリケーション向けに設計されています。高容量、低ESR、低損失、高耐圧を特徴としています。
• 高温用MLCC：125℃以上、最高250℃までの温度で動作します。ダウンホール掘削、自動車、産業用など、高温安定性が要求される用途向けに設計されています。高容量、低ESR、低温度係数、高耐熱衝撃性を提供します。

フィルムコンデンサの利点

フィルムコンデンサは、電力変換、フィルタリング、スナバ、カップリングなど、大電力、大電流、高電圧、高周波を必要とする用途に適しています。これらのコンデンサは、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリカーボネート、ポリフェニレンサルファイドなどの誘電体材料の薄膜を2つの金属電極で挟んだもので、円筒状に巻かれたものと、平面状に積み重ねられたものがあります。

フィルムコンデンサはMLCCより大きく高価であることが多いですが、高静電容量値、高定格電圧、低ESR、低損失係数、高周波数応答、長寿命を提供します。この技術の利点には、定格電圧が高いこと、電圧と温度による静電容量の変化が直線的であること、圧電ノイズがないこと、自己修復能力があること、寿命が長いことなどがあります。

フィルムコンデンサには次のようないくつかのカテゴリがあり、アプリケーションに適したものを選ぶことができます。

• メタライズドポリエステルフィルムコンデンサは、ポリエステルフィルムにアルミニウムや亜鉛などの金属を薄く蒸着したものを電極として使用します。高静電容量、低ESR、低コスト、優れた自己回復特性を提供します。バイパス、カップリング、デカップリングなどの汎用アプリケーションのニーズに対応します。
• メタライズドポリプロピレンフィルムコンデンサは、電極としてポリプロピレンフィルムを使用し、アルミニウムや亜鉛などの金属を薄くコーティングしたものです。高静電容量、低ESR、低損失係数、高周波応答、高安定性を特徴としています。力率補正、フィルタリング、スナバなどの高性能アプリケーションに適しています。
• ポリカーボネートフィルムコンデンサは、誘電体材料としてポリカーボネートフィルムを使用しています。高静電容量、高電圧定格、低温度係数、高信頼性を提供します。これらは、タイミング、センシング、精密回路など、高い温度安定性を必要とするアプリケーションに適しています。
• ポリフェニレンサルファイドフィルムコンデンサ は、誘電体材料としてポリフェニレンサルファイドフィルムを使用しています。高静電容量、高温定格、低ESR、低損失係数、高周波応答を提供します。自動車、産業用、電気通信など、高温性能を必要とする用途に適しています。
• メタライズドペーパーフィルムコンデンサは、誘電体材料としてメタライズドペーパーフィルムを使用しています。高静電容量、高電圧定格、低ESR、低損失係数、高セルフヒーリング特性を提供します。電源、パルス発生器、X線装置など、高電圧絶縁を必要とするアプリケーションに適しています。

アルミ電解コンデンサ

アルミ電解コンデンサは、平滑、フィルタリング、エネルギー貯蔵など、大容量、高電圧、低周波を必要とする用途に適しています。

アルミ電解コンデンサは、その大きさの割に大きな電気エネルギーを蓄えることができるため、電子機器の電源平滑用として利用されています。MLCCやフィルムの代替品よりも寿命が短い可能性があり、プラス端子とマイナス端子で分極されているため、逆に取り付けると破損する可能性があります。また、少量の電流がリークし続ける可能性があるため、代替品と比べると高周波での安定性が劣ります。

アルミ電解コンデンサには、液状、固体、ハイブリッドなどさまざまな電解質タイプがあり、性能、安定性、信頼性などの特性が異なります。

• 液体アルミニウム電解コンデンサは、液状電解質溶液を陰極として使用します。高静電容量、高電圧定格、低コストを実現しています。しかし、ESRが高く、リーク電流が大きく、損失係数が高く、寿命が短くなります。平滑化、フィルタリング、エネルギー貯蔵などの汎用用途に適しています。
• 固体アルミ電解コンデンサは、陰極に二酸化マンガンや導電性ポリマなどの固体電解質材料を使用しています。低ESR、低リーク電流、低損失係数、長寿命を実現しています。しかし、液体電解質コンデンサに比べて静電容量が小さく、定格電圧も低く、コストも高くなります。スイッチング電源、LEDドライバ、オーディオアンプなどの高性能アプリケーションに適しています。
• ハイブリッドアルミ電解コンデンサは、陰極に液状電解質と固体電解質の組み合わせを使用しています。静電容量、定格電圧、ESR、リーク電流、損失係数、寿命のバランスが取れています。車載用、産業用、電気通信用など、高電力密度、高信頼性、高温性能を必要とするアプリケーションに適しています。

サプライヤ買収によるコンデンサ製品ラインアップの拡大

Knowles とCornell Dubilier Electronics（CDE）は、幅広いコンデンサ技術と製品を提供するコンデンサのトップメーカーです。Knowlesは2023年にCDEを買収し、CDEのフィルムコンデンサとアルミ電解コンデンサ、Knowles Precision DevicesのフィルムコンデンサとMLCCなど、両社の補完的な強みを統合しました。

Knowlesは、ピコファラッド以下から数百マイクロファラッドまで、6.3V～12kVの定格を持つMLCCを、標準面実装パッケージ、リボンリードまたはラジアルリードパッケージで包括的に提供しています。KnowlesのMLCCは、温度係数、誘電率、エージング率が異なるさまざまな誘電体材料で提供されています。

KnowlesのFlexiCap™製造手法は、通常のニッケルバリア仕上げの下に塗布される独自の柔軟なエポキシポリマ終端材を利用しており、従来のコンデンサよりも基板の曲げに対応しています。StackiCap™シリーズは、基板スペースが限られている場合に、同等のキャパシタンス値で基板面積を大幅に削減します。例えば、8060ケースサイズの標準的な150ナノファラッド（nF）チップは、はるかに小さい3640ケースサイズで入手できます。

Knowles Syfer2220Y5000564KXT（図1）は、0.56マイクロファラッド（µF）の電荷を蓄えることができるFlexiCap表面実装MLCCで、±10%の許容誤差を持ち、最大500Vに対応するように設計されています。0.2ピコファラッド（pF）～22μF、ケースサイズ0402～8060のDC定格MLCCの製品ファミリの1つです。

図1：Knowles Syfer 2220Y5000564KXTの外観。（画像提供：Knowles）

Knowles Syfer2220Y6300105KETWS2（図2）は、1µFの電荷を蓄えることができるStackiCap MLCCで、公差は±10%、定格電圧は630 Vです。

図2：Knowles Sifer 2220Y6300105KETWS2および類似のMLCC用のStackiCapパッケージの図解。（画像提供：Knowles）

Knowles CDEは、除細動器や医療用画像処理からレーダーシステム、大規模データシステムのUPS電源バックアップに至るまで、重要な用途に使用される標準およびカスタムのネジ端子式、スナップイン式、基板実装コンデンサを幅広く取り揃えています。

CDEの477XMPL002MG19Rは、高電圧および/または静電容量要件を必要とするアプリケーション向けのXMPLポリマチップコンデンサシリーズの1つです。低ESRと堅牢なリップル電流定格により、より大きなサイズの表面実装型電解コンデンサを凌駕し、より長寿命、温度変化に対するより高い安定性、高周波でのより低いESRを提供します。同シリーズの標準静電容量値は6.8µFから470µFで、最大使用電圧は35V_DC、サイズは7.3mm x 4.3mm x 1.9mmのモールドパッケージです。

幅広いフィルムコンデンサの中で、FCA0805C104M-J2のようなCDEのタイプFCAアクリルフィルムコンデンサは、標準的な表面実装ケースサイズで高い静電容量値を提供します。このシリーズの静電容量範囲は0.10µFから1.0µFです。オーディオ回路のカップリングコンデンサとして、歪みのないサウンドと高周波フィルタリングを実現します。

まとめ

コンデンサは重要な電子部品であり、適切なものを選択することは製品設計において極めて重要です。幸いなことに、KnowlesとCornell Dubilier Electronicsは、複数のバリエーションを持つ一般的なタイプや、特定の用途向けに設計された特殊タイプの膨大な品揃えを提供しています。