1. はじめに

生成AIの普及に伴い、AIデータセンターではサーバーラック当たりの消費電力や電力密度が高まっています。こうした大電力を効率よく供給するため、次世代データセンターでは高電圧DC配電への移行が進みつつあり、800 VDC級の電源アーキテクチャも検討・開発が進められています。

電源システムの高電圧化に伴い、電源回路を構成するコンデンサにも、高耐圧化、低損失化、高信頼性が求められます。MLCC（積層セラミックコンデンサ）は、小型で低ESR・低ESLという特長を持ち、電源安定化、デカップリング、ノイズ除去など幅広い用途で使用されています。

一方、高誘電率系のMLCCでは、印加されるDC電圧によって実効的な静電容量が変化する「DCバイアス特性」があります。 そのため高電圧用途では、無バイアス時の容量値だけでなく、実際の使用電圧を想定したDCバイアス下で、静電容量、誘電損失、インピーダンスなどがどのように変化するかを評価することが重要です。

東陽テクニカではこれまで、高電圧アンプ、インピーダンス測定器、高電圧インターフェース、サンプルホルダを組み合わせ、高電圧を印加した状態で誘電率・インピーダンスを評価するシステムをご提案してきました。
本稿では、こうした高電圧下インピーダンス測定技術を、MLCC評価へ活用する際の考え方をご紹介します。

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2. なぜMLCCを高DCバイアス下で評価するのか

MLCCの評価では、静電容量C、誘電正接tanδ、インピーダンスZなどを測定します。しかし高誘電率系MLCCでは、DC電圧の印加によって静電容量が変化する場合があります。
直流電圧を印加すると静電容量が変化する場合があり、実際の回路で使用する際にはDCバイアス特性を考慮する必要があります。 そのため、高耐圧MLCCの研究開発では、「定格容量がいくつか」だけでなく、「実際のDC動作電圧を印加した状態で、どの程度の容量・損失・インピーダンス特性が得られるか」を確認することが重要になります。
また実際の電源回路では、一定のDC電圧だけでなく、スイッチングに起因するリップルやノイズなどの交流成分が重畳します。 このため、DCバイアスを印加した動作点にAC信号を重畳して測定することで、実使用状態を想定した電気特性を確認できます。

3. MLCCで確認したい主な評価項目

高電圧用途のMLCCを評価する場合、主に以下の項目がポイントになります。

DCバイアス依存性

DCバイアス電圧を変化させ、それぞれの電圧条件における静電容量やインピーダンス特性を比較します。特に高誘電率系MLCCでは、DCバイアスの増加によって実効静電容量が変化する場合があるため、実際の使用電圧での評価が重要です。

静電容量・誘電損失

DCバイアス下での静電容量Cやtanδを確認します。 容量値だけでなく損失特性も合わせて評価することで、誘電体の電気的な応答をより詳しく把握できます。

インピーダンスの周波数特性

MLCCは電源安定化や高周波ノイズ除去にも使用されるため、周波数によるインピーダンス変化も重要です。用途に応じて、以下のパラメータを測定します。

• ●静電容量 C
• ●tanδ
• ●|Z|
• ●位相
• ●ESR
• ●自己共振周波数（SRF）

低～中周波領域では容量や誘電損失、高周波領域では寄生インダクタンスや自己共振など、周波数帯によって支配的となる現象が変化します。

4. 高電圧下でインピーダンスを測定するには

通常のインピーダンスアナライザやLCRメータだけでは、数百V～kV級のDCバイアスを直接印加できない場合があります。
そのため、高電圧条件下での測定では、測定目的に応じて、 インピーダンスアナライザ／LCRメータに加え、以下を組み合わせたシステムを構成します。

＋ 高電圧DC・ACアンプ
＋ 高電圧インターフェース
＋ 測定治具

高電圧アンプによって必要なDC／AC電圧を生成し、高電圧インターフェースを介して測定信号と組み合わせることで、高DCバイアスを印加した状態でインピーダンス・誘電特性を評価します。 また、高電圧測定では測定器の性能だけでなく、サンプル容量、測定周波数、配線、シールド、治具の耐電圧などを含めた測定系全体の設計が重要です。

5. 高電圧下での誘電率・インピーダンス測定システム例

東陽テクニカではこれまで、誘電材料などを対象として、数百V級のDC／AC電圧を印加しながら誘電率・インピーダンスを評価するシステムをご提案してきました。 以下は、そのシステム構成例です。

▼ケース I

■目的： 厚み100 µm、比誘電率10程度のサンプルについて、DC 200 V、AC 200 V、50 Hz～10 kHz付近の誘電率評価を行いたい。

■構成例：

• ・計測器：E4980A EDMS
• ・電圧アンプ：A800
• ・インターフェース：不使用
• ・サンプルホルダ：SH2-Z

■想定できる測定レンジ（要点）：
以下は、上記構成において仕様上見込まれる代表的な測定範囲です。

• ・直流電圧範囲：±400 V
• ・交流電圧範囲：±400 V
• ・周波数範囲：20 Hz ～ 100 kHz
• ・静電容量レンジ：約100 pF ～ 1 nF

■適用例
サンプル厚みが 100 µm、SH2-Zで電極直径 30 mmを用いた場合、空気の静電容量は約 70 pFです。この条件では、比誘電率およそ 1.5 ～ 1500のサンプルを測定できます。測定の構成イメージを図1に示します。
※ 上記は代表的な条件に基づく目安です。ケーブルやジグの寄生容量、シールド状態、補正条件（Open/Short/Load）により実効レンジは変化します。

このように、測定器、高電圧アンプ、保護回路、サンプルホルダを組み合わせることで、高電圧を印加した状態でのインピーダンス・誘電特性評価が可能です。MLCCについても、測定対象の容量、必要なDCバイアス電圧、AC信号レベル、測定周波数などに応じて、適切な測定器、アンプ、インターフェース、治具を選定することが重要です。
特に高電圧条件と高周波条件を組み合わせる場合には、アンプやインターフェース、治具それぞれの周波数特性・耐電圧を考慮したシステム設計が必要になります。

6. まとめ

東陽テクニカでは、これまで培ってきた高電圧下での誘電率・インピーダンス測定ノウハウをもとに、MLCCなど高耐圧コンデンサについても、測定条件に応じた評価システムをご提案します。
高DCバイアス下での静電容量・tanδ・インピーダンス評価や、高周波領域まで含めた測定をご検討の際は、測定電圧・周波数・容量などの条件に応じて最適なシステムをご提案します。高DCバイアス下でのMLCC評価をご検討の際は、ぜひお気軽にお問い合わせください。

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