DCバイアス現象とは何ですか?

多層セラミック コンデンサ (MLCC) を構築する場合、電気技術者は用途に応じて 2 種類の誘電体、つまりクラス 1、C0G/NP0 などの非強誘電体材料の誘電体、およびクラス 2、X5R や X7R などの強誘電体材料の誘電体を選択することがよくあります。両者の主な違いは、電圧と温度が上昇してもコンデンサが良好な安定性を維持できるかどうかです。クラス 1 誘電体の場合、DC 電圧が印加されて動作温度が上昇しても静電容量は安定しています。クラス 2 誘電体は高い誘電率 (K) を持っていますが、温度、電圧、周波数の変化や時間の経過により静電容量が不安定になります。

静電容量は、電極層の表面積、層の数、K 値、または 2 つの電極層間の距離の変更など、さまざまな設計変更によって増加できますが、クラス 2 誘電体の静電容量は最終的に急激に低下します。直流電圧が印加されます。これは、DC バイアスと呼ばれる現象の存在によるもので、DC 電圧が印加されるとクラス 2 強誘電体配合物は最終的に誘電率が低下します。

誘電体材料の K 値が高い場合、DC バイアスの影響はさらに深刻になる可能性があり、図に示すように、コンデンサの静電容量が最大 90% 以上失われる可能性があります。

材料の絶縁耐力、つまり材料の特定の厚さが耐えられる電圧も、コンデンサに対する DC バイアスの影響を変える可能性があります。米国では通常、絶縁耐力はボルト/ミル (1 ミルは 0.001 インチに相当) で測定されますが、その他の国ではボルト/ミクロンで測定され、誘電体層の厚さによって決まります。その結果、同じ静電容量と電圧定格を持つ異なるコンデンサでも、内部構造の違いにより性能が大幅に異なる場合があります。

印加電圧が材料の絶縁耐力より大きい場合、火花が材料を通過し、潜在的な発火または小規模爆発の危険につながることに注意してください。

DCバイアスの生成方法の具体例

動作電圧による静電容量の変化と温度変化を考慮すると、特定の使用温度と DC 電圧ではコンデンサの静電容量損失が大きくなることがわかります。たとえば、容量 0.1µF、定格電圧 200VDC、内部層数 35、厚さ 1.8 ミル (0.0018 インチまたは 45.72 ミクロン) の X7R 製 MLCC を考えます。これは、200VDC で動作すると、誘電体が層のみ 111 ボルト/ミルまたは 4.4 ボルト/ミクロンがかかります。ざっくり計算するとVCは-15%となります。誘電体の温度係数が ±15%ΔC で、VC が -15%ΔC の場合、最大 TVC は +15% – 30%ΔC です。

この変動の理由は、使用されるクラス 2 材料 (この場合はチタン酸バリウム (BaTiO3)) の結晶構造にあります。この材料は、キュリー温度以上に達すると立方晶構造になります。しかし、温度が周囲温度に戻ると、温度の低下により材料の構造が変化するため、分極が発生します。分極は外部の電場や圧力がなくても発生し、これは自発分極または強誘電性として知られています。周囲温度で DC 電圧が材料に印加されると、自発分極は DC 電圧の電界の方向に関連付けられ、自発分極の反転が発生し、静電容量が減少します。

現在、静電容量を増やすためにさまざまな設計ツールが利用できるようになりましたが、DC バイアス現象の存在により、DC 電圧が印加されるとクラス 2 誘電体の静電容量は依然として大幅に減少します。したがって、アプリケーションの長期信頼性を確保するには、MLCC を選択するときに、MLCC の公称静電容量に加えて、コンポーネントに対する DC バイアスの影響を考慮する必要があります。

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