MLCCリップル電流と自己発熱

リップル電流はフィルタリング、デカップリング、電力回路のスイッチングのために使用されるMLCCで一般的に見られますが、過剰な電流はコンデンサの温度を上昇させる可能性があります。自己発熱の量は、ESR、誘電損失、周波数、有効静電容量、パッケージ構造、動作電圧などの要因に依存します。この記事では、リップル電流下でMLCCが熱を持つ理由、動作条件が温度上昇に与える影響、および高リップル電流用途のためにコンデンサを選択する際に確認すべき点について説明します。

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図1. MLCCにおけるリップル電流

MLCCにおけるリップル電流とは何か?

リップル電流は、コンデンサにかかる電圧が変化するにつれてMLCCに出入りする交流電流です。TDKはリップル電流を、コンデンサにかかる電圧の変動によって生じる充電および放電電流と説明しています。これは安定したDC電流ではないため、通常は有効電流またはRMS電流として表されます。

MLCCは電圧が上昇すると電荷を蓄え、電圧が下がると電荷を放出します。この繰り返される充電と放電により、コンデンサを通じて時間変化する電流が生成されます。電圧の変化が早く、容量が大きいほどコンデンサ電流は増加します。

リップル電流はスイッチング電源やDC-DCコンバータで一般的に発生します。例えば、降圧コンバータでは、スイッチング動作によってリップル電流が生成され、入力および出力コンデンサによって処理される必要があります。MLCCはESRが低くインピーダンスが低いため、平滑化およびデカップリングに広く使用されています。[2] インバータやその他のスイッチ電源段では、スイッチングによってMLCCがフィルタリングまたはスナバーポジションで処理する可能性のある高周波数の電圧および電流成分が生成されます。

デカップリング回路では、MLCCは負荷が変化する際に短い電流のバーストを供給または吸収し、高周波ノイズのための低インピーダンスパスを提供します。

リップル電流はDC電流やリップル電圧と混同してはいけません。DC電流は主に一方向に流れます。理想的なコンデンサは安定した電圧に達した後はDCを連続的に導電しません。リップル電圧はDCレベルに重ねられた時間変化する電圧であり、リップル電流は回路条件に応じてコンデンサが充電および放電する際に流れる変化する電流です。[1, 7, 8]

リップル電流がMLCCを加熱する理由: ESRと誘電損失

MLCCは実際のコンデンサが電気的損失を持っているため自己発熱します。ACまたはリップル電流がコンデンサを流れると、電気エネルギーの一部が回路に蓄えられずに熱として放散されます。これらの損失は主に電極や端子の抵抗およびセラミック誘電体の損失に起因しています。

MLCCの導電部分には小さいが有限の抵抗があります。同時に、誘電体はその極性が変化する電場に応答することでエネルギーを失います。これらの両方のメカニズムがコンデンサの全体的なAC損失に寄与します。

回路解析のために、これらの損失は特定の周波数でのコンデンサの等価直列抵抗（ESR）によって一般的に表されます。したがって、ESRは電極や端子の物理的抵抗だけではありません。これは適用される動作条件下での誘電損失の影響を含む、シリーズモデルにおけるコンデンサの総損失を表す等価パラメータです。

RMSリプル電流が増加するにつれて、MLCC内での熱散逸の量は一般的に増加します。ESRに関連する加熱は電流に強く依存するため、リプル電流の比較的小さな増加が自己加熱の大きな増加を引き起こす可能性があります。実際の損失は動作周波数でのコンデンサのESRにも依存します。

コンデンサの適用される合計ESRを使用して損失を評価する場合、誘電損失は別の追加損失として扱われて再計算されるべきではありません。電極抵抗、端子抵抗、および誘電体の挙動は損失に寄与する物理的要因であり、ESRはその合成効果の等価電気的表現を提供します。

散逸係数（DFまたはtan δ）はAC損失を表現する別の方法です。これは追加の熱源ではありません。一般的にDFが高いほど、指定された測定条件下でのコンデンサの損失が大きく、コンデンサのESRに関連しています。

損失またはパラメータ	意味	加熱における役割
電極の抵抗	内部電極の抵抗	AC損失に寄与する物理的要因
端子の抵抗	端子電流経路の抵抗	AC損失に寄与する物理的要因
誘電損失	セラミックが変化する電場に応答する際に失われるエネルギー	AC損失に寄与する物理的要因
ESR	特定の周波数でのコンデンサの全体的なAC損失の等価直列表現	RMS電流と併用して全体的な電力損失を推定
DFまたはtan δ	AC損失のレベルを説明するパラメータ	損失の挙動を示す; 別個の熱源ではない

散逸された電気エネルギーはMLCC内で熱になります。その最終的な温度上昇は生成された損失だけでなく、熱が端子、はんだ接合、PCBの銅、周囲の空気、近くの構造物を通じてどれだけ効果的に流れるかにも依存します。

この理由から、リプル電流と自己加熱の性能は、実際の動作周波数、RMS電流、電圧、周囲温度、PCB取り付け条件、冷却条件において評価されるべきであり、可能な場合はメーカーのインピーダンス、ESR、温度上昇データを使用する必要があります。 [7, 8]

周波数、ESR、インピーダンス、自己共鳴

図2. MLCCの周波数、ESR、インピーダンス、および自己共鳴

周波数はMLCCの自己加熱に影響を与えます。なぜなら、インピーダンス、ESR、効果的な静電容量は周波数によって変わるからです。同じリプル電圧は、したがって、異なる周波数で異なるリプル電流および電力損失を生じる可能性があります。

非正弦波形のリプルの場合:

$$P_{\text{損失}}\approx \sum _n{I_{n,\mathrm{RMS}}}^{\mathrm{^2}}\times \mathrm{ESR}\left(f_n\right)$$

この式は、リプル電流が複数の周波数または高調波を含む場合のMLCC内での総熱損失を推定します。

P_損失 = 熱としての総電力損失

I²_n,RMS = 各周波数でのRMS電流

ESR(f_n)= その周波数でのMLCCのESR

∑ = すべての周波数成分からの損失を加算する

各リプル電流成分はそれぞれ独自の損失を生じます。ESRは周波数によって変化するため、各成分には適切なESRが使用されるべきです。損失はその後、合計MLCC加熱を推定するために一緒に加算されます。

SRFよりも十分に低い正弦波リプルの場合:

$$I_{\mathrm{RMS}}\approx 2\pi f{C}_{\mathrm{eff}}{V}_{\mathrm{AC},\mathrm{RMS}}$$

• I_RMS = コンデンサを通るRMS電流、アンペア(A)単位

• f = AC周波数、ヘルツ(Hz)単位

• C_EFF = 実際の動作条件下での有効静電容量、ファラド(F)単位

• V_{AC, RMS} = コンデンサにかかるRMS AC電圧、ボルト(V)単位

• 2π = 周波数と角周波数を関連付ける定数

この条件下では、周波数、有効静電容量、またはRMS AC電圧を増加させると、MLCCを通るRMS電流も増加します。この関係は、MLCCが主に自己共振周波数以下の容量領域で動作し、かけられた電圧がほぼ正弦波である場合に最も適用されます。自己共振周波数付近またはそれ以上では、ESRとESLがインピーダンスに重要な影響を与えるため、キャパシタの周波数依存の全インピーダンスを代わりに使用する必要があります。

RMSリップル電流が推定された後、MLCCのESRを介して消費される電力は以下のように計算できます：

$$P_{\text{loss}}={I_{\mathrm{RMS}}}^{\mathrm{²}}\times \mathrm{ESR}\left(f\right)$$

• P_loss = 熱として消費される電力（ワット W）

• I_RMS = キャパシタを通るRMSリップル電流（アンペア A）

• ESR = 動作周波数における等価直列抵抗（オーム Ω）

• f = リップル電流の周波数

これらの方程式は近似です。ESRと有効静電容量は、実際の周波数、DCバイアス、温度、およびAC信号条件に対応する必要があります。SRFの近くでは、単純な容量性電流の方程式ではなく、キャパシタの総インピーダンスを使用してください。

周波数	ESR	等しいRMS電流における相対損失
100 kHz	10 mΩ	10
500 kHz	6 mΩ	6
1 MHz	5 mΩ	5

等しいRMS電流は、相対損失比10 : 6 : 5を示します。

この例において、村田はESRが減少するにつれて熱発生が低下することも測定しました。しかし、村田は正確な部品番号を特定しておらず、この結果は、高周波が加熱を減少させるという普遍的な法則ではありません。実際の挙動はMLCCおよび回路条件に依存します。[8]

自己共振周波数

周波数が上昇すると、MLCCは自己共振周波数（SRF）に近づきます。SRF以下では、主に容量性であり、インピーダンスは通常低下します。SRF近くでは、容量性および誘導性リアクタンスがおおよそキャンセルし、最小インピーダンス領域を生成します。自己共振周波数はMLCCの有効静電容量と等価直列インダクタンスから推定できます。この関係の中で：

$$f_{\mathrm{SRF}}\approx \frac{1}{2\pi \sqrt{\mathrm{ESL}\times C_{\mathrm{eff}}}}$$

どこで：

• f_SRF = 自己共振周波数（ヘルツ Hz）

• ESL = キャパシタの等価直列インダクタンス（ヘンリー H）

• C_eff = 適用動作条件下の有効静電容量（ファラッド F）

• 2π = 数学定数の円周率（おおよそ3.1416）

これは、SRFが静電容量と寄生インダクタンスの両方に依存することを示しています。有効静電容量またはESLが増加すると、共振周波数は一般に低く移動します。どちらかが減少すると、SRFは一般に高く移動します。[7]

周波数 領域	挙動	加熱 考慮
SRF以下	主に容量性	低インピーダンスにより、より多くのリップル電流を許可できる場合があります
SRF近く	最小インピーダンス領域	回路が許可する場合、高電流が発生する可能性があります
SRF以上	主に誘導性	ESLはインピーダンスを上昇させます

SRF近くの最小インピーダンスが自動的に最大加熱を意味するわけではありません。リップル電流は、ソースインピーダンス、加えられた電圧、回路トポロジー、および共鳴にも依存します。

正確な評価を行うためには、実際の動作周波数および条件におけるメーカーのESR、インピーダンス、静電容量、および温度上昇データを使用してください。[7, 8]

静電容量、誘電体タイプ、パッケージサイズの影響

図3. 静電容量、誘電体タイプ、パッケージサイズの影響

静電容量値、誘電体タイプ、パッケージサイズ、および内部電極構造はすべてMLCCの自己加熱に影響を与える可能性があります。これらの要因は、インピーダンス、ESR、誘電損失、および熱放散に影響を与えるため、同じ公称静電容量および定格電圧の2つのキャパシタは、リップル電流および温度上昇特性が異なる場合があります。

より高い静電容量は一般に、同じ周波数での容量性インピーダンスを低下させるため、同じ加えられたAC電圧でより多くのAC電流が流れることを許可する可能性があります。ただし、より高い静電容量が自動的により大きな自己加熱を意味するわけではありません。TDKは、高静電容量MLCCは通常、より多くの内部電極層を含んでおり、平行電極構造が他の変数が比較可能な場合にESRを減少させることがあると指摘しています。

誘電体の種類も重要です。TDKは、他の変数が等しい場合、クラスIの誘電体は一般的にクラスIIの誘電体よりも低いESRを持つと述べています。クラスIのC0Gコンデンサは、低い誘電損失と安定した静電容量も持っています。クラスIIの種類であるX7Rは、はるかに大きな静電容量密度を提供しますが、その静電容量は電圧や動作条件に依存します。

要因	効果 自己加熱に関連
静電容量	変化 インピーダンスと可能なAC電流
C0G / クラスI	一般的に より低い損失とより安定した静電容量
X7R / クラスII	高い 静電容量密度とより大きな電圧依存
電極 構造	影響 ESRと電流分布
パッケージ サイズ	影響 熱放散と内部構造
PCB 取り付け	変化 MLCCからその周囲への熱経路

パッケージサイズはリップル電流能力の単純なルールを提供しません。TDKは、大きなMLCCは表面積が大きいため、より多くの熱を放射でき、その結果、同じ電力損失で温度の上昇を抑えることができると述べています。しかし、同じ静電容量が大きなケースで作られた場合、内部構造のためにESRが増加する可能性があります。したがって、TDKは、より大きなパッケージが常により多くのリップル電流を処理できると仮定するのではなく、実際の部品番号データを確認することを推奨しています。

PCB材料、取り付け配置、周囲温度、冷却条件も測定された自己加熱を変えることがあります。[3, 6, 8]

DCバイアスとAC電圧がMLCC温度上昇に与える影響

図4. DCバイアスとAC電圧がMLCC温度上昇に与える影響

DCバイアスとAC電圧は、高誘電率のクラスII MLCC（X5RおよびX7Rタイプを含む）の有効静電容量を変える可能性があります。村田は、これらのコンデンサが施された電場に応じて誘電特性が変化するバリウムチタン酸塩ベースの強誘電体材料を使用していると説明しています。したがって、DCバイアスが増加するにつれて有効静電容量が減少することがあります。

DCバイアスが静電容量を減少させると、コンデンサのインピーダンスとフィルタリング特性が変化します。しかし、DCバイアスは自己加熱を自動的に増加または減少させるものとは説明されるべきではありません。リップル電流は完全な回路によって決まるため、有効静電容量、ESR、周波数、および実際の電圧波形を一緒に評価する必要があります。

AC電圧の振幅もクラスIIのMLCC静電容量に影響を与えます。村田はこれをAC電圧特性と呼び、適用されるAC電圧によって有効静電容量が増加または減少する可能性があると説明しています。この効果は、C0G温度補償型よりも高誘電率の強誘電性MLCCにおいてはるかに強くなります。[2, 3, 4, 8, 9, 10]

適用された 条件	主な 電気的効果	加熱に 関連性
DCバイアスを 増加させる	クラスIIの有効静電容量を 減少させる可能性がある	インピーダンスと回路特性を 変化させる
AC振幅を 変更する	クラスIIの有効静電容量を 変化させる	電流と損失条件を 変化させる可能性がある
高周波の AC	繰り返しAC電流と誘電損失を 引き起こす	自己加熱を 生じる可能性がある
C0G / クラスI	ずっと小さいDCおよびAC電圧依存性	より安定した電気的特性

より大きなAC振幅は、自動的に比例して大きな誘電損失や温度上昇を引き起こすとは説明されるべきではありません。なぜなら、この関係は非線形であり、特定の誘電体、周波数、波形、および部品構造に依存するからです。最も安全なアプローチは、選択されたMLCCのメーカーデータを確認し、実際のDCバイアスおよびAC波形を使用して自己加熱を検証することです。[8, 9]

MLCC温度上昇の測定と推定

図5. MLCC温度上昇の測定と推定

MLCCの自己加熱は、結果が再現でき比較できるように、制御された完全に文書化された条件下で測定する必要があります。正確なコンデンサ、電気的励起、PCB構造、熱環境、温度測定方法を記録してください。[4, 8]

テスト前に、記録してください：

テスト項目	記録する情報
MLCC	部品 番号、誘電体、パッケージサイズ、静電容量、電圧定格
電気条件	DC バイアス、RMSリップル電流、波形、周波数、AC電圧
損失データ	ESR 値とそのソース、周波数および測定条件を含む
PCB	基板 材料、厚さ、パッドの形状、銅面積、銅層、およびコンデンサ の位置
環境	周囲温度、気流または強制冷却、近くの熱源
温度測定	熱電対またはIR法、センサー位置、取り付け、および機器の詳細
IR測定	放射率設定、キャリブレーション方法、スポットサイズ、および焦点
安定化ルール	固定時間間隔内の定義された温度変化限界

測定手順

1. 指定されたパッド幾何学と銅面積を使用して、文書化されたPCBにMLCCを取り付けます。近くの熱を生じるコンポーネントを特定し、比較テストの間に基板構成を変更しないようにします。

2. リプル電流を適用する前に、周囲温度と気流を測定して記録します。強制気流が使用される場合は、その速度または動作条件を記録します。

3. 必要なDCバイアスとリプル波形を適用します。ソース設定だけに依存せず、実際のRMSコンデンサ電流、AC電圧、波形、および周波数を測定します。

4. 試験条件に対応するESRデータを使用します。ESRが製造業者の曲線、インピーダンスアナライザ、LCRメーター、または他の測定から来るかどうかを記録します。ESRは実際の周波数、バイアス、温度、信号条件にできるだけ近づけます。

5. 小型の熱電対または校正済み赤外線測定法を使用してMLCCの表面温度を測定します。村田は公開された熱発生試験で、コンデンサ電流および電圧測定と共に赤外線温度測定を使用しています。[8]

6. IR測定のために、放射率設定とキャリブレーション方法を記録します。小型または反射性のMLCC表面は、放射率、スポットサイズ、焦点、または周囲の放射が制御されていない場合に誤差を引き起こす可能性があります。

7. 客観的な定常状態基準が満たされるまでテストを続けます。たとえば、温度変化が10分間連続して1°C未満であることを定義し、その間に電気条件、周囲温度、および気流を一定に保ちます。同じ基準をすべての比較に使用します。

8. 最終的な表面温度、周囲温度、および温度上昇を記録します:

最終的な表面温度、周囲温度、および温度上昇を記録します:

$$\Delta T=T_{\mathrm{surface}}-T_{\mathrm{ambient}}$$

定義された定常状態に到達するのにかかる時間も記録します。

温度上昇が電力損失から推定される場合、関係は次のとおりです:

$$\Delta T\approx P_{\mathrm{loss}}{R}_{\theta 、\mathrm{eff}}$$

R_θ，effの値は、同じコンデンサ、PCB、パッドの幾何学、銅面積、気流、取り付け、および試験設定に対応する必要があります。それはその完全な熱配置に対する有効な値であり、普遍的なMLCC特性ではありません。基板や冷却条件を変更すると結果が変わる可能性があるため、一般的な熱抵抗値を使用しないでください。

定常状態限界をテスト手法の一部として文書化し、温度が「上昇しなくなる」ポイントとしてのみ記述しないでください。電気、PCB、冷却、および測定条件が十分に類似している場合にのみ、メーカーの温度上昇データを比較します。[4, 8]

高リプル電流アプリケーションのためのMLCCの選択

高リプル電流アプリケーションのためのMLCCの選択は、名目上の静電容量と定格電圧を確認する以上のものを必要とします。部品は、自己加熱と合計動作温度を製造者の限界内に保ちながら、十分な電気性能を提供しなければなりません。

実際のDCバイアス下での有効静電容量を確認してください。特に、DC電圧が加わると静電容量が大幅に減少する可能性があるクラスII MLCCに対して重要です。[2, 9]

また、部品特有の製造業者曲線または設計ツールを使用して、動作周波数でのESRおよびインピーダンスも確認してください。加えられる電圧にはDCレベル、ACリプル、スイッチングピーク、および反復トランジェントを含める必要があります。[5, 8, 10]

選択項目	確認すべきこと
有効静電容量	DCバイアスおよびAC条件下の実際の値
誘電体の種類	損失および電圧依存性
ESRおよびインピーダンス	動作周波数での値
パッケージサイズ	部品特有の電気的および熱的挙動
定格電圧	完全な動作波形
温度定格	周囲温度および自己加熱
PCB熱条件	基板の構造、取り付け、および冷却
製造業者データ	リプル電流、ESR、インピーダンス、および温度上昇データ

大きなケース、高い電圧定格、または高い静電容量が自動的により大きなリップル電流能力を提供するとは限らないことを想定しないでください。特定の部品番号のデータを確認してください。 [6]

20℃の温度上昇は、普遍的なMLCCの制限として扱うべきではありません。TDKは、室温、自然対流および定義されたPCB熱条件などの指定された条件下での許容リップル電流評価の基準として、周囲温度に対して20℃の上昇を使用します。

村田製作所は、すべてのセラミックキャパシタに対して一般的な許容リップル電流定格を指定していません。指定された製品カテゴリでは、村田は25℃の周囲で測定した際に自己加熱が20℃未満であることを要求します。キャパシタの実際の表面温度も、その最大動作温度の範囲内である必要があります。

したがって、メーカーと正確な部品シリーズによって指定された限界と試験条件を使用し、実際のPCBで最終設計を確認してください。

参考文献

[1] TDK株式会社。「MLCCのリップル電流（1）：キャパシタの許容リップル電流とは？」 TDKプロダクトセンター。2026年8月28日アクセス。

[2] TDK株式会社。「MLCCのリップル電流（4）：許容リップル電流はどのように測定されるのか？」 TDKプロダクトセンター。2026年8月28日アクセス。

[3] TDK株式会社。「MLCCのリップル電流（7）：ケースサイズは許容リップル電流に影響を与えるか？」 TDKプロダクトセンター。2026年8月28日アクセス。

[4] TDK株式会社。「ESR特性（6）：MLCCの最大定格温度を超えた場合、どうすればよいか？」 TDKプロダクトセンター。2026年8月28日アクセス。

[5] TDK株式会社。「ESR特性（2）：ESRの物理的要素は何か？」 TDKプロダクトセンター。2026年8月28日アクセス。

[6] TDK株式会社。「ESR特性（3）：異なる値のMLCC間でESRにどれくらいの違いがあるか？」 TDKプロダクトセンター。2026年8月28日アクセス。

[7] 村田製作所。「EMI抑制フィルター、6-5-2：キャパシタの同等回路。」 EMI抑制のためのガイドライン。2026年8月28日アクセス。

[8] 村田製作所。「キャパシタの熱発生特性と測定方法。」 村田製作所の記事、2013年3月28日。2026年8月28日アクセス。

[9] 村田製作所。「静電容量の電圧特性。」 村田製作所の記事、2012年11月28日。2026年8月28日アクセス。

[10] 村田製作所。「村田のセラミックキャパシタが耐えられる許容リップル電流とは？」 セラミックキャパシタFAQ。2026年8月28日アクセス。