データセンター向け（AIサーバ）電源システムのMLCCソリューション
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AI時代におけるデータセンターの電源トレンド
出所：JST低炭素社会戦略センター
「情報化社会の進展がエネルギー消費に与える影響 (Vol.4)」
（LCS-FY2021-PP-01）よりTDK作成
図1. データセンターの総消費電力の現状と将来予測
近年、AIの急速な普及により、データセンターにおけるサーバの消費電力は飛躍的に増加しています。それに伴い、サーバの安定稼働を支えるため、高効率かつ大電力に対応できる電源ユニット（PSU）の重要性がますます高まっています。
さらに、サーバ冷却方式の進化や高集積化の流れにより、サーバラック内の基板では省スペース化が強く求められています。このため、PSUに使用される受動部品にも高性能かつ小型・低背であることが求められ、実装面積の削減が課題となっています。
当社では、PSUの高電力化・高密度化のニーズに対応する高耐圧・高性能のコンデンサをはじめ、データセンターの高効率な電源設計に貢献するソリューションをラインナップしています。
データセンターの電源系統
サーバ向け電源システムでは、UPS（無停電電源）→ PSU（Vac → 48V等）→ IBC（48V → 12V等）→ VRM（CPU/GPU電圧へ変換）の電源系統が一般的で、各段において高効率・低エミッション・低リップル・耐熱性・長期信頼性が強く求められます。
特に高密度化・高出力化が進む環境では、PSU段での損失低減と熱管理、IBCでの電力伝送効率改善が設計の鍵となります。
当社は、100V定格および450V定格以上の中・高耐圧MLCCの提供に加え、MLCCの構成提案ツールや熱設計シミュレーションサービスを通じて、お客様の設計・課題解決をサポートします。
- *UPS: Uninterruptible Power Supply（無停電電源装置）
- *PSU: Power Supply Unit（電源ユニット）
- *IBC: Intermediate Bus Converter（中間バスコンバータ）
- *VRM: Voltage Regulator Module（電圧レギュレータモジュール）
データセンター向けPSUの電源性能のトレンド
図3. PSUの電力トレンド（TDK推測）
- 出力電力の増大：従来の数kWクラスから、6〜12kWやそれ以上を想定した設計が増加。高出力化により各部品の電圧・電流ストレスが上昇。
- トポロジーの進化：PFC段やDCDC段でマルチレベル化や並列化など、損失低減と熱分散を図る傾向にあります。
- 部品の要求仕様の変化：MLCCは高耐圧・低ESR・高信頼性のニーズが高まっています。
データセンター向けPSUの電力増に対応した回路トポロジーの変化 — DC/DC
LLC共振コンバータは低スイッチング損失と高効率を実現するため、PSUのDC/DC段で主力となるトポロジーです。
高出力化の際は、フェーズ並列（インタリーブ）や直列／並列のパワーブロック構成を採用して、電流・熱を分散しつつ電力容量の拡張を確保します。
- MLCCの役割：LLCの共振コンデンサ回路として高耐圧、低損失のClass1 C0G製品を使用します。
- MLCC構成提案ツール：高耐圧Class1製品と駆動条件に基づき、MLCCの直列・並列構成を提案するツールを準備しています。
| Resonant Cap. (Class1) Mid/ High Voltage Series | ||
|---|---|---|
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| 1250V | C3225C0G3B103J (3.2 x 2.5mm/0.01uF) | Detail  |
| 1000V | C3225C0G3A223J (3.2 x 2.5mm/0.022uF) | |
| 630V | C3225C0G2J333J (3.2 x 2.5mm/0.033uF) | |
データセンター向けPSUの電力増に対応した回路トポロジーの変化 — PFC
大電力化ではフライングキャパシタ（flying capacitor）を採用した回路トポロジーの設計が検討されています。
フライングキャパシタ導入の背景：中間電位を作ることで半導体にかかる電圧を低減し、スイッチング損失や部品の定格を下げる事が可能です。3レベル構成では理想的にフライングキャパシタの印可電圧がDCバスの1/2になることが多く、定格電圧450VのMLCCラインナップが有用です。
| Flying Capacitor Mid/ High Voltage Series | ||
|---|---|---|
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| 450V | C5750X6S2W225K (～105℃) (5.7 x 5.0mm/2.2uF) | Detail |
| C5750X7T2W105K (～125℃) (5.7 x 5.0mm/1.0uF) | ||
PSU（Vac → 48V）向けMLCCラインナップ
各用途別推奨は以下の通りです。
● Y cap. : EMIフィルタとして安全規格Y2 class に対応。
● Bypass Cap. : 630V定格以上の高耐圧MLCC, 大容量の電解コンデンサと並列で使用し、リップルを低減。
● Snubber cap.：高耐圧かつ耐サージ特性に優れるClass1 MLCC。
● Resonant cap.：共振用に適した高耐圧Class1 MLCC。
● 48V Output Cap. : 100V定格及び75V定格大容量MLCCによる員数減。
Featured Products
R.V. = Rated Voltage
| Y Cap. CS Series (Safety Certified Y2) | Bypass / Snubber Cap. (R.V.630V) Mid / High Voltage Series. | Resonant Cap. (Class1) Mid / High Voltage Series | 48V Output Cap. (R.V.75V～100V) Mid Voltage Series | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 
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| Y2 300Vac | 4.7nF(2.2nF – 10nF) | Filtering 630V | C3225X7T2J154K (3.2 x 2.5mm/0.15uF) | 1250V | C3225C0G3B103J (3.2 x 2.5mm/0.01uF) | 100V | C3225X7R2A106K (3.2 x 2.5mm/10uF) |
| Detail | C3225X7T2J104K (3.2 x 2.5mm/0.1uF) | 1000V | C3225C0G3A223J (3.2 x 2.5mm/0.022uF) | C3216X7R2A475K (3.2 x 1.6mm/4.7uF) | |||
| C3216X7T2J473K (3.2 x 1.6mm/0.047uF) | 630V | C3225C0G2J333J (3.2 x 2.5mm/0.033uF) | C2012X7R2A225K (2.0 x 1.25mm/2.2uF) | ||||
| Detail | Detail | Detail | |||||
| Snubber 630V | 220pF to 2.2nF | 75V | C3225X7R1N106K (3.2 x 2.5mm/10uF) | ||||
| Detail | Detail | ||||||
IBC（48V → 12V等）向けMLCCラインナップ
IBC（48V→12V）では従来のLLC回路に加えて広い入力電圧範囲で高効率、高密度（小型化）を特徴とする、SCC(Switched Capacitor Converter)のソリューションがあります。
● Flying Capacitor にMLCCを使用するメリット：
* 高い静電容量密度： 小さい面積で大容量を構成できる。
* 低ESR/低ESL： 高周波リップルやスイッチング過渡に強く、発熱抑制に有利。
* 多数並列：１個あたりの電流・熱負荷を分散します。
従来LLC回路で使用されるResonant capacitorや入力コンデンサとして100V定格品、
出力コンデンサとして16V-25V定格の各製品のラインナップの提供が可能です。
Featured Products
R.V. = Rated Voltage
| Resonant Cap. (Class1) Mid/ General Voltage Series | Input Cap. (R.V.75V～100V) Mid / General Voltage Series | Flying Cap. (R.V.50V) General Voltage Series | Output Cap. (R.V.16～25V) General Voltage Series | ||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
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| ||||
| 100V | C3216C0G2A104J (3.2 x 1.6mm/0.1uF) | 100V | C3225X7R2A106K (3.2 x 2.5mm/10uF) | 50V | C3225X7R1H106K (3.2 x 2.5mm/10uF) | 25V | C3225X7R1E226M (3.2 x 2.5mm/22uF) |
| 50V | C3216C0G1H104J (3.2 x 1.6mm/0.1uF) | C3216X7R2A475K (3.2 x 1.6mm/4.7uF) | C3216X7R1H106K (3.2 x 1.6mm/10uF) | C3216X7R1E106K (3.2 x 1.6mm/10uF) | |||
| C2012C0G1H333J (2.0 x 1.25mm/0.033uF) | C3216X6S2A106K (3.2 x 1.6mm/10uF) | C2012X7R1H475K (2.0 x 1.25mm/4.7uF) | 16V | C3225X7R1C226M (3.2 x 2.5mm/22uF) | |||
| Detail | 75V | C3225X7R1N106K (3.2 x 2.5mm/10uF) | Detail | C3216X7R1C106K (3.2 x 1.6mm/10uF) | |||
| Detail | Detail | ||||||
まとめ
本記事では、データセンター向け電源システムにおけるPSUの最新トレンドとPSU/IBC用途のMLCC製品群をご紹介しました。
高効率・高密度化が進むPSUには高耐圧MLCCやIBC用途向けの100V定格など、用途に応じた最適な製品選定が不可欠です。
TDKは幅広いMLCCラインナップと、MLCC構成提案ツールをはじめとする設計支援ツールにより、PSU／IBC設計の品質向上と信頼性確保を支援します。今後も多様化するニーズに応じたソリューションを提供してまいります。
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