为什么要实现高功率密度还要实现高效的大功率输出

摘要

为什么要实现高功率密度。

功率转换器件既要小型化，又要大功率，还要低损耗的进步路径是高功率密度的内因高功率密度，是追求电源系统内部功率转换器小型化的同时，还要实现高效的大功率输出伴随着新兴终端应用领域对功率输出和空间占比要求的不断提升，电子电力产业高频高功率密度的发展趋势不断确立

如何实现高功率密度。

从主动+被动元件的角度出发，实现高功率密度有2种方案:开关高频化，减少电容电感体积，增大电容电感容量，匹配高功率应用场景。

从电感看，开关高频化带来高损耗的解决方案是高电阻软磁材料，同时，电路功率提升要求高饱和磁通密度的软磁材料以适配更大电流。

从电容看，高性能纳米级镍粉作为MLCC发展的关键材料，推动MLCC匹配高电容和小型化趋势，市场前景广阔。

从封装看，开关高频化引起的发热问题要求电子封装技术，尤其是散热性能不断提升，推动电子陶瓷封装成为封装技术的重要发展方向。

高功率密度趋势下，哪些细分赛道新材料公司持续受益。

从电感角度延伸，高性能软磁材料成为未来发展方向，其种类多，终端应用场景各不相同，例如:合金软磁粉芯站稳光伏新能源汽车高景气赛道，羰基铁粉软磁是汽车电子市场的优秀选择，非晶合金材料是双碳目标下推动配电变压器提效节能，降低空载损耗的卓越材料，纳米晶合金已在无线充电模块和新能源汽车电机领域实现规模化应用。

从电容角度延伸，高性能纳米级镍粉是MLCC高容小型化发展的关键材料。

从封装角度延伸，高端电子陶瓷封装是推动光通信，无线通信发展不可或缺的重要技术。

高功率密度趋势下，细分赛道中具有强α的头部公司，将充分受益下游景气度传导和国产化替代浪潮，持续看好其未来高成长性。

风险提示:下游市场需求不及预期，上游原材料价格波动，公司扩产不及预期

为什么要实现高功率密度。

1.1 高功率密度是什么。

答:所谓高功率密度，就是追求电源系统内部功率转换器小型化的同时，实现高效的大功率输出。

功率转换器是一种可以将某种电流转换为其他类型电流的电子设备，包括直流功率变换与交流功率变换作为电子系统中最基本的组成部分之一，功率转换器的性能直接决定了电子设备的工作效率

由图1可知功率转换器内部主要由功率半导体开关，电容，电感等电子元器件组成，其中功率半导体开关的作用:将交流电转为直流电，增大电信号，阻断或导通电流电感的主要作用是存储电能转化的磁能电容的主要作用是储存电能

根据功率密度公式，显然，提高功率密度的主要途径有两种:增大功率，减小电子元件的体积形象地说，功率转换器就好比一把水枪，其作用就是将水管内的水流转换成高速高压的喷射水流，水枪射出的水流速度越高，排量越大，同时水枪体积越小，则说明水枪的功率密度越高因此，要想实现更高功率密度，就需要在增大功率输出的同时，减小空间占比

1.2 高功率密度的意义和必要性是什么。

答:新兴终端应用领域对功率输出和空间占比的要求不断提高。

随信息技术产业发展，各类新兴下游终端市场对电源系统的功率输出，空间占比等有了更高的要求以新能源汽车领域为例，功率转换器作为汽车内驱动电机的核心组成部分之一，其作用是按所选电动机驱动电流要求，将蓄电池的直流电转换为相应电压等级的直流，交流或脉冲电源高功率密度电动机的优点是重量轻，效率高，可有效减小汽车能耗，满足汽车的各类动态需求

当前传统电机的功率密度在3—5kW·h/kg，而未来新型驱动电机的功率密度可达20kW·h/kg，这意味着与传统电机相比，一台高功率密度的电动机单位体积内可以迸发出5—6倍的功率未来高功率密度电机不仅用在电动汽车领域，还将在航空航天，航海等得到广泛应用

2 如何实现高功率密度。

答:从主动+被动元件的角度出发，实现高功率密度有2种方案:通过开关高频化减小电容电感体积通过增大电容电感容量匹配高功率

从体积方向切入，在电源解决方案中，电感，电容与散热器等无源组件占据模块大部分体积，减小无源组件尺寸是缩小电源系统的主要途径增加开关频率可有效降低无源组件的体积形象来说，为获得相同重量的井水，如果加快木桶取水的频次，那么所需木桶的体积可相应减小，而功率半导体材料的进步让高频化成为可能并成为趋势

从高功率方向切入，增大电源模块的输入功率，需要相应增大功率转换器内电容，电感的储存能力，选用高性能的组成材料可提升电容以及电感的容量，保证电路的稳定。

2.1 开关高频化:实现高功率密度的重要解决方案

开关高频化是实现高功率密度普遍性的解决方案之一，而功率半导体材料的进步保证了开关高频化发展的顺利推进。

限制开关频率的关键因素是开关损耗，通俗来讲，开关损耗就是电路通断电过程中，开关器件内的电压与电流不能瞬间降为0，从而产生功率损耗开关频率越高，单位时间通断电次数越多，功率损耗就越大

半导体材料的性质直接决定了开关损耗的大小，高性能的半导体材料可以减小开关损耗，使开关频率突破瓶颈，目前第三代半导体材料，以氮化镓和碳化硅为主，其中氮化镓具备更高的电子迁移率，因此电流在半导体晶体内的导通速度更快，减小了开关损耗第三代半导体材料的发展推动功率半导体向高频化的转变，未来将广泛应用于5G等高频通信领域

3 高功率密度下高性能软磁材料成为优秀选择

3.1开关高频化:电感尺寸显著缩小

开关高频化对电感尺寸小型化影响显著。根据功率转换器中电感的设计公式:

电感在电路中的角色是将电能转化为磁能并存储的电子元件，其大小与开关频率成反比，开关频率越高，每个周期内电感储存与释放的能量越小，所需电感器的体积就越小可以形象地理解为:需要运送100吨货物，大货车由于速度慢每天只能运送10次，每次需要运送10吨，但一辆小轿车由于速度快每天可以运送20次，每次只需要运送5吨

3.2开关高频化:要求电感不断降低高频化带来的涡流损耗

但是，电感高频化带来的高损耗问题无法忽视。由公式可知，涡流损耗和频率的平方成正比，频率越高涡流损耗越大:

一方面，提升软磁材料电阻和缩小粒径尺寸是解决高频化带来高损耗的解决方案涡流损耗与频率的平方成正比， 与电感电阻成反比为提高转换器效率，提升功率密度，高电阻软磁材料是关键一环同时，涡流损耗和软磁材料的粒径度成正比，为提升换器效率和功率密度，可以进一步将软磁材料粒径度做小，软磁材料小尺寸化的必要性显现

另一方面，在终端应用场景对功率要求不断提升下，具备高Bs值的软磁材料不可或缺下游新兴终端应用场景对电源系统输出功率要求不断提升，电感需要具备大电流承载的能力而更高的Bs值意味着软磁材料单位体积的磁感应强度更强，所需用量更小，这有利于缩小电感体积

3.3高性能软磁材料成为高频高功率密度下的优秀选择

电感的性质由内部软磁材料决定，软磁材料可分为铁氧体软磁材料，金属软磁材料及其他软磁材料，金属软磁材料进一步分为金属软磁粉芯，硅钢片，非晶及纳米晶合金。

不同软磁材料终端应用场景大都不同，各自占据一亩三分地，但在部分领域存在直接竞争关系，属于互为替代品总而言之，高容量，低损耗的高性能软磁材料是高功率密度趋势下的优秀选择

铁氧体软磁材料的优点是高电阻率，低损耗，缺点是低Bs值，适用于高频低功率工作环境，如消费电子，家电，通讯，仪器仪表等。

硅钢片的优点是高Bs值，缺点是低电阻率，高损耗，适用于低频高功率工作环境，如集中式逆变器，工业电机，UPS电源等。

金属软磁粉芯通过特殊制备工艺结合铁氧体和硅钢片的优势，兼具高Bs值，高电阻率，低损耗，成为高功率密度趋势下的优秀选择，适用于相对高频率高功率的工作环境，其终端应用场景被不断打开。

其中，铁硅+铁硅铝粉芯目前市场应用广泛，适用于相对高频率高功率的工作环境，如组串式逆变器，变频空调，通讯电源，高功率芯片电路等。

而羰基铁粉软磁制成的一体成型片式电感，兼具高Bs值，高电阻率，低损耗的同时，对比铁硅及铁硅铝粉芯，可以做到更小体积，更强抗磁干扰能力，但成本更高，适用于相对高频高功率，小体积，抗磁要求高的工作环境，如笔记本电脑，智能手机，汽车电子等。

非晶合金主要适用于配电变压器，对接传统配电和新能源发电领域在双碳目标＆《压器能效提升计划》推动下，非晶变压器成为电网系统提效节能的优秀选择

纳米晶的优点是高磁导率，高居里温度，低损耗，缺点是制备工艺复杂，成本高，适用于相对高频高功率，追求小型化，轻量化，复杂温度的工作环境，如电子变压器，互感器，传感器，特别在无线充电模块和新能源汽车电机中正实现规模化应用。

4 电容:高功率密度下MLCC优势显著，超细镍粉需求广阔

4.1电容精密化趋势

在高功率密度的趋势下，电容器向着精密化，小型化且高容量方向发展电容作为电源模块内的重要的无源组件，本质是两个互相靠近的导体间夹上一层不导电的电介质材料，其作用是储存电荷和电能

根据公式，为获得高容量的电容器，解决方案是:增加材料的介电常数，降低介质层厚度， 增大电极与介质重合的面积。

4.2陶瓷电容优势明显，占据市场主流地位

陶瓷电容器优势明显，市场占比不断提升电容器按材料可分为铝电解电容，薄膜电容，钽电容和陶瓷电容其中陶瓷电容器是一种以陶瓷为介质，在陶瓷表面涂覆一层金属薄膜，经过高温烧结而成的电容器其优点是高频特性较好，高压工作下可靠性高，介电损耗较低陶瓷电容相较于其他几类电容，可以做到更小的体积和更大的电容量，凭借高性价比，在各领域的应用占比逐年提高

4.3匹配高容量小型化趋势，MLCC脱颖而出

MLCC匹配高容小型化趋势，未来市场不容小觑陶瓷电容的主要分类为半导体陶瓷电容器和片式多层陶瓷电容器，其中MLCC凭借体积小，比容高和精密度高等特点，广泛应用于智能手机，智能汽车与物联网等领域MLCC是由多层内电极和陶瓷介质膜片以错位的方式层层堆叠而成的电容器，因此MLCC内部叠层结构可以减小两板间距离且增加两板正对面积，达到高容量且小型化的效果，未来市场需求广阔

4.4MLCC高速发展，超细镍粉成为内电极主流

对比传统Pd—Ag浆料，纳米镍粉的优势在于:镍内电极成本低，价格约为Ag—Pd电极的5%，大幅降低MLCC制备成本，镍电极的电阻率低，导电性优于Ag—Pd电极，镍具有优异的烧结性质，成型后致密性好，镍的电迁移速度小，具有更好的电化学稳定性，提高MLCC可靠性。

在电子元器件精密化，高功率密度的趋势下，MLCC的主要技术路径为提高层数，降低介质厚度，推动镍粉的粒径从微米级向纳米级方向进步从工艺看，镍粉粒径的缩小使金属粉末与有机浆料混合更为均匀，提高了粉体烧结性能，有利于在陶瓷介质与电极的共烧后获得致密结构层从原理看，纳米级粒径的镍粉具备更大的比表面积，电极的导电性增强，MLCC的容量增大，电容损耗减小因此，制备出粒径更小，颗粒分布更均匀，分散性更好，振实密度更高，表面性能更好的镍粉，对于MLCC的发展至关重要

2025年全球MLCC用镍粉市场规模预计突破80亿元假设MLCC行业平均毛利率40%，内电极材料占MLCC成本约5%—10%，叠加高容MLCC趋势，2021—2025年全球MLCC用镍粉市场规模约预计达到56.83/62.65/69.00/75.94/82.70亿元

5 电子封装:高功率密度下电子陶瓷封装成为主流

5.1高频化推动电子陶瓷封装成为主流

电子封装技术是电子电路不可或缺的关键部分电子封装技术是对电路芯片进行包装，进而保护电路芯片，以免其受到外界环境影响的包装，起到机械支撑，密封环境保护，信号传递，散热和屏蔽等作用

集成电路高频化推动电子封装技术要求提升高频化意味着电子元件在单位时间内工作次数提高，直接导致器件产热增加模块长期在高温环境下工作容易发生电子元件失效，如接合材料机械潜变，掺杂扩散以及材料熔化，气化甚至燃烧，因此提升电子封装技术的散热性能极为重要

陶瓷基封装材料已成主流方向当前主流的电子封装材料分为三类:陶瓷基封装材料，塑料基封装材料，金属基封装材料相较于金属基和塑料基，陶瓷基封装材料具备介电常数较低，高频性能好，绝缘性强，热稳定好，热导率高，化学稳定性强和耐湿性好等优势，符合集成电路高频化对散热性的需求，因此陶瓷基封装材料未来市场空间广阔

6 风险提示

6.1 下游市场需求不及预期

受政策市场价格等因素影响，光伏，新能源汽车，消费电子，5G通讯等市场需求增长可能不及预期。

6.2 上游原材料价格波动

部分软磁材料，MLCC用镍受原材料影响，原材料波动对产品毛利率有一定影响。

6.3 公司扩产不及预期

受疫情，限电，下游市场需求等因素影响，部分公司产能扩张可能不及预期

报告发布时间:2021年12月24日

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