本文來自：笑看有色， 作者：楊誠笑、劉奕町

摘要

爲什麼要實現高功率密度？

功率轉換器件既要小型化、又要大功率、還要低損耗的進步路徑是高功率密度的內因。高功率密度，是追求電源系統內部功率轉換器小型化的同時，還要實現高效的大功率輸出。隨着新興終端應用領域（如光伏、新能源汽車）對功率輸出和空間佔比要求的不斷提升，電子電力產業高頻高功率密度的發展趨勢不斷確立。

如何實現高功率密度？

從主動+被動元件的角度出發，實現高功率密度有2種方案：（1）開關高頻化，減少電容電感體積；（2）增大電容電感容量，匹配高功率應用場景。

從電感看，開關高頻化帶來高損耗的解決方案是高電阻軟磁材料，同時，電路功率提升要求高飽和磁通密度（Bs值）的軟磁材料以適配更大電流。

從電容看，高性能納米級鎳粉作爲MLCC發展的關鍵材料，推動MLCC匹配高電容和小型化趨勢，市場前景廣闊。

從封裝看，開關高頻化引起的發熱問題要求電子封裝技術、尤其是散熱性能不斷提升，推動電子陶瓷封裝成爲封裝技術的重要發展方向。

高功率密度趨勢下，哪些細分賽道新材料公司持續受益？

從電感角度延伸，高性能軟磁材料成爲未來發展方向，其種類多、終端應用場景各不相同，例如：合金軟磁粉芯站穩光伏新能源汽車高景氣賽道；羰基鐵粉軟磁是汽車電子市場的優秀選擇；非晶合金材料是“雙碳”目標下推動配電變壓器提效節能、降低空載損耗的卓越材料；納米晶合金已在無線充電模塊和新能源汽車電機領域實現規模化應用。

從電容角度延伸，高性能納米級鎳粉是MLCC高容小型化發展的關鍵材料。

從封裝角度延伸，高端電子陶瓷封裝是推動光通信、無線通信發展不可或缺的重要技術。

高功率密度趨勢下，細分賽道中具有強α的頭部公司，將充分受益下遊景氣度傳導和國產化替代浪潮，持續看好其未來高成長性。

風險提示：下遊市場需求不及預期、上遊原材料價格波動、公司擴產不及預期

爲什麼要實現高功率密度？

1.1 高功率密度是什麼？

答：所謂高功率密度，就是追求電源系統內部功率轉換器小型化的同時，實現高效的大功率輸出。

功率轉換器是一種可以將某種電流轉換爲其他類型電流的電子設備，包括直流功率變換與交流功率變換。作爲電子系統中最基本的組成部分之一，功率轉換器的性能直接決定了電子設備的工作效率。

由圖1可知功率轉換器內部主要由功率半導體開關、電容、電感等電子元器件組成，其中功率半導體開關的作用：（1）將交流電轉爲直流電；（2）增大電信號；（3）阻斷或導通電流。電感的主要作用是存儲電能轉化的磁能。電容的主要作用是儲存電能。

根據功率密度公式，顯然，提高功率密度的主要途徑有兩種：（1）增大功率；（2）減小電子元件的體積。形象地說，功率轉換器就好比一把水槍，其作用就是將水管內的水流轉換成高速高壓的噴射水流，水槍射出的水流速度越高，排量越大，同時水槍體積越小，則說明水槍的功率密度越高。因此，要想實現更高功率密度，就需要在增大功率輸出的同時，減小空間佔比。

1.2 高功率密度的意義和必要性是什麼？

答：新興終端應用領域（如新能源汽車、光伏儲能）對功率輸出和空間佔比的要求不斷提高。

隨信息技術產業發展，各類新興下遊終端市場（如新能源汽車、光伏儲能）對電源系統的功率輸出，空間佔比等有了更高的要求。以新能源汽車領域爲例，功率轉換器作爲汽車內驅動電機的核心組成部分之一，其作用是按所選電動機驅動電流要求，將蓄電池的直流電轉換爲相應電壓等級的直流、交流或脈衝電源。高功率密度電動機的優點是重量輕，效率高，可有效減小汽車能耗，滿足汽車的各類動態需求。

當前傳統電機的功率密度在3-5kW·h/kg，而未來新型驅動電機的功率密度可達20kW·h/kg，這意味着與傳統電機相比，一臺高功率密度的電動機單位體積內可以迸發出5-6倍的功率。未來高功率密度電機不僅用在電動汽車領域，還將在航空航天、航海等得到廣泛應用。

2 如何實現高功率密度？

答：從主動+被動元件的角度出發，實現高功率密度有2種方案：（1）通過開關高頻化減小電容電感體積 （2）通過增大電容電感容量匹配高功率

（1）從體積方向切入，在電源解決方案中，電感、電容與散熱器等無源組件佔據模塊大部分體積，減小無源組件尺寸是縮小電源系統的主要途徑。增加開關頻率可有效降低無源組件的體積。形象來說，爲獲得相同重量的井水，如果加快木桶取水的頻次，那麼所需木桶的體積可相應減小，而功率半導體材料的進步讓高頻化成爲可能併成爲趨勢。

（2）從高功率方向切入，增大電源模塊的輸入功率，需要相應增大功率轉換器內電容、電感的儲存能力，選用高性能的組成材料可提升電容以及電感的容量，保證電路的穩定。

2.1 開關高頻化：實現高功率密度的重要解決方案

開關高頻化是實現高功率密度普遍性的解決方案之一，而功率半導體材料的進步保證了開關高頻化發展的順利推進。

限制開關頻率的關鍵因素是開關損耗，通俗來講，開關損耗就是電路通斷電過程中，開關器件內的電壓與電流不能瞬間降爲0，從而產生功率損耗。開關頻率越高，單位時間通斷電次數越多，功率損耗就越大。

半導體材料的性質直接決定了開關損耗的大小，高性能的半導體材料可以減小開關損耗，使開關頻率突破瓶頸，目前第三代半導體材料，以氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）爲主，其中氮化鎵具備更高的電子遷移率，因此電流在半導體晶體內的導通速度更快，減小了開關損耗。第三代半導體材料的發展推動功率半導體向高頻化的轉變，未來將廣泛應用於5G等高頻通信領域。

3 高功率密度下高性能軟磁材料成爲優秀選擇

3.1 開關高頻化：電感尺寸顯著縮小

開關高頻化對電感尺寸小型化影響顯著。根據功率轉換器中電感的設計公式：

電感在電路中的角色是將電能轉化爲磁能並存儲的電子元件，其大小與開關頻率成反比，開關頻率越高，每個週期內電感儲存與釋放的能量越小，所需電感器的體積就越小。可以形象地理解爲：需要運送100噸貨物（總能量需求），大貨車由於速度慢（開關頻率低）每天只能運送10次，每次需要運送10噸（電感體積大）；但一輛小轎車由於速度快（開關頻率高）每天可以運送20次，每次只需要運送5噸（電感體積變小）。

3.2開關高頻化：要求電感不斷降低高頻化帶來的渦流損耗

但是，電感高頻化帶來的高損耗問題無法忽視。由公式可知，渦流損耗和頻率的平方成正比，頻率越高渦流損耗越大：

一方面，提升軟磁材料電阻和縮小粒徑尺寸是解決高頻化帶來高損耗的解決方案。渦流損耗與頻率的平方成正比, 與電感電阻成反比。爲提高轉換器效率，提升功率密度，高電阻軟磁材料是關鍵一環。同時，渦流損耗和軟磁材料的粒徑度成正比，爲提升換器效率和功率密度，可以進一步將軟磁材料粒徑度做小，軟磁材料小尺寸化的必要性顯現。

另一方面，在終端應用場景對功率要求不斷提升下，具備高Bs值（即更大容量）的軟磁材料不可或缺。下遊新興終端應用場景（如光伏、新能源汽車）對電源系統輸出功率要求不斷提升，電感需要具備大電流承載的能力。而更高的Bs值意味着軟磁材料單位體積的磁感應強度（磁感性能）更強，所需用量更小，這有利於縮小電感體積。

3.3高性能軟磁材料成爲高頻高功率密度下的優秀選擇

電感的性質由內部軟磁材料決定，軟磁材料可分爲鐵氧體軟磁材料、金屬軟磁材料及其他軟磁材料；金屬軟磁材料進一步分爲金屬軟磁粉芯、硅鋼片、非晶及納米晶合金。

不同軟磁材料終端應用場景大都不同，各自佔據“一畝三分地”，但在部分領域存在直接競爭關係，屬於互爲替代品。總而言之，高容量、低損耗的高性能軟磁材料是高功率密度趨勢下的優秀選擇。

鐵氧體軟磁材料的優點是高電阻率、低損耗，缺點是低Bs值，適用於高頻低功率工作環境，如消費電子、家電、通訊、儀器儀表等。

硅鋼片的優點是高Bs值，缺點是低電阻率、高損耗，適用於低頻高功率工作環境，如集中式逆變器、工業電機、UPS電源等。

金屬軟磁粉芯通過特殊製備工藝結合鐵氧體和硅鋼片的優勢，兼具高Bs值、高電阻率、低損耗，成爲高功率密度趨勢下的優秀選擇，適用於相對高頻率高功率的工作環境，其終端應用場景被不斷打開。

其中，鐵硅+鐵硅鋁粉芯目前市場應用廣泛，適用於相對高頻率高功率的工作環境，如組串式逆變器、變頻空調、通訊電源、高功率芯片電路等。

而羰基鐵粉軟磁製成的一體成型片式電感，兼具高Bs值、高電阻率、低損耗的同時，對比鐵硅及鐵硅鋁粉芯，可以做到更小體積、更強抗磁幹擾能力，但成本更高，適用於相對高頻高功率、小體積、抗磁要求高的工作環境，如筆記本電腦、智能手機、汽車電子等。

非晶合金主要適用於配電變壓器，對接傳統配電和新能源發電領域。在“雙碳”目標＆《壓器能效提升計劃（2021-2023）》推動下，非晶變壓器成爲電網系統提效節能的優秀選擇。

納米晶的優點是高磁導率、高居裏溫度、低損耗，缺點是製備工藝複雜、成本高，適用於相對高頻高功率，追求小型化、輕量化、複雜溫度的工作環境，如電子變壓器、互感器、傳感器，特別在無線充電模塊和新能源汽車電機中正實現規模化應用。

4 電容：高功率密度下MLCC優勢顯著，超細鎳粉需求廣闊

4.1 電容精密化趨勢

在高功率密度的趨勢下，電容器向着精密化、小型化且高容量方向發展。電容作爲電源模塊內的重要的無源組件，本質是兩個互相靠近的導體間夾上一層不導電的電介質材料，其作用是儲存電荷和電能。電容計算公式爲：

根據公式，爲獲得高容量的電容器，解決方案是：（1）增加材料的介電常數；（2）降低介質層厚度；（3） 增大電極與介質重合的面積。

4.2陶瓷電容優勢明顯，佔據市場主流地位

陶瓷電容器優勢明顯，市場佔比不斷提升。電容器按材料可分爲鋁電解電容、薄膜電容、鉭電容和陶瓷電容。其中陶瓷電容器是一種以陶瓷爲介質，在陶瓷表面塗覆一層金屬薄膜，經過高溫燒結而成的電容器。其優點是高頻特性較好，高壓工作下可靠性高，介電損耗較低。陶瓷電容相較於其他幾類電容，可以做到更小的體積和更大的電容量，憑藉高性價比，在各領域的應用佔比逐年提高。

4.3匹配高容量小型化趨勢，MLCC脫穎而出

MLCC匹配高容小型化趨勢，未來市場不容小覷。陶瓷電容的主要分類爲半導體陶瓷電容器和片式多層陶瓷電容器（MLCC），其中MLCC憑藉體積小，比容高和精密度高等特點，廣泛應用於智能手機、智能汽車與物聯網等領域。MLCC是由多層內電極和陶瓷介質膜片以錯位的方式層層堆疊而成的電容器，因此MLCC內部疊層結構可以減小兩板間距離（d）且增加兩板正對面積（S），達到高容量且小型化的效果，未來市場需求廣闊。

4.4MLCC高速發展，超細鎳粉成爲內電極主流

對比傳統Pd-Ag漿料，納米鎳粉的優勢在於：（1）鎳內電極成本低，價格約爲Ag-Pd電極的5%，大幅降低MLCC製備成本；（2）鎳電極的電阻率低，導電性優於Ag-Pd電極；（3）鎳具有優異的燒結性質，成型後緻密性好；（4）鎳的電遷移速度小，具有更好的電化學穩定性，提高MLCC可靠性。

在電子元器件精密化、高功率密度的趨勢下，MLCC的主要技術路徑爲提高層數、降低介質厚度，推動鎳粉的粒徑從微米級向納米級方向進步。從工藝看，鎳粉粒徑的縮小使金屬粉末與有機漿料混合更爲均勻，提高了粉體燒結性能，有利於在陶瓷介質與電極的共燒後獲得緻密結構層。從原理看，納米級粒徑的鎳粉具備更大的比表面積，電極的導電性增強，MLCC的容量增大、電容損耗減小。因此，製備出粒徑更小、顆粒分佈更均勻、分散性更好、振實密度更高、表面性能更好的鎳粉，對於MLCC的發展至關重要。

2025年全球MLCC用鎳粉市場規模預計突破80億元。假設MLCC行業平均毛利率40%，內電極材料佔MLCC成本約5%-10%，疊加高容MLCC趨勢，2021-2025年全球MLCC用鎳粉市場規模約預計達到56.83/62.65/69.00/75.94/82.70億元。

5 電子封裝：高功率密度下電子陶瓷封裝成爲主流

5.1 高頻化推動電子陶瓷封裝成爲主流

電子封裝技術是電子電路不可或缺的關鍵部分。電子封裝技術是對電路芯片進行包裝，進而保護電路芯片，以免其受到外界環境影響的包裝，起到機械支撐、密封環境保護、信號傳遞、散熱和屏蔽等作用。

集成電路高頻化推動電子封裝技術要求提升。高頻化意味着電子元件在單位時間內工作次數提高，直接導致器件產熱增加。模塊長期在高溫環境下工作容易發生電子元件失效，如接合材料機械潛變、摻雜擴散以及材料熔化、氣化甚至燃燒，因此提升電子封裝技術的散熱性能極爲重要。

陶瓷基封裝材料已成主流方向。當前主流的電子封裝材料分爲三類：陶瓷基封裝材料，塑料基封裝材料，金屬基封裝材料。相較於金屬基和塑料基，陶瓷基封裝材料具備介電常數較低、高頻性能好、絕緣性強、熱穩定好、熱導率高、化學穩定性強和耐溼性好等優勢，符合集成電路高頻化對散熱性的需求，因此陶瓷基封裝材料未來市場空間廣闊。

6 風險提示

6.1 下遊市場需求不及預期

受政策市場價格等因素影響，光伏、新能源汽車、消費電子、5G通訊等市場需求增長可能不及預期。

6.2 上遊原材料價格波動

部分軟磁材料、MLCC用鎳受原材料影響，原材料波動對產品毛利率有一定影響。

6.3 公司擴產不及預期

受疫情、限電、下遊市場需求等因素影響，部分公司產能擴張可能不及預期

報告來源：天風證券股份有限公司

報告發布時間：2021年12月24日

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