大功率、高密度快充电源逐渐成为市场主要发展趋势，以硅材料为基础的各种电力电子 器件逐渐接近其理论极限值，难以在高压、高温、高频等特定环境使用。目前以氮化镓 （GaN）、碳化硅（SiC）等为代表的第三代宽禁带半导体材料具有禁带宽度大、击穿电场 高、热导率大、电子饱和漂移速度高、介电常数小等独特的性能，显示出比传统功率器 件更优异的特性，正以高速增长趋势被应用于光伏逆变器、新能源汽车、充电桩、储能、 服务器电源、数据中心、5G 基站等诸多领域。 SiC 器件拥有更小的尺寸和更低的开关频率损耗。相同规格的 SiC 基 MOSFET 与 Si 基 MOSFET 相比，其尺寸可大幅减小至原来的 1/10，导通电阻可至少降低至原来的 1/100。 根据功率密度公式，更小的尺寸更有利于实现高频化，进一步实现高功率密度。另外， 相同规格的 SiC 基 MOSFET 较 Si 基 IGBT 的总能量损耗可大大降低 70%。

　　对于大部分 IGBT 模块，在光伏、新能源车、充电桩领域的开关频率很多在 100khz 的水 平，当三代半导体开始使用后，开关频率将提升至几百 khz 甚至兆赫兹的水平，且电压 升高、功率密度提升，可以耐受更高的温度。目前受限制的是碳化硅成本还较高，但 SiC MOSFET 在诸多行业中的顺利推广应用，其背后驱动力也基本都是广义上的成本，即 采用此类型器件之后，在系统层面带来的经济效益会超出增加的采购成本。Yole 预计碳 化硅功率器件市场规模将由 21 年 10.9 亿美元增长至 27 年 62.97 亿美元，复合增长率达 34%。未来碳化硅市场空间逐步扩大，IGBT 向宽禁带半导体发展是必然的趋势。

　　半导体功率器件的发展是随着半导体材料的第一代、第二代、第三代禁带宽度的逐渐打 开以及功率密度的提高决定的，同时对配套的磁性元器件也提出了更高的性能要求。目 前半导体器件在于成本端的考量，实际上限制电源性能的，是配套的磁性元器件技术的 进步，滞后于半导体器件的发展。 磁性元器件是利用电磁感应原理，将电能和磁能相互转换，从而达到能量转换、传输的 电子元器件，主要分为变压器和电感器两大类。变压器是实现电能变换或把电能从一个 电路传递到另一个电路的静止电磁装置。电感器将电能转化为磁能而存储起来，主要功 能为通直流阻交流，对交流信号进行隔离、滤波或与电容器、电阻器等组成谐振电路。

　　磁性元器件随着半导体功率器件的发展和技术的进步，向高频化、高功率、微型化、节 能化的方向发展： 1）高频化：开关频率的提升； 2）高功率：电压升高带来功率密度的提升； 3）微型化：开关频率、功率密度的提升对体积和重量要求减小； 4）节能化：能耗降低，转化效率提高。

　　磁性元器件的组成主要由磁芯材料加上外面的绕组（铜、铝），性能的决定因素是内部的 磁芯材料，由软磁材料制成。磁性元器件高频化、高功率、微型化、节能化的发展趋势 下，对软磁磁芯的要求： 1）高电阻率：高频化下的涡流损耗要大幅降低，即要求高电阻率； 2）高功率：大功率密度要求材料要抗饱和，要求好的直流偏置的性能； 3）高饱和磁通密度：器件的微型化要求磁芯尺寸小，意味着单位体积内磁矩多； 4）低能耗：高效节能要求材料能耗较低。

　　软磁材料是指矫顽力较小，容易磁化，也容易退磁的一类磁性材料，具有磁滞损耗小、 磁导率高、饱和磁感应强度高等特点。作为磁性元器件的磁芯，软磁材料要向高电阻率、 高功率、高饱和磁通密度、低能耗方向发展。根据性能和使用功能不同，软磁磁芯主要 分为硅钢片、软磁铁氧体、合金粉芯、非晶纳米晶几大类。

　　评判软磁材料性能好坏的主要磁参数有磁导率、饱和磁化强度、磁损耗等。高的饱和磁 化强度有利于得到高的初始磁导率，磁导率高使得软磁材料在较低的外部磁场强度下就 可以获得较大的磁感应强度以及高密度磁通量。交变磁化时软磁材料会在磁场作用下产 生涡流，发生能量损耗，使得材料有效工作磁通降低。降低涡流损耗有两种途径：一是 减小颗粒尺寸，二是增大电阻率，即降低电导率。

　　从软磁材料的历史看，经历从传统金属软磁—铁氧体软磁—非晶、纳米晶软磁—软磁复 合材料（金属磁粉芯）四个发展阶段，金属磁粉芯结合了传统金属软磁与铁氧体软磁的 优点，应用领域不断扩张，工业化程度逐渐超过其他软磁材料。

　　纯铁价格低廉储量丰富，是最早投入使用的软磁材料，但电阻率很低只能在低频或直流 下工作。硅钢在 19 世纪末被成功开发，电阻率是电工纯铁的数倍，易于批量生产，价格 便宜并且稳定性好，但是应用频率限制在几百赫兹，目前主要用于变压器铁芯。坡莫合 金初始磁导率较高，但价格昂贵，电阻率较低，并且制造工艺复杂，应用范围有限。

　　铁氧体软磁于 1935 年问世，由具有磁性的 Fe2O3 与其他金属氧化物配置烧结而成，具有 较高的电阻率和磁导率，成功解决了高频条件下高损耗的问题。但较低的初始磁导率和 饱和磁化强度，导致其磁能存储能力差，限制了其在高磁能密度和高功率需求的应用， 使其更适合于高频和低功率场景。

　　非晶和纳米晶软磁于 20 世纪 60 年代在美国和日本首次进行工业化生产。非晶合金是通 过在生产金属软磁材料的冶金过程中加入玻璃化元素（硅、硼、碳等），通过快淬技术使 其成为非晶态。在保留金属软磁高饱和磁感应强度和高磁导率的同时提高了电阻率，涡 流损耗得以降低，是中低频领域电能传输优选材料，目前主要应用于配电变压器领域。 纳米晶材料得益于其高饱和磁密、高磁导率等优点，相比较于铁氧体软磁材料，在追求 小型化、轻量化、复杂温度的场景下，有着显著优势，但价格在几万-几十万/吨，成本 较高。

　　软磁复合材料（SMC）又称金属磁粉芯，于 20 世纪 80 年代产业化。金属磁粉芯是在铁磁 性粉末颗粒表面包裹绝缘介质后,采用粉末冶金工艺压制成所需形状得到的磁芯，具有分 布式气隙、温度特性良好、损耗小、直流偏置特性佳、饱和磁通密度高等特点，结合了 传统金属软磁和铁氧体软磁的优势，可以满足电力电子器件小型化、高功率密度、高频 化，集成化的要求，被作为功率因数校正（PFC）电感、输出滤波电感、谐振电感、EMI 差模电感和反激式变压器铁芯用于光伏逆变器、储能逆变器、新能源汽车、充电桩、服 务器电源、UPS 电源、5G 通信等领域。

　　金属磁粉芯主要包括铁粉芯、铁硅磁粉芯、铁硅铝磁粉芯、高磁通磁粉芯以及钼坡莫磁 粉芯五类，其中铁粉芯逐步被淘汰；铁硅系粉芯损耗低、成本低，应用场景最为广泛。 且根据下游性能需求不同，细分产品众多，国内上市公司铂科新材从“铁硅 1 代”不断 迭代升级至“铁硅 4 代”，建立了一套覆盖 5kHz-2MHz 频率段应用的金属磁粉芯体系，可 满足众多应用领域的性能需求，公司还推出了面向碳化硅时代的新型 NPV 系列磁粉芯， 保留了出色的直流偏置能力，并且磁芯损耗实现了大幅优化，为电源模块节省铜线、提 升效率做出巨大贡献。

　　从结构来看，软磁复合材料（金属磁粉芯）可以理解为一个多相系统，通过在基体铁磁 性颗粒表面包覆至少一层绝缘层来达到增加电阻率，减少涡流损耗。金属磁粉芯综合了 铁氧体软磁和金属软磁特性，同时具有损耗低、磁导率高、饱和磁感强度高、电阻率高、 优良的磁和热各向同性、工作频率范围较宽等特点，不仅克服了铁氧体饱和磁感强度较 低的缺点，而且弥补了金属软磁合金高频下涡流损耗大的缺陷，在中高频下有着广阔的 应用前景。

　　从制备工艺看，金属磁粉芯是通过在磁粉颗粒表面涂抹绝缘介质，然后利用粉末冶金工 艺将其压制成所需形状得到的，包括磁粉颗粒制备、粒度配比、绝缘包覆、压制成型、 热处理几个步骤。

　　1）磁粉颗粒制备：颗粒形貌直接影响其流动性、密度、绝缘包覆、成型效果和强度，对 磁粉芯性能有重要影响，主要工艺有机械破碎法和雾化法。机械破碎法简单、低成本， 磁粉颗粒不规则有利于绝缘包覆和成型，但易被压碎，导致性能恶化。雾化法分为水雾 化和气雾化，其中气雾化粉末球形度好，杂质含量低；水雾化粉末形貌属于不规则形状， 成本较低。还原法和羰基法制作出的铁粉孔隙小密，粉末细、纯度高，但同时成本较高。

　　2）粒度配比：对磁粉芯内部气隙的影响，从而影响到磁粉芯的微观结构和性能。合理的 粒度配比可以提高磁粉芯直流偏置性能，降低损耗。磁粉内部由于气隙的存在，导致磁 粉芯内部出现较大的退磁场从而使磁粉芯不易磁化到饱和，气隙越大则退磁场越强，磁 粉芯直流偏置性能越优异。随着磁粉中细粉比重的增加，有效磁导率降低，直流偏置性 能更优异，低频损耗增高，高频损耗减小。

　　3）绝缘包覆：主要作用为降低涡流损耗、调节气隙大小以改善直流偏置性能。根据绝缘 层种类主要分为有机包覆和无机包覆，有机包覆层可以选择环氧树脂、丙烯酸、聚酯和 聚氨酯等热固性树脂，无机包覆层可以选择氧化物、磷酸盐和硫酸盐等。相比于有机包 覆，无机包覆如磷酸钝化工艺对磁粉芯性能有了很大提升。化学包覆绝缘层较均匀，且 易于控制，生产成本较低且工艺简单，是目前工业上运用最广泛的绝缘包覆工艺。

　　4）压制成型：将已绝缘的磁粉与脱模剂、粘结剂混合均匀后，压制成所需要的压坯，工 业上一般采用模具压制成型的方式。成型压强越大，磁粉芯磁导率越高、抗拉强度越高、 磁滞损耗降低。

　　5）热处理：主要目的为缓解成型过程中引入的残余内应力，又称为去应力退火。经过退 火后，成型的坯体内部由于颗粒变形、缺陷、孔洞等因素引起的残余内应力会得到缓解， 相应的磁性能会得到进一步的提升。

　　根据目前金属磁粉芯技术路径，磁粉制备与粒度配比是最重要环节，决定磁粉芯性能； 绝缘包覆技术壁垒较高，包覆层的添加量以及厚度和均匀程度仍需不断优化改进；压制 成型的压强可能是其他传统粉末冶金材料的上千倍，模具设计是主要的研发方向；标准 磁粉芯随着电力电子器件的发展已经不能满足需求，结合下游的定制化要求增加，材料 厂对于磁元件磁路的设计能力也逐渐变为核心竞争力。

　　金属磁粉芯是未来高频、高功率应用场景的最佳选择。铁氧体软磁由于饱和磁通密度很 小，只有金属的几分之一，提供同样磁通量，体积会比金属磁性材料大好几倍，因此不 符合器件小型化的趋势。另外因为其亚铁磁结构的耦合，弱于铁磁性的耦合，居里温度 较低，在大功率应用场合下热稳定性差。金属磁粉芯的高饱和磁感应强度、高磁导率和 低损耗都为磁性器件的小型化、智能化、高集成化、节能化提供了可能，更加契合第三 代半导体的应用场景。 从应用场景看，金属磁粉芯目前主要应用频率在 100kHZ 以下，在光伏逆变器（升压电感 和逆变电感）、新能源车（车载充电机、DCDC 转换、电机驱动控制系统）、储能、电能质 量等高功率领域居多。还有一部分应用频率在几百 kHZ 到几 MHZ 的频段，如手机里面的 一体成型电感，对应的磁粉粒径基本小于 20 微米。根据不同频段的终端应用领域，金属 磁粉芯未来的发展方向：

　　1）新能源和工业电源领域（百 kHZ 以下）：随着碳化硅或氮化镓的使用，会逐步提升到 300kHZ 的频段。金属磁粉芯需要进一步提高抗饱和能力、降低损耗、降低成本、提高抗 腐蚀能力。目前主要通过磁路设计或者把不同材料的磁粉混合，制成复合粉芯。 2）消费电子领域（MHZ），用于 kHZ 磁粉芯的粉末颗粒尺寸在 100 微米，MHZ 尺寸降到 10 微米，来降低涡流损耗。但颗粒尺寸下降导致磁导率大幅下滑，高频涡流损耗偏高，稳 定性差。目前 MHZ 频段消费电子粉末主要用羰基铁粉，但羰基铁粉损耗较高，非晶纳米 晶粉末在高频下高电阻率是 MHZ 下贴片电感的最佳选择，但目前国内企业涉及较。