一、高功率、高频化趋势下对磁性元件和软磁材料的要求

1.1 第三代半导体功率器件呈现高频、高功率发展趋势

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。

1.2 对应磁性元件和软磁材料要求高电阻率、高功率、微型化、节能化

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。