薄膜电容赛道为何变“性感”了?

薄膜电容赛道为何变“性感”了?

题图来自Unsplash,基于CC0协议

说到电容器,可能大多数人的第一反应是个像“螺丝钉”一样的普通常见的元器件。但是从2021年开始,资本已经看到了这个细分领域高速增长的可能:

一级市场上,细分龙头企业上海鹰峰电子今年连续完成两轮融资,估值大幅上涨;二级市场上,相关上市公司也在大举扩产。其中法拉电子车用薄膜电容2021年扩产100%,2022年计划再扩产100%;江海薄膜电容器不仅在消费类电子和工业类装备进入大批应用阶段,而且在新能源电动汽车和军工领域开始批量交付,2022年车用薄膜电容也将扩产70-80%。 

薄膜电容,这个看起来“小众”的赛道,为什么在今年突然火起来了? 

作为明星标的鹰峰电子的两轮投资方,轩元资本将在本文中从市场需求、技术壁垒和产业链的角度,解剖薄膜电容领域的投资逻辑。 

01.薄膜电容器介绍

电容器是电路中必不可少的基础电子元件,在两极导电物质间以介质隔离,并将电能储存其间,几乎所有的电子设备中都要用到电容器。根据使用材料和结构,电容器主要可分铝电解电容、钽电解电容、陶瓷电容、薄膜电容等,不同类型的电容器具备不同的特点,因此各有不同的适用场景。 

该类电容使用两片铝带和两层绝缘膜相互层叠,浸泡在含酸性的合成电解液中实现。铝电解电容有极性,容易获得大容量、高耐压,且价格低廉,但高频特性不好,常用做电源输入输出滤波电路;由于内部充有电解液,铝电解电容怕高温,长期高温会使电解液挥发而失效,造成耐压下降。代表性公司:江海股份(002484)、艾华集团(603989)等。

钽电容采用固体钽为主要材料,没有电解液,使用烧结后的钽粉作为阳极,钽氧化膜做介质,锰氧化物做阴极实现。钽电容有极性,特点是等效串联电阻(ESR)小,漏电流小,容量大,相同的容量下体积比铝电解小(电解电容的电容量取决于介质的介电能力和体积,在容量一定的情况下,介电能力越高,体积就可以做的越小),钽性质稳定,温度特性更好,高频特性好;但价格较高,工作电压较低。代表性公司:振华科技(000733)、宏达电子(300726)、东方坦业(000962)等。

以陶瓷为介质材料的电容器,这类电容器分支种类繁多,包括各种封装和耐压,其中内部的介质材料也分为铁电陶瓷、钛酸钡、滑石等材料,再使用烧渗等方法做出外包裹的电极制成。陶瓷电容没有极性,带导线的陶瓷电容普遍有较高的耐压,用在有安规要求的高压场合;使用最为广泛的是片式多层陶瓷电容(Multilayer Ceramic Capacitor,MLCC),具有小尺寸、价格低、高比容、高精度的特点,能应用到高频,但材质较脆,相对容量较低。代表性公司:风华高科(000636)、三环集团(300408)等。

以金属箔当电极,将其和聚乙酯,聚丙烯,聚苯乙烯或聚碳酸酯等塑料薄膜,从两端重叠后,卷绕成型或采用金属化镀膜做电极制成。薄膜电容无极性,绝缘电阻高,耐热性好。具有自愈性和无感特性。频率特性优异(频率响应宽广),电容量与损耗角在很大频率范围内与频率无关,随温度变化很小,而介电强度随温度升高而有所增加,这是其他介质材料难以具备的。代表性公司:法拉电子(600563)、鹰峰电子、江海股份(002484)、铜峰电子(600237)等。

根据中国电子元件行业协会数据,陶瓷电容器因其适用领域广、性价比较高,2019年占全球电容器市场比例超过50%,其次为铝电解电容(占比超过30%),薄膜电容器、钽电解电容器占比均低于10%。与其他电容器相比,薄膜电容器由于耐高温耐高压性能优异、可靠性好、寿命长、具有过压自愈能力等优点。在各类变频、交直流转换的场景中,如新能源汽车的电驱、OBC、充电桩,以及光伏、风电的逆变器、变流器中,薄膜电容的应用十分广泛。

薄膜电容凭借其突出的耐温耐压性能,在新能源场景下可实现直流支撑(DC-Link)、AC滤波和IGBT吸收等功能。以光伏DC-Link为例,逆变器中直流电作为输入电源通过直流母线与逆变器连接,这种方式被称为直流支撑(DC-Link);逆变器在从DC-Link得到有效值和峰值很高的脉冲电流的同时,会产生很高的脉冲电压,因此选择使用DC-Link电容器来吸收从DC-Link端接收的高脉冲电流,并且避免电压过冲和瞬时过电压的影响 。

在新能源汽车领域来看,薄膜电容器主要应用于车载逆变器、车载充电器(OBC) 和充电桩。

逆变器将电池输出的高压直流电转换为电流和频率可变的三相交流电(DC-AC电路)供电动汽车的电机运转。高效的逆变器技术需要功能强大的功率模块进行逆变、与之匹配的DC-Link电容器进行直流支撑、以及吸收电容进行电压吸收。
OBC系统通常包括整流电路和生成充电所需直流电压的DC-DC功率变化器。薄膜电容的应用场景包括EMI滤波电容、DC-Link电容、输出滤波电容、谐振电容、功率因数校正(PFC)等。
充电桩分为交流充电桩和直流充电桩。直流充电桩采用高电压、大功率,被称为“快充”,需要输出滤波电容及DC-Link电容等。

车规级的薄膜电容器相比较其他产品上的薄膜电容产品对于性能和稳定性有严格的要求。比如,测试温度范围最高耐受要求是150℃,测试温度也有85℃,除了要耐高温,其他比如腐蚀,抗老化和抗冲击振动等要求得非常的高,AEC-Q200认证测试规定车规级电容为了保证较长的使用寿命,温度周期可达1000个周期。

因此,薄膜电容器在新能源领域(风光储和电动车)存在可观的增量需求,成为了被动元件领域最为受益新能源需求的核心细分赛道。其中,车规级的薄膜电容器作为电力电子行业的中上游元器件,正随着新能源市场的快速发展,得到更加广泛的应用和市场的快速扩张。

02.市场规模增速加快,将成为最受益新能源需求的核心细分赛道

薄膜电容器的快速增长的市场需求主要可以分成两块:一块是新能源汽车,另一块是风力、光伏发电。

首先,是新能源汽车市场:

知名研究机构彭博新能源财经日前发布《新能源汽车市场长期展望》预测,到2025年,全球新能源汽车销量将超过2000万辆,其中中国的销量将接近1000万辆。全球知名咨询机构麦肯锡近期发布了一份关于新能源汽车的数据报告,预计到2030年,新能源汽车的全球销量占比将高达50%。国际能源署(IEA)最新发布的《清洁能源进展跟踪报告》(Tracking Clean Energy Progress)中预测“到2030年全球电动汽车将占新车销量的60%”。

根据乘联会公布的数据,2022年1-11月纯电动零售销量累计达到379.1万辆,同比增速为85.3%;插电混动销量累计达到123.1万辆,同比增速146.7%。新能源汽车中,纯电占比75.5%,混动占比24.5%。

一般来说,每台纯电新能源车电驱动系统需要一个薄膜电容器,有些高端纯电车型配置双电机,也就意味需要两个,而混动新能源汽车也需要两个。假设平均一台新能源汽车需要1.3个薄膜电容器,平均每个300元,单车电驱动系统需要薄膜电容器近400元,加上车载OBC等相关需要70元,一台车合计460元。按照2025年全球2000万台新能源汽车,车载薄膜电容将达到92亿元。如果2030年全球新能源销量达到50%,即4000万台左右,那么市场容量接近200亿元。

针对新能源汽车续航短、充电慢两大痛点,车企纷纷布局800V高压平台。保时捷2019年发布的Taycan是全球首款搭载800V超高压系统的车型,吉利SEA浩瀚架构、极狐阿尔法S、阿维塔11、小鹏G9、长城机甲龙都是800V高压平台。电压平台提高后会增加薄膜电容价值量,部分车型采用DC/DC升压方案,需加装一个DC/DC,也增加电容量用量。总体而言,大约单车价值量10%~20%。

其次,光伏、风力发电市场:

薄膜电容是光伏逆变器中非常重要的元器件,对于输出电流进行滤波,防止电压剧烈变化影响元器件的寿命等。在光伏设备中,较多的应用场景均可选用薄膜电容或铝电解电容,但由于薄膜电容出色的稳定性与寿命,目前采用薄膜电容的解决方案成为趋势。

国际能源署《2021年世界能源展望》报告中表示,预计到2025年全球光伏装机量保守预计为270GW,乐观预计为330GW。

资料来源(国际能源署IEA)

国泰君安相关研究报告测算,单台光伏逆变器使用的薄膜电容器价值量约为300-400元,光伏逆变器对薄膜电容的平均需求量约为6000元/MW。那么按照270GW装机量计算,2025年光伏对应薄膜电容器市场16.2亿元。

据浙商证券研究所预测,预计到2025年全球风电装机量达到152.6GW。由于风电直接输出的是低频交流电,而光伏输出的是直流电,风电用薄膜电容价值低于光伏,假设按照5000元/MW计算,2025年风电对应薄膜电容器市场7.63亿元。

预计到2025年,新能源领域相关的薄膜电容器需求将有望接近120亿,并有望在2025年后继续保持较高的增长速率。考虑到中国在无论是新能源汽车还是光伏、风电领域的全球影响力,供应链的相关公司不仅可以抓住国内快速增长的机会,还可以伴随下游巨头们的出海分享全球市场的红利。

03.行业壁垒:金属化镀膜技术与基膜是核心

薄膜电容器的上游产业链中的主要环节为树脂—塑料基膜—金属化膜—薄膜电容器,生产难易程度为塑料基膜>金属化膜>薄膜电容器>树脂。

在技术壁垒方面,薄膜电容上游产业链中基膜和金属化膜的制造为关键技术难点。

首先来看塑料基膜。基膜是非常关键的原材料,影响薄膜电容的寿命及电气性能,其技术指标的好坏对电容器的性能有决定的作用。具体而言,基膜的主要性能要求包括一下方面:厚度,介质强度,介质损耗,粗超度。

基膜的质量主要由原材料和拉膜工艺两个因素决定。目前高端基膜仍由日系厂商把控,如东丽、王子等;国内中低端基膜有不少企业生产,如福建嘉德利、河北海伟、浙江南洋 、安徽铜峰、湖北龙辰等,部分也能生产高端基膜。基膜生产线绝大多数以进口设备为主,其中德国布鲁克纳占据绝对优势,国内企业也尝试在该领域取得突破。其工艺跟电池隔膜相似,先对树脂进行高温融化,通过模头喷出后,采用双向拉伸法。

薄膜电容器的电介质使用PET、PP、PPS、PEN等各种聚合物材料。根据电介质类型的不同,薄膜电容器的特性将发生较大的变化,应用的领域也有所不同。例如,PP薄膜电容器具有良好的自愈性和高可靠性,因此被广泛应用于车载和工业设备等领域 。

几种不同基膜材料的对比

图片来源:松下官网,中信证券

在保证可靠性的前提下,电容器厂商倾向于使用更薄的电子薄膜以实现缩小体积和降低成本的目标,因此超薄化和提高耐温性一直是薄膜电容基膜材料的技术发展方向。

其次是金属化膜,又称金属蒸镀膜。这是指通过真空蒸发的方法将金属沉积在塑料基膜表面,形成的一层金属膜可以代替金属箔作为电极,蒸镀法能在实现小型化的前提下实现更大的电流,是目前主流的薄膜电容的类型。

薄膜电容的工艺流程可简单总结为:在基膜上蒸镀一层金属化膜,然后将金属化膜按照一定的规格裁切、卷绕后在两端焊接引线后装入外壳。其中金属化膜的厚度、材料、图案决定着薄膜电容的电气特性和寿命,因此金属化膜是决定薄膜电容性能的决定性指标。

薄膜电容的蒸镀电极具有自我修复功能,当薄膜上绝缘弱的地方被施加过高电压导致击穿时,邻近处的金属镀层蒸发,在10微秒内使击穿点与周围极板隔开,电容器电气性能即可恢复正常。还有些高端电容器带“保险丝”功能,并非在基膜整个平面上形成蒸镀膜,而是分割成多个领域并用狭窄的熔断器相连接(如下图所示),当发生超过自我修复功能极限的绝缘击穿时,熔断器会熔断从而避免绝缘击穿。

附带”保险丝“功能的金属化膜

图片来源:松下官网

行业格局方面,根据Paumanok数据,全球范围内薄膜电容头部厂商包括松下(日本)、法拉电子(中国)、TDK(日本)、Kemet(已被国巨收购)、Nichicon(日本)等。在家电照明等泛消费场景,由于进入壁垒低,大、中、小各类生产厂商并存,格局相对分散;在包含电动车、风光储的泛工业场景,进入壁垒更高,目前由松下、法拉电子、TDK 等头部厂商占据主导地位,国内如鹰峰电子、铜峰电子、江海股份后起之秀挤压头部厂商市场份额。

因此,评价一家薄膜电容企业是否有核心竞争力,一方面看在包括基膜、蒸镀技术等上游环节是否有积累,另外一方面看是否具备规模效应。

04.轩元观点:依靠中国新能源领先优势,创业公司将实现全球化布局

今年,深耕新能源产业链进行投资布局的轩元资本完成了对鹰峰电子的两轮投资,其投资逻辑如下: 

首先,从市场规模的角度来看,新能源汽车还处于快速渗透阶段,是薄膜电容未来最大的增量市场。

其次,从技术的角度来看,800V等高压技术平台使用会提高单车薄膜电容价值量,短期混动的快速放量也是个重要的拉动。

第三,从产业链的角度来看,薄膜市场最主要的增长动力来自于新能源车与光伏、风电领域,而这些行业中国处于领先优势,产业链本土化是下游市场的重要考量。

因此,国内新能源上游薄膜电容厂商将持续受益于国内新能源市场带动,实现国产化替代,并实现全球化布局。

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