需求暴增的IGBT

半导体行业观察 · 半导体行业观察·2022-05-16 09:50

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来源:内容由半导体行业观察(ID:icbank) 转载自公众号驭势资本 谢谢。


光伏逆变器是太阳能光伏系统的心脏。 光伏逆变器将太阳电池发出的直流电转化为符合电网电能质量要求的交流电,并配合一般交流供电的设备使用。光伏逆变器的性能可以影响整个光伏系统的平稳性、发电效率和使用年限。

IGBT是光伏逆变器的核心器件。 光伏装机容量的迅速提升驱动逆变器行业成长,同时为IGBT的高速发展提供动力。

光伏发电原理:

资料来源:方正证券研究所整理

全球光伏逆变器
市场高速增长

政策激励拉动逆变器出货量提升。 各国政府的各项激励措施极大促进了光伏行业的发展,光伏逆变器的出货量大幅提高。2020年全球光伏逆变器的出货量达到185GW,2013-2020年间复合增速为24%。

存量替换需求持续。 逆变器中IGBT等电子元器件使用年限一般为10-15年,而组件的运营周期是25年,所以逆变器在光伏组件的生命周期内至少需要更换一次。据测算,2020年全球光伏逆变器的更替需求约为8.7GW,同比增长近40%。

全球光伏逆变器出货量(GW):


全球替换需求(GW):

资料来源:索比光伏网,北极星太阳能光伏网,方正证券研究所整理

中国是全球最大的
光伏逆变器市场

欧洲、中东、非洲(EMEA地区)是光伏逆变器替换需求量最大的地区。 EMEA地区在2019年更换需求达到了3.4GW,占全球的54%,主要因为早期光伏装机集中在了这些地区。

国内光伏装机容量增长,拉动逆变器需求。 随着市场对新能源的需求增长以及国家对光伏发电实施政策的引导,国内光伏市场的装机容量呈现大规模增长的态势,大幅拉动光伏逆变器的需求。2019年中国光伏逆变器出货量达83GW,在全球的市场份额达65%。

各地区替换需求占比:


中国光伏逆变器出货量(GW):

资料来源:北极星太阳能光伏网,固德威上市招股说明书,前瞻产业研究院,方正证券研究所整理

国产光伏逆变器厂商
为市场供应主力

光伏发电直接产生直流电,经光伏逆变器将直流转变为交流电最终并入电网。

  • 国产光伏逆变器厂商持续发力。 2020年全球光伏逆变器市场出货量达到185GW,华为、阳光能源和SMA市占率分别为23%、19%、7%,连续五年位列前三。华为、阳光能源、上能电气、古瑞瓦特等中国厂商合计市场份额已超50%,成为全球光伏逆变器供应主力。

2020年全球光伏逆变器市场出货格局:


历年国内主要光伏逆变器厂商出货量(GW):

资料来源:北极星太阳能光伏网,方正证券研究所整理

组串式逆变器逐步替代
集中式逆变器

分布式光伏装机占比提升。 2016年以来,分布式发电发展迅速,累计装机容量的市场份额持续提升,2019年我国分布式光伏发电累计装机容量市场占比首次超过30%。

  • 组串式逆变器出货量占据绝大多数市场。 目前逆变器产品主要分为三类,即组串式逆变器、集中式逆变器和集散式逆变器。组串式逆变器由于其生产技术的进步,逆变器结构有所优化,大功率组串式逆变器的成本加速降低,组串式逆变器逐步替代集中式逆变器,2020年组串式逆变器市场出货份额达到67%。

国内分布式装机占比提升:


逆变器出货量占比:

资料来源:前瞻经济学人,华经产业研究院,方正证券研究所整理

光伏逆变器
BOM成本

2019年固德威原材料采购金额达5.7亿元, 其中半导体器件类(主要为IGBT元器件)采购金额为6006万元,占比10.6%,2021年上半年,固德威的原材料中,以IGBT为主的半导体器件占逆变器成本约10%~15%左右,金额达到为21,440.75万元,占原材料采购总额的比例26.34%,随着市场供需紧张,IGBT BOM占比有望提升。

相比于集中式逆变器,组串式逆变器毛利率更高。 固德威的产品以组串式逆变器为主,相比其他三家公司来说平均毛利率较高,2020年毛利率为38%。

2019年固德威原材料采购构成:


国内主流光伏逆变器公司毛利率:

资料来源:固德威招股说明书,固德威2021年半年度报告,方正证券研究所整理

光伏系统初始投资
成本分布

地面光伏系统的初始投资成本由组件、支架、逆变器、土地及建设等成本组成, 其中组件的价格占比最高,占整体初始成本的40.7%,集中式逆变器占比较小,仅为3%。

与地面光伏系统相比, 分布式光伏系统大多建立在房屋上,因此减少了土地使用费用,增加了屋顶的加固和租赁费用,并且组串式逆变器的成本占比高于集中式逆变器,达到5%。

我国电站式光伏系统初始投资成本分布:


我国分布式光伏系统初始投资成本分布:

资料来源:北极星太阳能光伏网,中国光伏行业协会,方正证券研究所整理

电站式光伏迎来
发展热潮

2020年, 大型地面电站占比为67.8%,分布式电站占比为32.2%,其中户用光伏可以占到分布式市场的65.2%左右。随着2020年公布的竞价项目和平价项目以及特高压外送项目的逐步并网,预计2021年大型地面电站的装机量占比将进一步上升。

2021年6月20日, 国家能源局综合司发布了《关于报送整县(市、区)屋顶分布式光伏开发试点方案的通知》,指出开展整县(市、区)推进屋顶分布式光伏建设,有利于整合资源实现集约开发,是加快推进屋顶分布式光伏发展的重要举措,分布式项目仍将保持一定的市场份额。

不同类型光伏应用市场变化趋势:

资料来源:中国光伏行业协会,方正证券研究所整理

电站式光伏系统初始
投资成本分布

我国电站式光伏系统的初始全投资主要由 组件、逆变器、支架、电缆、一次设备、二次设备等关键设备成本,以及土地费用、电网接入、建安、管理费用等部分构成,其中逆变器等关键设备成本随着技术进步和规模化效益,有一定下降空间。

2020年, 我国电站式光伏系统的初始全投资成本为3.99元/W左右,预计2021年,随着产业链各环节新建产能的逐步释放,组件价格回归合理水平,光伏系统初始全投资成本可下降至3.81元/W,其中集中式逆变器的成本占比达3%,约0.12元/W。

2020-2030年我国电站光伏系统初始全投资变化趋势(单位:元/W):

资料来源:中国光伏行业协会,方正证券研究所整理

分布式光伏系统初始
投资成本分布

我国分布式光伏系统的初始全投资主要由 组件、逆变器、支架、电缆、建安费用、电网接入、屋顶租赁、屋顶加固以及一次设备、二次设备等部分构成。其中一次设备包括箱变、开关箱以及预制舱。

2021年我国分布式光伏系统初始投资成本 为3.24元/W,其中组串式逆变器的成本占比达到5%,约为0.18元/W。

2020-2030我国分布式光伏系统初始投资成本分布(单位:元/W):

资料来源:中国光伏行业协会,方正证券研究所整理

全球光伏装机量
持续向上

各国政府从环境保护和能源可持续发展战略的角度出发, 纷纷制定政策鼓励和支持太阳能光伏发电技术,光伏行业在全球迅速发展。2020年,全球新增光伏装机容量127GW,同比增长10.43%,近5年的年均复合增长率达到19.10%,预计2025年全球光伏新增装机量将超过270GW,乐观情形下将达到330GW。

2011年以后, 中国、日本、美国在太阳能光伏应用领域发展迅速,成为驱动全球光伏应用增长的主要动力。

2011-2025全球光伏新增装机预测(GW):


2019年全球光伏逆变器市场分布情况:

资料来源:中国光伏行业协会,固德威上市招股说明书,方正证券研究所整理

市场空间:光伏逆变器用IGBT市场测算




光伏IGBT市场
空间测算

资料来源:华经产业研究院,方正证券研究所测算,1GW=109W

行业趋势:IGBT单管与模块并存


逆变电路:IGBT VS
MOSFET

采用功率场效应管MOSFET构成的推挽式逆变电路比较简单, 变压器的中性抽头接于电源正极,MOSFET的一端接于电源负极,交替工作最后输出交流电力,但是带感性负载的能力差,而且变压器的效率也较低,因此应用起来有一些条件限制。

采用绝缘栅双极晶体管IGBT构成的全桥逆变电路, 其中Q1和Q2之间的相位相差180°,输出交流电压的值随Q1和Q2的输出变化而变化。Q3和Q4同时导通构成续流回路,能够承载的电压更大,变压器的效率也更高,因此采用IGBT构成的逆变电路的应用较为广泛。

MOSFET构成的逆变电路:


IGBT构成的逆变电路:

资料来源:海飞乐技术公司官网,方正证券研究所整理

光伏IGBT芯片的
可靠性要求高

光伏IGBT芯片的国产化难度高。 工控外接负载电机,会有过载的情况发生,电流过载使得温度升高,最终导致模块失效,所以厂家在应用IGBT模块时留很大的余量,比如模块的额定电流为100A,降等用40-50A。而光伏是将直流电逆变到交流电,再上传到电网,它没有过载,所以光伏逆变器的企业基本上把IGBT模块用到极致,所以光伏企业对IGBT芯片的可靠性要求高于工控领域。

工控电机过载线路图:

资料来源:电气工控自动化,方正证券研究所整理

光伏逆变器分类

资料来源:英飞凌官网,方正证券研究所整理

主流集中式逆变器
解决方案

资料来源:英飞凌公司官网,方正证券研究所整理

集中式逆变器
拓扑结构

集中式光伏逆变器只有DC到AC的拓扑结构,功率大多是125千瓦起步。

  • 一只500千瓦的集中式光伏逆变器里面使用4只125千瓦的逆变器进行系统并联, 一只125千瓦里通常使用三个半桥的1200V 600A的IGBT模块。

500千瓦集中式光伏逆变器工作原理:

资料来源:方正证券研究所

集中式逆变器
拓扑结构

半桥模块也称为2 in 1模块,可以直接构成半桥电路。 半桥模块的电流/电压规格指的均是其中的每一个模块单元,如1200V 600A的半桥模块,表示其中的2个IGBT管芯的电流/电压规格都是1200V 600A,即C1和C2之间可以耐受最高2400V的瞬间直流电压。

一个半桥的1200V 600A的IGBT模块内部使用两组IGBT芯片, 每一组里面使用四颗150A芯片进行并联,模块内共计使用八颗150A IGBT芯片。

1200V/600A半桥IGBT模块电路图示:

资料来源:电子发烧友,方正证券研究所整理

组串式逆变器
拓扑结构

组串式光伏逆变器在单个光伏(PV)电池板上转换电源,单个光伏电池板的额定功率通常为400W。 组串式光伏逆变器通常基于两级式电源转换。首先,DC-DC升压电路将可变直流电压转换为固定直流电压(通常为40V-60 V),同时,通过最大功率点跟踪技术(MPPT)从光伏板获取能量(通常FSW=100 KHz)。接着在直流转交流阶段,逆变器将直流电源转换成与电网兼容的1Φ的交流电源。

资料来源:安世半导体官网,新洁能官网,方正证券研究所整理

单相串联逆变器
解决方案

资料来源:英飞凌公司官网,贸泽电子官网,方正证券研究所整理

三相串联逆变器
解决方案

资料来源:英飞凌公司官网,方正证券研究所整理

组串式逆变器
拓扑结构

相比集中式逆变器,组串式逆变器的结构更为复杂,使用的IGBT数量更多。 组串式逆变器进行并联要控制谐振,否则可能造成大面积脱网现象。

  • 在DC-DC升压阶段可以使用模块,也可以并联多个单管,单管的数量根据器件的电流计算。 假设电流为300A,可以使用4个75A的IGBT单器件或者6个50A的IGBT单器件进行并联,后续DC-AC阶段与集中式逆变器相同,大功率的采用三电平IGBT模块。

资料来源:安世半导体官网,方正证券研究所整理

NPC三电平IGBT
拓扑结构

NPC拓扑最常用的有两种结构, “I”字型(也称NPC1)和“T”字型(也称NPC2、MNPC、TNPC、NPP等),由4个IGBT和两个钳位二极管组成。

ANPC结构是基于“I”字型NPC结构发展出来的一种改进型。 NPC拓扑的损耗分布不均匀,会导致温升不均衡,进而限制模块的功率输出能力。而ANPC结构多了两个开关管以及相应的两个中性点换流回路,可以更加灵活任意的配置开关管可以使损耗没有那么的不均衡,一定程度上可以提高模块的输出功率。

三电平拓扑结构:


IGBT模块需求量有望
持续提升

逆变器的功率密度显著提升。 2020年集中式逆变器功率密度为1.16kW/kg,集中式电站用组串式逆变器功率密度为2.14kW/kg,单相户用光伏逆变器功率密度为0.57kW/kg,三相户用逆变器功率密度为1.00kW/kg。

集中式逆变器功率大于组串式逆变器。 2020年,集中式逆变器单机功率为3125kW/台,集中式电站用组串式逆变器单机功率为225kW/台。户用光伏逆变器单机功率,在220V电压下为8kW/台,在380V电压下约15-20kW/台。

逆变器功率密度及额定功率的提升, 对IGBT模块的需求量将提升。

集中式电站用逆变器功率密度变化:


集中式电站用逆变器单机主流额定功率:


投资机会:国产替代正当时

全球IGBT竞争格局

海外企业良性循环: 市占率越高,产品的反馈数据越多,积累的经验越多,产品越成熟,利润体量越大,投入新一代研发也越多。2020年英飞凌在IGBT单管和模块的市场份额均为首位,分别为29.3%/36.5%。

国内企业发展受阻: 贸易摩擦之前,由于产品长期得不到客户使用,无法积累大规模量产情况下的数据,产品小批量出了问题也不知道如何解决。

2020年IGBT单管市场格局:


2020年IGBT模块市场格局:

资料来源:英飞凌官网,方正证券研究所整理


*免责声明:本文由作者原创。文章内容系作者个人观点,半导体行业观察转载仅为了传达一种不同的观点,不代表半导体行业观察对该观点赞同或支持,如果有任何异议,欢迎联系半导体行业观察。


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