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功率半导体行业专题研究报告：光伏用IGBT市场研究1 市场需求：光伏装机量高速增长逆变器为光伏发电核心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。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%。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%。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。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%。2 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。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。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。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。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1的交流电源。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。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。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。3 投资机会：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。IDM：英飞凌公司提供的IGBT裸片是硅基的绝缘栅双极晶体管芯片，裸片和晶圆级别的芯片可帮助模块 制造商提高产品集成度和功率密度，并有效节约电路板空间。另外，英飞凌还提供完整的 IGBT单管，电流密度高且功耗低，能够提高能效、降低散热需求，从而有效降低整体系统 成本。 功率模块是比分立式IGBT规模稍大的产品类型，满足大功率应用的需求。英飞凌的产品覆 盖了几百瓦到几兆瓦的功率范围，性能、效率和使用寿命均很出色，有利于光伏逆变器的 设计。Fabless：VincotechVincotech是全球排名前十的IGBT模块供应商，在光伏领域，公司从英飞凌采购芯片后自行封 装，为集中式逆变器、单相组串式逆变器、三相组串式逆变器提供IGBT模块，在2015年 49GW光伏逆变器总出货装机市场中占比约为四分之一。NPC（中性点箝位式）拓扑结构仅可用于操作650V组件，可轻松实现更高级别的切换频率。 MNPC（混合电压中性点箝位式）拓扑结构在静电损失、超电压和故障处理方面更胜一筹。 NPC电路需要断开序列，在故障关机的情况下可保护组件不受超电压影响，但MNPC电路不需 要。两种拓扑结构的交叠点（效率VS.PWM频率）主要取决于所安装的组件。公司的NPC模块 采用最新的IGBT和Si组件，当频率高于8kHZ时，NPC模块的性能和成本效益更高。国内光伏IGBT产业链分布进口替代空间巨大。此前光伏逆变器领域使用的IGBT几乎都是进口品牌，但是海外供应商 的IGBT单管大面积缺货，光伏逆变器厂家生产非常紧张，转而选择国内有实力的供应商。 国内本土企业与客户联合研发，从源头设计定制的器件，使得光伏逆变器厂家降低生产成本 并且优化产品性能。Fabless：宏微科技2020年宏微科技的新能源行业收入为1866.8万元，占比仅为5.7%，随着光伏需求的不断 提升，未来成长空间广阔。 2020年2月，公司与某头部企业签订了关于光伏IGBT产品的合作协议，合同期限至 2025年12月31日。2020年华为、阳光能源、上能电气、古瑞瓦特等中国厂商在全球逆变 器市场份额已超50%。光伏逆变器对IGBT芯片的可靠性要求严格，公司产品获得头部企业 认可，有望进一步获取其他光伏逆变器公司入场券。芯片能承受的结温是175，VCE(sat)值乘以电流就是导通损耗，损耗越大，越容易达到 175 的结温。在相同损耗的情况下，VCE(sat)值越小，输出电流可以越大。 Eon指的是IGBT开通功耗，Eoff指的是IGBT关断所消耗的能量。 Ets（总开关功耗）Eon+Eoff。宏微科技第三代IGBT产品参数已经接近英飞凌，部分参数如饱和压降甚至优于英飞凌。 电流密度能够反应成本，密度越大，芯片可以做的越小，目前宏微科技的电流密度稍弱于 英飞凌。Fabless：新洁能司主要为 Fabless 模式，并向封装测试环节延伸产业链，在沟槽型功率 MOSFET、IGBT 等产品的设计研发方面拥有多项核心技术，细分产品型号约500余种。 公司利用沟槽栅场截止型IGBT技术（Trench Field Stop）理论，通过采用高密度器件结构 设计以及先进的超薄芯片加工工艺，推出全新一代Trench FS IGBT系列产品。 Trench FS IGBT系列产品通过优化载流子注入效率和载流子分布，显著降低器件饱和压 降和关断损耗，从而降低器件功耗，提升系统效率。近年来，我国新能源行业持续快速增长，在电网中占比日益提高，特别是“碳中和”成全 球共识，光伏/风力发电有望成为“碳中和”主力。IGBT、MOSFET 等的功率集成模块是 光伏/风力等大功率逆变器的核心器件，市场前景广阔。公司在原有 IGBT、MOSFET 等单 管的研发基础上延伸相关模块研发及产业化，有利于公司进一步抓住下游行业发展的契机， 并在光伏新能源及新能源汽车等新兴应用领域占据更大的市场份额。（报告来源：未来智库）IDM：扬杰科技公司是国内少数IDM厂商，产品线含盖分立器件芯片、整流器件、保护器件、MOSFET、功率 模块、碳化硅等，其中光伏二极管在全球的份额超过30%，产能已经超越了竞争对手。 凭借光伏二极管积累的优质客户资源以及自身的技术优势，公司的IGBT产品加速向光伏逆变 器厂商导入。公司产品的最大工作结温为175，具备低饱和压降，低开关损耗等特点。 产品采用超快速和软恢复特性的续流二极管，具备高短路电流能力（10us以上） 使用DBC结构的绝缘性散热底板。IDM：士兰微公司从集成电路芯片设计业务开始，逐步搭建了特色工艺的芯片制造平台，并已将技术和制 造平台延伸至功率器件、功率模块、MEMS传感器等封装领域，建立了较为完善的IDM（设 计与制造一体）经营模式。 公司采用场截止4Plus(Field Stop lV+）工艺、第五代场截止(Field Stop 5）工艺制作，具 有较低的导通损耗、开关损耗、高输入阻抗，开关速度快，产品应用于光伏，UPS以及PFC 等领域。报告节选：