功率半导体行业专题研究报告:光伏用IGBT市场研究.docx
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1、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,20
2、13- 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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、,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
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