碳中和+国产替代，IGBT前景广阔

2022-01-05 10:01:25 编辑：双碳时间

本文来自：金融界

在“碳中和”背景下，大力发展清洁能源是大势所趋，光伏、风电在能源结构中的比重不断提高。 IGBT作为能量转换和传输的核心器件，广泛应用于新能源汽车、光伏、风电等领域。

在传统能源的消费端，IGBT在工业领域的应用可以有效降低功耗，有助于实现节能减排。 2021年，在我国光伏发电市场火爆的同时，海外大型光伏芯片厂商受疫情影响延长交货期，逆变器IGBT芯片供需矛盾凸显。未来，随着国产替代进程的开启，IGBT的需求及其本土化替代将迎来黄金发展期。

近日，开源证券电子团队发布了行业深度报告《功率半导体专题系列二：风能和太阳能发电与储能的广阔前景，IGBT深度受益行业深度报告》，为您提供一份深入分析“碳中和”背景下IGBT等功率半导体器件的产业发展机遇。

“碳中和”背景下，新能源发电与储能迎来发展机遇

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一、“碳中和”是全球共识，能源结构亟待改善

在气候恶化、全球变暖日益严重的今天，“碳中和”已成为全球共识。实现“碳中和”，采用新能源、改善能源结构是重要途径。目前，煤炭、石油、天然气等传统化石能源在全球能源结构中的比重仍然较高。世界主要经济体都对清洁能源和新能源的发展进行了规划和顶层设计。未来，以光伏、风电为主的可再生能源将实现快速发展。根据美国能源信息署（EIA）的数据，到2025年，可再生能源在全球能源消费中的比重将提高到28%，超过煤炭、天然气、石油等液态能源成为第一大能源。

可再生能源在全球能源消费结构中的占比有望继续提升

资料来源：环评

根据《中国能源革命进展报告（2020）》，2019年煤炭占我国一次能源消费总量的比重约为57.7%，比2015年下降6个百分点；石油占比约18.9%，略低于2015年。高0.6%；天然气占比约8.1%，增长2.2%；非化石能源占比约15.3%，增长3.2个百分点。风能、光能等非化石能源比重明显增加，与全球平均水平基本持平。

2019年石油在全球能源结构中占比最高

数据来源：《中国能源革命进展报告（2020）》，开元证券研究院

2019年煤炭在我国能源结构中占比最高

数据来源：《中国能源革命进展报告（2020）》，开元证券研究院

2、风电、光伏发电占比提升助推储能发展

随着新能源发电在整体能源结构中的比重不断提高，发电侧储能建设需求将实现快速增长。光伏、风电等新能源发电具有季节性、间歇性、波动性等不稳定因素。储能系统可以稳定、吸收和平滑新能源发电的输出。

在实际应用中，光伏发电的功率受太阳光的强度和角度的影响，而太阳光与气候、季节、地区有很强的相关性，甚至一天之内的变化也是极其明显和随机的。风力发电受风速影响较大，自然风不是恒定的，导致风力发电输出的电能具有间歇性特征。此外，风电具有逆向调峰的特点，即风电高发期为低负荷期，进一步增加了电网调峰的难度。

光伏发电随机性强

　　 Source: Rongtong Xinnengyun

风力发电具有逆调峰特性

　　 Source: Rongtong Xinnengyun

因此，光伏与风力发电系统和电池储能系统的并网可以合理安排电池的充放电、光伏电池的输出和风力发电机组的输出，从而达到并网供电最大化的目的。时间。

例如，针对光伏发电弃光问题，需要将白天产生的剩余电量储存起来供夜间放电，实现可再生能源的能源时移，提高风光利用效率。资源。对于风电来说，由于风电的不可预测性，风电出力波动较大，需要对其运行负荷进行监测，平滑出力。

储能系统实现光伏、风电间歇性能量时移

来源：索比光伏网

为此，我国各地方政府纷纷出台政策，对新能源发电项目配套储能建设提出要求，以解决新能源发电比重提高带来的上述问题。连接到电网。

国内各省对新能源发电项目配套储能建设提出要求

数据来源：北极星储能网、开元证券研究院

此外，储能系统还可用于输配电侧调峰调频，增加电网稳定性。在用户端，它可以用作备用电源。还可以削峰填谷实现电价套利，具有广阔的发展前景。

储能在发电侧、电网侧和用户侧发挥作用

资料来源：CIES

过去几年，中国和全球电化学储能累计装机容量增长迅速。未来，随着电池、转换器等核心部件成本的降低，以及对新能源发电储能配套装置要求的提高，储能装置的发展速度有望加快。推动。

全球电化学储能累计装机容量快速增长

资料来源：CNESA

国内电化学储能累计装机容量快速增长

资料来源：CNESA

逆变器/转换器市场大发展，IGBT受益深

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1、逆变器将发电终端接入电网，IGBT是核心半导体器件

光伏逆变器的作用是“直交”逆变器

光伏逆变器将光伏组件产生的直流电转化为交流电，并入交流输电网（或接入家用交流负载），以IGBT等功率器件为核心，实现逆变功能。

光伏逆变器将光伏组件产生的直流电转化为交流电

资料来源：中国先行

逆变器主要由半导体功率器件（和驱动器）和控制电路组成。逆变器的工作原理是通过功率半导体器件的高频开关将直流电能转换为交流电能。

逆变电路均采用具有开关特性的半导体功率器件（如IGBT、MOSFET等），控制电路周期性地向功率器件发送通断脉冲控制信号（如PWM脉宽调制信号）来控制各个功率装置依次导通和关断，再经变压器耦合升压或降压后，整形滤波输出符合要求的正弦波交流电源。

逆变器主要由控制电路和功率半导体器件组成

资料来源：全球电力资源

直流电经过电源开关装置整形后输出为交流电

资料来源：全球电力资源

以英飞凌的三相组串逆变器方案为例，电路可分为两部分。 Boost电路部分采用SiC MOSFET或IGBT的单管/模块方案对光伏板产生的电能进行升压。后续DC/AC逆变电路可根据情况选择SiC MOSFET或IGBT的单管/模块方案，将升压后的直流电逆变为交流电输入电网或连接负载。

英飞凌三相组串光伏逆变器采用的功率器件

资料来源：英飞凌

根据逆变器的应用场合，光伏逆变器可分为集中式逆变器、组串式逆变器和微型逆变器。

集中逆变技术是将几个并联的光伏组串连接到同一个集中逆变器的直流输入端，一般用于大型光伏电站。集中式逆变器的最大特点是系统功率大、成本低，但由于不同光伏组串的输出电压和电流往往不完全匹配，使用集中式逆变器会导致系统效率下降。逆变器过程。

组串逆变器基于模块化概念，每个光伏组串（1-5kW）通过一个逆变器，已成为国际市场上最受欢迎的逆变器。优点是不受组件差异和串间阴影的影响，同时减少了光伏组件最佳工作点与逆变器的失配，从而增加了发电量。这些技术优势不仅降低了系统成本，还增加了系统的可靠性。

在微逆变器的逆变系统中，每个电池板都连接一个微逆变器。当其中一块电池板工作不正常时，只有这一块会受到影响。

集中式逆变器比串式逆变器连接更多的光伏阵列

来源：索比光伏网

针对不同功率段的光伏发电场景，选用不同的逆变器。以英飞凌的方案为例，1.5kW以下的项目（户用光伏发电系统）使用微型逆变器； 1KW-6KW选用单相组串式逆变器（如中小型屋顶光伏发电系统、小型地面电站） 5KW-200KW选用三相组串式逆变器，项目选用集中式逆变器600KW以上（如大型电站、沙漠电站、地面电站等大型发电系统）。

近年来，组串式逆变器和集中式逆变器的价格逐渐上涨，并以多路MPPT（最大功率点跟踪）实现更高的发电效率，开始跃居大-规模地面电站市场。与集中式逆变器相比，组串式逆变器还可以更准确地识别每个组串故障，进行准确运维，大大提高效率。因此，未来串式逆变器的渗透率有望进一步提升。

2020年小功率三相逆变器占据主要市场份额

数据来源：IHS MARKIT、开元证券研究院

我国组串式逆变器普及率持续提升

数据来源：CIIA、开元证券研究院

对应IGBT的选用，通常微型逆变器和一些小功率串式逆变器采用IGBT单管和MOS分立器件作为功率开关；而大功率组串式逆变器和集中式逆变器设备则采用额定功率更高的IGBT或SiC MOSFET模块产品。随着IGBT单管设计和制造工艺水平的不断提高，其所能承受的电流和电压也越来越高。以前要求IGBT模块能胜任一些大功率的工作场景，现在IGBT单管也能很好的运行。因此，IGBT单管在光伏逆变器中的渗透率呈现整体上升趋势。

IGBT单管内单IGBT芯片

资料来源：英飞凌

多个IGBT芯片封装在IGBT模块中

资料来源：systemplus 咨询

风电变流器起到“AC-DC-AC”整流逆变的作用

风电变流器是风力发电机组的大型核心部件之一。将风力发电机产生的变压变频电能，经交直流转换后，转换为电压、频率稳定的电能，馈入电网。

风电变流器起到整流逆变的作用

资料来源：英飞凌

风电本身产生的电力是交流电，但由于风力发电具有很大的不稳定性，而且风速和设备本身会直接影响发电机的转动，所以需要通过风电变流器来组织电力：发电机产生幅值和频率不断变化的交流电，经机侧变流器整流为直流电，经直流支持电容器稳定后输送至网侧变流器。控制系统通过PWM矢量控制技术将直流电转换为频率和幅值稳定的交流电。 , 馈入网格。风电变流器的整流逆变过程也是通过IGBT等功率器件的高频开关来实现的。

风电变流器起到“AC-DC-AC”整流逆变的作用

资料来源：CYDIA

储能转换器充当双向逆变器

储能变流器（Power Conversion System—PCS）由DC-AC双向变流器、控制单元等组成。储能变流器的主要功能是系统根据监控指令进行恒功率或恒流控制，并进行充电或使电池放电。

储能变流器比光伏逆变器承担更多的作用，电能通过其传输的方向是双向的：储能变流器不仅参与光伏组件和公共电网的充电过程（AC-DC），还参与为家庭负载和电网供电的电池的电能调节过程（DC-AC）。

储能PCS在光伏储能系统电能双向流动中发挥作用

资料来源：TI

以户用光伏储能系统为例。当白天有充足的阳光时，光伏板会产生足够的电力来为家庭负载供电。同时，它还通过储能转换器为电池充电。若仍有剩余电量，可并网售电。 .当阳光不足时，光伏板和蓄电池同时为家庭负载供电。在夜谷电价时段，电网对电池进行补充。

储能转换器连接太阳能组件、电网、负载和电池

资料来源：德业股份

2、新能源发电和储能市场蓬勃发展，IGBT前景广阔

展望未来，“碳中和”业务将继续推进。光伏/风电等可再生能源和配套的电化学储能有望继续快速发展，这将显着拉动IGBT的市场需求。

基于以下核心假设，我们预测风电+光伏+储能市场对IGBT的需求将从2021年的86.7亿美元增长到2025年的182.5亿美元：

假设1：容量比为1.1；风电和光伏逆变器/转换器的实际需求是当年装机容量的1.2倍；

假设2：2025年全球风电、光伏新增装机容量分别为200/300GW；

假设3：2021年全球光伏和风电储能设施占比为6%，到2025年将升至27%；

假设4：2020年储能变流器的单位成本是光伏逆变器的2.5倍，到2025年将降低到2倍。

光伏、风电和储能对IGBT的需求有望继续增加

数据来源：国家能源局、北极星太阳能光伏网、开元证券研究院

我国光伏逆变器领先世界，引进国产IGBT势在必行

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1、国产IGBT在新能源领域渗透率低，多因素有望开启国产替代

光伏需求旺盛，海外芯片供应紧张，助推国产替代。 IGBT器件的性能直接影响到新能源发电的效率，因此客户对功率半导体的价格不那么敏感，对性能和可靠性的要求更高。以往，我国逆变器企业在器件选型时，往往首选性能更好、稳定性更好的国外IGBT产品。

2021年光伏发电市场将蓬勃发展。 2021年前三季度，我国光伏新增装机总量25.56GW，同比实现快速增长。光伏逆变器核心部件IGBT需求持续旺盛。但受疫情等因素影响，海外大型光伏芯片厂商交货期延长，逆变IGBT芯片供需矛盾凸显。因此，中国光伏逆变器企业加速采购国产IGBT。设备验证和导入工作。此外，受中美贸易摩擦等地缘政治事件影响，部分逆变器企业建立国内供应链体系的紧迫性日益凸显，正在加快引进国内核心元器件供应商。

2021年前三季度我国光伏新增装机同比增长较快

数据来源：国家能源局、开元证券研究院

分布式光伏大力推广，IGBT单管需求旺盛。从结构上看，2021年我国分布式光伏推进将非常迅速，2021年前三季度装机容量占比将达到64.19%。分布式光伏逆变器功率低，主要采用IGBT单管方案。因此，在需求快速增长的情况下，IGBT单管比IGBT模块更供不应求，国产替代的紧迫性更高。从技术上讲，IGBT单管的封装难度低于IGBT模块，制造商更容易掌握单管产品的性能指标和产品稳定性和一致性。因此，我国功率半导体企业整体将首先通过IGBT单管供电在光伏IGBT的替代上实现突破。

2021年9月，国家能源局发布了全县（市、区）屋顶分布式光伏发展试点名单，全国31个省、市、自治区共提交了676个试点项目。国家对全县推进光伏发电的政策支持，也将继续带动光伏IGBT单管的使用。海外大型电厂扩产普遍持谨慎态度。在不能保证供应的情况下，国内更换光伏IGBT势在必行。

2021年分布式光伏装机占比将大幅提升

数据来源：国家能源局、开元证券研究院

光伏补贴取消，全产业链有降本需求，国产设备凭借性价比优势有望继续渗透。 2021年是我国光伏产业正式开始实行平价上网的元年。新备案的集中式光伏电站、工商业分布式光伏项目、新批准的陆上风电项目不再享受财政补贴。未来，光伏产业将摆脱政府依赖。补贴状况。整个光伏产业链将面临更加市场化的竞争，各个环节对降低成本的要求更加迫切。 IGBT等功率半导体占光伏逆变器成本的15-20%。逆变器企业采用性价比更高的国产IGBT器件，将有效降低成本。

我国光伏发电标杆电价继续下跌

数据来源：国际太阳能光伏网、开元证券研究院

2、国内光伏逆变器厂商实力雄厚，为国产IGBT的不断引进提供土壤

我国光伏产业在政府补贴支持下取得了蓬勃发展，新增装机容量不断增加。目前，我国已经建立了完整的光伏产业链，在硅材料、硅片、组件、逆变器、整机等产业链各个环节都涌现出一批龙头企业。

我国拥有完整的光伏产业链

资料来源：各公司官网

我国企业在逆变环节实力雄厚，市场占有率全球领先，为引进国产IGBT等器件提供了坚实的土壤。 2020年全球十大光伏逆变器厂商中，中国企业占六家。其中，华为和阳光电源分别占据全球23%和19%的市场份额。因此，与海外企业相比，国内IGBT企业更有希望依靠本土供应优势，实现与逆变器客户的密切对接和持续服务，逐步提升渗透率，最终有望占据全球光伏逆变器的大部分份额。 IGBT 市场。

2020年我国光伏新增装机量将大幅增加