20221年半导体行业分析报告(半导体行业发展前景)

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%。(报告来源:未来智库)

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1Φ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: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。

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:Vincotech

Vincotech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 Ⅱ IGBT系列产品。 Trench FS Ⅱ 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:

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