光伏逆變器是太陽能光伏系統(tǒng)的心臟。光伏逆變器將太陽電池發(fā)出的直流電轉(zhuǎn)化為符合電網(wǎng)電能質(zhì)量要求的交流電，并配合一般交流供電的設(shè)備使用。光伏逆變器的性能可以影響整個光伏系統(tǒng)的平穩(wěn)性、發(fā)電效率和使用年限。
IGBT是光伏逆變器的核心器件。光伏裝機容量的迅速提升驅(qū)動逆變器行業(yè)成長，同時為IGBT的高速發(fā)展提供動力。
政策激勵拉動逆變器出貨量提升。各國政府的各項激勵措施極大促進了光伏行業(yè)的發(fā)展，光伏逆變器的出貨量大幅提高。2020年全球光伏逆變器的出貨量達到185GW，2013-2020年間復合增速為24%。
存量替換需求持續(xù)。逆變器中IGBT等電子元器件使用年限一般為10-15年，而組件的運營周期是25年，所以逆變器在光伏組件的生命周期內(nèi)至少需要更換一次。據(jù)測算，2020年全球光伏逆變器的更替需求約為8.7GW，同比增長近40%。
資料來源：索比光伏網(wǎng)，北極星太陽能光伏網(wǎng)，方正證券研究所整理
歐洲、中東、非洲（EMEA地區(qū)）是光伏逆變器替換需求量[敏感詞]的地區(qū)。EMEA地區(qū)在2019年更換需求達到了3.4GW，占全球的54%，主要因為早期光伏裝機集中在了這些地區(qū)。
國內(nèi)光伏裝機容量增長，拉動逆變器需求。隨著市場對新能源的需求增長以及國家對光伏發(fā)電實施政策的引導，國內(nèi)光伏市場的裝機容量呈現(xiàn)大規(guī)模增長的態(tài)勢，大幅拉動光伏逆變器的需求。2019年中國光伏逆變器出貨量達83GW，在全球的市場份額達65%。
資料來源：北極星太陽能光伏網(wǎng)，固德威上市招股說明書，前瞻產(chǎn)業(yè)研究院，方正證券研究所整理
光伏發(fā)電直接產(chǎn)生直流電，經(jīng)光伏逆變器將直流轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟娮罱K并入電網(wǎng)。
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國產(chǎn)光伏逆變器廠商持續(xù)發(fā)力。2020年全球光伏逆變器市場出貨量達到185GW，華為、陽光能源和SMA市占率分別為23%、19%、7%，連續(xù)五年位列前三。華為、陽光能源、上能電氣、古瑞瓦特等中國廠商合計市場份額已超50%，成為全球光伏逆變器供應(yīng)主力。
歷年國內(nèi)主要光伏逆變器廠商出貨量（GW）：
資料來源：北極星太陽能光伏網(wǎng)，方正證券研究所整理
分布式光伏裝機占比提升。2016年以來，分布式發(fā)電發(fā)展迅速，累計裝機容量的市場份額持續(xù)提升，2019年我國分布式光伏發(fā)電累計裝機容量市場占比首次超過30%。
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組串式逆變器出貨量占據(jù)絕大多數(shù)市場。目前逆變器產(chǎn)品主要分為三類，即組串式逆變器、集中式逆變器和集散式逆變器。組串式逆變器由于其生產(chǎn)技術(shù)的進步，逆變器結(jié)構(gòu)有所優(yōu)化，大功率組串式逆變器的成本加速降低，組串式逆變器逐步替代集中式逆變器，2020年組串式逆變器市場出貨份額達到67%。
資料來源：前瞻經(jīng)濟學人，華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院，方正證券研究所整理
2019年固德威原材料采購金額達5.7億元，其中半導體器件類（主要為IGBT元器件）采購金額為6006萬元，占比10.6%，2021年上半年，固德威的原材料中，以IGBT為主的半導體器件占逆變器成本約10%~15%左右，金額達到為21,440.75萬元，占原材料采購總額的比例26.34%，隨著市場供需緊張，IGBT BOM占比有望提升。
相比于集中式逆變器，組串式逆變器毛利率更高。固德威的產(chǎn)品以組串式逆變器為主，相比其他三家公司來說平均毛利率較高，2020年毛利率為38%。
資料來源：固德威招股說明書，固德威2021年半年度報告，方正證券研究所整理
地面光伏系統(tǒng)的初始投資成本由組件、支架、逆變器、土地及建設(shè)等成本組成，其中組件的價格占比[敏感詞]，占整體初始成本的40.7%，集中式逆變器占比較小，僅為3%。
與地面光伏系統(tǒng)相比，分布式光伏系統(tǒng)大多建立在房屋上，因此減少了土地使用費用，增加了屋頂?shù)募庸毯妥赓U費用，并且組串式逆變器的成本占比高于集中式逆變器，達到5%。
資料來源：北極星太陽能光伏網(wǎng)，中國光伏行業(yè)協(xié)會，方正證券研究所整理
2020年，大型地面電站占比為67.8%，分布式電站占比為32.2%，其中戶用光伏可以占到分布式市場的65.2%左右。隨著2020年公布的競價項目和平價項目以及特高壓外送項目的逐步并網(wǎng)，預(yù)計2021年大型地面電站的裝機量占比將進一步上升。
2021年6月20日，國家能源局綜合司發(fā)布了《關(guān)于報送整縣（市、區(qū)）屋頂分布式光伏開發(fā)試點方案的通知》，指出開展整縣（市、區(qū)）推進屋頂分布式光伏建設(shè)，有利于整合資源實現(xiàn)集約開發(fā)，是加快推進屋頂分布式光伏發(fā)展的重要舉措，分布式項目仍將保持一定的市場份額。
資料來源：中國光伏行業(yè)協(xié)會，方正證券研究所整理
我國電站式光伏系統(tǒng)的初始全投資主要由組件、逆變器、支架、電纜、一次設(shè)備、二次設(shè)備等關(guān)鍵設(shè)備成本，以及土地費用、電網(wǎng)接入、建安、管理費用等部分構(gòu)成，其中逆變器等關(guān)鍵設(shè)備成本隨著技術(shù)進步和規(guī)模化效益，有一定下降空間。
2020年，我國電站式光伏系統(tǒng)的初始全投資成本為3.99元/W左右，預(yù)計2021年，隨著產(chǎn)業(yè)鏈各環(huán)節(jié)新建產(chǎn)能的逐步釋放，組件價格回歸合理水平，光伏系統(tǒng)初始全投資成本可下降至3.81元/W，其中集中式逆變器的成本占比達3%，約0.12元/W。
2020-2030年我國電站光伏系統(tǒng)初始全投資變化趨勢（單位：元/W）：
資料來源：中國光伏行業(yè)協(xié)會，方正證券研究所整理
我國分布式光伏系統(tǒng)的初始全投資主要由組件、逆變器、支架、電纜、建安費用、電網(wǎng)接入、屋頂租賃、屋頂加固以及一次設(shè)備、二次設(shè)備等部分構(gòu)成。其中一次設(shè)備包括箱變、開關(guān)箱以及預(yù)制艙。
2021年我國分布式光伏系統(tǒng)初始投資成本為3.24元/W，其中組串式逆變器的成本占比達到5%，約為0.18元/W。
2020-2030我國分布式光伏系統(tǒng)初始投資成本分布（單位：元/W）：
資料來源：中國光伏行業(yè)協(xié)會，方正證券研究所整理
各國政府從環(huán)境保護和能源可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的角度出發(fā)，紛紛制定政策鼓勵和支持太陽能光伏發(fā)電技術(shù)，光伏行業(yè)在全球迅速發(fā)展。2020年，全球新增光伏裝機容量127GW，同比增長10.43%，近5年的年均復合增長率達到19.10%，預(yù)計2025年全球光伏新增裝機量將超過270GW，樂觀情形下將達到330GW。
2011年以后，中國、日本、美國在太陽能光伏應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展迅速，成為驅(qū)動全球光伏應(yīng)用增長的主要動力。
2011-2025全球光伏新增裝機預(yù)測（GW)：
資料來源：中國光伏行業(yè)協(xié)會，固德威上市招股說明書，方正證券研究所整理
資料來源：華經(jīng)產(chǎn)業(yè)研究院，方正證券研究所測算，1GW=109W
采用功率場效應(yīng)管MOSFET構(gòu)成的推挽式逆變電路比較簡單，變壓器的中性抽頭接于電源正極，MOSFET的一端接于電源負極，交替工作最后輸出交流電力，但是帶感性負載的能力差，而且變壓器的效率也較低，因此應(yīng)用起來有一些條件限制。
采用絕緣柵雙極晶體管IGBT構(gòu)成的全橋逆變電路，其中Q1和Q2之間的相位相差180°，輸出交流電壓的值隨Q1和Q2的輸出變化而變化。Q3和Q4同時導通構(gòu)成續(xù)流回路，能夠承載的電壓更大，變壓器的效率也更高，因此采用IGBT構(gòu)成的逆變電路的應(yīng)用較為廣泛。
資料來源：海飛樂技術(shù)公司官網(wǎng)，方正證券研究所整理
光伏IGBT芯片的國產(chǎn)化難度高。工控外接負載電機，會有過載的情況發(fā)生，電流過載使得溫度升高，最終導致模塊失效，所以廠家在應(yīng)用IGBT模塊時留很大的余量，比如模塊的額定電流為100A，降等用40-50A。而光伏是將直流電逆變到交流電，再上傳到電網(wǎng)，它沒有過載，所以光伏逆變器的企業(yè)基本上把IGBT模塊用到[敏感詞]，所以光伏企業(yè)對IGBT芯片的可靠性要求高于工控領(lǐng)域。
資料來源：英飛凌官網(wǎng)，方正證券研究所整理
資料來源：英飛凌公司官網(wǎng)，方正證券研究所整理
集中式光伏逆變器只有DC到AC的拓撲結(jié)構(gòu)，功率大多是125千瓦起步。
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一只500千瓦的集中式光伏逆變器里面使用4只125千瓦的逆變器進行系統(tǒng)并聯(lián)，一只125千瓦里通常使用三個半橋的1200V 600A的IGBT模塊。
半橋模塊也稱為2 in 1模塊，可以直接構(gòu)成半橋電路。半橋模塊的電流/電壓規(guī)格指的均是其中的每一個模塊單元，如1200V 600A的半橋模塊，表示其中的2個IGBT管芯的電流/電壓規(guī)格都是1200V 600A，即C1和C2之間可以耐受[敏感詞]2400V的瞬間直流電壓。
一個半橋的1200V 600A的IGBT模塊內(nèi)部使用兩組IGBT芯片，每一組里面使用四顆150A芯片進行并聯(lián)，模塊內(nèi)共計使用八顆150A IGBT芯片。
組串式光伏逆變器在單個光伏(PV)電池板上轉(zhuǎn)換電源，單個光伏電池板的額定功率通常為400W。組串式光伏逆變器通?；趦杉壥诫娫崔D(zhuǎn)換。首先，DC-DC升壓電路將可變直流電壓轉(zhuǎn)換為固定直流電壓（通常為40V-60 V），同時，通過[敏感詞]功率點跟蹤技術(shù)（MPPT）從光伏板獲取能量（通常FSW=100 KHz）。接著在直流轉(zhuǎn)交流階段，逆變器將直流電源轉(zhuǎn)換成與電網(wǎng)兼容的1Φ的交流電源。
資料來源：安世半導體官網(wǎng)，新潔能官網(wǎng)，方正證券研究所整理
資料來源：英飛凌公司官網(wǎng)，貿(mào)澤電子官網(wǎng)，方正證券研究所整理
資料來源：英飛凌公司官網(wǎng)，方正證券研究所整理
相比集中式逆變器，組串式逆變器的結(jié)構(gòu)更為復雜，使用的IGBT數(shù)量更多。組串式逆變器進行并聯(lián)要控制諧振，否則可能造成大面積脫網(wǎng)現(xiàn)象。
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在DC-DC升壓階段可以使用模塊，也可以并聯(lián)多個單管，單管的數(shù)量根據(jù)器件的電流計算。假設(shè)電流為300A，可以使用4個75A的IGBT單器件或者6個50A的IGBT單器件進行并聯(lián)，后續(xù)DC-AC階段與集中式逆變器相同，大功率的采用三電平IGBT模塊。
資料來源：安世半導體官網(wǎng)，方正證券研究所整理
NPC拓撲最常用的有兩種結(jié)構(gòu)，“I”字型（也稱NPC1）和“T”字型（也稱NPC2、MNPC、TNPC、NPP等），由4個IGBT和兩個鉗位二極管組成。
ANPC結(jié)構(gòu)是基于“I”字型NPC結(jié)構(gòu)發(fā)展出來的一種改進型。NPC拓撲的損耗分布不均勻，會導致溫升不均衡，進而限制模塊的功率輸出能力。而ANPC結(jié)構(gòu)多了兩個開關(guān)管以及相應(yīng)的兩個中性點換流回路，可以更加靈活任意的配置開關(guān)管可以使損耗沒有那么的不均衡，一定程度上可以提高模塊的輸出功率。
逆變器的功率密度顯著提升。2020年集中式逆變器功率密度為1.16kW/kg，集中式電站用組串式逆變器功率密度為2.14kW/kg，單相戶用光伏逆變器功率密度為0.57kW/kg，三相戶用逆變器功率密度為1.00kW/kg。
集中式逆變器功率大于組串式逆變器。2020年，集中式逆變器單機功率為3125kW/臺，集中式電站用組串式逆變器單機功率為225kW/臺。戶用光伏逆變器單機功率，在220V電壓下為8kW/臺，在380V電壓下約15-20kW/臺。
逆變器功率密度及額定功率的提升，對IGBT模塊的需求量將提升。
海外企業(yè)良性循環(huán)：市占率越高，產(chǎn)品的反饋數(shù)據(jù)越多，積累的經(jīng)驗越多，產(chǎn)品越成熟，利潤體量越大，投入新一代研發(fā)也越多。2020年英飛凌在IGBT單管和模塊的市場份額均為首位，分別為29.3%/36.5%。
國內(nèi)企業(yè)發(fā)展受阻：貿(mào)易摩擦之前，由于產(chǎn)品長期得不到客戶使用，無法積累大規(guī)模量產(chǎn)情況下的數(shù)據(jù)，產(chǎn)品小批量出了問題也不知道如何解決。
資料來源：英飛凌官網(wǎng)，方正證券研究所整理
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