电子元器件：光伏发电驱动功率半导体需求，SIC器件渗透率有望持续提升
国内厂商作为全球光伏逆变器行业领军者，为碳化硅器件国产化提供便利条件：近年来光伏逆变器市场格局发生巨大变化，国内逆变器厂商从追随者转变为领军者。根据伍德麦肯兹数据，2020年在全球逆变器出货排名前十中，有六家来自中国的供应商，分别是华为、阳光电源、古瑞瓦特、锦浪科技、上能电气和固德威。华为逆变器出货量占全球的23%，位列第一；阳光电源的出货量占全球的19%，位列第二。 据Wood Mackenzie数据，华为和阳光电源均已累计出货超过100GW，逐渐走向领军地位。碳化硅功率器件是光伏逆变器中的关键部件，价值量占比较高，国内光伏逆变器市场的发展将带来碳化硅器件需求增长。 采用碳化硅方案可有效提高光伏逆变器转换效率、提升功率密度、减少重量和体积:碳化硅光电性能优越，SiC的带隙宽度大约是硅的3倍，其导热率为硅的3.3倍，宽禁带使得其可在高温环境下稳定运行，较高的导热系数意味着碳化硅的器件可以缩小冷却结构，减小系统重量和体积，如碳化硅二极管在开通过程中可基本实现零正向恢复电压，在关断过程中没有过剩载流子复合过程，可以减小逆变器恢复损耗、提高开关效率。根据产业调研，采用碳化硅方案的光伏逆变器，整体系统效率可提升1%-2%左右，能量损耗降低50%以上，体积和重量减少40%～60％左右，大幅降低系统度电成本及安装维护成本。 现阶段主要采用硅基IGBT+碳化硅SBD方案，碳化硅成本下降空间大，未来5年有望在光伏领域渗透率加速提升：碳化硅MOS方案能够明显提升发电效率，但由于目前碳化硅模块价格仍为硅基IGBT的3-4倍，成本高昂，现阶段业内多采用硅基IGBT+碳化硅SBD混合方案，以SiC SBD替换FRD来降低恢复损耗、提高电源效率。根据各光伏逆变器龙头公司官网，国际大厂纷纷布局碳化硅方案，如英飞凌、安森美、富士电机等国际大厂已经实现了规模化应用，国内阳光电源也在2014年推出第一款采用SiC MOSFET器件的光伏逆变器，并于2017年规模化应用。随着碳化硅生产技术的成熟，碳化硅成本将进一步下降，采用碳化硅方案提升转换效率所创造的价值将抵消碳化硅成本，提高碳化硅在光伏领域的渗透率。据产业调研，随着碳化硅成本的下降，2025年SiC在光伏逆变器领域的渗透率有望达30%-50%，我们预计其在光伏及储能领域有近七十亿级别市场，前景广阔。 相关标的：建议关注斯达半导、时代电气、新洁能、扬杰科技、宏微科技、三安光电、天岳先进、露笑科技、凤凰光学。 风险提示：SiC技术难度大，产品研发不及预期风险；相关扩产项目不及预期风险；SiC成本高居不下，渗透率不及预期风险。 1.SiC：第三代半导体材料，光伏逆变器应用需求前景广阔 1.1.光伏逆变器：光伏发电的核心器件 光伏逆变器的主要功能为将太阳电池组件产生的直流电转化为交流电，并入电网或供负载使用。光伏逆变器主要由输入滤波电路、DC/DC MPPT电路、DC/AC逆变电路、输出滤波电路、核心控制单元电路组成。光伏逆变器是实现光伏并网的关键技术，太阳能电池组件所发的电需要通过逆变器的处理才能对外输出，此外光伏逆变器还能够实现与电网的交互，使光伏发电系统能获得最大输出效率，并能够判断及处理光伏系统故障。 图1：光伏逆变器基本结构 光伏逆变器根据技术路径不同可分为集中式逆变器、组串式逆变器和微型逆变器。集中式逆变器是将很多并行的光伏组串连到同一台集中逆变器的直流输入端，完成最大功率峰值跟踪以后，再经过逆变后并入电网。集中式逆变器单体容量通常在500kW以上，单体功率高、成本低、电能质量高，但最大功率跟踪电压范围较窄、组件配臵灵活性较低、发电时间短，需要与光伏组串实现良好的匹配性，一旦出现多云、部分遮阴或单个组串故障，将影响整个光伏系统的效率和电产能。集中式逆变器主要适用于光照均匀的集中性地面大型光伏电站等。 图2：集中式逆变器方案示意图 组串式逆变器是对几组（一般为1-4组）光伏组串进行最大功率峰值跟踪后再逆变并入交流电网，一台组串式逆变器可以有多个最大功率峰值跟踪模块。组串式逆变器的单体容量一般在100kW以下，体积小、重量轻，其优点是不同的最大功率峰值跟踪模块的组串间可以有电压和电流的不匹配，当有一块组件发生故障或者被阴影遮挡，只会影响其对应的最大功率峰值跟踪模块少数几个组串发电量，对系统整体没有影响。组串式逆变器主要应用于分布式光伏发电系统。 图3：组串式逆变器方案示意图 微型逆变器是对每块光伏组件进行单独的最大功率峰值跟踪，再经过逆变以后并入交流电网。 微型逆变器的单体容量一般在1kW以下，其优点是可以对每块组件进行独立的最大功率跟踪控制，相比集中式逆变器和组串式逆变器，在部分遮阴或者组件性能差异的情况下能获得更高的整体效率。 图4：微型逆变器方案示意图 表1：集中式逆变器、组串式逆变器、微型逆变器对比 目前市场中主要以集中式逆变器和组串式逆变器为主，集中式逆变器原占比最高，近年来随着技术的不断进步，组串式逆变器成本迅速下降，逐渐接近于集中式逆变器成本，市场份额得到进一步提升。根据GTM Research调研报告，2015-2019年全球逆变器市场中组串式逆变器占比呈现不断上升的趋势。 图5：2015-2019全球逆变器销量分类占比趋势 光伏逆变器根据输出交流电压的相数，可分为单相逆变器和三相逆变器；根据应用在并网发电系统或离网发电系统中，可分为并网逆变器和离网逆变器；根据是否含有隔离变压器，可分为隔离型逆变器和非隔离型逆变器，其中隔离型逆变器可以根据工作频率分为工频和高频两种，非隔离型逆变器根据构成不同可以分为单级和多级两种。 表2：光伏逆变器其他分类方式 1.2.储能逆变器：储能行业中的关键器件 储能是能源革命的重要环节，日益受到广泛关注。储能可以起到削峰填谷，提高风、光等可再生能源的消纳水平，基于化石能源的不可再生性，储能对全球能源转型至关重要。随着储能成本的逐年下降，技术不断进步，储能在全球范围内越来越受到重视。 储能逆变器能够实现储存和输出电能的双向过程，是储能行业中的关键器件。在阳光充足的情况下，光伏所发的电能优先供本地负载使用，多余的能量存储到蓄电池，电能仍有富余时可选择性并入电网；当光伏所发电能不足时，蓄电池放电提供电能供本地负载使用。储能逆变器集成了光伏并网发电和储能电站的功能，通过波谷储存电能，波峰输出电能，可以克服光伏组件受天气变化发电不稳定的缺点，提高电网品质和电网利用率。 光伏储能逆变器根据是否与电网连通分为并网型光伏储能和离网型光伏储能，其中以并网型光伏储能为主。在并网应用上，根据储能系统所处发、输、配、用不同环节，可以分为发电侧储能、配电侧储能和用电侧储能。发电侧储能主要解决可再生能源并网发电的波动性和消纳问题，配电侧储能则主要实现调峰调频功能，发电侧和配电侧储能系统应用通常具有容量大、占地面积大、投资成本高等特点，主要应用于大型集中式地面电站和电网变电站等领域。 用电侧光伏储能可分为户用光伏储能和工商业光伏储能，主要用于提升发电收益、降低用电成本。近年来用电侧光伏储能系统的安装呈上升趋势，未来随着储能电池价格的下降，上述进程将逐步加快。 图6：分布式光伏储能逆变器应用示意图 1.3.目前光伏逆变器主要采用硅基IGBT方案 IGBT广泛应用于光伏逆变器中，占逆变器价值量的20%-30%。以往光伏逆变器中的功率器件一般采用MOSFET，而MOSFET的通态电阻会随着电压的升高而增大，增加开关损耗，逐渐不适合使用于高压大容量的系统中。IGBT因其通态电流大、耐高压、电压驱动等优良特性，在中、高压容量的系统中更具优势，目前已逐渐取代MOSFET作为光伏逆变器和风力发电逆变器的核心器件。 光伏逆变器不同应用场景，选择IGBT单管或IGBT模块方案。单台集中式光伏逆变器的功率范围通常为600-1000kW，将多台光伏逆变器并联后，功率可达3000kW，由于其功率较高，多采用IGBT模块。单相组串逆变器额定功率一般低于15kW，大多使用IGBT单管； 三相组串式逆变器额定功率范围广，单台功率为5-200kW，需要根据具体情况选择IGBT单管或模块；微型逆变器的主要应用场景为小功率、组件级别的分布式光伏发电场景，功率一般为1kW以下，通常采用IGBT单管方案。 光伏逆变器中，IGBT需要和快恢复二极管配合使用。由于大多数负载呈感性，在IGBT关断瞬间会产生较高的反向电压，有可能击穿IGBT，通过将IGBT与二极管并联，可以为感性负载提供续流回路，从而起到保护IGBT的作用。由于普通PN结二极管电荷存储效应的存在，在N区积累的空穴和在P区积累的电子在反向电压作用下移动和返回需要时间，产生反向恢复时间（trr），这在一定程度上会带来反向恢复损耗、影响开关频率。快恢复二极管（FRD）的内部结构是在P型硅材料与N型硅材料之间加入一层低掺杂的本征半导体层（基区I）构成PIN结型二极管，由于基区很薄，反向恢复电荷很小，能够大大减少反向恢复时间、提高开关速度，另一方面可降低瞬间正向压降、提高反向击穿电压。FRD还存在软恢复的特性，能够减少电流震荡和电磁干扰，并能起到迅速转换导通与截止的作用，可提高元器件使用频率并平稳电流。 图7：感性负载中IGBT与FRD并联 随着对IGBT开关速度、功耗、可靠性等性能要求的提升，IGBT与FRD匹配技术有助于降低能耗、增加系统的稳定性与可靠性并减少射频和电磁干扰。此外，通过合理设计IGBT芯片结构与FRD的技术参数，有助于降低IGBT模块正向导通压降、减少开关损耗、形成更好的动态抗冲击性。 1.4.光伏逆变器行业国内企业市场份额持续提升 近年来光伏逆变器市场格局发生巨大变化，国内厂商的市场份额不断提升。2009年全球逆变器市场主要被SMA、Fronius、Kaco、ABB、Schneider等欧洲厂商占据，根据Wood Mackenzie数据，2020年在全球逆变器出货排名前十中，有六家来自中国的供应商，分别是华为、阳光电源、古瑞瓦特、锦浪科技、上能电气和固德威，合计占据60%市场份额。此外，特变电工、首航新能源和科华数据三家中国企业也进入了排名前二十。据Wood Mackenzie数据，华为和阳光电源均已累计出货超过100GW，逐渐走向领军地位。 图8：2020年全球光伏逆变器出货量份额情况 2.碳化硅物理特性优良，满足光伏逆变器对高效率、高功率密度、高可靠性的要求 2.1.光伏逆变器向高效率、高功率密度、高可靠性等方向发展 为降低用电成本，光伏逆变器需不断提高运行效率。2019年国家发改委、能源局推出光伏发电无补贴平价上网的政策，国内光伏市场的平价上网序幕拉开。用户侧平价的实现要求光伏发电成本低于售电价格，根据光伏十三五规划，2020年电价为2015年的50%以下。另一方面，国内外光伏逆变器企业竞争激烈，国内逆变器企业在产品、技术和解决方案都已逐渐赶超国外。若国内企业开拓海外市场并保持领军地位，需大幅度降低系统度电成本，增强自身技术优势，高效发电是未来光伏逆变器的发展方向。 光伏逆变器生命周期短于光伏组件，需持续提高使用寿命和可靠性。目前光伏组件的使用寿命一般在25年左右，而光伏逆变器的使用寿命为10年左右。未来，光伏逆变器将致力于降低逆变器故障率，从而延长逆变器寿命、提高光伏系统的整体使用时间，以减少替换光伏逆变器的成本并降低系统全生命周期内每一度电的单位成本。 光伏逆变器需提高功率密度，减少体积和重量，以降低安装和维护成本。设备功率密度的提升可推动设备模块化设计，使设备间的通用标准接口能实现无障碍互联，并在不同场景内自由搭配，关键器件的模块化使设备维修能通过插拔替换完成，免去了专家维护，降低了运维成本。功率密度的提高还可减少体积和重量，便于安装人员维护。 表3：现阶段主流逆变器产品相关参数 2.2.碳化硅可有效提升光伏逆变器性能 碳化硅二极管恢复损耗小且不易受到电流、温度影响，可提高光伏逆变器发电效率。Si基PN结功率二极管在从关断状态到正向导通状态的
