2022年功率器件行业之新能源拉动新一轮增长报告

1、2022年功率器件行业之新能源拉动新一轮增长报告1. 功率器件供需紧张，风光储拉动新一轮增长1.1. 功率器件交期保持紧张，新能源车功率器件需求旺盛使得海外大厂供 不应求海外大厂功率器件交期保持紧张。根据全球电子元器件代理公司富昌电子发 布的电子产品交期数据，主要海外厂商的功率器件产品交期自 21Q2 开始拉长， 并在 22Q1 进一步升高。目前 IGBT 和主流的 MOSFET 产品交期接近 50 周，反 映海外大厂的功率器件供应十分紧张。新能源车渗透率、单车功率器件价值量的提升将共同推动车用功率器件市场 快速增长。我国新能源车渗透率持续攀升，并在 2022 年 4 月达到汽车产量的 26%

2、。 虽然疫情短期对汽车整体产量造成冲击，但预计疫情缓解后，新能源汽车产量将 重拾增长。根据英飞凌的预测，2021 年纯电动汽车中半导体含量会比传统燃油车 增长 460$（增长近一倍），而其中绝大部分增量是功率半导体。新能源车市场的 发展，加上单车功率器件用量提升，预计将推动车用功率器件需求量快速增长。 功率器件大厂产能供不应求。根据英飞凌数据，其 2022Q1 的积压订单金额 环比增长 19%到 370 亿欧元。英飞凌高管指出，这些订单当中超过五成是汽车相 关产品，75%的订单在未来 12 个月内才能交货；目前积压订单远超出英飞凌的交 付能力。1.2. 全球碳中和打开风光储成长空间全球“碳中和

3、”使风光储装机量有巨大增长空间。根据 IEA 的统计，截至 2021 年 9 月，全球有 53 个国家，以及欧盟已经做出到 2050 年要达到二氧化碳净零排 放的承诺。这些国家加起来占据全球 GDP 和二氧化碳排放量的 60-70%。随着这 些国家以及其他国家做出减少排放的努力，预计风电、光伏、储能（统称为“风 光储”）的装机量会迅猛增长。英飞凌预计，在 IEA 可持续发展情景假设下（2070 年全球达到二氧化碳净零排放），20212030 年的风光储年均装机增量分别为 110、 240、22GW；在 IEA 2050 年全球达到净零排放的情景假设下，20212030 年的 风光储年均装机增量

4、分别为 240、420、33GW，分别较 2020 年新增装机量大幅 增长 2.1、3.1、6.6 倍。中国碳达峰、碳中和行动也将促进风光储需求增长。我国政府在 2021 年做 出指导意见，目标在 2030 年中国非化石能源消费比重达到 25%左右，风电、太 阳能发电总装机容量达到 12 亿千瓦以上，实现二氧化碳排放量达到峰值；在 2060 年非化石能源消费比重达到 80%以上，顺利实现碳中和目标。根据国家能源局数 据，2021 年风电和光伏的累计装机量分别为 3.3、3.1 亿千瓦。按照国家对 2030 年风电和光伏总装机容量的目标，则 20212030 年的复合增速在 7%以上。预计 在我

5、国实现碳达峰、碳中和过程中，风光储装机量将有很大增长潜力。1.3. 光伏市场继续快速成长中国和全球的光伏新增装机量保持快速增长。根据中国光伏行业协会（CPIA） 数据，2021 年，中国光伏新增装机 54.88GW，同比增长 14%，而全球光伏新增 装机 170GW，同比增长 25%。对于 2022 年中国光伏新增装机量，CPIA 预测将 达 7590GW（对应同比增长 37%64%），而中国电力企业联合会预计 2022 年 我国光伏新增装机量约 90GW。CPIA 预测 2022 年全球光伏新增装机量将达 195240GW，对应同比增长 15%41%。行业协会的预测值显示我国和全球光伏 新增

6、光伏装机量将保持较快增长。集中式、分布式光伏并行发展。目前光伏发电系统按照电站安装位置可以分 为集中式光伏和分布式光伏，其中集中式光伏一般指建于荒漠地区、接入高压输 电系统实现远距离供电的大型光伏电站，而分布式光伏一般指建于建筑屋顶等场 地的光伏发电项目。在光伏发展早期，因为发电系统成本较高，具有集约化效应 的集中式光伏发电效益更好（单瓦发电成本低于组串式光伏），从而首先得到快速 发展。随着光伏发电成本的下降，以及光伏平价上网的实现，分布式光伏系统也 开始迅猛发展。2021 年，中国分布式光伏新增装机量占比达到 53%，占比首次 超过集中式光伏。1.4. 风电稳健增长，储能预计迎来爆发风电新增

7、装机在 2022 年预计恢复稳健增长。2020 年，我国受到风电并网补 贴即将结束的刺激，出现了一次风电抢装潮，带来了 2020 年我国及全球风电新 增装机量迅猛增长，并影响到 2021 年的装机增速。不过从 20182021 年来看， 中国风电新增装机量的复合增速为32%，全球为23%，均保持了较高增速。22Q1， 我国风电新增装机量达到 7.9GW，同比+50%，显示风电装机恢复快速增长。展 望未来，GWEC预计2021年到2026年全球风电新增装机将有6.6%的复合增长。以锂离子电池为主的新型储能市场在快速发展。根据CNESA统计，截至2021 年底，全球已投运电力储能项目累计装机量为

8、209GW，其中新型储能（包括电化 学储能、飞轮储能、压缩空气储能）的累计装机量为 25GW，同比增长 68%。在 新型储能中，锂离子电池占据绝对主导地位，市场份额超过 90%。2000-2020 年， 全球新型储能占整体储能累计装机的比例为 7.9%，而 2000-2021 年该比例提升 到 12.2%。新型储能市场在锂离子电池储能的带动下快速发展。新型储能市场预计迎来高速增长。国务院在 2021 年印发2030 年前碳达峰 行动方案，提出到 2025 年，新型储能装机容量达到 30GW 以上。根据 CNESA 统计，2021 年我国新型储能累计装机在 5.7GW，即意味着 20222025

9、 年的年均 新增装机量要达到 6.1GW 以上，是 2021 年新增装机（2.5GW）的 2.5 倍。CNESA 预计 2025 年我国新型储能累计装机保守预测规模在 35.5GW，而乐观预测规模将 达到 55.9GW，是 2021 年规模的近 10 倍。除了政策推动，风电和光伏发展也会 带来一些配套的储能需求，这也将是储能装机成长的另一个推动力。2. 风光储打开功率器件成长新空间2.1. 逆变器是实现交直流转换的核心器件光伏逆变器是光伏发电系统主要部件之一。光伏系统一般由光伏组件、逆变 器、其他配电设备等组成。光伏逆变器主要的功能是把组件所产生的直流电转化 成交流电，并跟踪光伏阵列的最大输出

10、功率，将其能量以最小的变换损耗、最佳 的电能质量并入电网。光伏逆变器主要由输入滤波电路、最大功率点跟踪（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。MPPT 电路通 过控制太阳能电池阵列的输出电压或电流，使太阳能电池阵列始终工作在最大功 率点上。集中式和组串式逆变器是目前主流产品。光伏逆变器一般可以按照技术路线 及功率水平分为集中式逆变器、集散式逆变器、组串式逆变器以及微型逆变器。 目前市场主要以集中式逆变器和组串式逆变器为主。逆变器又可根据输出交流电 压的相数，进一步分为单相逆变器和三相逆变器。 不同逆变器有不同的适用功率和发电成本。集中式逆变器是将汇总后的直

11、流 电转变为交流电，功率相对较大，且系统单瓦成本最低。组串式逆变器是将组件 产生的直流电直接转变为交流电再进行汇总，功率相对较小，但成本都处于适中 位置。微型逆变器对应的光伏组件数量最少，优势是低压、安装灵活，但系统成 本也最高。2.2. 光伏逆变器带动功率器件全面发展根据不同的电压、功率要求，光伏逆变器中可以使用不同的功率器件实现直 流到交流的逆变功能。目前主要使用的功率器件包括 IGBT 模块、IGBT 单管、SiC MOSFET、硅基 MOSFET 等。根据英飞凌的光伏逆变器功率器件解决方案，不 同功率段逆变器推荐的功率器件方案如下：在 250kW 以上功率的逆变器中，推荐使用 IGBT

12、 模块； 在 30200kW 功率范围的逆变器中，推荐使用 IGBT 模块，也可以使用 SiC MOSFET 模块，以及分立方案（IGBT 单管或 SiC MOSFET）； 在 30kW 以下功率的逆变器中，分立方案占主流，并依据电压的不同， 可以选用 IGBT 单管、SiC MOSFET 或者其他硅基 MOSFET。功率器件预计占逆变器成本的 10%15%。逆变器成本结构包括结构件、功 率器件（IGBT 为主）、IC、被动元器件、PCB 板等。参考固德威和锦浪科技过去 几年的成本结构可以看到，功率器件占公司整体原材料采购的比例为10%15%。 20172020 年，逆变器占固德威、锦浪科技收

13、入比例在 90%以上，所以我们预计 功率器件占逆变器原材料成本比例也在 10%15%。2.3. 风电变流器风电装机大容量化，带动高压 IGBT 和 IGCT 发展变流器是风电系统的核心部件之一，实现“交流-直流-交流”的转换。风力 发电的原理风叶转动带动发电机发出交流电，但由于风力发电有很大的不稳定性， 且风速和设备本身等都会直接影响发电机转动，因此需要使用整流器将交流电整 流为直流电，然后把直流电再逆变为固定频率的交流电，最后再升压并网。风电 系统中涵盖整流、逆变功能的核心部件就是变流器。风电变流器主要有双馈式和全功率式两种类型。双馈变流器配套双馈发电机 使用，而全功率变流器配套永磁、电励磁

14、同步发动机或者高速异步发电机使用。 具体差别为：双馈发电系统中，发电机的电功率一部分直接经定子馈送到电网，另外 一部分由转子经变流器馈送到电网，故其中的变流器称为双馈变流器。 双馈发电系统中，风轮直接或通过升速齿轮箱与发电机主轴连接，具备 转速调节范围大，变频器所需容量小，成本低的优势，但劣势是齿轮箱 会带来后期故障和维护成本。全功率变流器主要用于直驱或半直驱式同步风力发电机系统，风轮直接与发电机主轴连接。因发电机所有的发电功率需要经变流器馈送到电网， 故这里的变流器被称为全功率变流器。全功率变流器具有效率高、节省 齿轮箱的优势，但其整体体积大，且变频器容量大、成本贵，使得目前 全功率变流器成

15、本较双馈变流器要高。风电变流器销售单价稳中有降。参考禾望电气和日风电气披露的风电变流器 销售单价变化可以看到近年来变流器价格随着技术改进有一定下降。由于全功率 变流器的变频器容量较同功率的双馈变流器大，所以全功率变流器销售价格一般 较双馈型要贵。日风电气 4.0MW 的产品以全功率为主，所以根据其 2020 年的销 售单价，我们估计全功率变流器价格较双馈型贵 40%左右。风机平均装机容量持续提升带来对高压功率器件需求增长。由于大容量风机 可以减少风机数量，降低运营和维护成本，所以新增风电装机平均容量在持续增 大。2020 年，我国海上风电平均装机容量在 4.9GW，而陆上风电平均装机容量 在

16、2.6GW。2020 年，我国 5MW 以上的新增风电装机占比在 3.9%，而我们预计 未来大容量风机占比将继续提升。大容量风机也将带动高压功率器件需求增长。功率器件占风电变流器成本比例在 15%20%。20142016 年，禾望电气的 营收中风电变流器占比达到 80%左右，而这段时间，功率器件在其采购成本中占 比达到 15%20%。另外，根据日风电气的披露数据，其 20182020 年的主要 IGBT 采购额占原材料采购总成本在 14%22%。综合来看，我们预计目前以 IGBT 为主 的功率器件占风电变流器成本比例在 15%20%。变流器中功率器件以 IGBT 为主，而 IGCT 在 5MW

17、 以上变流器中逐步得到 推广。目前风电变流器的电压等级主要为 690V、900V、1140V 以及 3300V。由 于同等功率下，电压越大时电流就越小，从而可以降低电路损耗以及电缆等成本， 所以风电变流器有往高电压等级发展的趋势。从禾望电气、日风电气等变流器厂 商的原材料采购情况看，目前风电变流器应用最广泛的开关器件为 IGBT 模块， 而随着变流器容量的增加，IGCT 逐步得到推广应用。IGCT 是在 GTO 器件上的 改进，其较 IGBT 有更高的耐受电压和可靠性，适合用于高压大功率场景。目前 针对 5MW 以上容量场景，ABB、西门子、禾望电气等厂商都推出了搭载 IGCT 器件的变流器。

18、根据禾望电气 2019 年的数据，在 3300V 变流器中，IGCT 约占 变流器成本的 50%，反映在高功率容量变流器中功率器件成本占比要明显高于普 通变流器中 IGBT 的成本占比。2.4. 储能变流器与光伏逆变器结构相似，打开功率器件成长新空间储能变流器根据应用有不同产品形态。按照应用场景和容量大小，储能变流 器可以分为光伏储能混合式变流器、小功率储能变流器、中功率储能变流器、集 中式储能变流器等。一般来说光伏储能混合式、小功率储能变流器应用于户用和 工商业场景，可以将光伏发电先供本地负载使用，多余的能量存储到蓄电池，在 电能仍有富余的情况下可选择性并入电网。中功率、集中式储能变流器可以

19、实现 更高输出功率，应用于工商业、电站、大型电网等场景中，实现削峰填谷、调峰/ 调频等功能。储能变流器预计占储能系统价格比例 15%左右。小功率的储能变流器与光伏 逆变器结构相似，也都使用如 IGBT、PCB、被动元器件等零部件，不过会在逆变 电路上再加上整流电路，以实现双向充放电。大功率的储能变流器一般是作为一 个储能系统的组成部分，其他部分还有电池、电池管理系统、能量管理系统和其 他电气设备。一般来说，电池在储能系统成本中占比最大，然后再是储能变流器。 根据上能电气披露的数据，2021 年行业内储能系统中标均价在 1.48 元/Wh。按照 上能电气 2021 年储能产品均价 0.23 元计

20、算，则储能变流器占储能系统价格比例 在 15%左右。预计功率器件占储能变流器成本在 15%左右。储能变流器内部的电路拓扑结 构与光伏逆变器相似，只不过在逆变电路上加上整流功能变成变流电路。参考在 光伏逆变器中，功率器件成本占比在 10%15%，我们预计由于变流器中多了整 流电路，会使得功率器件在变流器成本占比达到 15%左右。储能变流器中可使用分立器件或者 IGBT 模块。根据不同功率范围，储能变 流器中使用的功率器件也有不同选择。按照英飞凌的推荐储能解决方案，一般在 100kW 以下功率变流器中，由于电压等级不高，可以使用分立器件，如超级结 MOSFET、SiC MOSFET 和 IGBT

21、单管。在 100kW 以上功率变流器中，推荐使 用模块产品，包括 SiC MOSFET 模块和 IGBT 模块。2.5. SiC 提升逆变器效率，在光伏领域逐步得到应用SiC 有优秀的材料特性。SiC 材料相比 Si 材料具有更宽的禁带宽度、更高的 临界击穿电场和高的热导率等物理优点，从而使得 SiC 功率器件拥有更高的功率 频率、阻断电压、耐高温能力和更低开关损耗，进一步推动逆变器系统往小型化、 低损耗发展。光伏逆变器中的开关电路和续流二极管都可以使用 SiC 器件。逆变器电路中 的功率器件分为两大类：开关器件和续流二极管。开关器件用来控制电路的通断， 将直流逆变为交流。续流二极管（可选用快

22、恢复二极管或者肖特基二极管）并联 在开关器件上，为感性负载上的电流提供通路。这两部分电路都可以通过使用 SiC 器件来降低损耗。 SiC 器件可以提升逆变器的效率。通过组合 Si 和 SiC 器件的使用，目前逆变 器的电路有多种方案，包括：1）全硅基型，是全部使用硅基器件，包括 IGBT、 二极管；2）混合型，是混合使用硅基与 SiC 器件，例如 Si IGBT+SiC 二极管， 或 Si IGBT+SiC MOSFET；3）全 SiC 型，是全部使用 SiC MOSFET 或者 SiC 二极管。从表现来看，使用全 SiC 的逆变器在逆变效率上好于混合型，而全硅基 型的效率表现弱于前两类逆变器

23、。SiC 器件价格目前仍较高。以安森美公布的功率器件价格为例，目前 SiC 二 极管的产品均价在 4.9$，而 SiC MOSFET 单价在 13.3$，更是明显高于 IGBT 单 管价格。随着全球 SiC 衬底及器件产能的扩充，预计 SiC 器件价格将逐步下行， 从而带动基于 SiC 的逆变器系统的性价比提升。 SiC 二极管预计先铺开应用，而 SiC MOSFET 预计将在高功率密度要求场景 下得到应用。考虑到 SiC 二极管单价占逆变器整体成本比例不大，所以预计其将 逐步在逆变器中得到应用。SiC MOSFET 目前成本仍较高，预计将先在一些对功 率密度要求高的场景下使用，例如地面电站的

24、大型组串式逆变器、追求高效率的 大功率组串式逆变器。3. 新能源功率器件市场快速成长3.1. 新能源功率市场 2025 预计为 174 亿元，较 2021 年复合增长 20%我们预计风光储新能源发电领域中功率器件市场规模将在 2025 年达到 174 亿元，较 2021 年的复合增速达到 20%。在这之中，光伏领域功率器件市场最大， 预计在 2025 年达到 124 亿元；储能功率器件市场预计随着储能装机规模提升而 明显增长；风电功率器件市场预计有小幅增长。 IGBT 模块占据主导地位，其他功率器件需求复合增速预计在 20%以上。分 功率器件类型来看，由于 IGBT 模块在大功率场景下的适用性

25、，预计其在新能源 市场中占据主导地位。IGBT 单管和硅基 MOSFET 将受益于组串式光伏、户用光 伏和储能市场的发展。考虑到 SiC 器件在提升效率上的优势，预计其也将在集中 式光伏逆变器等场景下得到应用。3.2. 光伏带动功率器件全面成长新增加替换需求带动光伏逆变器出货量高增长。逆变器的需求除了来自每年 的新增光伏装机，也包括老旧逆变器的替换需求。根据锦浪科技招股书，逆变器 的使用年限一般在 10 年左右，在组件的寿命周期内，至少需要更换一次逆变器。 Wood Mackenzie 估计 2019 年有 21GW 的逆变器面临报废，并预计到 2024 年全 球将有 176GW 逆变器的使用

26、时间高于 10 年。通过统计老旧逆变器规模（使用计 算年份的 10 年前累计光伏装机量来代表，历史数据来自 21 世纪可再生能源政策 网络），以及假设一定比例的逆变器将得到替换，我们预计出未来几年全球光伏逆 变器的替换需求。结合 CPIA 对未来的全球光伏装机的预测，我们预计 2025 年全 球逆变器出货量将达 485GW，使得 20222025 年复合增速达到 16%。预计 2025 年光伏逆变器中功率器件价值量将达 128 亿元，其中 IGBT 达 101 亿元。由于 IGBT 模块和单管的适用性广，所以在未来光伏逆变器中仍是主要的 功率器件，预计到 2025 年占整体光伏功率器件需求的 8