2021年逆变器行业分析 IGBT功率器件是逆变器实现逆变功能的核心

1、 逆变器连接发电端与电网，IGBT是核心半导体器件

1.1、 光伏逆变器作用是“直-交”逆变 

光伏逆变器将光伏组件发电产生的直流电逆变成交流电，并入交流输电网（或接入家庭交流负载），而IGBT等功率器件是逆变器实现逆变功能的核心。

逆变器主要由半导体功率器件（和驱动）、控制电路两大部分组成。逆变器的工作原理是通过功率半导体器件的高频开关，把直流电能变换成交流电能。

逆变电路中都使用具有开关特性的半导体功率器件（如IGBT、MOSFET等），由控制电路周期性地对功率器件发出开、关脉冲控制信号（如PWM脉宽调制信号），控制各个功率器件轮流导通和关断，再经过变压器藕合升压或降压后，整形滤波输出符合要求的正弦波交流电。 

以英飞凌的三相组串式逆变器方案为例，其电路可分为两部分。Boost电路部分采用SiC MOSFET或IGBT的单管/模组方案，将光伏面板发电产生的电能进行升压。之后的DC/AC逆变电路可根据情况选用SiC MOSFET或IGBT的单管/模组方案，将升压后的直流电逆变成为交流电输入电网或接入负载。

图：英飞凌三相组串式光伏逆变器使用功率器件 

根据逆变器适用场合，可将光伏逆变器分为集中式逆变器、组串式逆变器以及微型逆变器。

集中逆变技术是若干个并行的光伏组串被连到同一台集中逆变器的直流输入端，一般用于大型光伏电站。集中式逆变器最大特点是系统的功率高，成本低，但由于不同光伏组串的输出电压、电流往往不完全匹配，采用集中逆变的方式会导致逆变过程的效率降低的下降。 

组串逆变器是基于模块化概念，每个光伏组串(1-5kW)通过一个逆变器，已成为现在国际市场上最流行的逆变器。其优点是不受组串间模块差异和遮影的影响，同时减少了光伏组件最佳工作点与逆变器不匹配的情况，从而增加了发电量。技术上的这些优势不仅降低了系统成本，也增加了系统的可靠性。 

微型逆变器的逆变系统中，每一块电池板分别接入一台微型逆变器，当电池板中有一块不能良好工作，则只有这一块都会受到影响。

不同功率段的光伏发电场景选取不同的逆变器。以英飞凌方案为例，1.5kW以下项目（家庭户用光伏发电系统）选用微型逆变器；1KW-6KW（如中小型屋顶光伏发电系统，小型地面电站）选用单相组串式逆变器；5KW-200KW选用三相组串式逆变器，600KW以上的项目（如大型厂房、荒漠电站、地面电站等大型发电系统）选用集中式逆变器。 

近年以来组串型逆变器的价格与集中式逆变器价格逐步拉进，并且凭借多路MPPT（最大功率点跟踪）实现更高的发电效率，开始在大型地面电站市场中跃升主流地位。组串型逆变器相比集中式逆变器亦能更精准的识别每个组串故障，精准运维，效率大幅提升。因此，未来组串式逆变器的渗透率有望进一步提升。 

对应到IGBT的选型，通常微型逆变器、部分小功率的组串式逆变器采用IGBT单管、MOS分立器件作为功率开关；而大功率的组串式逆变器、集中式逆变器则采用额定功率更高的IGBT或SiC MOSFET模块产品。随着IGBT单管的设计和制造工艺水平不断提升，其所能承受的电流电压也愈来愈大。以往必须要IGBT模块才能胜任的一些高功率的工作场景，现在使用IGBT单管也能较好地运行。因此IGBT单管在光伏逆变器中的使用渗透率总体呈现上升趋势。

1.2、 风电变流器起“交-直-交”的整流和逆变作用 

风电变流器属于风力发电机组大型核心部件之一，将风机发出的变化的电压和频率的电能，经过交直转换变为稳定电压和频率的电能馈入电网。 

风力发出来的电本身是交流电，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，因此需要通过风电变流器对电能进行整理：发电机产生的幅值频率不断变化的交流电，通过机侧变流器整流为直流电，经直流支撑电容稳压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幅值稳定的交流电，馈入电网。风电变流器的整流和逆变过程亦是通过IGBT等功率器件的的高频开关来实现的。

图：风电变流器起“交-直-交”的整流和逆变作用 

1.3、 储能变流器起双向逆变作用

储能变流器（Power Conversion System—PCS）由DC-AC双向变流器、控制单元等构成。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，给电池充电或放电。

储能变流器相对光伏逆变器承担更多的作用，通过其传输的电能方向是双向的：储能变流器既参与光伏组件及公共电网对电池的充电过程（AC-DC），又参与电池对家用负载供电、对电网送电的电能调节过程（DC-AC）。

以户用光伏储能系统为例，在白天光照充足时，光伏面板发电量充足，可以供应家庭负载，同时也通过储能变流器向蓄电池充电，若仍有多余电量可进行并网售电。在光照不充足时，光伏面板和蓄电池同时给家庭负载供电。在夜晚谷电电价时间段，电网给电池补电。

2、 新能源发电和储能市场蓬勃发展，IGBT未来空间广阔 

展望未来， “碳中和”事业将持续推进，光伏/风电等可再生能源及配套电化学储能有望持续快速发展，将显著带动IGBT的市场需求。

我们基于以下核心假设，预计风电+光伏+储能新增装机市场对IGBT的需求规模将由2021年的86.7亿美元上升至2025年的182.5亿美元：

假设1：容配比为1.1；风电和光伏逆变器/变流器实际需求量是当年装机量的1.2倍；

假设2：2025年风电和光伏全球新增装机量分别为200/300GW；

假设3：2021年全球光伏和风电的储能配套装机比例为6%，至2025年上升至27%；

假设4：2020年储能变流器单位成本是光伏逆变器的2.5倍，至2025年降至2倍。

（本文仅供参考，不代表我们的任何投资建议。如需使用相关信息，请参阅报告原文。）