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IGBT行业专题报告:IGBT助力碳中和

发布日期:2021-10-14 浏览次数:184 来源:未来智库官网作者:网络
   1、碳中和是IGBT需求的根本驱动

  IGBT是电能转换核心器件,有效助力碳中和。IGBT在节能减排方面的应用主要可以分为两个方面,一是在清洁能源发电及利用领域,IGBT是光伏逆变器和风电逆变器的核心器件,并广泛应用于新能源车电驱系统及充电桩等领域;二是在传统能源的消耗端,IGBT在工业领域的应用能够有效减少电力消耗,帮助实现节能减排。

  光伏及风电发电领域,IGBT主要应用在逆变器上,使得光伏或风电发出的粗电,经过IGBT的处理,变成能平稳上网的精细电。新能源汽车领域,IGBT应用于电机驱动器、车载空调以及充电桩等领域。

  工业控制及电源领域,IGBT广泛应用于变频器、伺服机、逆变电焊机以及UPS电源等方面。此外,在家电领域,IGBT应用在变频空调、变频洗衣机等白色家电,帮助实现节能减排。

  碳中和是IGBT需求的根本驱动。碳中和的要求驱动了清洁能源发电领域的快速发展,以及电动汽车渗透率的迅速提升。在消耗端,碳中和对工业用电提出了更严格的要求,使得变频器等节能装备的普及进一步扩大。IGBT作为电力转换的核心,在以上领域有着广泛的应用,市场空间巨大。

  2、拉闸限电预示节能降耗紧迫性

  电力供需趋紧,部分地区拉闸限电。以辽宁为例,2021年10月4日至8日,国网辽宁省电力公司陆续发布实施有序用电通知。通知要求电熔镁砂企业电熔镁窑炉负荷自2021年9月27日12:00起全部实施有序用电,停止生产用电。

  提高电力使用效率是解决供需缺口的当务之急。缓解电力供需紧张,一方面是增加电力供给,我国电力供应主要以煤炭发电为主,2020年我国发电量中67.87%来自火电,从发电端提升电力供给势必会增加煤炭使用量,增加节能减排负担;另一方面,提升电力使用效率,从消耗端降低需求,是解决电力供给紧张的当务之急,也是节能减排的基本要求。

  3、IGBT通过提升用电效率实现节能降耗

  IGBT全称为绝缘栅双极型晶体管,是由BJT(双极型三极管)和MOSFET(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件。兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。能够根据工业装置中的信号指令来调节电路中的电压、电流、频率、相位等,以实现精准调控的目的。

  IGBT是功率器件中应用范围最广的元器件。功率半导体器件作为不可替代的基础性产品,广泛应用于工业控制、新能源发电和电能质量管理、汽车电子和汽车充电桩等领域,尤其是在大功率、大电流、高频高速、低噪声等应用领域起着无法替代的关键作用。

  IGBT在工业领域实现节能降耗最典型的应用是变频器。变频器能够对运行状态下设备的电流频率进行调节,从而降低设备运行能耗,达到节能的效果。

  在石油开采中,根据英威腾官网资料,抽油机起动初始状态要求拖动电机的起动力矩是抽油机实际负载的3-4倍。起动力矩适用则负载功率必然匹配不佳,运行负载功率远小于电机的额定功率,会出现所谓的“大马拉小车”现象。过剩的抽油能力令抽油机的无功抽取时间增加,造成油井开采电费成本居高不下,能源浪费严重。通过对抽油机进行变频改造,可实现30%以上的节电率。

  在煤炭开采中,根据相关文献,应用了变频技术的煤炭开采设备可以降低约40%左右的电力能源消耗。变频技术还可以缓解机电设备启动时形成冲击,减少设备启动时给设备带来的损伤,延长机电设备使用寿命。变频技术可以结合机电设备的运行情况,调节内部交流电频率,最大限度地降低电能的损耗,提升电力能源的利用效率。

  4、工控领域是IGBT需求的重要支撑

  工控领域是IGBT需求的重要支撑。根据Trendforce统计,2018年我国IGBT下游应用领域中,新能源汽车、消费电子以及工业控制是最主要的应用领域,占比分别为31%、27%以及20%。

  为探寻未来我国IGBT市场空间,我们将对新能源发电、新能源汽车以及工业控制领域的IGBT市场规模进行详细测算。本文为IGBT市场空间测算第一篇——工控IGBT市场规模。IGBT在工业控制领域应用场景主要包括变频器、逆变焊机以及UPS电源等,我们详细拆分了以上3个场景的IGBT市场空间。

  工控行业的发展是我国制造业向中高端转型的核心驱动。一方面,我国不断出台政策支持和鼓励先进制造业发展,为工业控制行业发展提供了有力的政策支持。另一方面,随着我国人口红利递减,人力成本逐渐上升,制造企业加快推进自动化进程,作为智能制造装备业重要组成部分,工业控制行业的市场规模预计将持续增长。

  制造业升级和节能减排带动工控市场稳健增长。功率半导体对于工厂自动化至关重要,随着制造业的不断升级,工业的生产制造、物流等流程改造对具有较高效能的电机需求不断增大,功率半导体器件是电机控制的核心器件,对其性能起着关键影响。根据赛迪顾问的数据,我国2018年包含产品及服务市场的工控市场规模达到1,797亿元,同比增长8.5%,预计到2021年,市场规模将达到2,600亿元,期间年复合增长率为13.10%。

  4.1变频器

  变频器是通过改变电机工作电源频率来控制交流电动机的电力控制设备。变频器主要由整流、滤波、逆变、制动单元、驱动单元、检测单元以及微处理单元等组成。其作用主要是调整电机的功率、实现电机的变速运行,以达到省电的目的。此外,变频器还具有过流、过压、过载等保护功能。

  根据输入电压的不同,变频器可分为低压变频器、中压变频器以及高压变频器。其中,电压在690V以下的称为低压变频器,电压在690V-3kV的称为中压变频器,输入电压在3kV-10KV称为高压变频器。

  低压变频器下游市场较为分散,在电梯、纺织机械、起重机械、电力、冶金、石油化工等领域均有应用。高压变频器被广泛应用在大型矿厂、石油化工、市政供水、冶金钢铁、电力能源等行业的各种风机、水泵、压缩机、轧钢机等。采用高压变频器对泵类负载进行速度控制,不仅能够改进工艺、提高产品质量,同样也是节能环保以及设备经济运行的要求,是可持续发展的必然趋势。

  变频器依靠内部IGBT的开断来调整输出电源的电压和频率。根据电机的实际需要来提供其所需要的电源电压,进而达到节能、调速的目的。IGBT模块在变频器中不仅起到传统的三极管的作用,亦包含了整流部分的作用。控制器产生的正弦波信号通过光藕隔离后进入IGBT,IGBT再根据信号的变化将380V(220V)整流后的直流电再次转化为交流电输出。

  环保节能背景下,变频器市场规模将稳健增长。在碳中和、碳达峰背景下,变频器在冶金、煤炭、石油化工等工业领域的应用范围将不断扩大。同时我国城市化进程的加快也推动变频器在市政、轨道交通等公共事业领域的需求持续增长。根据前瞻产业研究院统计,2019年我国变频器市场规模达到495亿元,其中高压变频器市场规模为133亿元,中低压变频器市场规模为362亿元。

  预计2025年我国变频器用IGBT市场规模将达到66亿元。

  中低压变频器领域,根据前瞻产业研究院数据,2025年我国中低压变频器市场规模将达到464亿元,2020-2025年均复合增速为4.08%。假设中低压变频器行业平均毛利率为25%,IGBT器件在中低压变频器成本占比为15%,则2025年我国中低压变频器用IGBT的市场规模为52亿元。

  高压变频器领域,根据前瞻产业研究院数据,预计2025年我国高压变频器市场规模将达到212亿元,2020-2025年均复合增速为8.50%。假设高压变频器行业平均毛利率为20%,IGBT器件在高压变频器成本占比为8%,则2025年我国高压变频器用IGBT的市场规模为14亿元。

  4.2逆变电焊机

  逆变电焊机是IGBT在工业领域的又一重要应用。电焊机是利用正负两极在瞬间短路时产生的高温电弧来熔化电焊条上的焊料和被焊材料,使被接触物相结合的设备。其中,IGBT模块在DC/AC逆变电路中起高频开关作用。

  随着焊割设备应用企业对焊割设备节能环保性能越来越重视,相对传统电焊机,具有体积小、重量小、能耗低、可控性强、造价低等优点的逆变焊割设备面临较好的发展机遇。

  根据中国电器工业协会数据,2019年我国电焊机产量为950.06万台,同比增加96.76万台,电焊机市场的持续升温将进一步推动IGBT需求量的不断增长。同时,逆变式弧焊电源凭借优异的电源特性在电焊机市场持续渗透,推动逆变式弧焊电源的应用市场规模逐步扩大。随着变频器、逆变焊机等传统工业控制及电源行业的发展,IGBT的市场规模有望持续增长。

  逆变电焊机用IGBT市场规模约为29亿元。根据前瞻产业研究院数据,我国逆变焊机2023年预计市场规模为363亿元,我们预计到2025年我国逆变焊机市场规模将达414亿元,2020-2025年年均复合增速为7.22%。假设逆变电焊机行业平均毛利率为30%,IGBT在逆变电焊机成本比重为10%,则2025年我国逆变焊机用IGBT市场规模将达29亿元。

  4.3UPS电源

  UPS电源是一种含有储能装置的不间断电源。主要用于对电源稳定性要求较高的设备提供不间断的电源。当市电输入正常时,UPS将市电稳压后供应给负载使用,此时的UPS就是一台交流式电稳压器,同时它还向机内电池充电;当市电中断(事故停电)时,UPS立即将电池的直流电能,通过逆变器切换转换的方法向负载继续供应220V交流电,使负载维持正常工作并保护负载的软、硬件不受损坏。

  UPS电源的下游应用主要包括政府、电信、银行、互联网等。电网的供电质量直接影响计算机系统运行的稳定性。信息系统是重要的基础设施,对于某些重要行业需要保证计算机系统持续稳定运行,使用UPS电源为计算机系统供电,可以有效避免由于电网突然断电导致计算机系统数据丢失问题的发生,对计算机系统以及现代化设备的稳定运行具有重要意义。

  UPS电源用IGBT市场规模约为20亿元。根据前瞻产业研究院数据,我国UPS电源2025年预计市场规模为191亿元,2020-2025年年均复合增速为12.97%。假设UPS电源行业平均毛利率为30%,IGBT在UPS电源成本占比为15%,则2025年我国UPS电源用IGBT市场规模将达20亿元。

  5、重点公司分析

  国内从事IGBT研发、生产及销售的公司包括斯达半导、宏微科技、士兰微、比亚迪半导体以及时代电气等。

  其中,斯达半导、宏微科技主要以IGBT产品为主营业务;士兰微是国内IDM模式龙头,主营业务除IGBT外还包含集成电路和发光二极管;比亚迪半导体以车规级半导体为核心,主营业务除IGBT外还包含智能传感器、光电半导体和智能IC;时代电气主营业务为轨交电气装备及轨道工程机械等,公司采用“器件+系统+整机”的产业布局,公司的高压IGBT产品打破了轨道交通和特高压输电工程核心器件由国外企业垄断的局面。

  5.1斯达半导

  斯达半导是国内IGBT龙头,市占率全球第七。2019年,斯达半导IGBT模块市占率全球第七,是唯一进入前十的中国企业。斯达半导成立于2005年4月,2020年2月在上交所主板上市。创始人沈华博士毕业美国麻省理工学院,曾任英飞凌高级研发工程师。核心技术团队具有海外知名半导体公司研发背景。

  公司主营是以IGBT为主的功率半导体芯片和模块的设计研发和生产,并以IGBT模块形式对外销售。公司产品主要用于工业控制、新能源和变频家电领域,2020年收入占比分别为71.68%、26.14%和1.59%。2020年公司实现收入9.63亿元,同比增长23.55%,净利润1.81亿元,同比增长33.30%。2020年公司毛利率达到31.56%,净利率为18.80%。

  2021H1公司主电机控制器车规级IGBT模块持续放量,合计配套超20万辆新能源汽车,已完成2020年全年配套数量。据中汽协统计,2021H1新能源汽车产销分别为121.5万辆和120.6万辆,同比均增长2倍,根据最新预测,2021年全年新能源汽车销量将超260万辆,预计下半年配套数量将进一步增加。

  5.2宏微科技

  宏微科技是国内首批IGBT公司,成立于2006年8月。公司主要产品包括IGBT、FRED芯片、单管和模块。公司IGBT单管芯片全部来自自研,模块产品芯片自研外购并举。实控人IGBT科班出身,获多项国家级荣誉。董事长拥有IGBT行业多年从业经历,是国内IGBT公司中获国家级荣誉最多的创始人。

  公司产品主要用于工控领域并开始布局新能源。公司产品主要用于工业控制、新能源和变频白色家电领域,2020年收入占比分别为91.10%、5.63%以及2.45%。工控领域,公司产品主要用于变频器、逆变电焊机、UPS电源等;新能源领域,公司产品主要用于光伏逆变器、新能源大巴汽车空调、充电桩等;变频白色家电领域,公司产品应用在空调、电冰箱、微波炉等领域。

  工控领域,公司主要客户包括台达集团、汇川技术、合康新能等多家变频器行业领军企业,以及佳士科技、奥太集团、上海沪工等多家知名电焊机行业企业。在新能源领域,公司主要客户群有盛弘股份、科士达、英可瑞等企业。

  2020年公司实现营业收入3.32亿元,同比增长27.69%;归母净利润2,663.79万元,同比增长137.62%。随着经济逐渐恢复,在全球缺芯背景下,公司2021年上半年收入利润高速增长。2021H1公司实现收入2.34亿元,同比增长65.54%;归母净利润3,178.76万元,同比增长199.21%。盈利水平大幅提升,2021年上半年净利润已超过2020年全年。

  进入华为光伏供应链,背书效应下有望打开国内市场。2020年2月,公司与华为技术签订了《关于光伏IGBT产品的合作协议》,合同期限至2025年12月31日。中国企业在全球光伏逆变器市场占据主导地位,华为市占率全球第一。2020年全球逆变器出货量排名前10的厂商中有6家中国企业。光伏逆变器对IGBT芯片可靠性要求严苛,公司产品获华为认可,有望进一步打开其他国内企业市场空间。

  为获客户A订单降低汇川持股,有望贡献超过汇川。汇川曾为公司第三大股东兼第二大客户,因汇川与客户A存在竞争关系,应客户A要求,公司主动协商汇川降低持股比例,客户A订单贡献有望超越汇川。实控人IGBT科班出身,从业经验丰富。

  5.3士兰微

  士兰微是国内IDM龙头。士兰微成立于1997年9月,2003年3月在上交所主板上市。公司主要产品包括集成电路、半导体分立器件、LED(发光二极管)产品等三大类。经过二十多年的发展,公司从一家纯芯片设计公司发展成为目前国内为数不多的以IDM模式为主要发展模式的综合型半导体产品公司。

  2020年士兰微营业收入42.81亿元,同比增长37.61%。其中,分立器件、集成电路、发光二极管收入分别为22.03亿元、14.20亿元以及3.91亿元,分别占总收入的51.47%、33.17%以及9.13%。分立器件中,IGBT产品营收2.6亿元,占收入比重为6.07%。

  士兰的分立器件和大功率模块除了白电和工控市场外,已开始进入新能源汽车、光伏等市场,预期公司的分立器件产品未来几年将继续快速成长。

  5.4比亚迪半导体

  比亚迪半导体以车规级半导体为核心,主营业务包括功率半导体、智能控制IC、智能传感器及光电半导体。公司成立于2004年10月,2021年6月比亚迪半导体向深交所递交了招股说明书,拟在深交所创业板上市。

  功率半导体方面,公司采取IDM模式经营。功率半导体方面,公司拥有从芯片设计、晶圆制造、模块封装与测试到系统级应用测试的全产业链IDM模式。在汽车领域,公司已量产IGBT、SiC器件、IPM、MCU、CMOS图像传感器、电磁传感器、LED光源及显示等产品,应用于汽车的电机驱动控制系统、整车热管理系统、车身控制系统、电池管理系统、车载影像系统、照明系统等重要领域。

  公司是国内新能源乘用车电控IGBT龙头。在IGBT领域,根据Omdia统计,以2019年IGBT模块销售额计算,公司在中国新能源乘用车电机驱动控制器用IGBT模块全球厂商中排名第二,仅次于英飞凌,市场占有率19%,在国内厂商中排名第一,2020年公司继续保持全球第二国内第一的领先地位。

  在SiC器件领域,公司已实现SiC模块在新能源汽车高端车型电机驱动控制器中的规模化应用,也是全球首家、国内唯一实现SiC三相全桥模块在电机驱动控制器中大批量装车的功率半导体供应商。

  2020年比亚迪半导体实现收入14.41亿元,同比增长31.46%。其中,功率半导体、智能传感器、光电半导体、智能控制IC、制造及服务分别实现收入4.61亿元、3.23亿元、3.20亿元、1.87亿元以及1.32亿元,占比分别为31.99%、22.39%、22.17%、13.00%以及9.15%。

  5.5时代电气

  公司是我国城轨牵引变流系统龙头,具有“器件+系统+整机”完整产业链。根据城轨牵引变流系统市场招投标等公开信息统计,公司在国内城轨牵引变流系统市场连续九年市占率第一。公司产品主要包括以轨道交通牵引变流系统为主的轨道交通电气装备、轨道工程机械、通信信号系统等。此外,公司积极布局功率半导体器件、工业变流产品、新能源汽车电驱系统、传感器件、海工装备等领域。

  2020年公司营收160.34亿元,同比下降1.66%。其中,轨道交通装备收入138.90亿元,占收入比重为86.63%;功率半导体器件收入8.01亿元,同比增长54.48%,占收入比重为5.00%。

  公司是我国高压IGBT龙头,采用IDM模式布局。在功率半导体领域,公司建有6吋双极器件、8吋IGBT和6吋碳化硅的产业化基地。公司1700V6500V系列高压高电流密度IGBT产品,已大批量应用于轨道交通与电网领域;在新能源汽车行业,公司最新一代产品已向国内多家龙头汽车整车厂送样测试验证。

  6、投资分析

  在碳中和及节能减排的推动下,IGBT需求将进一步扩张。作为电能转换核心器件,IGBT国产化替代迎来黄金发展期。

  7、风险提示

  IGBT芯片研发不及预期、车规级IGBT进展不及预期、国产替代进程不及预期。
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