如何確保為綠色氫能提供高效穩(wěn)定的 DC 電流

作者：Art Pini

投稿人：DigiKey 北美編輯

2024-07-30

轉向綠色氫氣有望減少溫室氣體排放。來自水電、風能和太陽能等可再生能源的電能，無論是本地產生的還是通過電網傳輸，都必須有效地轉換成直流電 (DC) 才能用來電解水。對于系統(tǒng)設計人員來說，如何提供穩(wěn)定的高 DC 電平、低諧波失真、高電流密度和良好的功率因數(shù) (PF) 是一項挑戰(zhàn)。

本文將討論綠色氫氣的原理。然后介紹 [Infineon Technologies] 的功率元件，并展示如何利用這些元件將輸入的環(huán)保能源轉換為穩(wěn)定的電力輸出，以及產生綠色氫氣所需的特性。

通過電解水制備氫氣

可采用電解法從水中分理出氫氣。氧氣是這一過程的副產品。電解過程需要穩(wěn)定的高電平 DC 電源。電解過程在電解池或電解槽中進行，電解池或電解槽通常包含發(fā)生電化學反應的陽極（正極）和陰極（負極）。液體或固體電解質包裹電極，并在電極之間傳導離子。根據所使用的電解工藝，可能需要催化劑來加快反應速度。電池由穩(wěn)定的高電平 DC 源或電源供電（圖 1）。

圖 1：用來分離水中的氫元素和氧元素的基本電解池。（圖片來源：Art Pini）

電池還包括一個分離器（本圖中未顯示），以防電極上產生的氫氣和氧氣混合。

該過程需要高電平的 DC 電源。在無能量損失的理想條件下，電解足夠的水分子以產生 1 kg 氫氣至少需要 32.9 kWh 的電能。具體取決于所使用的電解工藝的效率。

目前使用的有三種不同的工藝：堿性電解 (AEL)、質子交換膜 (PEM) 和固體氧化物電解。

最成熟的電解槽是 AEL 電解槽，在金屬電極之間使用氫氧化鉀等堿性溶液。與其他電解槽相比，這種電解槽的效率較低。

PEM 電解槽使用固體聚合物電解質和貴金屬催化劑。這種電解槽的特點是效率更高、響應時間更快、設計緊湊。

固體氧化物電解槽 (SOEC) 使用固體陶瓷材料作為電解質。這種電解槽的效率很高，但要求高工作溫度。這種電解槽的響應時間比 PEM 電解槽慢。

三種技術的特點對比見圖 2。

圖 2：對比 AEL、PEM 和 SOEC 工藝的特性，可以看出新型電解槽的效率在不斷提高。（圖片來源： Infineon Technologies）

目前，綠色制氫的成本高于化石燃料制氫。通過提高包括電解槽和電力系統(tǒng)在內的獨立組件的效率，以及擴大轉換設備的規(guī)模，可以扭轉這一局面。

電網和綠色電源的電力系統(tǒng)配置

目前，大多數(shù)制氫工廠都是在非聯(lián)網條件下運行的。電解槽的電源是一個由線路變壓器供電的交直流整流器。由電網供電的電解廠必須符合所有電網標準和規(guī)范，如實現(xiàn)統(tǒng)一 PF 并保持低諧波失真等。在氫氣分離過程中接入綠色能源后，需要不同的電源系統(tǒng)（圖 3）。

圖 3：電解設備必須將電源轉換成直流電，向電解槽供電。（圖片來源： Infineon Technologies）

與電網一樣，風力發(fā)電提供的也是交流電。如果電解槽依靠風力發(fā)電供電，則需要通過整流器將交流電轉換為直流電。太陽能和使用電池的混合電源依靠 DC/DC 轉換器來控制驅動電解槽的直流電平。無論使用何種電源，電解槽都可以使用本地 DC/DC 轉換器。電解槽代表一個恒定的 DC 負載。鑒于電解槽會老化，所施加的電壓需要在電解槽的使用壽命內不斷提高，因此電源轉換系統(tǒng) (PCS) 應能適應這一過程。無論是與 AC 還是 DC 電源連接的 PCS，都有一些共同的規(guī)格。

輸出電壓范圍應在 400 VDC 至 1500 VDC 之間）。堿性電池的最大電壓范圍約為 800 V。PEM 電池則不受此限制，且目前正向電壓范圍的高端發(fā)展，以減少損耗，降低成本。輸出功率范圍為 20 kW 至 30 MW。PCS 的電流紋波應小于 5%，目前仍在研究這一規(guī)格對電池壽命和效率的影響。用于電網電源的 PCS 整流器設計必須符合電力公司的大負載和 PF 要求，用于大功率負載的設計尤其如此。

AC 電源的電源轉換

AC 供電型制氫設備需要一臺整流器，用于直接驅動一個電解槽，或者驅動連接多個電解槽的 DC 電網。

多脈沖整流器是常見的選擇（圖 4）。這種整流器基于晶閘管，設計效率高、性能可靠、支持高電流密度，并采用低成本半導體器件。

圖 4：基于晶閘管的多脈沖整流器具有高效率、高可靠性，支持高電流密度以及使用低成本半導體器件。圖示為 12 脈沖設備。（圖片來源： Infineon Technologies）

基于晶閘管的多脈沖轉換器是一項成熟而著名的技術。圖 4 所示的 12 脈沖晶閘管整流器由一個帶有兩個低壓次級繞組的“ye-delta-wye”工頻變壓器組成。次級繞組驅動兩個輸出并聯(lián)的六脈沖晶閘管整流器。如果采用整流器直接驅動電解槽，則可通過調節(jié)晶閘管的觸發(fā)角來控制輸出電壓和流入電解槽的電流。隨著電解槽的老化和電解槽堆所需電壓的增大，觸發(fā)角還可用于維持系統(tǒng)電流。變壓器還可配備一個有載分接開關 (OLTC)。OTLC 通過在某一個繞組上的多個接入點或抽頭之間切換來改變變壓器的匝數(shù)比，從而提高或降低整流器的供電電壓。

Infineon Technologies 為 PCS 設計人員提供了選擇廣泛的半導體元件。晶閘管整流器通常用于這些 AC 源應用。例如，[T3800N18TOFVTXPSA1] 是一款分立式晶閘管，采用 TO-200AE 圓盤封裝，額定電壓為 1800 V，導通電流的均方根值為 5970 Arms 。圓盤封裝采用雙面冷卻設計，因此提高了功率密度。

通過在整流器輸出端增加降壓轉換器作為后置整流斬波器，可以改進基本整流器的設計。增加斬波器級后，可通過調節(jié)斬波器的占空比而不是晶閘管的觸發(fā)角，加強對電解過程的控制（圖 5）。這會減小晶閘管所需的動態(tài)范圍，從而優(yōu)化工藝。

圖 5：后置整流斬波器可減少電流失真并改善 PF。（圖片來源： Infineon Technologies）

采用了使用絕緣柵雙極晶體 (IGBT) 的后置整流斬波器，就無需使用 OLTC 變壓器，并可減少電流失真，改善 PF。

Infineon Technologies 的 [FD450R12KE4PHOSA1] 是專為這些應用設計的 IGBT 斬波器模塊。該器件的最大額定電壓為 1200 V，最大集電極電流為 450 A，采用標準的 62 mm C 系列模塊。

更先進的整流電路包括基于 IGBT 的有源整流器。有源整流器用 IGBT 取代了二極管或晶閘管，控制器則通過柵極驅動器在適當?shù)臅r候使 IGBT 導通或關斷（圖 6）。

圖 6：有源整流器采用 IGBT 取代了整流電路中的二極管或晶閘管，并在柵極驅動控制器控制下進行切換。（圖片來源： Infineon Technologies）

與產生非正弦線路電流的傳統(tǒng)整流器不同，有源整流器在 IGBT 上串聯(lián)了一個電感器，以保持線路電流為正弦波形并減少了諧波。與標準整流器相比，IGBT 的導通阻抗非常小，因此可減少導通損耗并提高效率。有源整流器控制器可保持統(tǒng)一的 PF，因此無需外部功率因數(shù)校正 (PFC) 設備。該器件具有更高的開關頻率，因此可以實現(xiàn)尺寸更小的無源元件和濾波器。

[FF1700XTR17IE5DBPSA1] 采用 PrimePACK 3+ 模塊化封裝，在半橋配置中組合了雙 IGBT。其額定電壓為 1700 V，最大集電極電流為 1700 A。圖 6 所示電路使用三個此類模塊。

[1ED3124MU12HXUMA1] 等 IGBT 柵極驅動器可導通和斷開一對 IGBT。柵極驅動器采用無鐵芯變壓器技術進行電隔離。該器件與額定電壓為 600 V 至 2300 V 的 IGBT 兼容，在獨立的拉出和灌入引腳上的典型輸出電流為 14 A。輸入邏輯引腳在 3 V 至 15 V 的寬輸入電壓范圍內工作，采用 CMOS 閾值電平，支持 3.3 V 微控制器。

DC 源的電源轉換

使用 DC 電源（如光伏能源和基于電池的混合系統(tǒng)） 分離氫氣時需要采用 DC/DC 流轉換器。如上所述，這些轉換器可以提高二極管/晶閘管整流器的性能。轉換器還可以優(yōu)化本地 DC 電網，提高電廠的靈活性。

交錯降壓轉換器使用并聯(lián)的半橋斬波模塊來改變從輸入到輸出的 DC 電平（圖 7）。

圖 7：交錯降壓轉換器將輸入 DC 電平 VDC1 降為輸出電平 V DC2 。（圖片來源： Infineon Technologies）

通過適當?shù)慕诲e控制，這種 DC/DC 轉換器拓撲結構可顯著降低直流紋波，而不會增大電感器尺寸或提高開關頻率每個實施階段都可以通過一個適當?shù)哪K來實現(xiàn)。[FF800R12KE7HPSA1] 是一款半橋 IGBT 62 mm 模塊，適用于降壓拓撲 DC/DC 轉換器。該器件的最大額定電壓為 1200 V，最大集電極電流為 800 A。

雙有源橋 (DAB) 轉換器可以用來替代降壓轉換器（圖 8）。

圖 8：DAB 轉換器可降低電壓，并在輸入和輸出之間提供電隔離。（圖片來源： Infineon Technologies）

DAB 轉換器使用高頻變壓器來耦合輸入和輸出全橋電路，以實現(xiàn)電隔離。這種隔離通常有助于最大限度地減少電解槽和電極的腐蝕。用互補方波驅動相同的全橋電路。一次側和二次側之間驅動信號的相位決定了功率流向。此外，DAB 轉換器通過使用 IGBT 的零伏開關功能，將開關損耗降至最低。該電路可采用半橋 IGBT 或碳化硅 (SiC) MOSFET 模塊制造。

結束語

隨著全球對清潔能源的需求不斷增加，基于可再生能源的綠色氫分離技術將變得越來越重要。這類能量源需要高效、可靠和高度穩(wěn)定的 DC 電源。設計人員可以使用 Infineon Technologies 廣泛的高壓和電流半導體產品組合來獲得必要的電源轉換元器件。

審核編輯 黃宇