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來(lái)源：Digikey 作者：Art Pini 轉向綠色氫氣有望減少溫室氣體排放。來(lái)自水電、風(fēng)能和太陽(yáng)能等可再生能源的電能，無(wú)論是本地產(chǎn)生的還是通過(guò)電網(wǎng)傳輸，都必須有效地轉換成直流電 (DC) 才能用來(lái)電解水。對于系統設計人員來(lái)說(shuō)，如何提供穩定的高 DC 電平、低諧波失真、高電流密度和良好的功率因數 (PF) 是一項挑戰。 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)保能源轉換為穩定的電力輸出，以及產(chǎn)生綠色氫氣所需的特性。 通過(guò)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(guò)程的副產(chǎn)品。電解過(guò)程需要穩定的高電平 DC 電源。電解過(guò)程在電解池或電解槽中進(jìn)行，電解池或電解槽通常包含發(fā)生電化學(xué)反應的陽(yáng)極（正極）和陰極（負極）。液體或固體電解質(zhì)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(lái)加快反應速度。電池由穩定的高電平 DC 源或電源供電（圖 1）。 
圖 1：用來(lái)分離水中的氫元素和氧元素的基本電解池。（圖片來(lái)源：Art Pini） 電池還包括一個(gè)分離器（本圖中未顯示），以防電極上產(chǎn)生的氫氣和氧氣混合。 該過(guò)程需要高電平的 DC 電源。在無(wú)能量損失的理想條件下，電解足夠的水分子以產(chǎn)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(zhì)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(zhì)和貴金屬催化劑。這種電解槽的特點(diǎn)是效率更高、響應時(shí)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(zhì)。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(shí)間比 PEM 電解槽慢。 三種技術(shù)的特點(diǎn)對比見(jiàn)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(lái)源： Infineon Technologies） 目前，綠色制氫的成本高于化石燃料制氫。通過(guò)提高包括電解槽和電力系統在內的獨立組件的效率，以及擴大轉換設備的規模，可以扭轉這一局面。 電網(wǎng)和綠色電源的電力系統配置 目前，大多數制氫工廠(chǎng)都是在非聯(lián)網(wǎng)條件下運行的。電解槽的電源是一個(gè)由線(xiàn)路變壓器供電的交直流整流器。由電網(wǎng)供電的電解廠(chǎng)必須符合所有電網(wǎng)標準和規范，如實(shí)現統一 PF 并保持低諧波失真等。在氫氣分離過(guò)程中接入綠色能源后，需要不同的電源系統（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(lái)源： Infineon Technologies） 與電網(wǎng)一樣，風(fēng)力發(fā)電提供的也是交流電。如果電解槽依靠風(fēng)力發(fā)電供電，則需要通過(guò)整流器將交流電轉換為直流電。太陽(yáng)能和使用電池的混合電源依靠 DC/DC 轉換器來(lái)控制驅動(dòng)電解槽的直流電平。無(wú)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(gè)恒定的 DC 負載。鑒于電解槽會(huì )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 (PCS) 應能適應這一過(guò)程。無(wú)論是與 AC 還是 DC 電源連接的 PCS，都有一些共同的規格。 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格對電池壽命和效率的影響。用于電網(wǎng)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(dòng)一個(gè)電解槽，或者驅動(dòng)連接多個(gè)電解槽的 DC 電網(wǎng)。 多脈沖整流器是常見(jiàn)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(lái)源： Infineon Technologies） 基于晶閘管的多脈沖轉換器是一項成熟而著(zhù)名的技術(shù)。圖 4 所示的 12 脈沖晶閘管整流器由一個(gè)帶有兩個(gè)低壓次級繞組的“ye-delta-wye”工頻變壓器組成。次級繞組驅動(dòng)兩個(gè)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(dòng)電解槽，則可通過(guò)調節晶閘管的觸發(fā)角來(lái)控制輸出電壓和流入電解槽的電流。隨著(zhù)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電流。變壓器還可配備一個(gè)有載分接開(kāi)關(guān) (OLTC)。OTLC 通過(guò)在某一個(gè)繞組上的多個(gè)接入點(diǎn)或抽頭之間切換來(lái)改變變壓器的匝數比，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(pán)封裝，額定電壓為 1800 V，導通電流的均方根值為 5970 Arms。圓盤(pán)封裝采用雙面冷卻設計，因此提高了功率密度。 通過(guò)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(jìn)基本整流器的設計。增加斬波器級后，可通過(guò)調節斬波器的占空比而不是晶閘管的觸發(fā)角，加強對電解過(guò)程的控制（圖 5）。這會(huì )減小晶閘管所需的動(dòng)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(lái)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(wú)需使用 OLTC 變壓器，并可減少電流失真，改善 PF。 Infineon Technologies 的 FD450R12KE4PHOSA1 是專(zhuān)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(jìn)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(guò)柵極驅動(dòng)器在適當的時(shí)候使 IGBT 導通或關(guān)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(dòng)控制器控制下進(jìn)行切換。（圖片來(lái)源： Infineon Technologies） 與產(chǎn)生非正弦線(xiàn)路電流的傳統整流器不同，有源整流器在 IGBT 上串聯(lián)了一個(gè)電感器，以保持線(xiàn)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一的 PF，因此無(wú)需外部功率因數校正 (PFC) 設備。該器件具有更高的開(kāi)關(guān)頻率，因此可以實(shí)現尺寸更小的無(wú)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(gè)此類(lèi)模塊。 1ED3124MU12HXUMA1 等 IGBT 柵極驅動(dòng)器可導通和斷開(kāi)一對 IGBT。柵極驅動(dòng)器采用無(wú)鐵芯變壓器技術(shù)進(jìn)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） 分離氫氣時(shí)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?xún)?yōu)化本地 DC 電網(wǎng)，提高電廠(chǎng)的靈活性。 交錯降壓轉換器使用并聯(lián)的半橋斬波模塊來(lái)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 VDC2。（圖片來(lái)源： Infineon Technologies） 通過(guò)適當的交錯控制，這種 DC/DC 轉換器拓撲結構可顯著(zhù)降低直流紋波，而不會(huì )增大電感器尺寸或提高開(kāi)關(guān)頻率每個(gè)實(shí)施階段都可以通過(guò)一個(gè)適當的模塊來(lái)實(shí)現。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(lái)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(lái)源： Infineon Technologies） DAB 轉換器使用高頻變壓器來(lái)耦合輸入和輸出全橋電路，以實(shí)現電隔離。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(dòng)相同的全橋電路。一次側和二次側之間驅動(dòng)信號的相位決定了功率流向。此外，DAB 轉換器通過(guò)使用 IGBT 的零伏開(kāi)關(guān)功能，將開(kāi)關(guān)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(yǔ) 隨著(zhù)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(shù)將變得越來(lái)越重要。這類(lèi)能量源需要高效、可靠和高度穩定的 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(chǎn)品組合來(lái)獲得必要的電源轉換元器件。 |
