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(zhuǎn)向綠色氫氣有望減少溫室氣體排放。來自水電、風(fēng)能和太陽能等可再生能源的電能，無論是本地產(chǎn)生的還是通過電網(wǎng)傳輸，都必須有效地轉(zhuǎn)換成直流電 (DC) 才能用來電解水。對于系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(xiàng)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(zhuǎn)換為穩(wěn)定的電力輸出，以及產(chǎn)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(chǎn)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(jìn)行，電解池或電解槽通常包含發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的陽極（正極）和陰極（負(fù)極）。液體或固體電解質(zhì)包裹電極，并在電極之間傳導(dǎo)離子。根據(jù)所使用的電解工藝，可能需要催化劑來加快反應(yīng)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(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(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(yīng)時(shí)間更快、設(shè)計(jì)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(yīng)時(shí)間比 PEM 電解槽慢。

三種技術(shù)的特點(diǎn)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(nèi)的獨(dú)立組件的效率，以及擴(kuò)大轉(zhuǎn)換設(shè)備的規(guī)模，可以扭轉(zhuǎn)這一局面。

電網(wǎng)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(wǎng)條件下運(yùn)行的。電解槽的電源是一個(gè)由線路變壓器供電的交直流整流器。由電網(wǎng)供電的電解廠必須符合所有電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，如實(shí)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(shè)備必須將電源轉(zhuǎn)換成直流電，向電解槽供電。（圖片來源： 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，則需要通過整流器將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。太陽能和使用電池的混合電源依靠 DC/DC 轉(zhuǎn)換器來控制驅(qū)動(dòng)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(zhuǎn)換器。電解槽代表一個(gè)恒定的 DC 負(fù)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(nèi)不斷提高，因此電源轉(zhuǎn)換系統(tǒng) (PCS) 應(yīng)能適應(yīng)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(yīng)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(yīng)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(wǎng)電源的 PCS 整流器設(shè)計(jì)必須符合電力公司的大負(fù)載和 PF 要求，用于大功率負(fù)載的設(shè)計(jì)尤其如此。

AC 電源的電源轉(zhuǎn)換

AC 供電型制氫設(shè)備需要一臺整流器，用于直接驅(qū)動(dòng)一個(gè)電解槽，或者驅(qū)動(dòng)連接多個(gè)電解槽的 DC 電網(wǎng)。

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(shè)計(jì)效率高、性能可靠、支持高電流密度，并采用低成本半導(dǎo)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(dǎo)體器件。圖示為 12 脈沖設(shè)備。（圖片來源： Infineon Technologies）

基于晶閘管的多脈沖轉(zhuǎn)換器是一項(xiàng)成熟而著名的技術(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(qū)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(qū)動(dòng)電解槽，則可通過調(diào)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(gè)有載分接開關(guān) (OLTC)。OTLC 通過在某一個(gè)繞組上的多個(gè)接入點(diǎn)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(shè)計(jì)人員提供了選擇廣泛的半導(dǎo)體元件。晶閘管整流器通常用于這些 AC 源應(yīng)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(dǎo)通電流的均方根值為 5970 Arms 。圓盤封裝采用雙面冷卻設(shè)計(jì)，因此提高了功率密度。

通過在整流器輸出端增加降壓轉(zhuǎn)換器作為后置整流斬波器，可以改進(jìn)基本整流器的設(shè)計(jì)。增加斬波器級后，可通過調(diào)節(jié)斬波器的占空比而不是晶閘管的觸發(fā)角，加強(qiáng)對電解過程的控制（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(yīng)用設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)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，控制器則通過柵極驅(qū)動(dòng)器在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候使 IGBT 導(dǎo)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(qū)動(dòng)控制器控制下進(jìn)行切換。（圖片來源： Infineon Technologies）

與產(chǎn)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(gè)電感器，以保持線路電流為正弦波形并減少了諧波。與標(biāo)準(zhǔn)整流器相比，IGBT 的導(dǎo)通阻抗非常小，因此可減少導(dǎo)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(shè)備。該器件具有更高的開關(guān)頻率，因此可以實(shí)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(gè)此類模塊。

[1ED3124MU12HXUMA1] 等 IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)器可導(dǎo)通和斷開一對 IGBT。柵極驅(qū)動(dòng)器采用無鐵芯變壓器技術(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(dú)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(nèi)工作，采用 CMOS 閾值電平，支持 3.3 V 微控制器。

DC 源的電源轉(zhuǎn)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(shí)需要采用 DC/DC 流轉(zhuǎn)換器。如上所述，這些轉(zhuǎn)換器可以提高二極管/晶閘管整流器的性能。轉(zhuǎn)換器還可以優(yōu)化本地 DC 電網(wǎng)，提高電廠的靈活性。

交錯(cuò)降壓轉(zhuǎn)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(cuò)降壓轉(zhuǎn)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(dāng)?shù)慕诲e(cuò)控制，這種 DC/DC 轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可顯著降低直流紋波，而不會(huì)增大電感器尺寸或提高開關(guān)頻率每個(gè)實(shí)施階段都可以通過一個(gè)適當(dāng)?shù)哪K來實(shí)現(xiàn)。[FF800R12KE7HPSA1] 是一款半橋 IGBT 62 mm 模塊，適用于降壓拓?fù)?DC/DC 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器可以用來替代降壓轉(zhuǎn)換器（圖 8）。

圖 8：DAB 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器使用高頻變壓器來耦合輸入和輸出全橋電路，以實(shí)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(bǔ)方波驅(qū)動(dòng)相同的全橋電路。一次側(cè)和二次側(cè)之間驅(qū)動(dòng)信號的相位決定了功率流向。此外，DAB 轉(zhuǎn)換器通過使用 IGBT 的零伏開關(guān)功能，將開關(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(jié)束語

隨著全球?qū)η鍧嵞茉吹男枨蟛粩嘣黾?，基于可再生能源的綠色氫分離技術(shù)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(shè)計(jì)人員可以使用 Infineon Technologies 廣泛的高壓和電流半導(dǎo)體產(chǎn)品組合來獲得必要的電源轉(zhuǎn)換元器件。

審核編輯 黃宇