如何确保为绿色氢能提供高效稳定的 DC 电流

来源：Digikey
作者：Art Pini

转向绿色氢气有望减少温室气体排放。来自水电、风能和太阳能等可再生能源的电能，无论是本地产生的还是通过电网传输，都必须有效地转换成直流电 (DC) 才能用来电解水。对于系统设计人员来说，如何提供稳定的高 DC 电平、低谐波失真、高电流密度和良好的功率因数 (PF) 是一项挑战。

本文将讨论绿色氢气的原理。然后介绍 Infineon Technologies 的功率元件，并展示如何利用这些元件将输入的环保能源转换为稳定的电力输出，以及产生绿色氢气所需的特性。

通过电解水制备氢气

可采用电解法从水中分理出氢气。氧气是这一过程的副产品。电解过程需要稳定的高电平 DC 电源。电解过程在电解池或电解槽中进行，电解池或电解槽通常包含发生电化学反应的阳极（正极）和阴极（负极）。液体或固体电解质包裹电极，并在电极之间传导离子。根据所使用的电解工艺，可能需要催化剂来加快反应速度。电池由稳定的高电平 DC 源或电源供电（图 1）。


图 1：用来分离水中的氢元素和氧元素的基本电解池。（图片来源：Art Pini）

电池还包括一个分离器（本图中未显示），以防电极上产生的氢气和氧气混合。

该过程需要高电平的 DC 电源。在无能量损失的理想条件下，电解足够的水分子以产生 1 kg 氢气至少需要 32.9 kWh 的电能。具体取决于所使用的电解工艺的效率。

目前使用的有三种不同的工艺：碱性电解 (AEL)、质子交换膜 (PEM) 和固体氧化物电解。

最成熟的电解槽是 AEL 电解槽，在金属电极之间使用氢氧化钾等碱性溶液。与其他电解槽相比，这种电解槽的效率较低。

PEM 电解槽使用固体聚合物电解质和贵金属催化剂。这种电解槽的特点是效率更高、响应时间更快、设计紧凑。

固体氧化物电解槽 (SOEC) 使用固体陶瓷材料作为电解质。这种电解槽的效率很高，但要求高工作温度。这种电解槽的响应时间比 PEM 电解槽慢。

三种技术的特点对比见图 2。


图 2：对比 AEL、PEM 和 SOEC 工艺的特性，可以看出新型电解槽的效率在不断提高。（图片来源： Infineon Technologies）

目前，绿色制氢的成本高于化石燃料制氢。通过提高包括电解槽和电力系统在内的独立组件的效率，以及扩大转换设备的规模，可以扭转这一局面。

电网和绿色电源的电力系统配置

目前，大多数制氢工厂都是在非联网条件下运行的。电解槽的电源是一个由线路变压器供电的交直流整流器。由电网供电的电解厂必须符合所有电网标准和规范，如实现统一 PF 并保持低谐波失真等。在氢气分离过程中接入绿色能源后，需要不同的电源系统（图 3）。


图 3：电解设备必须将电源转换成直流电，向电解槽供电。（图片来源： Infineon Technologies）

与电网一样，风力发电提供的也是交流电。如果电解槽依靠风力发电供电，则需要通过整流器将交流电转换为直流电。太阳能和使用电池的混合电源依靠 DC/DC 转换器来控制驱动电解槽的直流电平。无论使用何种电源，电解槽都可以使用本地 DC/DC 转换器。电解槽代表一个恒定的 DC 负载。鉴于电解槽会老化，所施加的电压需要在电解槽的使用寿命内不断提高，因此电源转换系统 (PCS) 应能适应这一过程。无论是与 AC 还是 DC 电源连接的 PCS，都有一些共同的规格。

输出电压范围应在 400 VDC 至 1500 VDC 之间）。碱性电池的最大电压范围约为 800 V。PEM 电池则不受此限制，且目前正向电压范围的高端发展，以减少损耗，降低成本。输出功率范围为 20 kW 至 30 MW。PCS 的电流纹波应小于 5%，目前仍在研究这一规格对电池寿命和效率的影响。用于电网电源的 PCS 整流器设计必须符合电力公司的大负载和 PF 要求，用于大功率负载的设计尤其如此。

AC 电源的电源转换

AC 供电型制氢设备需要一台整流器，用于直接驱动一个电解槽，或者驱动连接多个电解槽的 DC 电网。

多脉冲整流器是常见的选择（图 4）。这种整流器基于晶闸管，设计效率高、性能可靠、支持高电流密度，并采用低成本半导体器件。


图 4：基于晶闸管的多脉冲整流器具有高效率、高可靠性，支持高电流密度以及使用低成本半导体器件。图示为 12 脉冲设备。（图片来源： Infineon Technologies）

基于晶闸管的多脉冲转换器是一项成熟而著名的技术。图 4 所示的 12 脉冲晶闸管整流器由一个带有两个低压次级绕组的“ye-delta-wye”工频变压器组成。次级绕组驱动两个输出并联的六脉冲晶闸管整流器。如果采用整流器直接驱动电解槽，则可通过调节晶闸管的触发角来控制输出电压和流入电解槽的电流。随着电解槽的老化和电解槽堆所需电压的增大，触发角还可用于维持系统电流。变压器还可配备一个有载分接开关 (OLTC)。OTLC 通过在某一个绕组上的多个接入点或抽头之间切换来改变变压器的匝数比，从而提高或降低整流器的供电电压。

Infineon Technologies 为 PCS 设计人员提供了选择广泛的半导体元件。晶闸管整流器通常用于这些 AC 源应用。例如，T3800N18TOFVTXPSA1 是一款分立式晶闸管，采用 TO-200AE 圆盘封装，额定电压为 1800 V，导通电流的均方根值为 5970 Arms。圆盘封装采用双面冷却设计，因此提高了功率密度。

通过在整流器输出端增加降压转换器作为后置整流斩波器，可以改进基本整流器的设计。增加斩波器级后，可通过调节斩波器的占空比而不是晶闸管的触发角，加强对电解过程的控制（图 5）。这会减小晶闸管所需的动态范围，从而优化工艺。


图 5：后置整流斩波器可减少电流失真并改善 PF。（图片来源： Infineon Technologies）

采用了使用绝缘栅双极晶体 (IGBT) 的后置整流斩波器，就无需使用 OLTC 变压器，并可减少电流失真，改善 PF。

Infineon Technologies 的 FD450R12KE4PHOSA1 是专为这些应用设计的 IGBT 斩波器模块。该器件的最大额定电压为 1200 V，最大集电极电流为 450 A，采用标准的 62 mm C 系列模块。

更先进的整流电路包括基于 IGBT 的有源整流器。有源整流器用 IGBT 取代了二极管或晶闸管，控制器则通过栅极驱动器在适当的时候使 IGBT 导通或关断（图 6）。


图 6：有源整流器采用 IGBT 取代了整流电路中的二极管或晶闸管，并在栅极驱动控制器控制下进行切换。（图片来源： Infineon Technologies）

与产生非正弦线路电流的传统整流器不同，有源整流器在 IGBT 上串联了一个电感器，以保持线路电流为正弦波形并减少了谐波。与标准整流器相比，IGBT 的导通阻抗非常小，因此可减少导通损耗并提高效率。有源整流器控制器可保持统一的 PF，因此无需外部功率因数校正 (PFC) 设备。该器件具有更高的开关频率，因此可以实现尺寸更小的无源元件和滤波器。

FF1700XTR17IE5DBPSA1 采用 PrimePACK 3+ 模块化封装，在半桥配置中组合了双 IGBT。其额定电压为 1700 V，最大集电极电流为 1700 A。图 6 所示电路使用三个此类模块。

1ED3124MU12HXUMA1 等 IGBT 栅极驱动器可导通和断开一对 IGBT。栅极驱动器采用无铁芯变压器技术进行电隔离。该器件与额定电压为 600 V 至 2300 V 的 IGBT 兼容，在独立的拉出和灌入引脚上的典型输出电流为 14 A。输入逻辑引脚在 3 V 至 15 V 的宽输入电压范围内工作，采用 CMOS 阈值电平，支持 3.3 V 微控制器。

DC 源的电源转换

使用 DC 电源（如光伏能源和基于电池的混合系统） 分离氢气时需要采用 DC/DC 流转换器。如上所述，这些转换器可以提高二极管/晶闸管整流器的性能。转换器还可以优化本地 DC 电网，提高电厂的灵活性。

交错降压转换器使用并联的半桥斩波模块来改变从输入到输出的 DC 电平（图 7）。


图 7：交错降压转换器将输入 DC 电平 VDC1 降为输出电平 VDC2。（图片来源： Infineon Technologies）

通过适当的交错控制，这种 DC/DC 转换器拓扑结构可显著降低直流纹波，而不会增大电感器尺寸或提高开关频率每个实施阶段都可以通过一个适当的模块来实现。FF800R12KE7HPSA1 是一款半桥 IGBT 62 mm 模块，适用于降压拓扑 DC/DC 转换器。该器件的最大额定电压为 1200 V，最大集电极电流为 800 A。

双有源桥 (DAB) 转换器可以用来替代降压转换器（图 8）。


图 8：DAB 转换器可降低电压，并在输入和输出之间提供电隔离。（图片来源： Infineon Technologies）

DAB 转换器使用高频变压器来耦合输入和输出全桥电路，以实现电隔离。这种隔离通常有助于最大限度地减少电解槽和电极的腐蚀。用互补方波驱动相同的全桥电路。一次侧和二次侧之间驱动信号的相位决定了功率流向。此外，DAB 转换器通过使用 IGBT 的零伏开关功能，将开关损耗降至最低。该电路可采用半桥 IGBT 或碳化硅 (SiC) MOSFET 模块制造。

结束语

随着全球对清洁能源的需求不断增加，基于可再生能源的绿色氢分离技术将变得越来越重要。这类能量源需要高效、可靠和高度稳定的 DC 电源。设计人员可以使用 Infineon Technologies 广泛的高压和电流半导体产品组合来获得必要的电源转换元器件。