转换至更多绿氢可预期减少温室气体量。若要以水力、风力、太阳能等再生能源发电来电解水,无论是在本地发电或透过电网传输,都必须先以高效率转换为直流电(DC)。系统设计人员面临的挑战在於如何提供高且稳定的直流位准、低谐波失真、高电流密度和良好的功率因数(PF)。
本文探讨绿氢的原理,并且介绍 Infineon Technologies 的功率组件,展示如何运用,将环保能源的输入转换为具有产生绿氢所需特性的稳定电力输出。
电解水制氢
将水电解,可从中分离出氢。此过程的??产品是氧。电解过程需要使用稳定、高位准的直流电。此过程在电解池或电解槽中反应;电解池或电解槽会包含进行电化学反应的阳极(正极)和阴极(负极)。液态或固态电解质包围电极并在电极之间传导离子。依据所采用的化学反应,可能需要加上催化剂以提高反应速率。此电解池由稳定的高位准直流电源或电源供电(图一)。
![图一 : 基本电解池分离出水中的氢和氧(source:Art Pini)](/art/2024/08/271837342290/p1S.JPG)
图一 : 基本电解池分离出水中的氢和氧(source:Art Pini) |
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此电解池还包括一个分离器(图中未显示),以防止电极处产生的氢和氧混合。
此反应需要高位准的直流电。在没有能量损失的理想条件下,至少需要32.9 kWh的电能才能电解足够的水分子以产生1 kg的氢。这会根据所采用的电解过程,因其效率不同而异。
目前有三种不同的过程:硷性电解(AEL)、质子交换膜(PEM)、固态氧化物电解。
· 硷性电解(AEL):电解槽技术最成熟,在金属电极之间使用硷性溶液(如氢氧化钾)。其效率低於其他类型的电解槽。
· 质子交换膜(PEM):电解槽使用固态聚合物电解质,并以贵金属催化剂强化。其特性是更高效率、更快反应时间和紧凑的设计。
· 固态氧化物电解电池(SOEC):使用固态陶瓷材料作为电解质。具有高效率,但需要高工作温度。其反应时间比PEM电解槽慢。
图二为三种技术的特性比较。
![图二 : AEL、PEM、SOEC特性的比较,凸显了新型电解槽在效率的提升。(source:Infineon Technologies)](/art/2024/08/271837342290/p2S.JPG)
图二 : AEL、PEM、SOEC特性的比较,凸显了新型电解槽在效率的提升。(source:Infineon Technologies) |
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目前绿氢的生产成本比从石化燃料生产氢的成本更高。透过提高离散组件(包括电解槽和电力系统)的效率,以及扩大转换厂房的规模,可以扭转这一局面。
电网和绿色电源的电力系统配置
目前大多数制氢厂房都离网运作。电解槽的电源是交流至直流整流器,由线路变压器供电。由电网供电的电解厂必须满足所有电网标准和规范,例如达到一致的PF并保持低谐波失真。绿色能源在执行氢分离过程时,需不同的电力系统(图三)。
![图三 : 电解厂必须将电源电力转换为电解槽所需的直流电(source:Infineon Technologies)](/art/2024/08/271837342290/p3S.JPG)
图三 : 电解厂必须将电源电力转换为电解槽所需的直流电(source:Infineon Technologies) |
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风力电源是交流电源,与电网相同,若要为电解槽供电,需加上整流器以便将交流电转换为直流电。太阳能和使用电池的混合能源依靠DC/DC转换器,控制驱动电解池的直流电位。不论电源为何,电解池也可以采用本地DC/DC转换器。电解池代表恒定的直流负载。由於需考量电解槽内老化的情形,施加的电压需在电池的使用期间增加,电源转换系统(PCS)要能适应此过程。电源转换系统无论是搭配交流电源还是直流电源,都有一些共通规格。
其输出电压需在DC 至1,500 VDC范围内。硷性电池的最大电压约为800 V。PEM电池受限较少,目前朝向高电压范围发展,以降低损耗及成本。输出功率范围可为20 kW至30 MW。PCS的电流涟波应小於5%,此规格对电池寿命和效率的影响仍在研究中。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(尤其针对较高功率负载)。
交流电源的电力转换
交流供电的制氢厂房需要的整流器,需可以直接驱动电解池或驱动连接到多个电解池的直流电网。
常会选用多脉冲整流器(图四)。此整流器设计基於闸流管,可靠且具有高效率,能支援高电流密度,并使用低成本半导体。
![图四 : 基於闸流管的多脉冲整流器可靠且具有高效率,能支援高电流密度并使用低成本半导体。所示为12脉冲实作。(source:Infineon Technologies)](/art/2024/08/271837342290/p4S.JPG)
图四 : 基於闸流管的多脉冲整流器可靠且具有高效率,能支援高电流密度并使用低成本半导体。所示为12脉冲实作。(source:Infineon Technologies) |
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基於闸流管的多脉冲转换器是一项成熟且众所周知的技术。图四所示为12脉冲闸流管整流器,由具有两个低压二次侧绕组的星形-三角形-星形电力频率变压器组成。二次侧绕组驱动两个六脉冲闸流管整流器,输出以并联连接。如果此整流器直接驱动电解槽,则闸流管触发角会控制输出电压以及流入的电流。触发角还可在面临电解槽电池老化以及电池堆所需的电压增加下,用於维持系统中的电流。变压器也可能包含有载分接头切换器 (OLTC)。OLTC在多个接入点之间切换或在其中一个绕组上进行分接,升高或降低供应至整流器的电压,藉此改变变压器匝数比。
Infineon Technologies为PCS设计人员提供丰富的半导体组件品项。闸流管整流器常用於这些交流电源应用。以T3800N18TOFVTXPSA1为例,这是一款采用底盘安装TO-200AE 圆盘封装的离散式闸流管,额定可在5970 Arms 导通电流下处理1800 V电压。圆盘封装具有双侧冷却设计,可达到更高的功率密度。
在整流器输出侧添加降压转换器作为後置整流截波器,可以改善基本整流器设计。增加截波级,则可透过调整截波器的工作周期而非闸流管的触发角,增加对反应过程的控制(图 五)。如此可减少闸流管所需的动态范围,进而最隹化制程。
![图五 : 後置整流截波器可减少电流失真并提高PF(source:Infineon Technologies)](/art/2024/08/271837342290/p5S.JPG)
图五 : 後置整流截波器可减少电流失真并提高PF(source:Infineon Technologies) |
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使用绝缘闸双极电晶体(IGBT)的後置整流截波器便无须使用OLTC变压器,并且可以减少电流失真及提高PF。
Infineon Technologies的 FD450R12KE4PHOSA1 IGBT截波器模组专为这些应用所设计。其额定最大电压为1200 V,最大集极电流为450 A,采用标准62 mm C系列模组。
更进阶的整流器电路包括IGBT架构的主动整流器。主动整流器以IGBT取代二极体或闸流管,控制器会透过闸极驱动器在适当的时间开启和关闭(图六)。
![图六 : 主动整流器以 IGBT 取代整流电路中的二极体或闸流管,并由闸极驱动器控制器开关。(source:Infineon Technologies)](/art/2024/08/271837342290/p6S.JPG)
图六 : 主动整流器以 IGBT 取代整流电路中的二极体或闸流管,并由闸极驱动器控制器开关。(source:Infineon Technologies) |
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传统整流器会产生非正弦线路电流,主动整流器与之不同,其具有与IGBT串联的电感,可保持线路电流为正弦波并减少谐波。IGBT导通时的阻抗非常低,相较於标准整流器,可减少导通损耗并提高效率。主动整流器控制器可维持一致的PF,因此无需外部功率因数校正(PFC)元件。此外,还可在更高的切换频率下运作,因此可采用更小尺寸的被动元件和滤波器。
FF1700XTR17IE5DBPSA1以半桥配置组合双IGBT,采用PrimePACK 3+模组化封装。其额定电压为1700 V,最大集极电流为1700 A。图六所示电路使用三个此类模组。
IGBT闸极驱动器(如1ED3124MU12HXUMA1)可开启和关闭单一IGBT对。此闸极驱动器采用无芯变压器技术进行电流隔离。与额定电压为600至2300 V的IGBT相容,并在独立的流入引脚和流出引脚上具有14 A的典型输出电流。输入逻辑引脚在3至15 V的宽广输入电压范围内运作,使用CMOS??值位准支援3.3 V微控制器。
直流电源的功率转换
使用直流电源(例如光伏能源和电池架构的混合系统)分离氢需要DC/DC转换器。如上所述,这些转换器可以提高二极体/闸流管整流器的效能。还可最隹化本地直流电网,达到厂房灵活性。
交错式降压转换器使用并联的半桥截波器模组,改变输入至输出的直流位准(图七)。
![图七 : 交错式降压转换器将输入直流位准VDC1降低至输出位准VDC2(source:Infineon Technologies)](/art/2024/08/271837342290/p7S.JPG)
图七 : 交错式降压转换器将输入直流位准VDC1降低至输出位准VDC2(source:Infineon Technologies) |
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若采用适当的交错控制,此DC/DC转换器拓扑可大幅降低DC涟波,而无需增加电感的尺寸或切换频率。每个阶段都可以用适当的模组进行实作。FF800R12KE7HPSA1是一款半桥IGBT 62 mm模组,适用於降压拓扑DC/DC转换器。其额定最大电压为1200 V,支援最大集极电流为800 A。
双主动桥接器(DAB)转换器是降压转换器的替代方案(图八)。
![图八 : DAB转换器执行降压,并在输入和输出之间提供电流隔离。(source:Infineon Technologies)](/art/2024/08/271837342290/p8S.JPG)
图八 : DAB转换器执行降压,并在输入和输出之间提供电流隔离。(source:Infineon Technologies) |
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DAB转换器使用高频变压器耦合输入和输出全桥电路,提供电流隔离。这种隔离通常有助於将电解池的电解槽和电极的腐蚀程度降至最低。相同的全桥电路由互补方波驱动。一次侧和二次侧之间驱动讯号的相位决定功率流动的方向。此外,DAB转换器使用IGBT的零伏特切换,可将切换损耗降至最低。此电路可以使用半桥IGBT或碳化矽(SiC)MOSFET模组制造。
结论
随着全球对洁净能源的需求不断增加,基於再生能源的绿氢分离的重要性亦提高。此类电源需要高效率、可靠且高度稳定的直流电源。设计人员可以选用各种高压和电流半导体产品,取得必要的功率转换组件。
(本文作者Barley Li为DigiKey Electronics亚太区技术内容部门应用工程经理)