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）

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）

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）

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 V_DC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）

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 A_rms 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）

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）

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）

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）

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）