线上研讨会
直播主题
驱动绿色未来：功率半导体在制氢电能转换的革新解决方案
1 | 深入了解新能源制氢市场的整体发展趋势，洞悉行业未来的发展方向 |
2 | 探索功率半导体在电解水制氢设计的应用和挑战，解决相关领域的技术难题 |
3 | 理解英飞凌面对新能源制氢市场的整体解决方案，把握行业发展的发展机遇 |
直播日期
2024年7月30日14：00
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白皮书概览
功率转换技术在绿氢生产中的重要性（2024年）
摘要
全球对绿色氢气的需求量很大，而且还在快速增长。一些研究预测，到2050年，生产绿色氢气所需的电力需求将达到4500千兆瓦，而现在（2023年）的电力需求约为25千兆瓦。绿色氢气将减少以氢气为原料的现有工业的碳足迹，而新型能源储存和运输方法的开发也将推动这一指数级增长。
目前，大多数氢气生产严重依赖化石燃料，因此是二氧化碳（CO2）排放的重要来源。使氢气生产实现碳中和的环境、政治和经济压力越来越大。因此，电解水在未来的制氢中将发挥重要作用。它还将影响能源系统的构建方式。目前，电解水法的氢气产量仅占全球氢气产量的2%左右。电解水法利用风能和太阳能等可再生能源作为工艺输入，从而产生绿色氢气。
电解水需要高水平且稳定的直流电流，因此，在任何电解制氢设备中，电能转换系统都至关重要。绿色电解厂必须能够直接或通过电网使用来自风力发电场或太阳能阵列的电力。它还必须能够将这些不同能量来源的输入转化为稳定的电气特性输出，以经济的方式产生氢气。
本文先简要探讨了推动氢气市场增长的系数，然后重点介绍了电解所需的电能转换系统(PCS)。介绍了一些典型的电解设备布局，以及交流-直流和直流-交流电源转换的拓扑结构。作为功率半导体领域的全球领导者，英飞凌全面的产品组合为PCS设计人员提供了广泛的选择。本文最后将概述英飞凌的产品和能力。
全球氢能市场
为工业用途供应氢气是全球一项主要的全球业务，自1975年以来，需求量增长了三倍，而且还在继续增长。然而，今天的氢气生产几乎完全依赖化石燃料。它消耗了全球约6%的天然气和2%的煤。目前，全球制氢产生的二氧化碳排放量估计为每年8.3亿吨，相当于英国和印度尼西亚二氧化碳排放量的总和。再加上对氢的需求不断增加，这种电平排放与全球为限制气候变化所做的努力格格不入。
因此，重点在于氢气生产的去碳化。国际能源机构（IEA）最近的一份报告描述了绿色氢能如何获得前所未有的政治和商业支持。报告的结论是，现在正是扩大绿色氢技术和基础设施的合适时机。世界各地的制造商最近都宣布了扩大绿色氢气生产设施的计划，目标是到2030年达到155千兆瓦/年的总生产能力。预计到2050年，全球60%至80%的氢气供应将实现脱碳。
电解水是绿色氢能基础设施的关键组成部分。随着基础设施规模的扩大，将可再生能源整合进氢气生产设施的电力需求也将大幅增长，到2050年将达到4500千兆瓦（见图1）。
图1.满足《巴黎气候协定》规定的碳中和绿色制氢需求所需的装机电力。
电解水
电解法利用电能将水电解成氢和氧，从而产生氢气。该过程需要高质量的直流电（DC）。理论上，假设没有能量损失，至少需要32.9千瓦时的电能才能分裂出足够的水分子来产生1千克氢气。电解槽通常包含以下组件：
阳极和阴极-发生电化学反应的正极和负极
在电极间导通离子的电解质，可以是液体或固体
加快反应速度的催化剂
防止电极上产生的氢气和氧气混合的分离器
电源或氢能转换器，提供电解所需的电能
根据所使用的电解质类型，电解槽主要有三种类型：
碱性：这种电解器使用碱性溶液，是最常见的电解器。它们以经久耐用、成本低而著称。然而，与其他类型的电解槽相比，它们的效率较低
质子交换膜（PEM）：这些设备使用固体聚合物电解质，效率高、响应时序快、设计紧凑。不过，这些电解槽比碱性电解槽昂贵，因为它们使用铂等贵金属作为催化剂
固体氧化物：这些电解槽使用固体陶瓷材料作为电解质。与PEM电解槽相比，它们的效率高，但需要较高的工作温度，响应时间也较慢
虽然绿色氢气在未来能源系统中的潜力已被充分认识，但与化石燃料生产的氢气相比，其成本很高。这一点，以及缺乏适当的基础设施，都是刺激绿色氢能广泛应用需要应对的一些挑战。降低成本的工作重点是提高电解槽、电力转换系统和压缩机等单个部件的效率，以及通过建设更大规模的工厂来提高规模经济效益。由于电解槽是绿色产品制氢基础设施的关键要素（见图2），其性能和效率在未来的能源系统中将非常重要。
图2.电解氢--未来能源系统的一部分
电解槽厂可以吸收现有和新的可再生能源系统产生的多余能量，从而提高这些系统的利用率。这将为运营商提供另一个网络平衡杠杆，从而缓解电网压力。如图2所示，绿色氢气可用于各行各业：
作为冶金、水泥、供热、化工和农业等高能耗重工业的燃料或能源载体（以氨或甲醇合成为基础）
作为燃料电池的原料，为牵引车、商用车和农用车(CAV)、全电动汽车以及商用和民用建筑等广泛应用产生电能
作为燃气发电厂的发电燃料，替代天然气的使用，并减少他们的碳足迹
作为一种季节性能源储存媒介，未来可更好地利用可再生能源发电厂
开发高效、绿色、可规模化运行的制氢基础设施，在很大程度上取决于能够为电解过程高效提供优质电能的PCS。近年来，人们对功率转换进行了大量研究。下一节，我们将研究考虑在PCS中部署的主要转换拓扑。
由于篇幅原因，“电解槽设备系统要求”和“电源拓扑”部分详见白皮书。
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英飞凌解决方案
迄今为止的讨论涵盖了PCS中使用的常见拓扑结构，并强调了对各种功率半导体的要求，从晶闸管和二极管到IGBT和MOSFET，工作电压和电流范围很广。英飞凌全面的功率半导体产品组合（见图12）可一站式满足所有功率半导体需求。它涵盖了从几千瓦到几兆瓦所有功率的交流和直流耦合拓扑(射频，无线电信号)频谱的全部性能。
图3.英飞凌的功率半导体产品组合涵盖了各种交流和直流耦合拓扑的全部性能范围[10]
英飞凌的产品组合包括以下器件：
■ 晶闸管
晶闸管整流器通常用于大电流（>1兆瓦）、交流耦合应用。英飞凌提供各种适用于大功率、大电流整流器的晶闸管。此外，还包括一系列平板型相控晶闸管和模块。功率圆盘可双面冷却，具有出色的电流密度和可靠性。英飞凌提供带111毫米圆盘的预制风冷堆栈和带120毫米圆盘的5兆瓦水冷堆栈。预制堆栈和模块化机柜设计可简化整流器设计，缩短上市时间。T3841N18就是用于高能量设计的大电流晶闸管的一个例子。
图4.T3841N18，平板型晶闸管
■ IGBT
IGBT可用于AFE、MMC、交错降压和DAB拓扑。英飞凌广泛的IGBT产品包括一系列封装，从小功率（分立和Easy）到中等功率（EconoDUAL™和62mm）和高功率（PrimePACK™、IHV）。电解应用通常需要大直流电流，英飞凌在每个封装中都提供大电流模块。例如，IKY140N120CH7采用基于IGBT7技术的TO-247PLUS封装，电流为140A；FF800R12KE7采用类似技术，电流为800A，采用标准62mm封装。对于AFE拓扑结构，较大的二极管是有益的，因为转换器是作为整流器运行的。在此，英飞凌提供增强二极管模块，如针对整流进行优化的FF1700XTRIE5D。
对于接近低电压指令规定的1500VDC极限的解决方案，英飞凌凭借FF1800R23IE7在市场上处于领先地位。
图5.IKY140N120CH7, 140A in a tiny TO-247PLUS
图6.FF800R12KE7，标准大电流62mm封装
图7.PrimePACK™3+封装。FF1700XTR17IE5D，用于整流的增强型二极管。FF1800R23IE7、2.3kV模块，用于1500V直流母线电压
■ SiC MOSFET
SiC MOSFET对于DAB和高开关频率应用尤其具有吸引力。英飞凌的产品组合包括各种SiC MOSFET。它已经涵盖了1500VDC的细分市场，并提供各种封装的2kV SiC模块例如，IMYH200R012M1H只有12mΩ，采用专为1500 VDC应用设计的TO-247-4-PLUS-HCC封装。在更标准的封装（如62毫米）中，英飞凌的产品系列包括1.2KV电压的2mΩ FF2MR12KM1H和2kV电压的3mΩ FF3MR20KM1H。
英飞凌还提供FF2000XTR33T2M1，这是一款3.3kV 2mΩ SiC，，采用低电感XHP2封装。该模块具有独特的3µs短路耐受能力。
图8.IMYH200R012M1H，12mΩ in专用于1500 VDC应用的TO-247-4-PLUS-HCC封装
专为1500 VDC应用而设计
图9.采用标准62毫米封装的CoolSiC™
FF2MR12KM1H和FF3MR20KM1H
毫无疑问，随着全世界都在寻求可靠和安全的能源，同时也有助于减少重工业的碳足迹，对氢的需求将继续增长。为了防止排放量不可持续地增加，氢气的生产必须越来越多地以可再生能源为基础。为此，需要对电解水能力进行大量投资。有效的功率转换对于电解的效率和成本效益至关重要。英飞凌凭借其专业技术和广泛的功率半导体产品组合，成为P2H基础设施开发的重要合作伙伴。
