全球綠色氫能需求激增，制造商競相擴產，目標2030年前達155GW/年產能。展望至2050年，預計全球將有60%至80%的氫氣供應實現脫碳。電解水作為綠色氫能基礎設施的基石，其重要性日益凸顯。鑒于電解水過程對高水平且穩定直流電流的嚴格要求，電能轉換系統（PCS）在電解制氫設備中扮演著至關重要的角色。

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直播主題

驅動綠色未來：功率半導體在制氫電能轉換的革新解決方案

直播日期

2024年7月30日14：00

白皮書概覽

功率轉換技術在綠氫生產中的重要性（2024年）

摘要

全球對綠色氫氣的需求量很大，而且還在快速增長。一些研究預測，到2050年，生產綠色氫氣所需的電力需求將達到4500千兆瓦，而現在（2023年）的電力需求約為25千兆瓦。綠色氫氣將減少以氫氣為原料的現有工業的碳足跡，而新型能源儲存和運輸方法的開發也將推動這一指數級增長。

目前，大多數氫氣生產嚴重依賴化石燃料，因此是二氧化碳（CO2）排放的重要來源。使氫氣生產實現碳中和的環境、政治和經濟壓力越來越大。因此，電解水在未來的制氫中將發揮重要作用。它還將影響能源系統的構建方式。目前，電解水法的氫氣產量僅占全球氫氣產量的2%左右。電解水法利用風能和太陽能等可再生能源作為工藝輸入，從而產生綠色氫氣。

電解水需要高水平且穩定的直流電流，因此，在任何電解制氫設備中，電能轉換系統都至關重要。綠色電解廠必須能夠直接或通過電網使用來自風力發電場或太陽能陣列的電力。它還必須能夠將這些不同能量來源的輸入轉化為穩定的電氣特性輸出，以經濟的方式產生氫氣。

本文先簡要探討了推動氫氣市場增長的系數，然后重點介紹了電解所需的電能轉換系統(PCS)。介紹了一些典型的電解設備布局，以及交流-直流和直流-交流電源轉換的拓撲結構。作為功率半導體領域的全球領導者，英飛凌全面的產品組合為PCS設計人員提供了廣泛的選擇。本文最后將概述英飛凌的產品和能力。

全球氫能市場

為工業用途供應氫氣是全球一項主要的全球業務，自1975年以來，需求量增長了三倍，而且還在繼續增長。然而，今天的氫氣生產幾乎完全依賴化石燃料。它消耗了全球約6%的天然氣和2%的煤。目前，全球制氫產生的二氧化碳排放量估計為每年8.3億噸，相當于英國和印度尼西亞二氧化碳排放量的總和。再加上對氫的需求不斷增加，這種電平排放與全球為限制氣候變化所做的努力格格不入。

因此，重點在于氫氣生產的去碳化。國際能源機構（IEA）最近的一份報告描述了綠色氫能如何獲得前所未有的政治和商業支持。報告的結論是，現在正是擴大綠色氫技術和基礎設施的合適時機。世界各地的制造商最近都宣布了擴大綠色氫氣生產設施的計劃，目標是到2030年達到155千兆瓦/年的總生產能力。預計到2050年，全球60%至80%的氫氣供應將實現脫碳。

電解水是綠色氫能基礎設施的關鍵組成部分。隨著基礎設施規模的擴大，將可再生能源整合進氫氣生產設施的電力需求也將大幅增長，到2050年將達到4500千兆瓦（見圖1）。

圖1.滿足《巴黎氣候協定》規定的碳中和綠色制氫需求所需的裝機電力。

電解水

電解法利用電能將水電解成氫和氧，從而產生氫氣。該過程需要高質量的直流電（DC）。理論上，假設沒有能量損失，至少需要32.9千瓦時的電能才能分裂出足夠的水分子來產生1千克氫氣。電解槽通常包含以下組件：

陽極和陰極-發生電化學反應的正極和負極

在電極間導通離子的電解質，可以是液體或固體

加快反應速度的催化劑

防止電極上產生的氫氣和氧氣混合的分離器

電源或氫能轉換器，提供電解所需的電能

根據所使用的電解質類型，電解槽主要有三種類型：

堿性：這種電解器使用堿性溶液，是最常見的電解器。它們以經久耐用、成本低而著稱。然而，與其他類型的電解槽相比，它們的效率較低

質子交換膜（PEM）：這些設備使用固體聚合物電解質，效率高、響應時序快、設計緊湊。不過，這些電解槽比堿性電解槽昂貴，因為它們使用鉑等貴金屬作為催化劑

固體氧化物：這些電解槽使用固體陶瓷材料作為電解質。與PEM電解槽相比，它們的效率高，但需要較高的工作溫度，響應時間也較慢

雖然綠色氫氣在未來能源系統中的潛力已被充分認識，但與化石燃料生產的氫氣相比，其成本很高。這一點，以及缺乏適當的基礎設施，都是刺激綠色氫能廣泛應用需要應對的一些挑戰。降低成本的工作重點是提高電解槽、電力轉換系統和壓縮機等單個部件的效率，以及通過建設更大規模的工廠來提高規模經濟效益。由于電解槽是綠色產品制氫基礎設施的關鍵要素（見圖2），其性能和效率在未來的能源系統中將非常重要。

圖2.電解氫--未來能源系統的一部分

電解槽廠可以吸收現有和新的可再生能源系統產生的多余能量，從而提高這些系統的利用率。這將為運營商提供另一個網絡平衡杠桿，從而緩解電網壓力。如圖2所示，綠色氫氣可用于各行各業：

作為冶金、水泥、供熱、化工和農業等高能耗重工業的燃料或能源載體（以氨或甲醇合成為基礎）

作為燃料電池的原料，為牽引車、商用車和農用車(CAV)、全電動汽車以及商用和民用建筑等廣泛應用產生電能

作為燃氣發電廠的發電燃料，替代天然氣的使用，并減少他們的碳足跡

作為一種季節性能源儲存媒介，未來可更好地利用可再生能源發電廠

開發高效、綠色、可規模化運行的制氫基礎設施，在很大程度上取決于能夠為電解過程高效提供優質電能的PCS。近年來，人們對功率轉換進行了大量研究。下一節，我們將研究考慮在PCS中部署的主要轉換拓撲。

由于篇幅原因，“電解槽設備系統要求”和“電源拓撲”部分詳見白皮書。

英飛凌解決方案

迄今為止的討論涵蓋了PCS中使用的常見拓撲結構，并強調了對各種功率半導體的要求，從晶閘管和二極管到IGBT和MOSFET，工作電壓和電流范圍很廣。英飛凌全面的功率半導體產品組合（見圖12）可一站式滿足所有功率半導體需求。它涵蓋了從幾千瓦到幾兆瓦所有功率的交流和直流耦合拓撲(射頻，無線電信號)頻譜的全部性能。

圖3.英飛凌的功率半導體產品組合涵蓋了各種交流和直流耦合拓撲的全部性能范圍[10]

英飛凌的產品組合包括以下器件：

■ 晶閘管

晶閘管整流器通常用于大電流（>1兆瓦）、交流耦合應用。英飛凌提供各種適用于大功率、大電流整流器的晶閘管。此外，還包括一系列平板型相控晶閘管和模塊。功率圓盤可雙面冷卻，具有出色的電流密度和可靠性。英飛凌提供帶111毫米圓盤的預制風冷堆棧和帶120毫米圓盤的5兆瓦水冷堆棧。預制堆棧和模塊化機柜設計可簡化整流器設計，縮短上市時間。T3841N18就是用于高能量設計的大電流晶閘管的一個例子。

圖4.T3841N18，平板型晶閘管

■ IGBT

IGBT可用于AFE、MMC、交錯降壓和DAB拓撲。英飛凌廣泛的IGBT產品包括一系列封裝，從小功率（分立和Easy）到中等功率（EconoDUAL和62mm）和高功率（PrimePACK、IHV）。電解應用通常需要大直流電流，英飛凌在每個封裝中都提供大電流模塊。例如，IKY140N120CH7采用基于IGBT7技術的TO-247PLUS封裝，電流為140A；FF800R12KE7采用類似技術，電流為800A，采用標準62mm封裝。對于AFE拓撲結構，較大的二極管是有益的，因為轉換器是作為整流器運行的。在此，英飛凌提供增強二極管模塊，如針對整流進行優化的FF1700XTRIE5D。

對于接近低電壓指令規定的1500VDC極限的解決方案，英飛凌憑借FF1800R23IE7在市場上處于領先地位。

圖5.IKY140N120CH7, 140A in a tiny TO-247PLUS

圖6.FF800R12KE7，標準大電流62mm封裝

圖7.PrimePACK3+封裝。FF1700XTR17IE5D，用于整流的增強型二極管。FF1800R23IE7、2.3kV模塊，用于1500V直流母線電壓

■ SiC MOSFET

SiC MOSFET對于DAB和高開關頻率應用尤其具有吸引力。英飛凌的產品組合包括各種SiC MOSFET。它已經涵蓋了1500VDC的細分市場，并提供各種封裝的2kV SiC模塊例如，IMYH200R012M1H只有12mΩ，采用專為1500 VDC應用設計的TO-247-4-PLUS-HCC封裝。在更標準的封裝（如62毫米）中，英飛凌的產品系列包括1.2KV電壓的2mΩ FF2MR12KM1H和2kV電壓的3mΩ FF3MR20KM1H。

英飛凌還提供FF2000XTR33T2M1，這是一款3.3kV 2mΩ SiC，，采用低電感XHP2封裝。該模塊具有獨特的3μs短路耐受能力。

圖8.IMYH200R012M1H，12mΩ in專用于1500 VDC應用的TO-247-4-PLUS-HCC封裝

專為1500 VDC應用而設計

圖9.采用標準62毫米封裝的CoolSiC
FF2MR12KM1H和FF3MR20KM1H

毫無疑問，隨著全世界都在尋求可靠和安全的能源，同時也有助于減少重工業的碳足跡，對氫的需求將繼續增長。為了防止排放量不可持續地增加，氫氣的生產必須越來越多地以可再生能源為基礎。為此，需要對電解水能力進行大量投資。有效的功率轉換對于電解的效率和成本效益至關重要。英飛凌憑借其專業技術和廣泛的功率半導體產品組合，成為P2H基礎設施開發的重要合作伙伴。