如何為綠氫製造確保高效率且穩定的直流電流

轉換至更多綠氫可預期減少溫室氣體量。若要以水力、風力、太陽能等再生能源發電來電解水，無論是在本地發電或透過電網傳輸，都必須先以高效率轉換為直流電 (DC)。系統設計人員面臨的挑戰在於如何提供高且穩定的直流位準、低諧波失真、高電流密度和良好的功率因數 (PF)。

本文探討綠氫的原理，並且介紹 Infineon Technologies 的功率組件，展示如何運用，將環保能源的輸入轉換為具有產生綠氫所需特性的穩定電力輸出。

電解水製氫

將水電解，可從中分離出氫。此過程的副產品是氧。電解過程需要使用穩定、高位準的直流電。此過程在電解池或電解槽中反應；電解池或電解槽會包含進行電化學反應的陽極 (正極) 和陰極 (負極)。液態或固態電解質包圍電極並在電極之間傳導離子。依據所採用的化學反應，可能需要加上催化劑以提高反應速率。此電解池由穩定的高位準直流電源或電源供電 (圖 1)。

圖 1：基本電解池分離出水中的氫和氧。(圖片來源：Art Pini)

此電解池還包括一個分離器 (圖中未顯示)，以防止電極處產生的氫和氧混合。

此反應需要高位準的直流電。在沒有能量損失的理想條件下，至少需要 32.9 kWh 的電能才能電解足夠的水分子以產生 1 kg 的氫。這會根據所採用的電解過程，因其效率不同而異。

目前有三種不同的過程：鹼性電解 (AEL)、質子交換膜 (PEM)、固態氧化物電解。

AEL 電解槽技術最成熟，在金屬電極之間使用鹼性溶液 (如氫氧化鉀)。其效率低於其他類型的電解槽。

PEM 電解槽使用固態聚合物電解質，並以貴金屬催化劑強化。其特性是更高效率、更快反應時間和緊湊的設計。

固態氧化物電解電池 (SOEC) 使用固態陶瓷材料作為電解質。具有高效率，但需要高工作溫度。其反應時間比 PEM 電解槽慢。

圖 2 為三種技術的特性比較。

圖 2：AEL、PEM、SOEC 特性的比較，凸顯了新型電解槽在效率的提升。(圖片來源：Infineon Technologies)

目前綠氫的生產成本比從石化燃料生產氫的成本更高。透過提高離散組件 (包括電解槽和電力系統) 的效率，以及擴大轉換廠房的規模，可以扭轉這一局面。

電網和綠色電源的電力系統配置

目前大多數製氫廠房都離網運作。電解槽的電源是交流至直流整流器，由線路變壓器供電。由電網供電的電解廠必須滿足所有電網標準和規範，例如達到一致的 PF 並保持低諧波失真。綠色能源在執行氫分離過程時，需不同的電力系統 (圖 3)。

圖 3：電解廠必須將電源電力轉換為電解槽所需的直流電。(圖片來源：Infineon Technologies)

風力電源是交流電源，與電網相同，若要為電解槽供電，需加上整流器以便將交流電轉換為直流電。太陽能和使用電池的混合能源依靠 DC/DC 轉換器，控制驅動電解池的直流電位。不論電源為何，電解池也可以採用本地 DC/DC 轉換器。電解池代表恆定的直流負載。由於需考量電解槽內老化的情形，施加的電壓需在電池的使用期間增加，電源轉換系統 (PCS) 要能適應此過程。電源轉換系統無論是搭配交流電源還是直流電源，都有一些共通規格。

其輸出電壓需在 _DC 至 1,500 V_DC 範圍內。鹼性電池的最大電壓約為 800 V。PEM 電池受限較少，目前朝向高電壓範圍發展，以降低損耗及成本。輸出功率範圍可為 20 kW 至 30 MW。PCS 的電流漣波應小於 5%，此規格對電池壽命和效率的影響仍在研究中。電網電源的 PCS 整流器設計必須符合電力公司的大負載和 PF 要求 (尤其針對較高功率負載)。

交流電源的電力轉換

交流供電的製氫廠房需要的整流器，需可以直接驅動電解池或驅動連接到多個電解池的直流電網。

常會選用多脈衝整流器 (圖 4)。此整流器設計基於閘流管，可靠且具有高效率，能支援高電流密度，並使用低成本半導體。

圖 4：基於閘流管的多脈衝整流器可靠且具有高效率，能支援高電流密度並使用低成本半導體。所示為 12 脈衝實作。(圖片來源：Infineon Technologies)

基於閘流管的多脈衝轉換器是一項成熟且眾所周知的技術。圖 4 所示為 12 脈衝閘流管整流器，由具有兩個低壓二次側繞組的星形-三角形-星形電力頻率變壓器組成。二次側繞組驅動兩個六脈衝閘流管整流器，輸出以並聯連接。如果此整流器直接驅動電解槽，則閘流管觸發角會控制輸出電壓以及流入的電流。觸發角還可在面臨電解槽電池老化以及電池堆所需的電壓增加下，用於維持系統中的電流。變壓器也可能包含有載分接頭切換器 (OLTC)。OLTC 在多個接入點之間切換或在其中一個繞組上進行分接，升高或降低供應至整流器的電壓，藉此改變變壓器匝數比。

Infineon Technologies 為 PCS 設計人員提供豐富的半導體組件品項。閘流管整流器常用於這些交流電源應用。以 T3800N18TOFVTXPSA1 為例，這是一款採用底盤安裝 TO-200AE 圓盤封裝的離散式閘流管，額定可在 5970 A_rms 導通電流下處理 1800 V 電壓。圓盤封裝具有雙側冷卻設計，可達到更高的功率密度。

在整流器輸出側添加降壓轉換器作為後置整流截波器，可以改善基本整流器設計。增加截波級，則可透過調整截波器的工作週期而非閘流管的觸發角，增加對反應過程的控制 (圖 5)。如此可減少閘流管所需的動態範圍，進而最佳化製程。

圖 5：後置整流截波器可減少電流失真並提高 PF。(圖片來源：Infineon Technologies)

使用絕緣閘雙極電晶體 (IGBT) 的後置整流截波器便無須使用 OLTC 變壓器，並且可以減少電流失真及提高 PF。

Infineon Technologies 的 FD450R12KE4PHOSA1 IGBT 截波器模組專為這些應用所設計。其額定最大電壓為 1200 V，最大集極電流為 450 A，採用標準 62 mm C 系列模組。

更進階的整流器電路包括 IGBT 架構的主動整流器。主動整流器以 IGBT 取代二極體或閘流管，控制器會透過閘極驅動器在適當的時間開啟和關閉 (圖 6)。

圖 6：主動整流器以 IGBT 取代整流電路中的二極體或閘流管，並由閘極驅動器控制器開關。(圖片來源：Infineon Technologies)

傳統整流器會產生非正弦線路電流，主動整流器與之不同，其具有與 IGBT 串聯的電感，可保持線路電流為正弦波並減少諧波。IGBT 導通時的阻抗非常低，相較於標準整流器，可減少導通損耗並提高效率。主動整流器控制器可維持一致的 PF，因此無需外部功率因數校正 (PFC) 元件。此外，還可在更高的切換頻率下運作，因此可採用更小尺寸的被動元件和濾波器。

FF1700XTR17IE5DBPSA1 以半橋配置組合雙 IGBT，採用 PrimePACK 3+ 模組化封裝。其額定電壓為 1700 V，最大集極電流為 1700 A。圖 6 所示電路使用三個此類模組。

IGBT 閘極驅動器 (如 1ED3124MU12HXUMA1) 可開啟和關閉單一 IGBT 對。此閘極驅動器採用無芯變壓器技術進行電流隔離。與額定電壓為 600 至 2300 V 的 IGBT 相容，並在獨立的流入引腳和流出引腳上具有 14 A 的典型輸出電流。輸入邏輯引腳在 3 至 15 V 的寬廣輸入電壓範圍內運作，使用 CMOS 閾值位準支援 3.3 V 微控制器。

直流電源的功率轉換

使用直流電源 (例如光伏能源和電池架構的混合系統) 分離氫需要 DC/DC 轉換器。如上所述，這些轉換器可以提高二極體／閘流管整流器的效能。還可最佳化本地直流電網，達到廠房靈活性。

交錯式降壓轉換器使用並聯的半橋截波器模組，改變輸入至輸出的直流位準 (圖 7)。

圖 7：交錯式降壓轉換器將輸入直流位準 V_DC1 降低至輸出位準 V_DC2。(圖片來源：Infineon Technologies)

若採用適當的交錯控制，此 DC/DC 轉換器拓撲可大幅降低 DC 漣波，而無需增加電感的尺寸或切換頻率。每個階段都可以用適當的模組進行實作。FF800R12KE7HPSA1 是一款半橋 IGBT 62 mm 模組，適用於降壓拓撲 DC/DC 轉換器。其額定最大電壓為 1200 V，支援最大集極電流為 800 A。

雙主動橋接器 (DAB) 轉換器是降壓轉換器的替代方案 (圖 8)。

圖 8：DAB 轉換器執行降壓，並在輸入和輸出之間提供電流隔離。(圖片來源：Infineon Technologies)

DAB 轉換器使用高頻變壓器耦合輸入和輸出全橋電路，提供電流隔離。這種隔離通常有助於將電解池的電解槽和電極的腐蝕程度降至最低。相同的全橋電路由互補方波驅動。一次側和二次側之間驅動訊號的相位決定功率流動的方向。此外，DAB 轉換器使用 IGBT 的零伏特切換，可將切換損耗降至最低。此電路可以使用半橋 IGBT 或碳化矽 (SiC) MOSFET 模組製造。

結論

隨著全球對潔淨能源的需求不斷增加，基於再生能源的綠氫分離的重要性亦提高。此類電源需要高效率、可靠且高度穩定的直流電源。設計人員可以選用 Infineon Technologies 的各種高壓和電流半導體產品組合，取得必要的功率轉換組件。