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1、 白皮书白皮书 功率转换技术在绿氢生产中的重要性 版本：v1.0 修订日期 2024/07 2 2024/07 目录 摘要摘要 3 3 全球氢能市场全球氢能市场 4 4 电解水电解水 5 5 电解槽设备系统要求电解槽设备系统要求 6 6 电源拓扑电源拓扑 8 8 英飞凌解决方案英飞凌解决方案 1313 参考文献参考文献 1616 3 2024/07 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

2、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

3、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。4 2024/07 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 1，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。它消耗了全球球约 6%的天然气和 2%的煤 1。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

4、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，将可再生能源源整合进氢气生产设施的电力需求需求也将大幅增长，到 2050 年

5、将达到 4500 千兆瓦（见图 1）。图 1 满足巴黎气候协定 2规定的碳中和绿色制氢需求所需的装机电力。2023Global warming by 1.8C scenario 2025211070500100015002000250030003500400045002028Electrical power demand(GW)20302040205052884529544408 5 2024/07 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 3。电

6、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（质子交换膜（PEMPEM）：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 固体氧化物固体氧化物：这些电解槽使用固体陶瓷材料作为

7、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 3 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

8、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。6 2

9、024/07 电解槽设备系统要求 如上一节所述，电解需要高水平的直流电(DC)，由绿色制氢装置的 PCS 提供。绿色制氢装置的 PCS 提供。PCS 将来自电网或风能应用的交流电或来自直流电网（太阳能或电池储能系统）的电流转换为满足电解槽需求的输出（见图 3）。这种转换器的设计极大地影响着绿色制氢装置的整体效率、可靠性和开销。下一节将讨论可能的转换器拓扑结构。图 3 PCS 是 P2H 工厂的关键组成部分 5 潜在的 PCS 系统必须满足多种要求，大致分为电解槽电解单元要求和电网连接要求。电解槽电解单元要求 恒定直流电（DC）是电解槽的基本功率要求。为达到最大利用率，必须在常数负载下运行。电解

10、槽的启动和斜坡下降需要时序。根据技术的不同，时间可能从几分钟到几小时不等。如今的趋势是缩短反应时序，以便在不需要电池缓冲器的情况下更好地与可再生能源整数结合。电解槽的另一个重要方面是，随着电解槽的老化，它的工作电压有上升的趋势。电解单元电池产生的氢气数量取决于流过它的电流。由于电解槽中的各种老化机制，随着电解槽的老化，产生相同氢气（相同电流）所需的电压会增加。因此，为电解单元供电的 PCS 必须能够在其使用寿命内提高输出电压。理想情况下，它还应具有稳健的电流控制功能，以便与设备的平衡装置整合。这将确保处理气体和液体的压缩机和泵在限制范围内运行。Electrolyzer stackIntegra

11、ted energy storageSolar farmWind energyMV AC GridDC PowerAC Power 7 2024/07 电解槽可在多种条件下运行，取决于多种系数，包括电厂布局和电解单元技术。没有一种 PCS 适用于所有情况。设备设计人员可在以下一般运行范围内确定对 PCS 的要求：输出电压 400 至 1500 VDC。由于寄生电流的原因，碱性技术的最大电压有限（约 800 VDC）。而 PEM 技术则没有这种限制，它正朝着更高的电压方向发展，以提高损耗性能和降低金属开销。输出功率单位装置 20 千瓦至 30 兆瓦。为了降低氢气的平准化成本（LCoH），应优先选

12、择额定功率较高的大型系统。较大的系统由较小的单位/装置并联而成。电流纹波：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 13:T3841N18，平板型晶闸管 11 10 kW250 1000 kW100 250 kW1-5 MW10 100 kWActive front

13、 end rectifier 20 MW5 20 MWDiode rectifierThyristor rectifierPrimePACKXHPMulti-phase DC/DCTRENCHSTOP7Easy 1B/2BEasy CoolSiCIHVIHVGate driver solutionsEiceDRIVERCoolSiCMOSFET Easy CoolSiCEasy 1B/2BTRENCHSTOP7Easy 3B/4B62mmEconoDUALXHPPrimePACKIHVPower BlockPower discPower discPower stackPower discPow

14、er stack62mmEconoDUALEasy 3B/4BCoolSiCMOSFET Power BlockPower discXHP 14 2024/07 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 140 A；FF800R12KE7 采用类似技

15、术，电流为 800 A，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 1500 VDC 极限的解决方案，英飞凌凭借 FF1800R23IE7 在市场上处于领先地位。图 14:IKY140N120CH7,140 A in a tiny TO-247PLUS 12 图 15:FF800R12KE7，标准大电流 62mm 封装 13 图 16:PrimePACK3+封装。FF1700XTR17IE5D，用于整流的增强型二极管。FF1800

16、R23IE7、2.3 kV 模块，用于 1500 V 直流母线电压 14 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1500 VDC 的细分市场，并提供各种封装的 2kV SiC 模块例如，IMYH200R012M1H 只有 12 m，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 1.2 KV 电压的 2 m FF2MR12KM1H 和 2 kV 电压的 3 m FF3MR20KM1H。15 2

17、024/07 英飞凌还提供 FF2000XTR33T2M1，这是一款 3.3kV 2 m SiC，采用低电感 XHP2 封装。该模块具有独特的 3 s 短路耐受能力。图 17:IMYH200R012M1H，12 m 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15 图 18:采用标准 62 毫米封装的 CoolSiC。FF2MR12KM1H 和 FF3MR20KM1H16 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

18、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。16 2024/07 参考文献 国际能源机构：氢能的未来-抓住今天的机遇，2019-06 出版；https:/ IHS Markit、标准普尔全球：氢能与可再生天然气论坛-发电季度报告-2022 年第四季度 Stack Exchange Inc：水电解计算，检索 2024-04-19；https:/ Technologies AG电解氢，检索 2024-04-19；https:/ Technologi

19、es AG绿色氢气 Efficient electrolysis through comprehensive power conversion solution,last update 2023-06-12;https:/ Netztransparenz.de：4-TSO position paper on Fault-Ride-Through and modelling requirements for electrolyser facilities,retrieved 2024-04-19;https:/ztransparenz.de/xspproxy/api/staticfiles/nt

20、p-relaunch/dokumente/%C3%BCber%20uns/studien%20und%20positionspapiere/frt-anforderungen/4-u%CC%88nb-papier_zu_elektrolyse_frt_anforderungen.pdf VDE：用户装置与特高压电网（TAR 特高压）连接和运行的技术要求；VDE-AR-N 4130 Corrigendum 1:2018-11 的英文译文，2020-10 发布；https:/www.vde-verlag.de/standards/download-free-translation/E100595/

21、Infineon Technologies AG绿色氢气 Efficient electrolysis through comprehensive power conversion solution,last update 2023-06-12;https:/ Infineon Technologies AG Infineon Technologies AG绿色氢气 Efficient electrolysis through comprehensive power conversion solution,last update 2023-06-12;https:/ Infineon Tech

22、nologies AGT3841N18TOF VT 1800 V 相控晶闸管盘，检索 2024-04-19；https:/ Technologies AG IKY140N120CH7 1200 V,140 A IGBT with anti-parallel diode in TO-247PLUS 4pin package,retrieved 2024-04-19;https:/ Technologies AGFF800R12KE7 1200 V、800 A 双 IGBT 模块，检索 2024-04-19；https:/ Technologies AGFF1700XTR17IE5D 1700 V

23、、1700 A 双 IGBT 模块，检索 2024-04-19；https:/ Technologies AG IMYH200R012M1H CoolSiC 2000 V SiC Trench MOSFET in TO-247PLUS-4-HCC package,retrieved 2024-04-19;https:/ Technologies AGFF3MR20KM1H 62 mm CoolSiC MOSFET 半桥模块 2000 V，检索日期 2024-04-19；https:/ Am Campeon 1-15,85579 Neubiberg 德国 2024 Infineon Techno

24、logies AG.All Rights Reserved.Public 修订日期 2024/07 保持联系！保持联系！请注意！本文件仅供参考，此处提供的任何信息在任何情况下均不得视为对我们产品的任何功能、条件和/或质量或任何特定用途适用性的保证、担保或描述。关于我们产品的技术规格，请您参考我们提供的相关产品数据表。我们的客户及其技术部门必须评估我们的产品是否适合预期应用。我们保留随时更改本文件和/或其中所提供信息的权利。其他信息 有关技术、产品、产品应用、交货条款和条件及/或价格的详细信息，请就近联系英飞凌科技办事处()。警告 由于技术要求，我们的产品可能含有危险物质。如需了解该等物质的类型，请向离您最近的英飞凌科技办公室接洽。除非在英飞凌科技授权代表签署的书面文件中得到我们的明确批准，否则我们的产品不得用于任何危及生命的应用，包括但不限于医疗、核、军事、生命攸关的应用或产品故障或使用产品的任何后果可能导致人身伤害的任何其他应用。扫描二维码，了解产品