氢气电解槽旨在利用各种能源（电网、太阳能、风能或电池储能系统）通过电解水来制氢。当使用可再生能源供电时，这些系统旨在以环境友好的方式制氢，从而减少对化石燃料的依赖并最大限度地降低碳排放。本文将为您概述氢电解槽的应用和技术趋势，并重点介绍了安森美（onsemi）专为该领域量身定制的全面高效的功率解决方案。
电解制氢的关键技术环节
与电解技术类型
电解制氢可用于多种应用，包括用于交通运输的燃料电池、工业流程和储能。随着可再生能源渗透率的提高，绿色氢气电解槽系统对向可持续、低碳能源基础设施未来转型做出了重大贡献。由于技术进步、与可再生能源的融合、政策和投资支持以及分布式生产等多种因素，该行业正经历快速增长。
功率转换是氢电解槽系统的关键环节，它将电源中的电能转换为电解所需的能量形式。关键元器件包括整流器和DC-DC转换器，它们能够高效地管理和转换电能。功率模块解决方案将这些元器件集成到统一的系统中，采用模块化设计以实现可扩展性，配备有效的散热管理系统以降低热量，并采用先进的控制系统以实现最佳性能和安全性。
电解过程旨在利用稳定高效的直流电源，通过精确的电能转换实现。这使得电解槽能够将水（H₂O）分解为氢气（H₂）和氧气（O₂），实现零碳排放，并降低电厂的运营成本／资本支出。电能转换性能直接影响氢气生产效率、系统安全性和整体成本效益。该系统通常由功率模块、控制单元（实时电压／电流调节）、冷却系统和保护电路组成。
目前主要有四种电解技术，包括碱性电解、质子交换膜电解（PEM）、固体氧化物电解池（SOEC）、阴离子交换膜电解（AEM）。碱性电解的技术成熟且成本效益最高，使用液态电解质。质子交换膜电解则采用固态聚合物膜，具有高效率和快速响应的特点。固体氧化物电解池可在高温下运行，通过热能和电能实现卓越的效率。阴离子交换膜电解则是一种较新的技术，结合了碱性电解和PEM系统的优点。
多款可用于氢电解槽系统的
完整解决方案
安森美推出多款可用于氢电解槽系统解决方案，其中采用了安森美推荐的产品。该解决方案集成了安森美的智能电源和传感技术。大多数功能模块器件，包括功率模块和分立器件、栅极驱动器以及标准集成电路和信号产品。
QDual3 IGBT模块是安森美的高功率集成模块（PIM），可在特定拓扑结构下，功率密度更高，输出功率比同类产品高出10%。其内部采用的FS7 IGBT技术具有业界领先的效率，可降低成本并简化设计。在兆瓦级能源基础设施系统中，通常使用3个QDual3半桥模块构成三电平拓扑结构。通过并联多个QDual3模块，每个系统可输出1.2MW（18个QDual3）或1.8MW（27个QDual3）的功率。与使用600A模块的传统方案相比，该方案可减少30%的模块数量，从而大幅简化设计并降低系统成本。
主要的产品包括Qdual3 IGBT模块―― NXH800H120L7QDSG，集成了FS7 IGBT和Gen 7二极管，可提供更低的导通损耗和开关损耗，使设计人员能够实现高效率和卓越的可靠性，是一款1200V、800A二合一半桥IGBT PIM，具有隔离底板、NTC热敏电阻、可焊接引脚、低电感布局的特性，采用Qdual3封装。
另一款F5BP混合PIM ── NXH500B100H7F5SHG，是双通道飞跨电容升压模块，每个通道包含两个1000V、500A IGBT和两个1200V、120A SiC二极管。F5BP PIM封装相比F5-PIM封装具有更优异的散热性能，热阻降低9%，支持1500VDC系统，是公用事业级应用的理想之选。这款产品支持1000V Field Stop 7 IGBT和1200V SiC二极管，具有低电感布局、焊接引脚、集成NTC热敏电阻，是无铅无卤器件。
安森美的全碳化硅功率模块包括M3S EliteSiC F1和F2功率集成模块（PIM），具有卓越的散热性能、高功率密度和增强的可靠性，优势显着。这些PIM旨在为先进能源基础设施提供经济高效的解决方案。此外，这些模块还可以堆叠使用，实现超过数百千瓦的功率输出。
F2全桥PIM ── NXH007F120M3F2PTHG为7 mΩ / 1200 V M3S SiC MOSFET全桥，采用HPS DBC（直接键合铜）衬底，支持15V至18V栅极驱动电压，以及预涂导热界面材料（TIM），易于负栅极电压驱动，具有压入式引脚。另一款F1 半桥PIM──NXH008P120M3F1PTG为8 mΩ / 1200 V M3S SiC MOSFET半桥，具有优异的FOM [ = RDS(on) * Eoss ]，采用M3S技术，优化开关性能，支持15V至18V栅极驱动电压，易于负栅极电压驱动，可选带预涂导热界面材料（TIM）或不带预涂导热界面材料（TIM）的版本，采用压入式引脚。
可满足能源基础设施应用的
碳化硅解决方案
安森美是碳化硅领域领先的长期合作伙伴，拥有可靠的端到端供应链、深厚的应用专业知识以及丰富的EliteSiC产品组合，涵盖各种市场专业解决方案。EliteSiC MOSFET和新型SiC级联JFET具有一流的开关速度、超低导通电阻（RDS(on)）和更高的效率，可满足能源基础设施应用对系统性能和可靠性的严苛要求。
650 - 1700 V 分立式 SiC EliteSiC MOSFET的设计兼顾快速响应和坚固耐用，可带来诸多系统优势，例如高效率、更小的系统尺寸和更低的成本。该产品具有优异的FOM [ = RDS(on) * Eoss ]，以及超低栅极电荷，具有低电容，快速开关特性，拥有高功率密度，卓越性能，支持15V至18V栅极驱动电压，通过100%雪崩测试，拥有高工作结温Tj = 175℃，可提供TO-247-3L/4L、D2PAK-7L和Top cool SMD封装样品。
SiC共栅JFET是用于开关模式功率转换的高速JFET，尤其适用于具有超低导通电阻（RDS(ON)）的软开关转换器，支持高脉冲电流，采用2个芯片共栅封装，可替代标准常关型MOSFET的贴片式封装，1700V的导通电阻（RDS(on)）为10mΩ，1200V的导通电阻（RDS(on)）为9mΩ - 410mΩ，750V的导通电阻（RDS(on)）为5.4mΩ - 58mΩ，目标应用为电源、太阳能逆变器、DC-DC转换器。
安森美全新高度优化产品创新的1200V FS7分立式IGBT旨在显着降低开关损耗和导通损耗，从而确保卓越的开关性能。这些器件具有低开关损耗，可实现更高的开关频率。这一特性可减小磁性元器件的尺寸，进而提高功率密度并降低系统成本，FS7 IGBT是需要高效且经济的功率解决方案的应用的理想之选。这款产品采用沟槽窄台面设计，实现低饱和电压（Vce(sat)）和高功率密度，质子注入多层缓冲，可增强开关稳定性和柔性。
1200V Field Stop VII（FS7）分立式IGBT──FGY4L160T120SWD的最高结温TJ = 175℃，是采用TO-247-plus-4L封装的Gen7二极管，支持正温度系数，易于并联运行，具有高电流能力与平滑且优化的开关特性，拥有低开关损耗，符合RoHS标准，目标应用为能源基础设施、电动汽车充电器、太阳能逆变器、UPS、储能系统（ESS）。
先进的栅极驱动器、电流检测放大器
和运算放大器
安森美的栅极驱动器可为氢气电解槽系统提供高效、低损耗的开关特性和强大的隔离能力。它们支持SiC / Si / IGBT器件，可实现可扩展的模块化设计，同时还支持诸如主动米勒钳位、欠压锁定（UVLO）和高CMTI等特性，确保在严苛的电网条件下也能实现安全、精确的控制。这些特性使其成为提升绿色氢气生产性能和可靠性的关键。
NCP51563为双通道隔离式栅极驱动器，支持4.5A / 9A源／漏峰值电流，典型传播延迟为36 ns，最大延迟匹配5ns，通过ANB实现单输入或双输入模式，支持5 kV电气隔离，CMTI ≥ 200 kV/µs，采用SOIC-16WB封装，爬电距离为8mm。
另一款栅极驱动器 ―― NCP51752为单通道隔离式栅极驱动器，支持4.5 A/9 A源／漏峰值电流、30V输出摆幅，传播延迟为36 ns，最大延迟匹配为5 ns，支持3.75 kV电气隔离，CMTI≥200 V/ns，为单通道、集成负偏置发生器，可简化驱动并降低系统成本，采用SOIC-8封装。
安森美的电流检测放大器和运算放大器是推进能源基础设施系统发展的关键元器件，它们能够实现精确的实时电流监测，这对于安全性、效率和控制至关重要。这些放大器具有高共模电压范围和双向检测功能，使其成为复杂功率转换级（例如DC/DC转换器和辅助电源模块）中高侧和低侧电流测量的理想选择。在氢气电解槽系统中，精确的电流反馈对于调节电化学反应和确保系统稳定性至关重要，安森美的零漂移、低失调放大器有助于保持最佳性能，同时最大限度地减少能量损耗。
电流检测放大器NCS21673/4的增益分别为20、50、100和200 V/V，可在-0.1V至40V的共模电压范围内测量分流器两端的电压。它们可采用2.7V至5.5V的单电源供电，并采用节省空间的封装，低失调电压为±100 µV，低失调漂移最大为±1 µV/℃，低增益误差最大为±1 %，具有低功耗，每通道最大为300 µA，具有高带宽350 kHz和高转换速率。
NCS21914是一款高精度零漂移运算放大器，具有低输入失调电压和低失调漂移（随时间和温度变化）。这些器件具有低静态电流和低噪声性能，输出摆幅在轨电压范围内（10 mV以内），低失调电压最大为25 µV，低失调漂移最大为0.085 µV/℃，电源电压为4至36V，静态电流最大为570 µA，具有低噪声，典型值为22 nV/√Hz，增益带宽积的典型值为2 MHz，支持轨到轨输出，集成EMI滤波器。
结语
氢电解槽系统正朝向高效率、低能耗、长寿命与高可靠度的方向快速演进，并逐步成为绿氢产业链中的核心关键设备。随着材料技术、功率电子、系统控制与数字化监控等技术的不断成熟，电解槽在大规模化、模块化与智能化应用方面已展现出明确的发展路径。未来，通过集成高效电极与膜材料、先进电源与能量管理方案，以及全生命周期的系统解决方案，安森美的氢电解槽系统解决方案将在可再生能源集成、能源结构转型与碳中和目标的实现中，发挥更具战略价值的支撑作用。
电子商城
评论区
登录后即可参与讨论
立即登录