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1、 白皮書白皮書 功率轉換技術在綠氫生產中的重要性 版本：v1.0 修訂日期 2024/07 2 2024/07 目錄 摘要摘要 3 3 全球氫能市場全球氫能市場 4 4 電解水電解水 5 5 電解槽設備系統要求電解槽設備系統要求 6 6 電源拓撲電源拓撲 8 8 英飛凌解決方案英飛凌解決方案 1313 參考文獻參考文獻 1616 3 2024/07 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

2、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

3、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。4 2024/07 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 1，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。它消耗了全球球約 6%的天然氣和 2%的煤 1。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

4、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，將可再生能源源整合進氫氣生產設施的電力需求需求也將大幅增長，到 2050 年

5、將達到 4500 千兆瓦（見圖 1）。圖 1 滿足巴黎氣候協定 2規定的碳中和綠色制氫需求所需的裝機電力。2023Global warming by 1.8C scenario 2025211070500100015002000250030003500400045002028Electrical power demand(GW)20302040205052884529544408 5 2024/07 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 3。電

6、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（質子交換膜（PEMPEM）：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 固體氧化物固體氧化物：這些電解槽使用固體陶瓷材料作為

7、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 3 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

8、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?；\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。6 2

9、024/07 電解槽設備系統要求 如上一節所述，電解需要高水平的直流電(DC)，由綠色制氫裝置的 PCS 提供。綠色制氫裝置的 PCS 提供。PCS 將來自電網或風能應用的交流電或來自直流電網（太陽能或電池儲能系統）的電流轉換為滿足電解槽需求的輸出（見圖 3）。這種轉換器的設計極大地影響著綠色制氫裝置的整體效率、可靠性和開銷。下一節將討論可能的轉換器拓撲結構。圖 3 PCS 是 P2H 工廠的關鍵組成部分 5 潛在的 PCS 系統必須滿足多種要求，大致分為電解槽電解單元要求和電網連接要求。電解槽電解單元要求 恒定直流電（DC）是電解槽的基本功率要求。為達到最大利用率，必須在常數負載下運行。電解

10、槽的啟動和斜坡下降需要時序。根據技術的不同，時間可能從幾分鐘到幾小時不等。如今的趨勢是縮短反應時序，以便在不需要電池緩沖器的情況下更好地與可再生能源整數結合。電解槽的另一個重要方面是，隨著電解槽的老化，它的工作電壓有上升的趨勢。電解單元電池產生的氫氣數量取決于流過它的電流。由于電解槽中的各種老化機制，隨著電解槽的老化，產生相同氫氣（相同電流）所需的電壓會增加。因此，為電解單元供電的 PCS 必須能夠在其使用壽命內提高輸出電壓。理想情況下，它還應具有穩健的電流控制功能，以便與設備的平衡裝置整合。這將確保處理氣體和液體的壓縮機和泵在限制范圍內運行。Electrolyzer stackIntegra

11、ted energy storageSolar farmWind energyMV AC GridDC PowerAC Power 7 2024/07 電解槽可在多種條件下運行，取決于多種系數，包括電廠布局和電解單元技術。沒有一種 PCS 適用于所有情況。設備設計人員可在以下一般運行范圍內確定對 PCS 的要求：輸出電壓 400 至 1500 VDC。由于寄生電流的原因，堿性技術的最大電壓有限（約 800 VDC）。而 PEM 技術則沒有這種限制，它正朝著更高的電壓方向發展，以提高損耗性能和降低金屬開銷。輸出功率單位裝置 20 千瓦至 30 兆瓦。為了降低氫氣的平準化成本（LCoH），應優先選

12、擇額定功率較高的大型系統。較大的系統由較小的單位/裝置并聯而成。電流紋波：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 13:T3841N18，平板型晶閘管 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 140 A；FF800R12KE7 采用類似技

15、術，電流為 800 A，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 1500 VDC 極限的解決方案，英飛凌憑借 FF1800R23IE7 在市場上處于領先地位。圖 14:IKY140N120CH7,140 A in a tiny TO-247PLUS 12 圖 15:FF800R12KE7，標準大電流 62mm 封裝 13 圖 16:PrimePACK3+封裝。FF1700XTR17IE5D，用于整流的增強型二極管。FF1800

16、R23IE7、2.3 kV 模塊，用于 1500 V 直流母線電壓 14 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1500 VDC 的細分市場，并提供各種封裝的 2kV SiC 模塊例如，IMYH200R012M1H 只有 12 m，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 1.2 KV 電壓的 2 m FF2MR12KM1H 和 2 kV 電壓的 3 m FF3MR20KM1H。15 2

17、024/07 英飛凌還提供 FF2000XTR33T2M1，這是一款 3.3kV 2 m SiC，采用低電感 XHP2 封裝。該模塊具有獨特的 3 s 短路耐受能力。圖 17:IMYH200R012M1H，12 m 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15 圖 18:采用標準 62 毫米封裝的 CoolSiC。FF2MR12KM1H 和 FF3MR20KM1H16 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

18、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。16 2024/07 參考文獻 國際能源機構：氫能的未來-抓住今天的機遇，2019-06 出版；https:/ IHS Markit、標準普爾全球：氫能與可再生天然氣論壇-發電季度報告-2022 年第四季度 Stack Exchange Inc：水電解計算，檢索 2024-04-19；https:/ Technologies AG電解氫，檢索 2024-04-19；https:/ Technologi

19、es AG綠色氫氣 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：用戶裝置與特高壓電網（TAR 特高壓）連接和運行的技術要求；VDE-AR-N 4130 Corrigendum 1:2018-11 的英文譯文，2020-10 發布；https:/www.vde-verlag.de/standards/download-free-translation/E100595/

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

22、nologies AGT3841N18TOF VT 1800 V 相控晶閘管盤，檢索 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 雙 IGBT 模塊，檢索 2024-04-19；https:/ Technologies AGFF1700XTR17IE5D 1700 V

23、、1700 A 雙 IGBT 模塊，檢索 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 半橋模塊 2000 V，檢索日期 2024-04-19；https:/ Am Campeon 1-15,85579 Neubiberg 德國 2024 Infineon Techno

24、logies AG.All Rights Reserved.Public 修訂日期 2024/07 保持聯系！保持聯系！請注意！本文件僅供參考，此處提供的任何信息在任何情況下均不得視為對我們產品的任何功能、條件和/或質量或任何特定用途適用性的保證、擔?；蛎枋?。關于我們產品的技術規格，請您參考我們提供的相關產品數據表。我們的客戶及其技術部門必須評估我們的產品是否適合預期應用。我們保留隨時更改本文件和/或其中所提供信息的權利。其他信息 有關技術、產品、產品應用、交貨條款和條件及/或價格的詳細信息，請就近聯系英飛凌科技辦事處()。警告 由于技術要求，我們的產品可能含有危險物質。如需了解該等物質的類型，請向離您最近的英飛凌科技辦公室接洽。除非在英飛凌科技授權代表簽署的書面文件中得到我們的明確批準，否則我們的產品不得用于任何危及生命的應用，包括但不限于醫療、核、軍事、生命攸關的應用或產品故障或使用產品的任何后果可能導致人身傷害的任何其他應用。掃描二維碼，了解產品