【技術干貨】氫電解槽系統的技術發展與相關解決方案

電解制氫可用于多種應用，包括用于交通運輸的燃料電池、工業流程和儲能。隨著可再生能源滲透率的提高，綠色氫氣電解槽系統對向可持續、低碳能源基礎設施未來轉型做出了重大貢獻。由于技術進步、與可再生能源的融合、政策和投資支持以及分布式生產等多種因素，該行業正經歷快速增長。

功率轉換是氫電解槽系統的關鍵環節，它將電源中的電能轉換為電解所需的能量形式。關鍵元器件包括整流器和DC-DC轉換器，它們能夠高效地管理和轉換電能。功率模塊解決方案將這些元器件集成到統一的系統中，采用模塊化設計以實現可擴展性，配備有效的散熱管理系統以降低熱量，并采用先進的控制系統以實現最佳性能和安全性。

電解過程旨在利用穩定高效的直流電源，通過精確的電能轉換實現。這使得電解槽能夠將水（H?O）分解為氫氣（H?）和氧氣（O?），實現零碳排放，并降低電廠的運營成本／資本支出。電能轉換性能直接影響氫氣生產效率、系統安全性和整體成本效益。該系統通常由功率模塊、控制單元（實時電壓／電流調節）、冷卻系統和保護電路組成。

目前主要有四種電解技術，包括堿性電解、質子交換膜電解（PEM）、固體氧化物電解池（SOEC）、陰離子交換膜電解（AEM）。堿性電解的技術成熟且成本效益最高，使用液態電解質。質子交換膜電解則采用固態聚合物膜，具有高效率和快速響應的特點。固體氧化物電解池可在高溫下運行，通過熱能和電能實現卓越的效率。陰離子交換膜電解則是一種較新的技術，結合了堿性電解和PEM系統的優點。

安森美推出多款可用于氫電解槽系統解決方案，其中采用了安森美推薦的產品。該解決方案集成了安森美的智能電源和傳感技術。大多數功能模塊器件，包括功率模塊和分立器件、柵極驅動器以及標準集成電路和信號產品。

QDual3 IGBT模塊是安森美的高功率集成模塊（PIM），可在特定拓撲結構下，功率密度更高，輸出功率比同類產品高出10%。其內部采用的FS7 IGBT技術具有業界領先的效率，可降低成本并簡化設計。在兆瓦級能源基礎設施系統中，通常使用3個QDual3半橋模塊構成三電平拓撲結構。通過并聯多個QDual3模塊，每個系統可輸出1.2MW（18個QDual3）或1.8MW（27個QDual3）的功率。與使用600A模塊的傳統方案相比，該方案可減少30%的模塊數量，從而大幅簡化設計并降低系統成本。

主要的產品包括Qdual3 IGBT模塊―― NXH800H120L7QDSG，集成了FS7 IGBT和Gen 7二極管，可提供更低的導通損耗和開關損耗，使設計人員能夠實現高效率和卓越的可靠性，是一款1200V、800A二合一半橋IGBT PIM，具有隔離底板、NTC熱敏電阻、可焊接引腳、低電感布局的特性，采用Qdual3封裝。

另一款F5BP混合PIM ── NXH500B100H7F5SHG，是雙通道飛跨電容升壓模塊，每個通道包含兩個1000V、500A IGBT和兩個1200V、120A SiC二極管。F5BP PIM封裝相比F5-PIM封裝具有更優異的散熱性能，熱阻降低9%，支持1500VDC系統，是公用事業級應用的理想之選。這款產品支持1000V Field Stop 7 IGBT和1200V SiC二極管，具有低電感布局、焊接引腳、集成NTC熱敏電阻，是無鉛無鹵器件。

安森美的全碳化硅功率模塊包括M3S EliteSiC F1和F2功率集成模塊（PIM），具有卓越的散熱性能、高功率密度和增強的可靠性，優勢顯著。這些PIM旨在為先進能源基礎設施提供經濟高效的解決方案。此外，這些模塊還可以堆疊使用，實現超過數百千瓦的功率輸出。

F2全橋PIM ── NXH007F120M3F2PTHG為7 mΩ / 1200 V M3S SiC MOSFET全橋，采用HPS DBC（直接鍵合銅）襯底，支持15V至18V柵極驅動電壓，以及預涂導熱界面材料（TIM），易于負柵極電壓驅動，具有壓入式引腳。另一款F1 半橋PIM──NXH008P120M3F1PTG為8 mΩ / 1200 V M3S SiC MOSFET半橋，具有優異的FOM [ = R_DS(on) * E_oss ]，采用M3S技術，優化開關性能，支持15V至18V柵極驅動電壓，易于負柵極電壓驅動，可選帶預涂導熱界面材料（TIM）或不帶預涂導熱界面材料（TIM）的版本，采用壓入式引腳。

安森美是碳化硅領域領先的長期合作伙伴，擁有可靠的端到端供應鏈、深厚的應用專業知識以及豐富的EliteSiC產品組合，涵蓋各種市場專業解決方案。EliteSiC MOSFET和新型SiC級聯JFET具有一流的開關速度、超低導通電阻（R_DS(on)）和更高的效率，可滿足能源基礎設施應用對系統性能和可靠性的嚴苛要求。

650 - 1700 V 分立式 SiC EliteSiC MOSFET的設計兼顧快速響應和堅固耐用，可帶來諸多系統優勢，例如高效率、更小的系統尺寸和更低的成本。該產品具有優異的FOM [ = R_DS(on) * E_oss ]，以及超低柵極電荷，具有低電容，快速開關特性，擁有高功率密度，卓越性能，支持15V至18V柵極驅動電壓，通過100%雪崩測試，擁有高工作結溫T_j = 175℃，可提供TO-247-3L/4L、D2PAK-7L和Top cool SMD封裝樣品。

SiC共柵JFET是用于開關模式功率轉換的高速JFET，尤其適用于具有超低導通電阻（R_DS(ON)）的軟開關轉換器，支持高脈沖電流，采用2個芯片共柵封裝，可替代標準常關型MOSFET的貼片式封裝，1700V的導通電阻（R_DS(on)）為10mΩ，1200V的導通電阻（R_DS(on)）為9mΩ - 410mΩ，750V的導通電阻（R_DS(on)）為5.4mΩ - 58mΩ，目標應用為電源、太陽能逆變器、DC-DC轉換器。

安森美全新高度優化產品創新的1200V FS7分立式IGBT旨在顯著降低開關損耗和導通損耗，從而確保卓越的開關性能。這些器件具有低開關損耗，可實現更高的開關頻率。這一特性可減小磁性元器件的尺寸，進而提高功率密度并降低系統成本，FS7 IGBT是需要高效且經濟的功率解決方案的應用的理想之選。這款產品采用溝槽窄臺面設計，實現低飽和電壓（V_ce(sat)）和高功率密度，質子注入多層緩沖，可增強開關穩定性和柔性。

1200V Field Stop VII（FS7）分立式IGBT──FGY4L160T120SWD的最高結溫T_J = 175℃，是采用TO-247-plus-4L封裝的Gen7二極管，支持正溫度系數，易于并聯運行，具有高電流能力與平滑且優化的開關特性，擁有低開關損耗，符合RoHS標準，目標應用為能源基礎設施、電動汽車充電器、太陽能逆變器、UPS、儲能系統（ESS）。