【英飞凌】2024年功率转换技术在绿氢生产中的重要性白皮书_17页_1mb

报告摘要

功率转换技术在绿氢生产中的重要性总结

全球氢能市场与绿氢需求

全球氢能市场需求持续增长，尤其以工业用途为主。自1975年以来，氢气需求增长三倍，且仍在上升。当前氢气生产高度依赖化石燃料，消耗全球约6%的天然气和2%的煤，年二氧化碳排放量达83亿吨，与气候目标不符。国际能源机构（IEA）报告显示，绿色氢气因政治和商业支持正加速发展，预计2030年全球生产能力将达155千兆瓦，2050年60%-80%的氢气供应将实现脱碳。电解水技术作为绿氢生产的主流方案，是未来能源系统的关键组成部分，但其电力需求与成本仍需优化。

电解水技术与电能转换需求

电解水技术通过电能将水分解为氢和氧，需提供高质量直流电（DC）。理论上每生产1千克氢气需329千瓦时电能。电解槽主要由阳极、阴极、电解质、催化剂和气体分离器组成，不同技术（如碱性、PEM、固体氧化物）对电压、效率和运行条件有差异。碱性电解槽电压上限约800VDC，PEM技术无此限制但成本较高。绿氢生产面临成本高和基础设施不足的挑战，需通过提高电解槽与电能转换系统的效率、规模化生产及优化电网连接来降低成本。

电解槽系统关键要求

电解槽设备需满足高直流电压（400-1500VDC）和稳定电流输出，其中电流纹波需低于5%。随着电解槽老化，所需工作电压可能上升，因此电能转换系统（PCS）必须具备动态电压调节能力。电网连接方面，小规模设备（<1MW）对低电压穿越（LVRT）和功率因数要求较低，但大规模设备（>100MW）需满足严格的电网规范，以减少对电网的冲击。PCS设计需平衡电解效率与电网兼容性。

电源转换拓扑结构

绿氢生产中常用的电源转换拓扑包括：

交流耦合拓扑：通过晶闸管或二极管整流器将电网交流电转换为直流电，适用于高功率场景。多脉冲晶闸管整流器（如12脉冲）具有低谐波失真和高效率优势，但需配合有源滤波器（如STATCOM）以满足电网要求。
直流耦合拓扑：使用双有源桥式转换器（DAB）处理光伏和储能系统的直流输入，支持双向功率流动及高开关频率，有助于缩小变压器体积并提高功率密度。
有源前端（AFE）：基于IGBT技术，适用于高功率密度场景，可通过调整操作点适应电网规范，同时减少开关损耗。
模块化多电平转换器（MMC）：用于高压直流（HVDC）场景，具备模块化设计、低谐波和高可靠性特征，适合中高压绿氢生产设施。

英飞凌解决方案

英飞凌提供涵盖晶闸管、IGBT和SiCMOSFET的功率半导体产品组合，满足不同应用需求：

晶闸管：适用于大电流场景，如1-5MW整流器。提供低电感XHP2封装的33kV SiC模块（FF2000XTR33T2M1），具有3µs短路耐受能力。
IGBT：覆盖从千瓦到兆瓦级应用，例如140A的TO-247PLUS封装（IKY140N120CH7）和800A的62mm封装（FF800R12KE7）。FF1800R23IE7适用于1500VDC母线电压。
SiCMOSFET：专为高开关频率应用设计，如2kV TO-247-4-PLUS-HCC封装的IMYH200R012M1H（12mΩ）。此外，提供12kV和2kV的FF2MR12KM1H、FF3MR20KM1H等型号。
产品特性：支持多电平拓扑、高效散热（如双面冷却功率盘）及灵活的封装方案（如CoolSiC、PrimePACK™），可提升PCS的性能和经济性。