Desarrollo técnico y soluciones relacionadas para sistemas de electrolizadores de hidrógeno
Los electrolizadores de hidrógeno están diseñados para producir hidrógeno mediante la electrólisis del agua utilizando diversas fuentes de energía (red eléctrica, solar, eólica o sistemas de almacenamiento de energía en baterías). Cuando funcionan con energía renovable, estos sistemas buscan generar hidrógeno de forma respetuosa con el medioambiente, reduciendo así la dependencia de los combustibles fósiles y minimizando las emisiones de carbono. Este artículo ofrece una visión general de las aplicaciones de los electrolizadores de hidrógeno y las tendencias tecnológicas, y destaca las soluciones de potencia integrales y de alta eficiencia adaptadas a este sector por onsemi.
Aspectos técnicos clave de la producción de hidrógeno mediante electrólisis y tipos de tecnologías de electrólisis
El hidrógeno producido mediante electrólisis puede utilizarse en diversas aplicaciones, incluidas las pilas de combustible para el transporte, los procesos industriales y el almacenamiento de energía. A medida que aumenta la penetración de las energías renovables, los sistemas de electrólisis de hidrógeno verde contribuyen de forma significativa a la transición hacia un futuro de infraestructura energética sostenible y baja en carbono. La industria está experimentando un rápido crecimiento debido a varios factores, incluidos los avances tecnológicos, la integración con energías renovables, el apoyo de políticas e inversiones, y la producción descentralizada.
La conversión de potencia es un aspecto crítico de los sistemas de electrólisis de hidrógeno, e implica la transformación de la energía eléctrica de las fuentes de alimentación a la forma requerida para la electrólisis. Los componentes clave incluyen rectificadores y convertidores DC-DC, que gestionan y convierten la energía eléctrica de manera eficiente. Las soluciones de módulos de potencia integran estos componentes en sistemas cohesionados, con diseños modulares para la escalabilidad, una gestión térmica eficaz para disipar el calor y sistemas de control sofisticados para un rendimiento y una seguridad óptimos.
El proceso de electrólisis está orientado a operar con una alimentación de CC estable y eficiente, suministrada mediante una conversión eléctrica precisa. Esto permite que el electrólizador divida el agua (H2O) en hidrógeno (H2) y oxígeno (O2), logrando cero emisiones de carbono y reduciendo el gasto operativo/gasto de capital (OPEX/CAPEX) en plantas de generación de energía. El rendimiento de la conversión de potencia impacta directamente en la eficiencia de producción de hidrógeno, la seguridad del sistema y la rentabilidad general. El sistema normalmente consta de módulos de potencia, unidades de control (para la regulación de voltaje/corriente en tiempo real), sistemas de refrigeración y circuitos de protección.
Actualmente existen cuatro tecnologías principales de electrólisis: Alkaline, Proton Exchange Membrane (PEM), Solid Oxide Electrolysis Cell (SOEC) y Anion Exchange Membrane (AEM). La electrólisis alcalina es la más consolidada y rentable, y utiliza un electrolito líquido. La electrólisis PEM emplea una membrana polimérica sólida, ofreciendo alta eficiencia y dinámica rápida. SOEC opera a altas temperaturas, logrando una eficiencia superior mediante el uso tanto de calor como de energía eléctrica. AEM es una tecnología más nueva que combina las ventajas de los sistemas alcalinos y PEM.
Múltiples soluciones completas disponibles para sistemas de electrolizadores de hidrógeno
onsemi ofrece varias soluciones completas para sistemas de electrólisis de hidrógeno, incorporando productos recomendados de onsemi. Estas soluciones integran las tecnologías de potencia inteligente y sensado de onsemi. Se incluyen la mayoría de los dispositivos de módulos funcionales, abarcando módulos de potencia y dispositivos discretos, controladores de compuerta, así como circuitos integrados estándar y productos de señal.
El módulo IGBT QDual3 es el High Power Integrated Module (PIM) de onsemi, que, en topologías específicas, ofrece una mayor densidad de potencia y hasta un 10% más de potencia de salida que productos comparables. La tecnología IGBT FS7 adoptada internamente ofrece una eficiencia líder en la industria, reduciendo costos y simplificando el diseño. En sistemas de infraestructura energética a escala de megavatios, normalmente se utilizan 3x módulos de medio puente QDual3 para formar una topología de tres niveles. Al poner en paralelo múltiples módulos QDual3, cada sistema puede entregar 1.2MW (utilizando 18x módulos QDual3) o 1.8MW (utilizando 27x módulos QDual3). En comparación con soluciones tradicionales que utilizan módulos de 600A, este enfoque reduce la cantidad de módulos en un 30%, simplificando significativamente el diseño y reduciendo los costos del sistema.
Los productos clave incluyen el módulo IGBT Qdual3 – NXH800H120L7QDSG, que integra IGBTs FS7 y diodos Gen 7 para proporcionar menores pérdidas de conducción y conmutación, lo que permite a los diseñadores lograr una alta eficiencia y una fiabilidad superior. Es un IGBT PIM de medio puente 2 en 1 de 1200V, 800A que incorpora una placa base aislada, termistor NTC, pines soldables, diseño de baja inductancia y está encapsulado en el formato Qdual3.
Otro producto, el PIM híbrido F5BP – NXH500B100H7F5SHG, es un módulo Flying Capacitor Boost de doble canal. Cada canal contiene dos IGBTs de 1000V, 500A y dos diodos SiC de 1200V, 120A. El encapsulado PIM F5BP ofrece un rendimiento térmico superior con una resistencia térmica un 9% menor en comparación con el encapsulado F5-PIM, admite sistemas de 1500VDC, lo que lo hace ideal para aplicaciones a escala de servicios públicos. Este producto es compatible con IGBTs Field Stop 7 de 1000V y diodos SiC de 1200V, presenta un diseño de baja inductancia, pines de soldadura, un termistor NTC integrado y es un dispositivo libre de Pb y libre de halógenos.
Los módulos de potencia Full SiC de onsemi incluyen los Power Integrated Modules (PIMs) M3S EliteSiC F1 y F2, que ofrecen ventajas significativas con un rendimiento térmico superior, alta densidad de potencia y mayor fiabilidad. Estos PIMs están diseñados para ofrecer soluciones rentables y de alta eficiencia para infraestructuras energéticas avanzadas. Además, estos módulos se pueden apilar para alcanzar niveles de potencia que superan varios cientos de kilovatios.
El PIM Full Bridge F2 – NXH007F120M3F2PTHG es un Full-Bridge M3S SiC MOSFET de 7 mΩ / 1200 V, que utiliza un sustrato HPS DBC (Direct Bonded Copper), admite una tensión de accionamiento de compuerta de 15V a 18V, se suministra con Thermal Interface Material (TIM) preaplicado, es fácil de accionar con tensiones negativas de compuerta y presenta pines press-fit. Otro modelo, el PIM Half Bridge F1 – NXH008P120M3F1PTG, es un Half-Bridge M3S SiC MOSFET de 8 mΩ / 1200 V, ofrece un excelente FOM [ = RDS(on) * Eoss ], aprovecha la tecnología M3S para un rendimiento de conmutación optimizado, admite una tensión de accionamiento de compuerta de 15V a 18V, es fácil de accionar con tensiones negativas de compuerta, está disponible en opciones con o sin TIM preaplicado y presenta pines press-fit.
Soluciones de carburo de silicio que satisfacen las exigencias de las aplicaciones de infraestructura energética
onsemi es un socio líder a largo plazo en el ámbito del Carburo de Silicio (SiC), con una cadena de suministro integral fiable, profunda experiencia en aplicaciones y una amplia cartera EliteSiC que abarca diversas soluciones especializadas por mercado. Los MOSFETs EliteSiC y los nuevos SiC Cascode JFETs ofrecen una velocidad de conmutación líder en su clase, una resistencia en conducción ultra baja (RDS(on)) y una mayor eficiencia, cumpliendo con exigentes requisitos de rendimiento y fiabilidad del sistema para aplicaciones de infraestructura energética.
Los MOSFETs EliteSiC Discrete SiC de 650 - 1700 V están diseñados para una respuesta rápida y robustez, y ofrecen beneficios para el sistema como alta eficiencia, reducción del tamaño del sistema y menor coste. Estos productos presentan un FOM excelente [ = RDS(on) * Eoss ], carga de compuerta ultra baja, baja capacitancia que permite una conmutación rápida, rendimiento superior con alta densidad de potencia, compatibilidad con tensión de accionamiento de compuerta de 15V a 18V, pruebas de avalancha al 100%, una alta temperatura de unión de funcionamiento Tj= 175°C, y están disponibles en encapsulados de muestra, incluidos TO-247-3L/4L, D2PAK-7L y Top cool SMD.
Los SiC Cascode JFETs son JFETs de alta velocidad para conversión de potencia en modo conmutado, especialmente adecuados para convertidores de conmutación suave con resistencia en conducción ultra baja (RDS(ON)), con soporte para alta corriente de pulso. Incorporan un diseño Cascode de 2 chips co-encapsulados, ofrecen un reemplazo “pick-and-place” para MOSFETs estándar normalmente apagados, con resistencia en conducción (RDS(on)) de 10mΩ para 1700V, en el rango de 9mΩ a 410mΩ para 1200V, y de 5.4mΩ a 58mΩ para 750V. Las aplicaciones objetivo incluyen fuentes de alimentación, inversores solares y convertidores DC-DC.
Los 1200V FS7 Discrete IGBTs de onsemi, recientemente optimizados e innovadores, están diseñados para reducir significativamente tanto las pérdidas de conmutación como las de conducción, garantizando un rendimiento de conmutación superior. Estos dispositivos presentan bajas pérdidas de conmutación, lo que permite mayores frecuencias de conmutación. Esta característica permite reducir el tamaño de los componentes magnéticos, aumentando así la densidad de potencia y reduciendo los costes del sistema. Los IGBTs FS7 son una excelente opción para aplicaciones que requieren soluciones de potencia eficientes y rentables. El producto utiliza un diseño Trench Narrow Mesa para baja tensión de saturación (Vce(sat)) y alta densidad de potencia, y Proton Implant Multiple Buffer para mejorar la robustez y suavidad de la conmutación.
El IGBT Discrete de 1200V, Field Stop VII (FS7) – FGY4L160T120SWD tiene una temperatura máxima de unión TJ = 175°C. Es un diodo Gen7 co-encapsulado en un encapsulado TO-247-plus-4L, presenta un coeficiente de temperatura positivo para facilitar la operación en paralelo, ofrece alta capacidad de corriente con características de conmutación suaves y optimizadas, tiene baja pérdida de conmutación, cumple con RoHS, y se orienta a aplicaciones como infraestructura energética, cargadores de EV, inversores solares, UPS y sistemas de almacenamiento de energía (ESS).
Controladores de compuerta avanzados, amplificadores de detección de corriente y amplificadores operacionales
onsemi's gate drivers empower hydrogen electrolyzer systems with high-efficiency, low-loss switching and robust isolation. Their support for SiC / Si / IGBT devices enables scalable, modular designs. Features like active Miller clamps, undervoltage lockout (UVLO), and high Common Mode Transient Immunity (CMTI) ensure safe and precise control even under demanding grid conditions. These capabilities make them essential for maximizing performance and reliability in green hydrogen production.
The NCP51563 is a Dual Channel Isolated Gate Driver, supporting 4.5A / 9A source/sink peak current, with a typical propagation delay of 36 ns and a maximum delay matching of 5ns. It offers single or dual input modes via the ANB pin, provides 5 kV galvanic isolation with CMTI ≥ 200 kV/µs, comes in an SOIC-16WB package with 8mm creepage distance.
Another gate driver, the NCP51752, is a Single Channel Isolated Gate Driver, supporting 4.5 A/9 A source/sink peak current and a 30V output swing. It has a propagation delay of 36 ns with a maximum delay matching of 5 ns, provides 3.75 kV galvanic isolation with CMTI ≥ 200 V/ns, is a single-channel device, integrates a negative bias generator to simplify driving and reduce system cost, and is packaged in SOIC-8.
onsemi's current sense amplifiers and operational amplifiers are crucial components for advancing energy infrastructure systems. They enable precise, real-time current monitoring, which is essential for safety, efficiency, and control. These amplifiers feature high common-mode voltage ranges and bidirectional sensing capabilities, making them ideal for both high-side and low-side current measurements in complex power conversion stages such as DC/DC converters and auxiliary power modules. In hydrogen electrolyzer systems, where accurate current feedback is critical for regulating electrochemical reactions and ensuring system stability, onsemi's zero-drift, low-offset amplifiers help maintain optimal performance while minimizing energy losses.
The Current Sense Amplifier NCS21673/4 offers gains of 20, 50, 100, and 200 V/V, capable of measuring voltage across shunts at common-mode voltages from -0.1V to 40V. They can operate from a single 2.7V to 5.5V power supply and are available in space-saving packages. Key features include low offset voltage of ±100 µV, low offset drift of max ±1 µV/°C, low gain error of max ±1%, low current consumption of max 300 µA per channel, and high bandwidth of 350 kHz with high slew rate.
The NCS21914 is a high-precision zero-drift operational amplifier featuring low input offset voltage and low offset drift over time and temperature. These devices exhibit low quiescent current and low noise performance, with a rail-to-rail output swing within 10 mV of the supply rails. Key specifications include a low offset voltage of max 25 µV, low offset drift of max 0.085 µV/°C, a supply voltage range of 4 to 36V, a quiescent current of max 570 µA, low noise of typically 22 nV/√Hz, a gain-bandwidth product of typically 2 MHz, rail-to-rail output, and integrated EMI filters.
Conclusión
Los sistemas de electrolizadores de hidrógeno están evolucionando rápidamente hacia una mayor eficiencia, un menor consumo de energía, una vida útil más larga y una mayor fiabilidad, convirtiéndose gradualmente en el equipo crítico principal dentro de la cadena industrial del hidrógeno verde. A medida que las tecnologías en materiales, electrónica de potencia, control de sistemas y monitorización digital continúan madurando, los electrolizadores han mostrado rutas de desarrollo claras para aplicaciones a gran escala, modulares e inteligentes. En el futuro, mediante la integración de electrodos eficientes y materiales de membrana, soluciones avanzadas de gestión de potencia y energía, y soluciones de sistemas para todo el ciclo de vida, las soluciones de sistemas de electrolizadores de hidrógeno de onsemi desempeñarán un papel de apoyo más estratégico en la integración de energías renovables, la transformación de la estructura energética y el logro de los objetivos de neutralidad de carbono.
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