Développement technique et solutions connexes pour les systèmes d’électrolyseurs d’hydrogène
Les électrolyseurs d’hydrogène sont conçus pour produire de l’hydrogène par électrolyse de l’eau en utilisant diverses sources d’énergie (réseau, solaire, éolien ou systèmes de stockage d’énergie par batterie). Lorsqu’ils sont alimentés par des énergies renouvelables, ces systèmes visent à générer de l’hydrogène de manière respectueuse de l’environnement, réduisant ainsi la dépendance aux combustibles fossiles et minimisant les émissions de carbone. Cet article présente une vue d’ensemble des applications des électrolyseurs d’hydrogène et des tendances technologiques, et met en avant les solutions d’alimentation complètes et hautement efficaces adaptées à ce secteur par onsemi.
Principaux aspects techniques de la production d’hydrogène par électrolyse et types de technologies d’électrolyse
L’hydrogène produit par électrolyse peut être utilisé dans diverses applications, notamment les piles à combustible pour le transport, les procédés industriels et le stockage d’énergie. À mesure que la pénétration des énergies renouvelables augmente, les systèmes d’électrolyseurs d’hydrogène vert contribuent de manière significative à la transition vers une future infrastructure énergétique durable et à faibles émissions de carbone. L’industrie connaît une croissance rapide en raison de plusieurs facteurs, notamment les avancées technologiques, l’intégration aux énergies renouvelables, le soutien des politiques et des investissements, ainsi que la production décentralisée.
La conversion de puissance est un aspect critique des systèmes d’électrolyseurs d’hydrogène, impliquant la transformation de l’énergie électrique issue des sources d’alimentation en la forme requise pour l’électrolyse. Les composants clés incluent des redresseurs et des convertisseurs DC-DC, qui gèrent et convertissent efficacement l’énergie électrique. Les solutions de modules de puissance intègrent ces composants au sein de systèmes cohésifs, avec des conceptions modulaires pour la mise à l’échelle, une gestion thermique efficace pour dissiper la chaleur, et des systèmes de contrôle sophistiqués pour des performances et une sécurité optimales.
Le processus d’électrolyse est conçu pour fonctionner avec une alimentation DC stable et efficace, fournie via une conversion électrique précise. Cela permet à l’électrolyseur de scinder l’eau (H2O) en hydrogène (H2) et oxygène (O2), d’atteindre zéro émission de carbone et de réduire les dépenses d’exploitation/dépenses d’investissement (OPEX/CAPEX) dans les centrales électriques. Les performances de la conversion de puissance ont un impact direct sur l’efficacité de production d’hydrogène, la sécurité du système et la rentabilité globale. Le système se compose généralement de modules de puissance, d’unités de commande (pour la régulation tension/courant en temps réel), de systèmes de refroidissement et de circuits de protection.
Il existe actuellement quatre principales technologies d’électrolyse : alcaline, membrane échangeuse de protons (PEM), cellule d’électrolyse à oxyde solide (SOEC) et membrane échangeuse d’anions (AEM). L’électrolyse alcaline est la plus établie et la plus rentable, utilisant un électrolyte liquide. L’électrolyse PEM utilise une membrane polymère solide, offrant un rendement élevé et une dynamique rapide. La SOEC fonctionne à haute température, atteignant un rendement supérieur grâce à l’énergie thermique et électrique. L’AEM est une technologie plus récente qui combine les avantages des systèmes alcalins et PEM.
Plusieurs solutions complètes disponibles pour les systèmes d’électrolyseurs d’hydrogène
onsemi propose plusieurs solutions complètes pour les systèmes d’électrolyseurs d’hydrogène, intégrant des produits recommandés de onsemi. Ces solutions intègrent les technologies de puissance intelligente et de détection de onsemi. La plupart des dispositifs des modules fonctionnels sont inclus, couvrant les modules de puissance et les composants discrets, les drivers de grille, ainsi que les circuits intégrés standard et les produits de signal.
Le module IGBT QDual3 est le High Power Integrated Module (PIM) de onsemi qui, dans des topologies spécifiques, offre une densité de puissance plus élevée et jusqu’à 10 % de puissance de sortie supplémentaire par rapport à des produits comparables. La technologie IGBT FS7 adoptée en interne offre un rendement à la pointe de l’industrie, réduisant les coûts et simplifiant la conception. Dans les systèmes d’infrastructure énergétique à l’échelle du mégawatt, 3x modules demi-pont QDual3 sont généralement utilisés pour former une topologie à trois niveaux. En mettant en parallèle plusieurs modules QDual3, chaque système peut fournir 1.2MW (avec 18x modules QDual3) ou 1.8MW (avec 27x modules QDual3). Par rapport aux solutions traditionnelles utilisant des modules 600A, cette approche réduit la quantité de modules de 30 %, ce qui simplifie considérablement la conception et réduit les coûts du système.
Les produits clés incluent le Qdual3 IGBT Module – NXH800H120L7QDSG, qui intègre des IGBT FS7 et des diodes Gen 7 afin de fournir des pertes de conduction et de commutation plus faibles, permettant aux concepteurs d’atteindre un rendement élevé et une fiabilité supérieure. Il s’agit d’un IGBT PIM demi-pont 2-en-1 1200V, 800A, doté d’une plaque de base isolée, d’une thermistance NTC, de broches soudables, d’une implantation à faible inductance, et conditionné au format Qdual3.
Un autre produit, le F5BP Hybrid PIM – NXH500B100H7F5SHG, est un module Flying Capacitor Boost à double canal. Chaque canal contient deux IGBT 1000V, 500A et deux diodes SiC 1200V, 120A. Le boîtier PIM F5BP offre des performances thermiques supérieures avec une résistance thermique inférieure de 9 % à celle du boîtier F5-PIM, prend en charge les systèmes 1500VDC, ce qui le rend idéal pour les applications à l’échelle des services publics. Ce produit prend en charge les IGBT 1000V Field Stop 7 et les diodes SiC 1200V, présente une implantation à faible inductance, des broches à souder, une thermistance NTC intégrée, et est un dispositif sans Pb et sans halogène.
Les Full SiC Power Modules de onsemi incluent les Power Integrated Modules (PIM) M3S EliteSiC F1 et F2, qui offrent des avantages significatifs grâce à des performances thermiques supérieures, une densité de puissance élevée et une fiabilité renforcée. Ces PIM sont conçus pour fournir des solutions économiques et à haut rendement pour les infrastructures énergétiques avancées. En outre, ces modules peuvent être empilés pour atteindre des niveaux de puissance dépassant plusieurs centaines de kilowatts.
Le F2 Full Bridge PIM – NXH007F120M3F2PTHG est un Full-Bridge MOSFET SiC M3S 7 mΩ / 1200 V, utilisant un substrat HPS DBC (Direct Bonded Copper), prend en charge une tension de commande de grille de 15V à 18V, est livré avec un Thermal Interface Material (TIM) pré-appliqué, est facile à piloter avec des tensions de grille négatives, et comporte des broches press-fit. Un autre modèle, le F1 Half Bridge PIM – NXH008P120M3F1PTG, est un Half-Bridge MOSFET SiC M3S 8 mΩ / 1200 V, offre un excellent FOM [ = RDS(on) * Eoss ], s’appuie sur la technologie M3S pour des performances de commutation optimisées, prend en charge une tension de commande de grille de 15V à 18V, est facile à piloter avec des tensions de grille négatives, est disponible en options avec ou sans TIM pré-appliqué, et comporte des broches press-fit.
Solutions en carbure de silicium répondant aux exigences des applications d’infrastructure énergétique
onsemi est un partenaire de premier plan à long terme dans le domaine du carbure de silicium (SiC), avec une chaîne d’approvisionnement fiable de bout en bout, une expertise approfondie en applications et un large portefeuille EliteSiC couvrant diverses solutions spécialisées par marché. Les MOSFET EliteSiC et les nouveaux JFET SiC Cascode offrent une vitesse de commutation de premier ordre, une résistance à l’état passant (RDS(on)) ultra-faible et une efficacité accrue, répondant à des exigences strictes de performance système et de fiabilité pour les applications d’infrastructure énergétique.
Les MOSFET EliteSiC SiC discrets 650 - 1700 V sont conçus pour une réponse rapide et une grande robustesse, offrant des avantages système tels qu’un rendement élevé, une réduction de la taille du système et un coût inférieur. Ces produits présentent un excellent FOM [ = RDS(on) * Eoss ], une charge de grille ultra-faible, une faible capacité permettant une commutation rapide, des performances supérieures avec une densité de puissance élevée, la prise en charge d’une tension de commande de grille de 15V à 18V, des tests d’avalanche à 100%, une température de jonction de fonctionnement élevée Tj= 175°C, et sont disponibles en boîtiers d’échantillons incluant TO-247-3L/4L, D2PAK-7L et Top cool SMD.
Les JFET SiC Cascode sont des JFET haute vitesse pour la conversion de puissance à découpage, particulièrement adaptés aux convertisseurs à commutation douce avec une résistance à l’état passant (RDS(ON)) ultra-faible, prenant en charge un courant d’impulsion élevé. Ils présentent une conception Cascode à 2 puces co-encapsulées, offrent un remplacement pick-and-place pour les MOSFET normalement bloqués standards, avec une résistance à l’état passant (RDS(on)) de 10mΩ pour 1700V, allant de 9mΩ à 410mΩ pour 1200V, et de 5.4mΩ à 58mΩ pour 750V. Les applications cibles incluent les alimentations, les onduleurs solaires et les convertisseurs DC-DC.
Les IGBT discrets 1200V FS7 nouvellement optimisés et innovants de onsemi sont conçus pour réduire de manière significative les pertes de commutation et de conduction, garantissant des performances de commutation supérieures. Ces composants présentent de faibles pertes de commutation, permettant des fréquences de commutation plus élevées. Cette caractéristique permet de réduire la taille des composants magnétiques, augmentant ainsi la densité de puissance et diminuant les coûts système. Les IGBT FS7 constituent un excellent choix pour les applications exigeant des solutions d’alimentation efficaces et rentables. Le produit utilise une conception Trench Narrow Mesa pour une faible tension de saturation (Vce(sat)) et une densité de puissance élevée, ainsi qu’un Proton Implant Multiple Buffer pour améliorer la robustesse et la douceur de commutation.
L’IGBT discret 1200V, Field Stop VII (FS7) – FGY4L160T120SWD a une température de jonction maximale TJ = 175°C. Il s’agit d’une diode Gen7 co-encapsulée dans un boîtier TO-247-plus-4L, présente un coefficient de température positif pour un fonctionnement en parallèle facilité, offre une capacité de courant élevée avec des caractéristiques de commutation douces et optimisées, a de faibles pertes de commutation, est conforme RoHS, et vise des applications telles que l’infrastructure énergétique, les chargeurs VE, les onduleurs solaires, les UPS et les systèmes de stockage d’énergie (ESS).
Drivers de grille avancés, amplificateurs de détection de courant et amplificateurs opérationnels
Les drivers de grille onsemi renforcent les systèmes d’électrolyseurs d’hydrogène grâce à une commutation à haut rendement et à faibles pertes, ainsi qu’à une isolation robuste. Leur prise en charge des dispositifs SiC / Si / IGBT permet des conceptions évolutives et modulaires. Des fonctionnalités telles que les clamps Miller actifs, le verrouillage en cas de sous-tension (UVLO) et une forte immunité aux transitoires en mode commun (CMTI) garantissent un contrôle sûr et précis, même dans des conditions de réseau exigeantes. Ces capacités les rendent essentiels pour maximiser les performances et la fiabilité de la production d’hydrogène vert.
Le NCP51563 est un driver de grille isolé à double canal, prenant en charge un courant de crête source/puits de 4,5 A / 9 A, avec un délai de propagation typique de 36 ns et un appariement de délai maximal de 5 ns. Il offre des modes d’entrée simple ou double via la broche ANB, fournit une isolation galvanique de 5 kV avec CMTI ≥ 200 kV/µs, et est disponible dans un boîtier SOIC-16WB avec une distance de fuite de 8 mm.
Un autre driver de grille, le NCP51752, est un driver de grille isolé à canal unique, prenant en charge un courant de crête source/puits de 4,5 A/9 A et une excursion de sortie de 30 V. Il présente un délai de propagation de 36 ns avec un appariement de délai maximal de 5 ns, fournit une isolation galvanique de 3,75 kV avec CMTI ≥ 200 V/ns, est un dispositif à canal unique, intègre un générateur de polarisation négative pour simplifier la commande et réduire le coût du système, et est conditionné en SOIC-8.
Les amplificateurs de mesure de courant et les amplificateurs opérationnels onsemi sont des composants essentiels pour faire progresser les systèmes d’infrastructure énergétique. Ils permettent une surveillance précise et en temps réel du courant, ce qui est indispensable pour la sécurité, l’efficacité et le contrôle. Ces amplificateurs offrent des plages de tension en mode commun élevées et des capacités de mesure bidirectionnelle, ce qui les rend idéaux pour des mesures de courant côté haut comme côté bas dans des étages complexes de conversion de puissance tels que les convertisseurs DC/DC et les modules d’alimentation auxiliaire. Dans les systèmes d’électrolyseurs d’hydrogène, où un retour de courant précis est critique pour réguler les réactions électrochimiques et garantir la stabilité du système, les amplificateurs onsemi à dérive nulle et à faible décalage contribuent à maintenir des performances optimales tout en minimisant les pertes d’énergie.
L’amplificateur de mesure de courant NCS21673/4 offre des gains de 20, 50, 100 et 200 V/V, et est capable de mesurer la tension aux bornes des shunts à des tensions en mode commun de -0,1 V à 40 V. Ils peuvent fonctionner à partir d’une alimentation unique de 2,7 V à 5,5 V et sont disponibles dans des boîtiers peu encombrants. Les principales caractéristiques incluent une faible tension de décalage de ±100 µV, une faible dérive du décalage de max ±1 µV/°C, une faible erreur de gain de max ±1 %, une faible consommation de courant de max 300 µA par canal, et une bande passante élevée de 350 kHz avec un taux de balayage élevé.
Le NCS21914 est un amplificateur opérationnel à dérive nulle de haute précision, présentant une faible tension de décalage en entrée et une faible dérive du décalage dans le temps et avec la température. Ces dispositifs présentent un faible courant de repos et de faibles performances en bruit, avec une excursion de sortie rail-à-rail à moins de 10 mV des rails d’alimentation. Les spécifications clés incluent une faible tension de décalage de max 25 µV, une faible dérive du décalage de max 0,085 µV/°C, une plage de tension d’alimentation de 4 à 36 V, un courant de repos de max 570 µA, un faible bruit typique de 22 nV/√Hz, un produit gain-bande passante typique de 2 MHz, une sortie rail-à-rail et des filtres EMI intégrés.
Conclusion
Les systèmes d’électrolyseurs d’hydrogène évoluent rapidement vers une efficacité plus élevée, une consommation d’énergie réduite, une durée de vie plus longue et une fiabilité accrue, devenant progressivement l’équipement critique central au sein de la chaîne industrielle de l’hydrogène vert. À mesure que les technologies des matériaux, de l’électronique de puissance, du contrôle des systèmes et de la surveillance numérique continuent de mûrir, les électrolyseurs ont montré des trajectoires de développement claires pour des applications à grande échelle, modulaires et intelligentes. À l’avenir, grâce à l’intégration d’électrodes efficaces et de matériaux de membrane, de solutions avancées de gestion de la puissance et de l’énergie, ainsi que de solutions de systèmes sur l’ensemble du cycle de vie, les solutions de systèmes d’électrolyseurs d’hydrogène d’onsemi joueront un rôle de soutien plus stratégique dans l’intégration des énergies renouvelables, la transformation de la structure énergétique et l’atteinte des objectifs de neutralité carbone.
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