Sviluppo tecnico e soluzioni correlate per sistemi di elettrolizzatori a idrogeno
Gli elettrolizzatori di idrogeno sono progettati per produrre idrogeno tramite l’elettrolisi dell’acqua utilizzando diverse fonti di energia (rete, solare, eolica o sistemi di accumulo di energia a batteria). Quando alimentati da energia rinnovabile, questi sistemi mirano a generare idrogeno in modo ecocompatibile, riducendo così la dipendenza dai combustibili fossili e minimizzando le emissioni di carbonio. Questo articolo fornisce una panoramica delle applicazioni degli elettrolizzatori di idrogeno e delle tendenze tecnologiche, e mette in evidenza le soluzioni di alimentazione complete e ad alta efficienza su misura per questo settore offerte da onsemi.
Aspetti tecnici chiave della produzione di idrogeno tramite elettrolisi e tipologie di tecnologie di elettrolisi
L’idrogeno prodotto tramite elettrolisi può essere utilizzato in diverse applicazioni, tra cui celle a combustibile per il trasporto, processi industriali e accumulo di energia. Con l’aumento della penetrazione delle energie rinnovabili, i sistemi di elettrolizzatori per idrogeno verde contribuiscono in modo significativo alla transizione verso un futuro di infrastrutture energetiche sostenibili e a basse emissioni di carbonio. Il settore sta registrando una rapida crescita dovuta a diversi fattori, tra cui i progressi tecnologici, l’integrazione con le energie rinnovabili, il supporto di politiche e investimenti e la produzione decentralizzata.
La conversione di potenza è un aspetto critico dei sistemi di elettrolizzatori per idrogeno e prevede la trasformazione dell’energia elettrica dalle sorgenti di alimentazione nella forma richiesta per l’elettrolisi. I componenti chiave includono raddrizzatori e convertitori DC-DC, che gestiscono e convertono in modo efficiente l’energia elettrica. Le soluzioni con moduli di potenza integrano questi componenti in sistemi coesi, con design modulari per la scalabilità, una gestione termica efficace per dissipare il calore e sistemi di controllo sofisticati per prestazioni e sicurezza ottimali.
Il processo di elettrolisi è progettato per funzionare con potenza DC stabile ed efficiente, erogata tramite una conversione elettrica precisa. Ciò consente all’elettrolizzatore di scindere l’acqua (H2O) in idrogeno (H2) e ossigeno (O2), ottenendo zero emissioni di carbonio e riducendo la spesa operativa/spesa in conto capitale (OPEX/CAPEX) nelle centrali elettriche. Le prestazioni della conversione di potenza influiscono direttamente sull’efficienza di produzione dell’idrogeno, sulla sicurezza del sistema e sulla convenienza economica complessiva. Il sistema è tipicamente composto da moduli di potenza, unità di controllo (per la regolazione in tempo reale di tensione/corrente), sistemi di raffreddamento e circuiti di protezione.
Attualmente esistono quattro principali tecnologie di elettrolisi: Alkaline, Proton Exchange Membrane (PEM), Solid Oxide Electrolysis Cell (SOEC) e Anion Exchange Membrane (AEM). L’elettrolisi alcalina è la più consolidata e conveniente, e utilizza un elettrolita liquido. L’elettrolisi PEM impiega una membrana polimerica solida, offrendo alta efficienza e dinamiche rapide. SOEC opera ad alte temperature, ottenendo un’efficienza superiore grazie sia al calore sia all’energia elettrica. AEM è una tecnologia più recente che combina i vantaggi dei sistemi alcalini e PEM.
Molteplici soluzioni complete disponibili per sistemi di elettrolizzatori a idrogeno
onsemi offre diverse soluzioni complete per sistemi di elettrolizzatori per idrogeno, incorporando prodotti consigliati di onsemi. Queste soluzioni integrano le tecnologie intelligenti di potenza e di rilevamento di onsemi. Sono inclusi la maggior parte dei dispositivi dei moduli funzionali, comprendendo moduli di potenza e dispositivi discreti, gate driver, nonché circuiti integrati standard e prodotti di segnale.
Il modulo IGBT QDual3 è il High Power Integrated Module (PIM) di onsemi che, in topologie specifiche, offre una maggiore densità di potenza e fino al 10% di potenza di uscita in più rispetto a prodotti comparabili. La tecnologia IGBT FS7 adottata internamente garantisce un'efficienza leader nel settore, riducendo i costi e semplificando la progettazione. Nei sistemi infrastrutturali energetici su scala di megawatt, in genere si utilizzano 3x moduli half-bridge QDual3 per formare una topologia a tre livelli. Mettendo in parallelo più moduli QDual3, ciascun sistema può fornire 1,2MW (utilizzando 18x moduli QDual3) o 1,8MW (utilizzando 27x moduli QDual3). Rispetto alle soluzioni tradizionali che utilizzano moduli da 600A, questo approccio riduce la quantità di moduli del 30%, semplificando significativamente la progettazione e riducendo i costi di sistema.
I prodotti chiave includono il Qdual3 IGBT Module – NXH800H120L7QDSG, che integra IGBT FS7 e diodi Gen 7 per offrire minori perdite di conduzione e di commutazione, consentendo ai progettisti di ottenere un'elevata efficienza e un'affidabilità superiore. Si tratta di un IGBT PIM Half Bridge 2-in-1 da 1200V, 800A dotato di piastra di base isolata, termistore NTC, pin saldabili, layout a bassa induttanza e confezionato nel formato Qdual3.
Un altro prodotto, l'Hybrid PIM F5BP – NXH500B100H7F5SHG, è un modulo Flying Capacitor Boost a doppio canale. Ogni canale contiene due IGBT da 1000V, 500A e due diodi SiC da 1200V, 120A. Il package PIM F5BP offre prestazioni termiche superiori con una resistenza termica inferiore del 9% rispetto al package F5-PIM, supporta sistemi a 1500VDC, rendendolo ideale per applicazioni su scala utility. Questo prodotto supporta IGBT Field Stop 7 da 1000V e diodi SiC da 1200V, presenta un layout a bassa induttanza, pin di saldatura, un termistore NTC integrato ed è un dispositivo Pb-Free e Halide-Free.
I Full SiC Power Modules di onsemi includono i Power Integrated Modules (PIM) M3S EliteSiC F1 e F2, che offrono vantaggi significativi grazie a prestazioni termiche superiori, elevata densità di potenza e affidabilità migliorata. Questi PIM sono progettati per offrire soluzioni convenienti e ad alta efficienza per infrastrutture energetiche avanzate. Inoltre, questi moduli possono essere impilati per raggiungere livelli di potenza superiori a diverse centinaia di kilowatt.
L'F2 Full Bridge PIM – NXH007F120M3F2PTHG è un Full-Bridge M3S SiC MOSFET da 7 mΩ / 1200 V, utilizza un substrato HPS DBC (Direct Bonded Copper), supporta una tensione di pilotaggio del gate da 15V a 18V, viene fornito con Thermal Interface Material (TIM) preapplicato, è facile da pilotare con tensioni di gate negative e presenta pin press-fit. Un altro modello, l'F1 Half Bridge PIM – NXH008P120M3F1PTG, è un Half-Bridge M3S SiC MOSFET da 8 mΩ / 1200 V, offre un eccellente FOM [ = RDS(on) * Eoss ], sfrutta la tecnologia M3S per prestazioni di commutazione ottimizzate, supporta una tensione di pilotaggio del gate da 15V a 18V, è facile da pilotare con tensioni di gate negative, è disponibile in opzioni con o senza TIM preapplicato e presenta pin press-fit.
Soluzioni in carburo di silicio che soddisfano i requisiti delle applicazioni per le infrastrutture energetiche
onsemi è un partner di primo livello a lungo termine nel dominio del Carburo di Silicio (SiC), con una supply chain end-to-end affidabile, una profonda competenza applicativa e un ampio portafoglio EliteSiC che copre diverse soluzioni specializzate per i vari mercati. Gli EliteSiC MOSFET e i nuovi SiC Cascode JFET offrono una velocità di commutazione ai vertici della categoria, un’ultra-bassa resistenza di conduzione (RDS(on)) e una maggiore efficienza, soddisfacendo i rigorosi requisiti di prestazioni e affidabilità del sistema per applicazioni di infrastrutture energetiche.
I Discrete SiC EliteSiC MOSFET da 650 - 1700 V sono progettati per risposta rapida e robustezza, offrendo vantaggi di sistema quali alta efficienza, dimensioni del sistema ridotte e costi inferiori. Questi prodotti presentano un eccellente FOM [ = RDS(on) * Eoss ], carica di gate ultra-bassa, bassa capacità che consente commutazione rapida, prestazioni superiori con alta densità di potenza, supporto per una tensione di pilotaggio del gate da 15V a 18V, test di valanga al 100%, un’elevata temperatura di giunzione operativa Tj= 175°C e sono disponibili in package campione tra cui TO-247-3L/4L, D2PAK-7L e Top cool SMD.
I SiC Cascode JFET sono JFET ad alta velocità per la conversione di potenza a commutazione, particolarmente adatti per convertitori soft-switching con resistenza di conduzione (RDS(ON)) ultra-bassa, supportando elevata corrente di impulso. Sono caratterizzati da un design Cascode co-packaged a 2 chip, offrono una sostituzione pick-and-place per i MOSFET standard normalmente-off, con resistenza di conduzione (RDS(on)) di 10mΩ per 1700V, da 9mΩ a 410mΩ per 1200V e da 5.4mΩ a 58mΩ per 750V. Le applicazioni target includono alimentatori, inverter solari e convertitori DC-DC.
I nuovi e innovativi IGBT Discrete 1200V FS7 ottimizzati di onsemi sono progettati per ridurre significativamente sia le perdite di commutazione sia le perdite di conduzione, garantendo prestazioni di commutazione superiori. Questi dispositivi presentano basse perdite di commutazione, consentendo frequenze di commutazione più elevate. Questa caratteristica permette di ridurre le dimensioni dei componenti magnetici, aumentando così la densità di potenza e riducendo i costi di sistema. Gli IGBT FS7 sono una scelta eccellente per applicazioni che richiedono soluzioni di potenza efficienti ed economiche. Il prodotto utilizza un design Trench Narrow Mesa per una bassa tensione di saturazione (Vce(sat)) e alta densità di potenza, e Proton Implant Multiple Buffer per migliorare la robustezza e la morbidezza della commutazione.
L’IGBT Discrete 1200V, Field Stop VII (FS7) – FGY4L160T120SWD ha una temperatura massima di giunzione TJ = 175°C. È un diodo Gen7 co-packaged in un package TO-247-plus-4L, presenta un coefficiente di temperatura positivo per un facile funzionamento in parallelo, offre elevata capacità di corrente con caratteristiche di commutazione fluide e ottimizzate, ha basse perdite di commutazione, è conforme RoHS e si rivolge ad applicazioni quali infrastrutture energetiche, caricabatterie per EV, inverter solari, UPS e Energy Storage Systems (ESS).
Driver di gate avanzati, amplificatori di rilevamento corrente e amplificatori operazionali
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.
Conclusione
I sistemi di elettrolizzatori per idrogeno stanno evolvendo rapidamente verso una maggiore efficienza, un minore consumo energetico, una durata operativa più lunga e una maggiore affidabilità, diventando gradualmente le apparecchiature critiche fondamentali all’interno della catena industriale dell’idrogeno verde. Con la continua maturazione delle tecnologie nei materiali, nell’elettronica di potenza, nel controllo di sistema e nel monitoraggio digitale, gli elettrolizzatori hanno evidenziato chiari percorsi di sviluppo per applicazioni su larga scala, modulari e intelligenti. In futuro, attraverso l’integrazione di elettrodi e materiali di membrana ad alta efficienza, soluzioni avanzate di gestione della potenza e dell’energia e soluzioni di sistema per l’intero ciclo di vita, le soluzioni per sistemi di elettrolizzatori per idrogeno di onsemi svolgeranno un ruolo di supporto più strategico nell’integrazione delle energie rinnovabili, nella trasformazione della struttura energetica e nel raggiungimento degli obiettivi di neutralità carbonica.
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