수소 전해조 시스템을 위한 기술 개발 및 관련 솔루션
수소 전해조는 다양한 에너지원(전력망, 태양광, 풍력 또는 배터리 에너지 저장 시스템)을 사용하여 물의 전기분해를 통해 수소를 생산하도록 설계되었습니다. 재생에너지로 구동될 경우, 이러한 시스템은 환경 친화적인 방식으로 수소를 생산하여 화석 연료 의존도를 낮추고 탄소 배출을 최소화하는 것을 목표로 합니다. 본 문서는 수소 전해조의 적용 분야와 기술 동향에 대한 개요를 제공하고, onsemi가 이 부문을 위해 맞춤형으로 제공하는 포괄적이고 고효율의 전력 솔루션을 강조합니다.
전기분해를 통한 수소 생산의 주요 기술적 측면과 전기분해 기술의 유형
전기분해를 통해 생산된 수소는 운송용 연료전지를 포함해 산업 공정 및 에너지 저장 등 다양한 응용 분야에서 활용될 수 있습니다. 재생에너지 보급이 확대됨에 따라 그린 수소 전해조 시스템은 지속가능한 저탄소 에너지 인프라로의 전환에 크게 기여하고 있습니다. 업계는 기술 발전, 재생에너지와의 통합, 정책 및 투자 지원, 분산형 생산 등 여러 요인으로 인해 빠른 성장을 경험하고 있습니다.
전력 변환은 수소 전해조 시스템의 핵심 요소로, 전원에서 공급되는 전기에너지를 전기분해에 필요한 형태로 변환하는 과정을 포함합니다. 주요 구성 요소로는 정류기와 DC-DC 컨버터가 있으며, 이들은 전기에너지를 효율적으로 관리하고 변환합니다. 전력 모듈 솔루션은 이러한 구성 요소를 일체형 시스템으로 통합하며, 확장성을 위한 모듈형 설계, 열을 방산하기 위한 효과적인 열 관리, 최적의 성능과 안전을 위한 정교한 제어 시스템을 특징으로 합니다.
전기분해 공정은 정밀한 전기 변환을 통해 안정적이고 효율적인 DC 전력을 공급받아 동작하도록 설계됩니다. 이를 통해 전해조는 물(H2O)을 수소(H2)와 산소(O2)로 분해하여 탄소 배출량을 제로로 달성하고, 발전소에서 운영비/자본지출(OPEX/CAPEX)을 절감할 수 있습니다. 전력 변환 성능은 수소 생산 효율, 시스템 안전, 전반적인 비용 효율성에 직접적인 영향을 미칩니다. 시스템은 일반적으로 전력 모듈, 제어 유닛(실시간 전압/전류 조절용), 냉각 시스템, 보호 회로로 구성됩니다.
현재 전기분해 기술은 네 가지가 주요 기술로 분류됩니다: Alkaline, Proton Exchange Membrane (PEM), Solid Oxide Electrolysis Cell (SOEC), 그리고 Anion Exchange Membrane (AEM). Alkaline 전기분해는 액체 전해질을 사용하며, 가장 확립되어 있고 비용 효율적입니다. PEM 전기분해는 고체 고분자 막을 사용하여 높은 효율과 빠른 동특성을 제공합니다. SOEC는 고온에서 작동하며 열 에너지와 전기에너지를 모두 활용해 우수한 효율을 달성합니다. AEM은 알칼라인 및 PEM 시스템의 장점을 결합한 신규 기술입니다.
수소 전해조 시스템을 위한 다수의 완전한 솔루션 제공
onsemi는 onsemi의 권장 제품을 통합한 수소 전해조 시스템용 여러 가지 완전한 솔루션을 제공합니다. 이러한 솔루션은 onsemi의 지능형 전력 및 센싱 기술을 통합합니다. 전력 모듈 및 디스크리트 디바이스, 게이트 드라이버는 물론 표준 집적 회로와 신호 제품까지 대부분의 기능 모듈 디바이스가 포함됩니다.
QDual3 IGBT 모듈은 onsemi의 High Power Integrated Module (PIM)로, 특정 토폴로지에서 동급 제품 대비 더 높은 전력 밀도와 최대 10% 더 높은 출력 전력을 제공합니다. 내부에 적용된 FS7 IGBT 기술은 업계 최고 수준의 효율을 제공하여 비용을 절감하고 설계를 간소화합니다. 메가와트급 에너지 인프라 시스템에서는 일반적으로 3x QDual3 하프-브리지 모듈을 사용하여 3-레벨 토폴로지를 구성합니다. 여러 개의 QDual3 모듈을 병렬로 연결하면 각 시스템은 1.2MW(18x QDual3 모듈 사용) 또는 1.8MW(27x QDual3 모듈 사용)의 출력을 낼 수 있습니다. 600A 모듈을 사용하는 기존 솔루션과 비교하여 이 접근 방식은 모듈 수를 30% 줄여 설계를 크게 단순화하고 시스템 비용을 낮춥니다.
주요 제품에는 FS7 IGBT와 Gen 7 다이오드를 통합하여 도통 손실과 스위칭 손실을 낮추고, 설계자가 고효율과 우수한 신뢰성을 달성할 수 있도록 지원하는 Qdual3 IGBT Module – NXH800H120L7QDSG가 포함됩니다. 이 제품은 절연 베이스 플레이트, NTC 서미스터, 납땜 가능한 핀, 저인덕턴스 레이아웃을 특징으로 하며 Qdual3 포맷으로 패키징된 1200V, 800A 2-in-1 Half Bridge IGBT PIM입니다.
또 다른 제품인 F5BP Hybrid PIM – NXH500B100H7F5SHG는 듀얼 채널 Flying Capacitor Boost 모듈입니다. 각 채널에는 1000V, 500A IGBT 2개와 1200V, 120A SiC 다이오드 2개가 포함됩니다. F5BP PIM 패키지는 F5-PIM 패키지 대비 열저항이 9% 낮아 우수한 열 성능을 제공하며, 1500VDC 시스템을 지원하여 유틸리티 규모 애플리케이션에 이상적입니다. 이 제품은 1000V Field Stop 7 IGBT와 1200V SiC 다이오드를 지원하고, 저인덕턴스 레이아웃, 솔더 핀, 통합 NTC 서미스터를 특징으로 하며, Pb-Free 및 Halide-Free 디바이스입니다.
onsemi의 Full SiC Power Modules에는 우수한 열 성능, 높은 전력 밀도, 향상된 신뢰성을 통해 중요한 이점을 제공하는 M3S EliteSiC F1 및 F2 Power Integrated Modules (PIMs)가 포함됩니다. 이러한 PIM은 첨단 에너지 인프라를 위한 비용 효율적이고 고효율의 솔루션을 제공하도록 설계되었습니다. 또한 이러한 모듈은 적층하여 수백 킬로와트를 초과하는 전력 수준을 달성할 수 있습니다.
F2 Full Bridge PIM – NXH007F120M3F2PTHG는 7 mΩ / 1200 V M3S SiC MOSFET Full-Bridge로, HPS DBC (Direct Bonded Copper) 기판을 사용하며, 15V~18V 게이트 구동 전압을 지원하고, Thermal Interface Material (TIM)이 사전 적용되어 있으며, 음의 게이트 전압으로 구동하기 쉽고, 프레스-핏 핀을 특징으로 합니다. 또 다른 모델인 F1 Half Bridge PIM – NXH008P120M3F1PTG는 8 mΩ / 1200 V M3S SiC MOSFET Half-Bridge로, 우수한 FOM [ = RDS(on) * Eoss ]을 제공하고, 스위칭 성능 최적화를 위해 M3S 기술을 활용하며, 15V~18V 게이트 구동 전압을 지원하고, 음의 게이트 전압으로 구동하기 쉬우며, TIM 사전 적용 유무 옵션으로 제공되고, 프레스-핏 핀을 특징으로 합니다.
에너지 인프라 애플리케이션의 요구를 충족하는 실리콘 카바이드 솔루션
onsemi는 Silicon Carbide (SiC) 분야에서 신뢰할 수 있는 엔드투엔드 공급망, 심층적인 애플리케이션 전문성, 그리고 다양한 시장 특화 솔루션을 포괄하는 광범위한 EliteSiC 포트폴리오를 갖춘 최고의 장기 파트너입니다. EliteSiC MOSFET 및 새로운 SiC Cascode JFET는 동급 최고 수준의 스위칭 속도, 초저 온저항(RDS(on)), 더 높은 효율을 제공하여 에너지 인프라 애플리케이션의 엄격한 시스템 성능 및 신뢰성 요구 사항을 충족합니다.
650 - 1700 V Discrete SiC EliteSiC MOSFET는 빠른 응답과 견고성을 위해 설계되어 높은 효율, 시스템 크기 축소, 비용 절감과 같은 시스템 이점을 제공합니다. 이 제품은 우수한 FOM [ = RDS(on) * Eoss ], 초저 게이트 전하, 빠른 스위칭을 가능하게 하는 낮은 커패시턴스, 높은 전력 밀도의 우수한 성능, 15V~18V 게이트 드라이브 전압 지원, 100% 애벌랜치 테스트, 높은 동작 접합 온도 Tj= 175°C를 특징으로 하며, TO-247-3L/4L, D2PAK-7L, Top cool SMD를 포함한 샘플 패키지로 제공됩니다.
SiC Cascode JFET는 스위치 모드 전력 변환을 위한 고속 JFET로, 특히 초저 온저항(RDS(ON))의 소프트 스위칭 컨버터에 적합하며 높은 펄스 전류를 지원합니다. 2칩 코패키지 Cascode 설계를 특징으로 하고, 표준 노멀리-오프 MOSFET를 위한 픽앤플레이스 대체품을 제공하며, 온저항(RDS(on))은 1700V에서 10mΩ, 1200V에서 9mΩ~410mΩ, 750V에서 5.4mΩ~58mΩ 범위를 제공합니다. 대상 애플리케이션에는 전원 공급 장치, 태양광 인버터, DC-DC 컨버터가 포함됩니다.
onsemi의 새롭게 최적화되고 혁신적인 1200V FS7 Discrete IGBT는 스위칭 손실과 도통 손실을 모두 크게 줄이도록 설계되어 우수한 스위칭 성능을 보장합니다. 이 디바이스는 낮은 스위칭 손실을 특징으로 하여 더 높은 스위칭 주파수를 가능하게 합니다. 이러한 특성은 자기 부품의 크기를 줄일 수 있게 하여 전력 밀도를 높이고 시스템 비용을 낮춥니다. FS7 IGBT는 효율적이고 비용 효율적인 전력 솔루션을 요구하는 애플리케이션에 탁월한 선택입니다. 이 제품은 낮은 포화 전압(Vce(sat))과 높은 전력 밀도를 위한 Trench Narrow Mesa 설계를 활용하며, 스위칭 견고성과 소프트니스를 향상시키기 위해 Proton Implant Multiple Buffer를 적용합니다.
1200V, Field Stop VII (FS7) Discrete IGBT – FGY4L160T120SWD는 최대 접합 온도 TJ = 175°C입니다. TO-247-plus-4L 패키지에 Gen7 다이오드가 코패키지되어 있으며, 병렬 동작을 용이하게 하는 양(+)의 온도 계수를 특징으로 하고, 매끄럽고 최적화된 스위칭 특성과 함께 높은 전류 처리 능력을 제공하며, 스위칭 손실이 낮고, RoHS를 준수하며, 에너지 인프라, EV 충전기, 태양광 인버터, UPS, Energy Storage Systems (ESS)와 같은 애플리케이션을 대상으로 합니다.
고급 게이트 드라이버, 전류 감지 증폭기 및 연산 증폭기
onsemi의 게이트 드라이버는 고효율, 저손실 스위칭과 견고한 절연으로 수소 전해조 시스템을 강화합니다. SiC / Si / IGBT 디바이스를 지원하여 확장 가능한 모듈형 설계를 구현할 수 있습니다. 능동 Miller 클램프, 저전압 잠금(Undervoltage Lockout, UVLO), 높은 공통 모드 과도 내성(Common Mode Transient Immunity, CMTI)과 같은 기능은 까다로운 전력망 조건에서도 안전하고 정밀한 제어를 보장합니다. 이러한 역량은 그린 수소 생산에서 성능과 신뢰성을 극대화하는 데 필수적입니다.
NCP51563은 듀얼 채널 절연 게이트 드라이버로, 4.5A / 9A 소스/싱크 피크 전류를 지원하며, 전형적인 전파 지연은 36 ns이고 최대 지연 매칭은 5ns입니다. ANB 핀을 통해 단일 또는 듀얼 입력 모드를 제공하고, CMTI ≥ 200 kV/µs에서 5 kV 갈바닉 절연을 제공하며, 연면거리 8mm의 SOIC-16WB 패키지로 제공됩니다.
또 다른 게이트 드라이버인 NCP51752는 단일 채널 절연 게이트 드라이버로, 4.5 A/9 A 소스/싱크 피크 전류와 30V 출력 스윙을 지원합니다. 전파 지연은 36 ns이며 최대 지연 매칭은 5 ns이고, CMTI ≥ 200 V/ns에서 3.75 kV 갈바닉 절연을 제공하며, 단일 채널 디바이스입니다. 구동을 단순화하고 시스템 비용을 절감하기 위해 네거티브 바이어스 발생기를 통합했으며, SOIC-8 패키지로 제공됩니다.
onsemi의 전류 센스 증폭기와 연산 증폭기는 에너지 인프라 시스템을 발전시키는 데 중요한 구성 요소입니다. 이들은 안전, 효율 및 제어에 필수적인 정밀한 실시간 전류 모니터링을 가능하게 합니다. 이러한 증폭기는 높은 공통 모드 전압 범위와 양방향 센싱 기능을 갖추고 있어, DC/DC 컨버터 및 보조 전원 모듈과 같은 복잡한 전력 변환 단계에서 하이사이드 및 로우사이드 전류 측정 모두에 이상적입니다. 정확한 전류 피드백이 전기화학 반응을 조절하고 시스템 안정성을 보장하는 데 중요한 수소 전해조 시스템에서, onsemi의 제로드리프트, 저오프셋 증폭기는 에너지 손실을 최소화하면서 최적의 성능을 유지하도록 돕습니다.
전류 센스 증폭기 NCS21673/4는 20, 50, 100 및 200 V/V의 이득을 제공하며, -0.1V에서 40V까지의 공통 모드 전압에서 션트 양단의 전압을 측정할 수 있습니다. 단일 2.7V~5.5V 전원 공급으로 동작할 수 있으며 공간 절약형 패키지로 제공됩니다. 주요 기능에는 ±100 µV의 낮은 오프셋 전압, 최대 ±1 µV/°C의 낮은 오프셋 드리프트, 최대 ±1%의 낮은 이득 오차, 채널당 최대 300 µA의 낮은 전류 소비, 높은 슬루율과 함께 350 kHz의 높은 대역폭이 포함됩니다.
NCS21914는 입력 오프셋 전압이 낮고 시간 및 온도에 따른 오프셋 드리프트가 낮은 고정밀 제로드리프트 연산 증폭기입니다. 이 디바이스는 낮은 정지 전류와 낮은 노이즈 성능을 제공하며, 전원 레일로부터 10 mV 이내의 레일-투-레일 출력 스윙을 제공합니다. 주요 사양에는 최대 25 µV의 낮은 오프셋 전압, 최대 0.085 µV/°C의 낮은 오프셋 드리프트, 4~36V의 공급 전압 범위, 최대 570 µA의 정지 전류, 전형적으로 22 nV/√Hz의 낮은 노이즈, 전형적으로 2 MHz의 이득-대역폭 곱, 레일-투-레일 출력 및 통합 EMI 필터가 포함됩니다.
결론
수소 전해조 시스템은 더 높은 효율, 더 낮은 에너지 소비, 더 긴 수명, 더 높은 신뢰성을 향해 빠르게 발전하고 있으며, 점차 그린 수소 산업 체인의 핵심 핵심 설비로 자리 잡고 있습니다. 소재, 전력 전자, 시스템 제어 및 디지털 모니터링 분야의 기술이 지속적으로 성숙함에 따라, 전해조는 대규모, 모듈형 및 지능형 응용을 위한 명확한 발전 경로를 보여주고 있습니다. 향후 고효율 전극 및 막 소재의 통합, 첨단 전력 및 에너지 관리 솔루션, 그리고 전체 수명주기 시스템 솔루션을 통해, onsemi의 수소 전해조 시스템 솔루션은 재생에너지 통합, 에너지 구조 전환 및 탄소중립 목표 달성에 있어 보다 전략적인 지원 역할을 수행할 것입니다.
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