氢电解槽系统的技术开发及相关解决方案
氢气电解槽旨在通过电解水来生产氢气，使用的能源可以是电网、太阳能、风能或电池储能系统。当由可再生能源驱动时，这些系统的目标是以环保的方式生成氢气，从而减少对化石燃料的依赖并尽量减少碳排放。本文概述了氢气电解槽的应用及技术趋势，并重点介绍了安森美为该领域量身打造的全面且高效的电源解决方案。
通过电解氢气生产的关键技术方面和电解技术类型
通过电解产生的氢气可以应用于多种领域，包括运输用燃料电池、工业过程和能量储存。随着可再生能源的渗透率提高，绿色氢气电解槽系统对实现可持续、低碳的未来能源基础设施转型做出了重大贡献。由于技术进步、与可再生能源的整合、政策和投资支持以及分散化生产等因素，行业正经历快速增长。 电力转换是氢气电解槽系统的关键方面，涉及将电源的电能转化为电解所需的形式。主要组件包括整流器和DC-DC转换器，它们有效地管理和转换电能。功率模块解决方案将这些组件集成到统一的系统中，特点是模块化设计以便于扩展、有效的热管理来散热，以及先进的控制系统以实现最佳性能和安全性。 电解过程目标是通过精确的电能转换提供稳定且有效的直流电源。这使得电解槽能够将水（H2O）分解为氢气（H2）和氧气（O2），实现零碳排放，并降低发电厂的运营支出/资本支出（OPEX/CAPEX）。电力转换的性能直接影响氢气生产效率、系统安全性和整体成效。系统通常由功率模块、控制单元（用于实时电压/电流调节）、冷却系统和保护电路组成。 目前有四种主要的电解技术：碱性、质子交换膜（PEM）、固体氧化物电解池（SOEC）和阴离子交换膜（AEM）。碱性电解是最成熟且最具成本效益的，采用液体电解质。PEM电解采用固体聚合物膜，提供高效率和快速动态响应。SOEC在高温下运行，通过热能和电能实现超高效率。AEM是一种较新的技术，结合了碱性和PEM系统的优点。
提供多种完整解决方案用于氢电解槽系统
onsemi 提供多种完整的氢电解槽系统解决方案，结合了 onsemi 的推荐产品。这些解决方案整合了 onsemi 的智能电源和传感技术。大多数功能模块设备已包括，涵盖了电源模块和分立器件、栅极驱动器，以及标准集成电路和信号产品。 QDual3 IGBT 模块是 onsemi 的高功率集成模块 (PIM)，在特定拓扑结构中，与同类产品相比，提供更高的功率密度和高达 10% 的输出功率。采用的内部 FS7 IGBT 技术提供了行业领先的效率，降低了成本，简化了设计。在兆瓦级能源基础设施系统中，通常使用 3 个 QDual3 半桥模块来形成三层拓扑。通过并联多个 QDual3 模块，每个系统可以输出 1.2MW（使用 18 个 QDual3 模块）或 1.8MW（使用 27 个 QDual3 模块）。与使用 600A 模块的传统解决方案相比，这种方法减少了 30% 的模块数量，显著简化了设计并降低了系统成本。 关键产品包括 Qdual3 IGBT 模块 – NXH800H120L7QDSG，整合了 FS7 IGBT 和第 7 代二极管，提供更低的导通和开关损耗，使设计者能够实现高效率和卓越的可靠性。它是一种 1200V，800A 2 合 1 半桥 IGBT PIM，具有隔离基板、NTC 热敏电阻、可焊接引脚、低电感布局，并采用 Qdual3 格式封装。 另一款产品，F5BP 混合 PIM – NXH500B100H7F5SHG，是一种双通道飞行电容升压模块。每个通道包含两个 1000V, 500A IGBT 和两个 1200V, 120A SiC 二极管。F5BP PIM 封装相比 F5-PIM 封装具有优越的热性能，热阻降低 9%，支持 1500VDC 系统，非常适合公用事业规模的应用。此产品支持 1000V Field Stop 7 IGBT 和 1200V SiC 二极管，具有低感布局、可焊接引脚、集成 NTC 热敏电阻，并且是不含铅和卤素的设备。 onsemi 的全 SiC 功率模块包括 M3S EliteSiC F1 和 F2 功率集成模块 (PIM)，提供显著优势，具有优越的热性能、高功率密度和增强的可靠性。这些 PIMs 旨在为先进的能源基础设施提供具有成本效益和高效率的解决方案。此外，这些模块可以堆叠以实现超出数百千瓦的功率水平。 F2 全桥 PIM – NXH007F120M3F2PTHG 是一种 7 mΩ / 1200 V M3S SiC MOSFET 全桥，利用 HPS DBC（直接粘接铜）基板，支持 15V 至 18V 栅极驱动电压，预涂有热界面材料 (TIM)，易于以负栅极电压驱动，并配有压入式引脚。另一款型号，F1 半桥 PIM – NXH008P120M3F1PTG，是一种 8 mΩ / 1200 V M3S SiC MOSFET 半桥，提供出色的 FOM [ = RDS(on) * Eoss ]，利用 M3S 技术实现优化的开关性能，支持 15V 至 18V 栅极驱动电压，易于以负栅极电压驱动，提供有无预涂 TIM 的选项，并配有压入式引脚。
满足能源基础设施应用需求的碳化硅解决方案
onsemi 是碳化硅 (SiC) 领域的首选长期合作伙伴，具有可靠的端到端供应链、深厚的应用专业知识以及广泛的 EliteSiC 产品组合，涵盖各种市场专业化解决方案。EliteSiC MOSFET 和新型 SiC Cascode JFET 提供一流的开关速度、极低的导通电阻 (RDS(on)) 和更高的效率，满足能源基础设施应用的严格系统性能和可靠性要求。
650 - 1700 V 离散 SiC EliteSiC MOSFET 设计用于快速响应和坚固性，提供诸如高效率、缩小系统尺寸和降低成本等系统优势。这些产品具有出色的 FOM [ = RDS(on) * Eoss ]，极低的栅极电荷，低电容支持快速开关，高功率密度的优异性能，支持 15V 到 18V 的栅极驱动电压，100% 测试，工作结温高达 Tj= 175°C，并提供包括 TO-247-3L/4L、D2PAK-7L 和 Top cool SMD 的样品封装。 SiC Cascode JFET 是用于开关模式电源转换的高速 JFET，特别适用于具有超低导通电阻 (RDS(ON)) 的软开关转换器，支持高脉冲电流。它们采用 2 芯片共封装的 Cascode 设计，为标准常断式 MOSFET 提供拾取和放置替代，导通电阻 (RDS(on)) 为 1700V 的 10mΩ，1200V 的范围从 9mΩ 到 410mΩ，750V 的范围从 5.4mΩ 到 58mΩ。目标应用包括电源、太阳能逆变器和 DC-DC 转换器。 onsemi 新优化的创新 1200V FS7 离散 IGBT 旨在显著减少开关和导通损耗，确保卓越的开关性能。这些设备特点是低开关损耗，支持更高的开关频率。这一特性允许减少磁性元件的尺寸，从而提高功率密度并降低系统成本。FS7 IGBT 是要求高效和具成本效益的电源解决方案的应用的绝佳选择。产品采用 Trench Narrow Mesa 设计以实现低饱和电压 (Vce(sat)) 和高功率密度，并使用 Proton Implant Multiple Buffer 增强开关的稳定性和柔软性。 1200V，Field Stop VII (FS7) 离散 IGBT – FGY4L160T120SWD 具有最大结温 TJ = 175°C。它是共封装在 TO-247-plus-4L 封装中的第七代二极管，具有正温度系数以便于并联操作，提供高电流能力，具有平稳和优化的开关特性，低开关损耗，符合 RoHS 标准，并针对如能源基础设施、电动汽车充电器、太阳能逆变器、不间断电源 (UPS) 和储能系统 (ESS) 等应用。
先进的栅极驱动器、电流检测放大器和运算放大器
onsemi 的栅极驱动器通过高效率、低损耗的开关和强大的隔离能力，为氢电解槽系统提供支持。它们对 SiC / Si / IGBT 器件的支持使得设计可扩展且模块化。主动米勒箝位、欠压锁定 (UVLO) 和高共模瞬态抗扰度 (CMTI) 等功能可确保即使在严苛的电网条件下也能实现安全且精确的控制。这些能力使其成为绿色氢气生产中最大化性能和可靠性的关键。
NCP51563 是一个双通道隔离栅极驱动器，支持 4.5A / 9A 源/吸峰值电流，具有 36 ns 的典型传播延迟和 5ns 的最大延迟匹配。通过 ANB 引脚提供单输入或双输入模式，提供 5 kV 的电隔离，CMTI ≥ 200 kV/µs，采用 8mm 爬电距离的 SOIC-16WB 封装。 另一个栅极驱动器，NCP51752，是单通道隔离栅极驱动器，支持 4.5 A/9 A 源/吸峰值电流和 30V 输出摆幅。具有 36 ns 的传播延迟和 5 ns 的最大延迟匹配，提供 3.75 kV 的电隔离，CMTI ≥ 200 V/ns，是单通道器件，集成了负偏压发生器以简化驱动并降低系统成本，封装为 SOIC-8。 onsemi 的电流感应放大器和运算放大器是推进能源基础设施系统的重要组件。它们能够实现精确的实时电流监控，这是安全、高效和控制所必需的。这些放大器具有高共模电压范围和双向感应能力，非常适合复杂电力转换阶段中的高端和低端电流测量，如 DC/DC 转换器和辅助电源模块。在氢电解槽系统中，精确的电流反馈对于调节电化学反应和确保系统稳定性至关重要，onsemi 的零漂移低偏移放大器有助于保持最佳性能，同时将能量损失降至最低。 电流感应放大器 NCS21673/4 提供 20、50、100 和 200 V/V 的增益，能够在 -0.1V 至 40V 的共模电压下测量分流电压。它们可以从单个 2.7V 到 5.5V 的电源供电，提供节省空间的封装。主要特点包括低偏移电压 ±100 µV，低偏移漂移最大 ±1 µV/°C，低增益误差最大 ±1%，每通道最大 300 µA 的低电流消耗，以及 350 kHz 的高带宽和高转换速率。 NCS21914 是高精度零漂移运算放大器，具有低输入偏移电压和在时间和温度范围内的低偏移漂移。这些器件表现出低静态电流和低噪声性能，轨到轨输出摆幅在供电轨 10 mV 以内。主要规格包括最大 25 µV 的低偏移电压，最大 0.085 µV/°C 的低偏移漂移，4 至 36V 的供电电压范围，最大 570 µA 的静态电流，典型 22 nV/√Hz 的低噪声，典型 2 MHz 的增益带宽积，轨到轨输出和内置 EMI 滤波器。结论
氢电解槽系统正迅速向更高效率、更低能耗、更长使用寿命和更高可靠性方向发展，逐渐成为绿色氢能产业链中的核心关键设备。随着材料、功率电子、系统控制和数字监控技术的不断成熟，电解槽在大规模、模块化和智能化应用方面展现出明确的发展路径。未来，通过整合高效电极和膜材料、先进的电力和能源管理解决方案以及全生命周期系统解决方案，onsemi 的氢电解槽系统解决方案将在可再生能源整合、能源结构转型和实现碳中和目标中发挥更具战略意义的支持作用。
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