大家對氫元素肯定都不陌生，認識它基本都是從背元素週期表開始的。近年來我們身邊多了很多氫的身影，從北京冬奧會的氫燃料電池大巴，再到廣州南沙小虎島電氫智慧能源站，氫也越來越被大家熟知。工業上，氫的使用可是一點都不少，自 1975 年以來，需求量增長了三倍，而且還在繼續增長。然而，氫氣生產目前幾乎全部由化石燃料供應，消耗了全球約 6% 的天然氣和 2% 的煤炭。據估計，目前全球每年氫氣生產產生的二氧化碳排放量為 8.3 億噸，相當於英國和印尼的排放量總和，氫氣生產的增長與遏制全球氣溫上升的努力不相適應[1]。
首先要明確一點，氫氣是二次能源。我們根據環境友好程度以及生產過程中是否有溫室氣體排放等，使用了幾種顏色來區分，即綠氫、藍氫和灰氫。上面提到的用化石燃料製氫叫灰氫，因為這種方式每生產1噸氫氣就會產生9~12噸的二氧化碳。在生產過程中產生的二氧化碳若被儲存或再利用，這種方式生產的氫氣則稱為藍氫。
接下來我來介紹一下綠氫。綠氫是在電解過程中產生的，該過程利用風能和太陽能等可再生能源，並且在此過程中不會產生溫室氣體。其他生產綠氫的方法包括生物質的氣化和發酵以及沼氣的重整。為了實現「雙碳」目標，「氫」也能發揮一定的作用。新能源發電比較依賴環境的影響，因此具有不穩定的特點，可能會出現一些「棄風」或「棄光」的現象。大家自然就會對未來有一些構想，例如建設「氫網」，將無法上網的電力用來製氫，透過管網運輸出去，或者長時間儲存起來。
圖1. 電解氫——未來能源系統的一部分
電解氫想必很多人都看過，我們中學化學老師會用電解水的例子來講解電化學反應。工業上的電解氫技術需要結合效率、成本以及工藝的成熟度，我們常見的有三種：鹼性電解水製氫（ALK）、質子交換膜製氫（PEM）和固體氧化物電解水製氫（SOEC）。
如下表所示，目前主要以鹼性電解水為主，其次是PEM。至於固體氧化物製氫，由於其運行條件限制，目前占比較小。本文所討論的製氫電源的方案主要針對鹼性電解水和PEM這兩種電解槽。
表1 電解氫技術
鹼性水電解槽利用 KOH 或 NaOH 溶液作為電解質，透過隔膜分離氫氣和氧氣，並傳導氫氧根離子 (OH⁻)。PEM 電解槽使用質子交換膜，水在陽極分解為氧氣、質子 (H⁺) 和電子。質子通過膜，電子經外電路到陰極，在陰極形成氫氣。這兩種方法的電荷流動都是有方向性的，因此客觀上決定了必須使用直流電。
鹼性電解法因其設備投入成本低、生產工藝相對成熟，目前占據主要的市場份額，但其動態特性較差；而動態系統表現良好且與新能源發電契合度高的PEM製氫方法，再加上發電效率高等優勢，隨著設備投入成本的下降，未來具有更廣闊的發展空間。
那要使用什麼電路拓撲呢？目前存在單級拓撲和雙級拓撲，這兩種拓撲各有優缺點。單級拓撲是僅存在一級AC/DC功率轉換，將交流轉換成直流來直接電解水製氫。單級拓撲多用於從電網取電的場合，其效率高、成本低。雙級拓撲不僅有前級AC/DC功率級，還包括後級的DC/DC，響應速度快，適合新能源發電來直接電解氫。
首先，先看一下輸入級（AC/DC）的方案。
1 多脈波整流器
圖2. 多脈波晶閘管整流器[2]
多脈波整流器作為單級拓撲具有損耗低、效率高的優勢，若要滿足並網電流諧波、母線電壓諧波和功率因數等國標，分別至少需要24和12脈衝及以上的拓撲，這就需要龐大的整流變壓器。針對多脈衝整流器，英飛凌的功率晶閘管有以下產品可供選擇：
2 PWM全控整流
PWM全控整流透過調節IGBT的占空比，可以將輸入端的交流電流控制為正弦波，從而大幅降低電流諧波失真並提升功率因數。也可以使用碳化矽MOSFET取代矽IGBT，從而簡化拓撲。響應速度快，電能品質佳，無需整流變壓器。主要拓撲包括兩電平的B6和三電平。
圖3. 整流電路拓撲
以上是輸入級的大致方案，對於雙級電路來說，輸出級的DC/DC有哪些合適的方案呢？電解槽的規格各不相同，所需的電壓也不一樣。如果整流後的電壓比較高，需要一級DC/DC將電壓降下來，交錯式降壓電路是一個非常直接的選擇。有些用戶強調安全性，會需要隔離型的拓撲，這時會使用DAB。對於強調效率的應用場景，三電平也是一個很好的選擇。
1 交錯buck
該電路設計簡單，可以非常方便地從其他成熟平台轉化而來，大幅降低了開發成本，能夠快速推向市場。方便模組化擴展，無需隔離，紋波電流低，電解槽壽命更長。
圖4 交錯式Buck電路
2 DAB（雙向有源橋）
DAB 的好處就是原邊和副邊的隔離，可以提升電解氫系統的安全性。透過變壓器以高效率實現大幅度降壓。如果採用高頻設計，變壓器和磁性元件會更小，成本也更低。
圖5 DAB拓撲
以上就是大致的制氫電源的主功率拓撲和元件的方案。英飛凌整體解決方案不僅包含功率元件，還有MCU、存儲晶片、IoT、電流採樣晶片、氣體檢測晶片、柵極驅動器以及輔助電源管理晶片等，如果有興趣的話可以打開英飛凌的網頁看看。
隨著器件的不斷推陳出新，以及新能源製氫的持續發展，不斷會有新方案湧現出來。英飛凌也將推出新的器件，助力電解氫應用的發展。
參考資料
1. 電能轉換技術在綠色氫氣生產中的重要性。最後更新時間：2024年5月。
https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-The_importance_of_power_conversion_technologies_in_the_production_of_green_hydrogen-Whitepaper-v01_00-EN.pdf?fileId=8ac78c8c8eeb092c018f383f2d1630d5&da=t
2. Delta-Polygon 自動變壓器基於 24 脈衝整流器的切換模式電源，郝春玲*、陳曉強、邱浩。TELKOMNIKA, 第14卷, 第2期, 2016年6月, 頁431~439，ISSN: 1693-6930
掃描 QR Code，關注英飛凌工業半導體尋找更多應用程式或產品資訊
參考來源