摘要：氢燃料市场的预测增长率，以及推动电解设备需求增长的趋势交流-直流耦合和直流-直流耦合电解槽中使用的主要电源拓扑结构的特点功率元器件制造商推出的新产品和新技术，使新电解槽工厂的效率和成本得到大幅改善
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氢燃料市场的预测增长率，以及推动电解设备需求增长的趋势
交流-直流耦合和直流-直流耦合电解槽中使用的主要电源拓扑结构的特点
功率元器件制造商推出的新产品和新技术，使新电解槽工厂的效率和成本得到大幅改善
随着世界应对气候变化的威胁，氢正在成为一种可行的绿色能源，既可以作为零排放驾驶的电池补充能源，也可以作为能源储存介质。
电池供电技术已经吸收了大量可用的投资资金，以推动向电动汽车和热泵等不直接依赖化石燃料驱动的产品转型。但随着许多国家努力实现到2050年净零排放的雄心目标，绿色氢能系统和氢燃料供应的发展也在加速。这反映了氢这种最丰富、可供人类使用的元素在使用上的无限潜力。
目前生产的大多数氢是通过从甲烷中分离碳来制成的，但这一过程会产生碳排放。零排放的“绿色氢”则通过电解法制得，利用来自风能、太阳能或水力发电的清洁电力，将水分解成氢气和氧气。与无法长时间储存大量电能的电池不同，氢气可以长时间大量储存。因此，它是多余可再生能源的理想绿色储能解决方案。
氢气具有多种灵活用途：它可以与氧气催化反应产生热量，或者被送入燃料电池发电。在燃料电池中，氢气有潜力为家庭用电、制造业、交通运输等领域提供清洁能源。氢燃料还可以补充风能和太阳能发电，作为一种绿色储能解决方案，用于平衡可再生能源的不稳定性。
行业观察人士预测氢能产业将迎来强劲增长。氢能委员会发布的《2024年氢能洞察报告》显示，全球氢能项目管道在2020年至2024年5月之间增长了七倍，从228个项目增加到1,572个项目。处于最终投资决策阶段的项目投资也从2020年的约100亿美元（覆盖102个项目）增长到2024年的750亿美元（覆盖434个项目）。
中国已明确目标，到2025年实现上路5万辆氢动力汽车；而欧盟的目标是到2030年通过可再生能源生产1000万吨绿色氢。
氢能市场的增长吸引了许多企业参与电解槽工厂的建造、安装和运营。对于零碳燃料的绿色氢而言，这一机会在世界上拥有丰富太阳能、水电或风能资源的地区尤为具有吸引力。
电解是一种化学过程，但它需要大量的电力，既可以通过电网获取，也可以直接来自风力涡轮机（即所谓的交流-直流耦合电力系统），或者直接来自太阳能发电场和电池储存（即直流-直流耦合系统）。用于向消耗兆瓦级电力的大型电解槽工厂提供正确输入的高压电力转换设备，传统上由少数几家全球巨头制造商主导，例如ABB、西门子和施耐德电气。电解槽工厂需求的增长不仅为这些现有企业提供了机遇，也为在高压电力设备制造方面具有专业技术的小型企业创造了机会。
在高压设备市场上，客户（即水解装置运营商）将根据以下四个关键标准对现有和新供应商进行评估：
电能质量
效率
可靠性
成本
这为电子元器件制造商创造了机会，他们可以通过提供有助于设备制造商在上述任何方面改进产品的元器件来提升其市场地位。这也推动了元器件层面的新一轮创新浪潮。
提升电解效率与降低成本的驱动力
无论是实现于消耗功率低于500 kW的路边加氢站这样的小型本地工厂，还是消耗功率达到20 MW或更高的大型氢气制造厂，电解的基本过程都是相同的。单个电解槽用于将水分解为氢气和氧气，其正向电压约为1.8 V至1.9 V，具体取决于温度和用于增强电解质的化学添加剂。
电解质中的电流密度可达到0.5 A/cm²。1000 A的直流电可以驱动面积为2000 cm²的电解槽，每天大约生成1千克的气态氢。
鉴于这一基本化学过程多年来已被充分理解，未来降低成本和提高效率的空间在哪里？目前，通过电解生产氢气的成本在每千克4美元到7美元之间，具体取决于电力价格和电解槽效率。美国能源部（DoE）设定的目标是，到2025年将这一成本降至每千克2美元，到2030年降至每千克1美元。
要实现这些成本降低目标，就需要大幅提高电解槽效率，并通过大规模部署电解槽工厂来提高规模经济。
电解槽工厂的部分效率提升将需要依赖更高效的电力转换系统。这使得行业更加关注主要供应商（如英飞凌和力特）向高压设备制造商提供的改进的元器件。
交流-直流耦合系统：晶闸管与IGBT开关之争
例如，在交流-直流耦合电力系统中，电解槽工厂采用多种电力转换系统配置，通常基于二极管/晶闸管整流拓扑或基于IGBT的有源前端（AFE）拓扑。AFE整流器可以在单位功率因数下运行，总谐波失真（THD）低于5%。
几十年来，交流-直流耦合电解槽中占主导地位的拓扑结构是基于晶闸管的12脉冲或24脉冲系统。这些架构的主要优点是坚固性、高效率和高电流密度。晶闸管整流器在功率超过1 MW的高功率应用中尤为有用。即使是功率超过50 MW的高功率系统配置，也可以通过高功率晶闸管和二极管盘阵列有效实现。基于晶闸管的设计已经在实际应用中运行了几十年，其中使用的压装式（Press-Pack）器件具有卓越的功率和热性能。在一些工业电解槽中，通过整流器的电流范围可达 1.5 kA 至 2.0 kA。针对这些高功率系统，Littelfuse 和英飞凌均提供了集成的电源解决方案，包括电源堆栈、电源模块和电源盘。Littelfuse 提供了 N1718NC200 相控晶闸管胶囊，用于高达 2.0 kA 的应用。对于高压电解槽，英飞凌提供了适用于各种拓扑结构的元器件选择。包括使用其 TRENCHSTOP™ 7 IGBT 技术和/或 CoolSiC™ 碳化硅 (SiC) MOSFET 的 AFE 整流器，功率水平低至 100 kW 以下，以及基于 IGBT 的 PrimePACK™ 模块，功率最高 5 MW。晶闸管与 IGBT：优劣对比效率：IGBT 系统的能源效率高于晶闸管整流器。在绿色氢气电解中，最大化效率至关重要，IGBT 可以在电力转换过程中最大程度地减少能量损失。电流和电压处理能力：晶闸管整流器更适合大规模的氢气电解槽工厂，因为它们能够处理更高的电流和电压。尽管 IGBT 的效率更高，但晶闸管在处理高功率方面表现优异，非常适用于大型制氢系统。控制与精度：IGBT 提供比晶闸管更高的功率控制能力和精度。IGBT 系统在电压和电流的控制方面更灵活，确保氢电解设备运行平稳且高效。安装与维护：IGBT 系统通常比晶闸管整流器更小，更易于安装。而晶闸管具有优异的耐用性，维护需求较少，使其成为大型工业制氢工厂的经济高效的选择。基于 IGBT 和晶闸管整流器的拓扑在优化绿色氢电解系统的效率和性能方面各有贡献。了解每种技术的优势有助于制造商根据制氢需求选择正确的解决方案。直流-直流耦合系统：宽带隙创新在由太阳能和/或电池供电的直流-直流耦合系统中，水解装置中常用的电力转换拓扑包括：元器件创新也在助力设备制造商满足市场对更高效率、更高可靠性以及更低系统成本的需求。例如，英飞凌推出了全新的 CoolSiC FET 系列，使制造商能够利用 SiC MOSFET 的卓越电气和热性能。这些器件的击穿电压额定值高达 2,000 V。
IMYH200RxxxM1H MOSFET 采用 HCC 封装， 具有14 mm 的爬电距离和 5.5 mm 的电气间隙，导通电阻低至 12 mΩ。在电解应用中，使用这些 MOSFET 带来了以下优势：
低导通和开关损耗
低反向恢复损耗
卓越的热性能
稳健的体二极管，支持硬换向
虽然这些分立器件适用于 10 kW 至 100 kW 的电解槽，但对于 1 MW 及以上的高功率应用，还可以选择集成模块。英飞凌通过最新的 IGBT7 系列扩展了其 PrimePACK 3+ 模块的能力，该系列的器件具有高达 2,300 V 的击穿电压额定值。
IGBT7 器件支持超温操作，并在 247 mm x 89 mm x 38 mm的紧凑尺寸中提供极高的电流密度。例如，FF2400R12IP7 PrimePACK 模块在交错降压转换器中支持高达 2.4 kA 的电流和 1,200 V 的电压。
在双有源桥拓扑中，英飞凌解决方案包括采用 XHP 封装的 FF2000XTR33T2M1 SiC MOSFET 模块，支持 3.3 kV 操作且导通电阻仅为 2 mΩ，而 FF1800R23IE7 IGBT7 模块提供 2.3 kV/1.8 kA 额定值。
功率元器件的创新助力氢市场增长
美国能源部（DoE）设定的积极的氢气成本降低目标反映了制氢在固定电源、便携式电源和运输等应用中采用氢能和燃料电池技术的关键推动作用。
实现“1:1:1”目标，即在1个十年内将氢气的成本降低至1千克 1 美元，将依赖于电解过程中的技术进步，以及扩大部署以实现规模经济。
功率元器件效率的持续提升，以及产品和封装选择的不断扩大，将为电解槽工厂的电力设备制造商提供更大的空间来创造价值，并加速这一新型燃料的发展。
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富昌电子成立于 1968 年，是全球知名的电子元器件授权代理商。富昌电子提供屡获殊荣的客户服务、全球供应链计划和先进的工程设计能力，使公司成为行业优选的战略合作伙伴。
富昌电子总部位于加拿大蒙特利尔，在全球 44 个国家拥有 159 个办事处和 5,000 多名员工。凭借全球覆盖能力，富昌电子能够提供出色的服务和高效、完善的全球供应链解决方案。富昌电子依托全球一体化信息平台，使客户能够实时查询库存情况，并在全球范围内提供整合的运营、销售和市场营销服务。2024年，富昌电子被文晔科技收购，目前在蒙特利尔和台北设有双总部。
来源：小橘喵科技