用于开发绿色氢系统的功率半导体解决方案

从环境和气候的角度来看，我们的星球都处于危险之中。清洁能源的生产，尤其是基于绿色氢的能源，正在推动许多公司和行业对旨在保护气候和自然资源的氢相关研究进行投资。温室气体减排将比以往更加严格，希望到2050年消除排放。

从水中提取氢气

氢是元素周期表的第一个元素。它不能从头开始创造，但可以从水中获得。有多种提取氢气的方法。有些比其他造成更多的污染。通常，氢气在同一制造过程中生产和消耗，无需分离。通过电解，可以通过分解从水中提取氢气。这个过程使我们能够获得：

最简单的方法之一是向水溶液施加电流。在此过程中，氢会积聚在其中一个电极上。收集和储存化学元素以及废物处理是该过程中最复杂的阶段。

氢是地球的未来

世界正面临着最重要的挑战之一：在三年内实现温室气体零排放。解决这些挑战的最有前途的技术之一是绿色氢。它将使清洁移动成为可能，并有助于减少 CO 2以多种方式排放，前提是生产、储存、运输和使用得到最好的保证。英飞凌的功率半导体承诺为绿色氢的生产和消费提供高效的解决方案，并为未来的能源系统提供合适的潜力。使用清洁能源显然取决于取得的科学进步，但更取决于政府的政治决策。预计的温室气体减排百分比逐年增加，这表明如果不采取激烈的决定，很容易达到临界点。因此，新兴应用将氢视为主要能源。半导体制造显然必须遵循这一发展渠道，例如，对于清洁物联网系统。可以使用不同类型的氢气：

由化石资源生产的灰氢涉及CO 2的排放，当然必须绝对避免这种可能性。

蓝氢是利用核碳捕获和封存技术从化石资源中生产出来的。

绿色氢完全由可再生能源生产，如水力发电、太阳能和风能。

氢的应用领域很多，从能量存储到燃料存储。由于其清洁性质，它还可以在许多领域替代化石燃料。仅生产氢气显然是不够的。可再生能源的兴起需要足够的大规模储能。预计制氢成本也极低，至少在最初阶段为 1 美元/公斤。氢将是任何部门减少排放的关键。它在生产和分销链中的作用将包括一个高效的系统，包括：

采用清洁和无污染技术生产和生产，采用交流和直流电解工艺进行

中长期储能实现高效传输

消费，显着降低成本

此外，由于生产了新的半导体功率器件，可以毫无问题地管理 1 kW 至 50 MW 甚至更多的功率。绿色氢在运输、工业生产或高温加热方面具有非常重要的用途。绿色氢的生产（参见图 1 中的框图）需要电解过程所需的结构。交流电需要转换成直流电。紧随其后的是压缩结构、辅助系统和控制，显然由电子通信和安全支持系统管理。

图 1：制氢框图（来源：英飞凌）

氢电解用晶闸管

如今，旨在拉直大电流的系统处于最前沿。晶闸管和 IGBT 可以管理大量能量，但最有趣的是通过尝试降低传导损耗来最大化功率密度。冷却系统也是晶闸管的关键点，晶闸管也可以通过系统中通常存在的熔断器进行保护。用于绿色制氢的交流耦合晶闸管（见图 2）具有许多优点：

电路不那么复杂。

最终系统比带有 IGBT 的系统便宜。

它们比 IGBT 更坚固。

如前所述，可以使用熔断器来实现保护。

当电压过零时，它们会自动关闭。

以低传导损耗获得最大功率密度。

图 2：使用晶闸管使电路不那么复杂

在原理图中，在左上角，您可以看到大电流整流器，在右上角，您可以看到产生氢气的电解槽。所使用的电路是用于大电流应用（当前高达 20 MW 及以上）的典型晶闸管整流器和带有 IGBT DC/DC 转换器的二极管整流器。对于晶闸管，直流线路上可能存在一些由电解槽引起的谐波。它们不影响电解槽的输出功率，以 111 mm 至 150 mm 的圆盘为代表，或者可以组合成一个堆叠。后者包含连接、晶闸管和冷却盘，并构成一个可立即组装的系统。使用 IGBT，谐波减少但损耗更高。根据最终需求，可以选择两个系统之一来适当地调节将通过电解槽的电流量。使用晶闸管，可以更轻松地进行这种调整。

不同型号的大量功率

英飞凌的 Power Block 模块有不同的种类，具体取决于所需的功率等级。最小的型号为 50 mm 和 60 mm，可与二极管或晶闸管整流器一起使用。150 毫米圆盘装置可用于几兆瓦的更高功率。最常见的型号是 111 毫米、100 毫米和 75 毫米型号。对于普通电堆，它们配备了液体冷却，以便可以提供全功率。某些型号还可以在高达 3.6 kV 的电压下工作。

现在让我们来看看氢燃料电池电动汽车。它由电池系统和燃料电池组成。为了更好地了解系统的工作原理，请想象电池已耗尽，或者用户正在使用带有交流或直流充电电路的电缆从电网获取能量。当电池充满时，电缆断开，电池可以为逆变器供电，逆变器又为电机供电。燃料电池有几种可能性：

可以使用非常小的电池（1-2 kWh）并且不需要充电系统。电池主要用作缓冲器，主要能量来自燃料电池，燃料电池将为逆变器供电。

可以使用更大的电池（10-20 kWh），续航里程超过 5,000 公里。在这种情况下，需要一个充电系统。

最重要的单元是燃料电池系统（见图 4），氢气在其中通过。从系统流出的空气被压缩并送到燃料电池。然后施加电压。转换器必须设计成高效的。反应结束后，必须将气体排放到大气中。在这个阶段，控制燃料电池温度的热管理很重要。整个系统由五个子系统组成：

AF子系统

氢子系统

质子交换膜子系统

排气子系统

热管理子系统

在第一个子系统中，过滤器的存在对于消除空气中可能毒害质子交换膜的气味至关重要。在此阶段，必须连续测量压力、温度和空气流量。此外，由于压缩会提高温度，因此需要冷却器和加湿器来为质子交换膜获得合适的温度和湿度水平。

图 4：燃料电池运行框图

第二个子系统包括一个氢气分配器，通过一个非常安全的连接。流量的恒定测量避免了损失。氢气被冷却到约 –40˚C 的温度，以在罐中达到高密度。然后它通过压力调节器并到达高速注射器，这将允许材料再循环。必须避免在排气中释放氢气。在第三个子系统中，电压是连续控制的。第四个子系统，即排气子系统，涉及来自空气系统的气流，其中含有大量水蒸气。复杂的系统以极其安静的方式运行。第五个子系统专用于热管理。它控制和调节水温，并在温度非常低时防止结冰。

结论

绿色氢当然可以成为解决气候危机的解决方案之一，并且有很多公司正在朝这个方向进行研究。最大的挑战集中在绿色氢的生产、储存、运输和使用上，许多制造商正在提供广泛的电子产品和组件组合，用于构建电子系统以生产和消耗清洁能源。

审核编辑：郭婷