电子元件如何助力氢能解决方案？ - Pcim展会

2025PCIM Asia Shanghai — 上海国际电力元件、可再生能源管理展览会暨研讨会将行于9月24日至9月26日在上海新国际博览中心举行，邀您关注今日上海电子展新资讯：

无论是耗电量低于500千瓦的小规模本地生产设施(如路边加氢站)，还是可能消耗20兆瓦以上的大型制氢工厂，电解水制氢的基本原理都是相同的。单个电解槽的工作电压约为1.8-1.9伏(具体取决于温度和用于增强电解液的化学添加剂)，可将水分解为氢气和氧气。电解液中的电流密度最高可达0.5安培/平方厘米，1,000安培的直流电可驱动面积2,000平方厘米的电解槽，每天约产生1公斤气态氢气。

既然这一基础化学过程早已被充分掌握，未来的成本下降和效率提升空间何在?目前电解水制氢成本为每公斤4-7美元(具体取决于电价和电解槽效率)。美国能源部(DoE)制定了雄心勃勃的目标：到2025年将成本降至2美元/公斤，2030年进一步降至1美元/公斤。

要实现这些降本目标，既需要大幅提升电解槽效率，也需通过大规模部署电解工厂实现规模经济。效率提升的重要突破口将来自更高效的电能转换系统，这也促使行业更加关注英飞凌、力特等高压设备核心供应商的技术升级。

电解虽是化学过程，却需要消耗大量电力——既可来自电网，也可通过"交流/直流耦合"系统直连风力发电机，或通过"直流/直流耦合"系统连接光伏电站及储能电池。传统上，为兆瓦级大型电解厂提供电能转换的高压设备市场被ABB、西门子、施耐德电气等巨头垄断。但随着电解工厂需求激增，不仅为这些行业龙头带来新机遇，也为掌握高压电力设备技术的中小企业打开了市场空间。

在高压设备领域，无论是传统厂商还是新兴企业，都需要接受电解厂运营商的四大核心考量：

· 电能质量

· 转换效率

· 运行可靠性

· 综合成本

这为电子元件制造商创造了新机遇——通过提供能帮助设备制造商提升上述任何一项或多项指标的产品，他们正在元件层面掀起新一轮创新浪潮。

交流/直流耦合系统：晶闸管与IGBT之争

在交流/直流耦合系统中，电解厂采用的电源转换系统(图1)主要有两种拓扑结构：基于二极管/晶闸管的整流拓扑，或采用IGBT的有源前端(AFE)拓扑。其中AFE整流器可实现单位功率因数运行，总谐波失真(THD)低于5%。

图1

数十年来，交流/直流耦合电解系统的主流方案一直是基于晶闸管的12脉或24脉系统(图2)。这种架构以坚固耐用、效率出众、电流密度高等优势著称，尤其适合功率超过1兆瓦的高耗能场景。即使是功率超过50兆瓦的超大型系统，通过排列组合大功率晶闸管和二极管也能高效实现。经过数十年实践检验的晶闸管设计配合压接式器件，展现出卓越的功率和散热特性。

图2

对于某些工业电解槽(整流器电流达1.5-2.0千安)，力特和英飞凌都提供集成电源解决方案(电源堆、电源模块、电源盘)。例如力特N1718NC200相控晶闸管胶囊可支持2.0千安应用。英飞凌则为不同拓扑的高压电解槽提供多样化元件选择：在100千瓦以下功率段可采用TRENCHSTOP 7 IGBT技术或CoolSiC MOSFET;最高5兆瓦场景则提供基于IGBT的PrimePACK产品。

晶闸管与IGBT的取舍之道

效率维度：IGBT系统能效更优，这对追求最大效率的绿氢制备尤为重要

电流电压承载：晶闸管整流器更适配大型电解厂，擅长处理高电流电压

控制精度：IGBT提供更精准的功率控制，确保设备平稳高效运行

安装维护：IGBT系统体积更小易于安装，但晶闸管耐久性强维护需求低

两种技术路线在优化绿氢系统效率方面各擅胜场，明智选择取决于具体生产需求。

直流/直流耦合系统：宽禁带创新

在太阳能/电池供电的直流耦合系统中，交错降压和双有源桥(图3)是主流拓扑。英飞凌全新CoolSiC FET系列通过突破性的2,000伏击穿电压，充分发挥碳化硅MOSFET的电气与散热优势。采用14mm/5.5mm爬电/间隙距离的HCC封装，IMYH200RxxxM1H MOSFET导通电阻低至12mΩ，可显著降低导通/开关损耗，提升热性能，并配备强健体二极管应对硬换流。

图3

对于10-100千瓦电解槽，分立器件即可胜任;1兆瓦以上高功率应用则需集成模块。英飞凌最新IGBT7系列将PrimePACK 3+模块能力提升至2,300伏击穿电压。以FF2400R12IP7模块为例，在交错降压转换器中可支持2.4千安电流和1,200伏电压。双有源桥拓扑中，XHP封装的FF2000XTR33T2M1碳化硅模块支持3.3千伏运行，导通电阻仅2mΩ;FF1800R23IE7 IGBT7模块则提供2.3千伏/1.8千安规格。

氢能市场爆发进行时

美国能源部的激进降本目标昭示着氢能技术的战略地位——从固定电源到交通运输，氢能正成为多领域变革的关键推手。实现"十年内1美元/公斤"的1:1:1目标，既需要全产业链技术创新，也依赖规模化部署带来的成本摊薄。

随着电力元件效率持续提升、产品组合日益丰富，电解设备制造商将获得更大创新空间。这场由元件革新驱动的产业升级，正在为氢能新时代按下加速键。中国计划2025年前推广5万辆氢燃料电池汽车，欧盟则瞄准2030年1000万吨绿氢产能，全球氢能项目库在2020-2024年间激增7倍至1,572个，承诺投资额从100亿美元跃升至750亿美元——这些数字昭示着，氢能革命已势不可挡。

    文章来源：浮思特科技

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