傾佳電子Hydrogen Rectifier制氫電源拓?fù)?、技術(shù)演進與SiC功率模塊的顛覆性作用

傾佳電子（Changer Tech）是一家專注于功率半導(dǎo)體和新能源汽車連接器的分銷商。主要服務(wù)于中國工業(yè)電源、電力電子設(shè)備和新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈。傾佳電子聚焦于新能源、交通電動化和數(shù)字化轉(zhuǎn)型三大方向，并提供包括IGBT、SiC MOSFET、GaN等功率半導(dǎo)體器件以及新能源汽車連接器。?

傾佳電子楊茜致力于推動國產(chǎn)SiC碳化硅模塊在電力電子應(yīng)用中全面取代進口IGBT模塊，助力電力電子行業(yè)自主可控和產(chǎn)業(yè)升級！

傾佳電子楊茜咬住SiC碳化硅MOSFET功率器件三個必然，勇立功率半導(dǎo)體器件變革潮頭：

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第一章：緒論——氫能戰(zhàn)略與制氫電源的核心地位

傾佳電子引言：可再生能源制氫的時代背景與制氫電源的核心作用

在全球“雙碳”目標(biāo)的推動下，能源結(jié)構(gòu)向清潔、低碳轉(zhuǎn)型已成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。在這一進程中，氫能，尤其是通過可再生能源電力電解水制取的“綠氫”，因其清潔無碳的特性，被視為未來能源體系的重要組成部分。制氫電源作為整個綠氫生產(chǎn)鏈中的核心設(shè)備，其作用至關(guān)重要，它充當(dāng)著連接電網(wǎng)與電解槽的“橋梁”。制氫電源的性能直接決定了制氫系統(tǒng)的整體轉(zhuǎn)換效率、運行穩(wěn)定性以及經(jīng)濟性。

隨著風(fēng)力、光伏等可再生能源發(fā)電的快速發(fā)展，制氫電源所面臨的運行環(huán)境已從傳統(tǒng)的穩(wěn)定工業(yè)電網(wǎng)，轉(zhuǎn)變?yōu)椴▌有詮?、間歇性明顯的“弱電網(wǎng)”或“離網(wǎng)”場景。這種變化對制氫電源提出了全新的、更為嚴(yán)苛的技術(shù)要求。它不僅需要將交流電或直流電高效轉(zhuǎn)換為電解水所需的大電流直流電，還要具備對電網(wǎng)能量波動的快速適應(yīng)能力，同時確保電能質(zhì)量，以減少對電網(wǎng)的沖擊。因此，制氫電源已從一個簡單的電能轉(zhuǎn)換設(shè)備，演變?yōu)橐粋€集高效功率變換、智能控制和電能質(zhì)量管理于一體的綜合性“電氫接口”。

電解水制氫技術(shù)概述與電源負(fù)載特性

電解水制氫技術(shù)主要包括堿性電解槽（ALK）、質(zhì)子交換膜電解槽（PEM）和固體氧化物電解槽等幾種類型。其中，堿性電解法是一項成熟技術(shù)，工業(yè)應(yīng)用廣泛，但其動態(tài)響應(yīng)速度相對較慢。相比之下，PEM電解水制氫技術(shù)因其反應(yīng)過程無污染、動態(tài)響應(yīng)速度快、高負(fù)載靈活性（運行范圍可達5%~120%）等優(yōu)勢而備受關(guān)注，尤其適用于與波動性強的可再生能源直接耦合的場景。

無論采用何種技術(shù)，電解槽作為制氫電源的負(fù)載，其電氣特性對電源設(shè)計至關(guān)重要。電解槽通常需要大電流、低電壓的直流電才能高效工作。更關(guān)鍵的是，電解槽對直流輸出電壓的紋波非常敏感。過高的電壓紋波不僅會降低電解效率，還可能對電解槽電極造成損害，縮短設(shè)備壽命。PEM電解槽的快速動態(tài)響應(yīng)特性，要求配套的制氫電源必須具備同樣快速的功率調(diào)節(jié)能力，以實時匹配風(fēng)光發(fā)電的功率變化。因此，制氫電源的設(shè)計必須綜合考慮電解槽的負(fù)載特性，以確保高效、穩(wěn)定和長壽命的制氫過程。

第二章：制氫電源拓?fù)涞难葑兣c技術(shù)分析

2.1 傳統(tǒng)制氫電源：以晶閘管（SCR）整流器為代表

制氫電源的發(fā)展歷史悠久，早期的主流方案是以晶閘管（SCR）為核心的整流器。這種技術(shù)在氯堿行業(yè)已有超過40年的成熟應(yīng)用經(jīng)驗，能夠滿足高電壓、大電流的工作環(huán)境。其基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常采用多脈沖整流，如6脈沖或12脈沖整流，通過控制晶閘管的導(dǎo)通相位角來調(diào)節(jié)輸出直流電壓。

盡管技術(shù)成熟，但晶閘管電源存在顯著的局限性。其半控型特性使得輸入電流波形偏離正弦波，導(dǎo)致產(chǎn)生大量高次諧波，即總諧波畸變率（THDi）高。這些諧波不僅污染電網(wǎng)，還可能對相連設(shè)備造成影響，因此通常需要額外加裝諧波補償或抗諧波裝置來滿足電網(wǎng)要求。雖然可以通過增加脈波數(shù)，如采用12脈波甚至96脈波整流來部分改善諧波問題，但這增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本，并不能從根本上解決問題。此外，晶閘管相控的固有特性導(dǎo)致其功率調(diào)節(jié)響應(yīng)速度較慢，通常為秒級，這使其難以快速響應(yīng)風(fēng)光發(fā)電的功率波動。在低負(fù)荷運行條件下，其轉(zhuǎn)換效率也會明顯下降。這些缺點使得晶閘管整流器在需要與可再生能源深度耦合的現(xiàn)代制氫場景中逐漸顯露出劣勢。

2.2 現(xiàn)代制氫電源：基于全控型IGBT的PWM整流器方案

為了克服晶閘管電源的局限性，現(xiàn)代制氫電源技術(shù)已轉(zhuǎn)向基于IGBT（絕緣柵雙極晶體管）的全控型PWM整流器方案，其中以主動前端（AFE）整流器為代表。AFE整流器是一種可控整流器，利用IGBT的全控開關(guān)特性，通過正弦波PWM（脈寬調(diào)制）控制，實現(xiàn)了交流和直流系統(tǒng)間的雙向能量傳輸。

這一方案的核心優(yōu)勢在于其卓越的電網(wǎng)友好性。通過PWM控制，AFE能夠生成接近正弦波的輸入電流，將總諧波畸變率（THDi）控制在3%以下，并且可以實現(xiàn)接近1的功率因數(shù)控制。這極大地減少了對電網(wǎng)的污染，降低了對電網(wǎng)的沖擊，使其能夠更好地適應(yīng)弱并網(wǎng)或純離網(wǎng)的制氫場景。

現(xiàn)代制氫電源普遍采用AC/DC+DC/DC的兩級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中，DC/DC變換器通常采用模塊化、多相交錯并聯(lián)的拓?fù)?，如三相交錯并聯(lián)LLC諧振變換器。這種設(shè)計能夠通過交錯并聯(lián)技術(shù)，有效增大電流輸出能力并大幅降低輸出電流紋波，滿足電解槽大電流、低紋波的工況要求。此外，模塊化設(shè)計使得系統(tǒng)可以方便地進行擴容，以適應(yīng)兆瓦級及以上的大功率電解槽需求。

IGBT方案的綜合優(yōu)勢使其成為可再生能源制氫的主流選擇。其響應(yīng)速度可達到百毫秒級，能夠快速平抑新能源發(fā)電的功率波動，實現(xiàn)“柔性制氫”。在整個功率范圍內(nèi)，其轉(zhuǎn)換效率通常在97%以上，遠(yuǎn)高于晶閘管電源在低負(fù)荷時的效率。這種技術(shù)從根本上改變了制氫電源的角色，使其從被動接受電能的設(shè)備，轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€能夠主動調(diào)節(jié)、與電網(wǎng)深度互動的智能接口，有力支撐了風(fēng)光氫一體化項目的建設(shè)。

表1：制氫電源主流技術(shù)路線對比

第三章：SiC功率模塊的技術(shù)優(yōu)勢與在制氫電源中的作用

3.1 SiC與IGBT/Si-MOSFET的性能對比：深層物理與器件級分析

碳化硅（SiC）是一種寬禁帶半導(dǎo)體材料，其獨特的物理特性賦予了SiC功率器件遠(yuǎn)超傳統(tǒng)硅（Si）基IGBT和MOSFET的性能。這些優(yōu)勢源于其寬禁帶寬度、高臨界電場和高熱導(dǎo)率等材料特性，使其能夠?qū)崿F(xiàn)更高的耐壓、更低的導(dǎo)通電阻和更高的開關(guān)速度。

在導(dǎo)通和開關(guān)損耗方面，SiC MOSFET展現(xiàn)出革命性的優(yōu)勢：

導(dǎo)通損耗：SiC MOSFET的導(dǎo)通電阻(RDS(on)?)非常低，并且其隨溫度的變化趨勢比Si基器件更為平緩。這使得SiC器件在高溫下仍能保持較低的導(dǎo)通損耗，提高系統(tǒng)效率。例如，BMF80R12RA3模塊在 175°C時的RDS(on)?（26.7 mΩ）相對于25°C時（15.0 mΩ）的比值約為1.8。

開關(guān)損耗：SiC MOSFET的開關(guān)速度極快，且沒有IGBT中存在的“拖尾電流”現(xiàn)象。IGBT的拖尾電流導(dǎo)致其在關(guān)斷時有相當(dāng)大的損耗，需要較長的時間才能完全關(guān)斷，而SiC MOSFET則能快速收斂至關(guān)斷狀態(tài)。這種差異使得SiC器件的開關(guān)損耗遠(yuǎn)低于IGBT。例如，東芝的SiC MOSFET替代IGBT后，總損耗降低了約41%。

體二極管反向恢復(fù)：SiC MOSFET的體二極管具有極小的反向恢復(fù)電荷（Qrr?）和反向恢復(fù)能量（Err?）。部分SiC模塊，如BASiC的BMF240R12E2G3，甚至在內(nèi)部集成了SiC肖特基二極管（SBD），這進一步降低了二極管續(xù)流時的管壓降和反向恢復(fù)損耗，顯著提高了模塊的可靠性，并降低了導(dǎo)通電阻（ RDS(on)?）隨使用時間漂移的風(fēng)險。

3.2 SiC模塊在制氫電源中的核心應(yīng)用價值

將SiC功率模塊應(yīng)用于制氫電源，不僅是簡單的器件替換，更是對整個電源系統(tǒng)性能的革命性提升。

提升系統(tǒng)效率：SiC器件的低導(dǎo)通和低開關(guān)損耗直接轉(zhuǎn)化為更高的系統(tǒng)效率。仿真數(shù)據(jù)顯示，在焊機應(yīng)用中，即使將開關(guān)頻率從IGBT時代的20kHz提升到SiC的80kHz，BMF80R12RA3 SiC模塊的總損耗僅為傳統(tǒng)IGBT模塊的一半左右，使整機效率提高了約1.58個百分點。在電機驅(qū)動應(yīng)用中，BMF540R12KA3 SiC模塊在12kHz開關(guān)頻率下，效率高達99.39%，而IGBT模塊在6kHz下的效率僅為97.25%。這種效率提升對于制氫這種電力消耗巨大的應(yīng)用至關(guān)重要，能顯著降低“綠氫”的生產(chǎn)成本。

提高功率密度與減小體積：SiC的低開關(guān)損耗允許系統(tǒng)工作在更高的開關(guān)頻率下。這意味著變壓器、電感和電容等無源器件的尺寸可以大幅減小。最終結(jié)果是，制氫電源的功率密度顯著提高，設(shè)備體積和重量得以減小，為系統(tǒng)設(shè)計帶來更大的靈活性。

改善動態(tài)響應(yīng)速度：SiC器件的快速開關(guān)特性和低損耗使其能夠支持更高的控制帶寬。這使得制氫電源能夠以更高的精度和更快的速度跟蹤可再生能源發(fā)電的功率波動，為實現(xiàn)真正的“柔性制氫”提供了硬件基礎(chǔ)。

優(yōu)化系統(tǒng)可靠性：SiC器件能夠工作在高達175°C的結(jié)溫下，這使得它在惡劣環(huán)境下仍能穩(wěn)定運行。此外，高性能的封裝材料也至關(guān)重要。例如，BASiC的62mm模塊采用了 Si3?N4? AMB陶瓷基板，其在導(dǎo)熱性、抗彎強度和熱膨脹系數(shù)方面表現(xiàn)優(yōu)異。與傳統(tǒng)的 Al2?O3?或AlN基板相比，Si3?N4?在經(jīng)過1000次溫度沖擊試驗后仍能保持良好的接合強度，這對于高功率、高熱循環(huán)的制氫電源具有重要的可靠性保障。

3.3 SiC功率模塊的驅(qū)動與保護：米勒鉗位技術(shù)的必要性

SiC MOSFET的高速開關(guān)特性雖然帶來了性能優(yōu)勢，但也帶來了新的驅(qū)動挑戰(zhàn)，其中最突出的就是米勒效應(yīng)（Miller effect）導(dǎo)致的誤導(dǎo)通風(fēng)險。在半橋或全橋拓?fù)渲?，?dāng)一個開關(guān)管快速開通時，橋臂中點電壓會產(chǎn)生極高的dv/dt。這個

dv/dt會通過關(guān)斷狀態(tài)的對管的柵-漏寄生電容（Cgd?）產(chǎn)生一個米勒電流(Igd?)，其大小與dv/dt成正比。這個米勒電流在流經(jīng)門極關(guān)斷電阻（ Rg(off)?）時，會產(chǎn)生一個電壓，抬升對管的門極電壓。由于SiC MOSFET的門檻電壓（ VGS(th)?）較低，門極電壓的微小抬升就可能使其誤導(dǎo)通，從而造成橋臂直通，導(dǎo)致設(shè)備損壞。

為了解決這一問題，米勒鉗位（Miller Clamp）技術(shù)應(yīng)運而生。驅(qū)動芯片的米勒鉗位功能通過一個專門的引腳（Clamp）連接到SiC MOSFET的門極。當(dāng)SiC MOSFET關(guān)斷期間，其門極電壓下降到預(yù)設(shè)閾值（例如2V）以下時，驅(qū)動芯片內(nèi)部的米勒鉗位開關(guān)（T5）被導(dǎo)通，為米勒電流提供了一條阻抗更低的泄放路徑。這樣，米勒電流不再流經(jīng)高阻抗的 Rg(off)?，而是通過低阻抗的鉗位回路被快速泄放至負(fù)電源軌，從而有效抑制門極電壓的抬升，防止誤導(dǎo)通的發(fā)生。在沒有米勒鉗位的情況下，仿真顯示下管的門極電壓可能被抬升至7.3V，而使用了米勒鉗位功能后，電壓則被鉗制在2V。

這表明，米勒鉗位技術(shù)對于SiC MOSFET的穩(wěn)定可靠運行至關(guān)重要。它不再是一個可有可無的附加功能，而是確保高頻、高功率密度制氫電源系統(tǒng)安全運行的關(guān)鍵。

表2：BASiC SiC MOSFET模塊關(guān)鍵參數(shù)一覽

表3：SiC模塊與IGBT在典型應(yīng)用工況下的性能對比

第四章：制氫電源的關(guān)鍵技術(shù)要求與未來發(fā)展方向

4.1 制氫電源的核心性能指標(biāo)

隨著制氫技術(shù)與可再生能源發(fā)電的深度融合，對制氫電源的核心性能指標(biāo)提出了明確而嚴(yán)格的要求：

高效率與低損耗：效率是制氫成本的關(guān)鍵因素之一。SiC技術(shù)在導(dǎo)通和開關(guān)損耗方面的優(yōu)勢，為制氫電源實現(xiàn)99%甚至更高的效率提供了可能，從而直接降低了電能消耗，提升了“綠氫”的經(jīng)濟競爭力。

低諧波（THDi）與高功率因數(shù)：為滿足并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，減少對電網(wǎng)的污染，制氫電源需要具備卓越的電能質(zhì)量控制能力。全控型PWM整流器配合SiC器件的高速開關(guān)能力，可將THDi控制在3%以內(nèi)，同時實現(xiàn)接近1的功率因數(shù)。

快速動態(tài)響應(yīng)與寬功率調(diào)節(jié)范圍：為了適應(yīng)風(fēng)光發(fā)電的波動性，制氫電源必須具備百毫秒級的快速響應(yīng)能力，并在10%~110%的寬功率范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)，以實現(xiàn)真正的柔性制氫，避免從電網(wǎng)取電，確保制氫過程的綠色純度。

低直流紋波：電解槽作為電化學(xué)負(fù)載，對直流電壓紋波非常敏感。制氫電源需要將直流電壓紋波控制在1%以內(nèi)，以保護電解槽電極，提高制氫效率和設(shè)備壽命。

4.2 技術(shù)融合與趨勢展望

制氫電源的未來技術(shù)路線圖已不再是孤立的，而是與電解槽、可再生能源發(fā)電、電網(wǎng)深度耦合的系統(tǒng)性工程。

與可再生能源的深度融合：制氫電源正在成為“電氫融合”的關(guān)鍵樞紐。通過其快速響應(yīng)和智能控制，可以平抑新能源發(fā)電的出力波動，為新型電力系統(tǒng)提供靈活調(diào)節(jié)能力。

大型化與模塊化：隨著電解槽制氫規(guī)模從MW級向更高功率發(fā)展（15MW甚至20MW），制氫電源的功率也需同步提升。模塊化設(shè)計是實現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵。它不僅能夠通過多模塊并聯(lián)實現(xiàn)柔性擴容，還能提高系統(tǒng)的可靠性和可維護性。

智能化與數(shù)字化：未來的制氫電源將集成先進的控制算法，具備遠(yuǎn)程監(jiān)控、故障診斷和預(yù)測性維護等功能。這種智能化和數(shù)字化將進一步提高系統(tǒng)自動化水平和運維效率。

SiC技術(shù)與制氫電源的深度綁定：SiC技術(shù)是實現(xiàn)上述愿景的底層技術(shù)基石。它通過提供高效率、高功率密度、高可靠性的硬件平臺，為上層的智能控制和多能源融合提供了無限可能。隨著SiC器件國產(chǎn)化率的提升和成本的進一步下降，SiC功率模塊在制氫電源中的應(yīng)用將愈加廣泛，成為推動氫能產(chǎn)業(yè)規(guī)?；l(fā)展的核心動力。

深圳市傾佳電子有限公司（簡稱“傾佳電子”）是聚焦新能源與電力電子變革的核心推動者：
傾佳電子成立于2018年，總部位于深圳福田區(qū)，定位于功率半導(dǎo)體與新能源汽車連接器的專業(yè)分銷商，業(yè)務(wù)聚焦三大方向：
新能源：覆蓋光伏、儲能、充電基礎(chǔ)設(shè)施；
交通電動化：服務(wù)新能源汽車三電系統(tǒng)（電控、電池、電機）及高壓平臺升級；
數(shù)字化轉(zhuǎn)型：支持AI算力電源、數(shù)據(jù)中心等新型電力電子應(yīng)用。
公司以“推動國產(chǎn)SiC替代進口、加速能源低碳轉(zhuǎn)型”為使命，響應(yīng)國家“雙碳”政策（碳達峰、碳中和），致力于降低電力電子系統(tǒng)能耗。
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第五章：傾佳電子結(jié)論與展望

制氫電源的技術(shù)演進是一部從“半控”到“全控”，從“低頻”到“高頻”的變革史。以晶閘管（SCR）為代表的傳統(tǒng)方案，雖然在工業(yè)應(yīng)用中積累了豐富的經(jīng)驗，但其在諧波抑制、動態(tài)響應(yīng)和效率方面的局限性，已無法滿足可再生能源制氫場景的嚴(yán)苛要求。而以IGBT為核心的PWM整流方案，通過實現(xiàn)全控、高頻、低諧波和快速響應(yīng)，成功解決了傳統(tǒng)方案的痛點，成為當(dāng)前的主流技術(shù)路線。

在這一變革浪潮中，碳化硅（SiC）功率模塊正扮演著顛覆性的角色。SiC器件憑借其卓越的物理特性，在導(dǎo)通和開關(guān)損耗、開關(guān)速度、耐高溫等多個維度上全面超越了IGBT。這些優(yōu)勢在制氫電源中轉(zhuǎn)化為實實在在的效益：系統(tǒng)效率顯著提升、功率密度大幅增加、動態(tài)響應(yīng)速度更快，以及整體可靠性得到優(yōu)化。SiC模塊使制氫電源能夠以更高的效率將波動性的可再生能源電力轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電，同時通過提高開關(guān)頻率，大幅減小了設(shè)備的體積和重量，為制氫系統(tǒng)的集成化和大型化提供了可能。

然而，SiC的高速開關(guān)特性也帶來了米勒效應(yīng)等新的設(shè)計挑戰(zhàn)，這要求系統(tǒng)設(shè)計者必須采用米勒鉗位等先進的驅(qū)動和保護技術(shù)，以確保系統(tǒng)在高頻運行時的穩(wěn)定性和可靠性。

展望未來，制氫電源將繼續(xù)沿著高效率、高功率密度、高可靠性、智能化和模塊化的方向發(fā)展。隨著SiC器件的國產(chǎn)化加速和成本下降，其在制氫電源中的滲透率將持續(xù)提升。制氫電源不再僅僅是簡單的電能轉(zhuǎn)換設(shè)備，而將演變?yōu)橐粋€高度集成的智能“電氫接口”，成為連接可再生能源、電網(wǎng)與電解槽的神經(jīng)中樞。這種技術(shù)上的融合與創(chuàng)新，將為氫能產(chǎn)業(yè)的規(guī)模化發(fā)展提供強勁動力，加速全球能源結(jié)構(gòu)的綠色轉(zhuǎn)型。

審核編輯 黃宇