그린 수소를 위해 효율적이고 안정적인 DC 전류를 보장하는 방법

그린 수소로의 전환은 온실 가스량의 감축을 약속합니다. 수력 전력, 바람, 태양광 발전과 같은 재생 가능 자원에서 얻는 에너지는 로컬에서 발생하든 또는 전력망을 통해 전송되든 상관없이 물을 전기 분해하기 위해 직류(DC)로 효율적으로 변환되어야 합니다. 낮은 고조파 왜곡, 높은 전류 밀도, 양호한 역률(PF)로 높고 안정적인 DC 레벨을 제공하는 것은 시스템 설계자에게 어려운 과제입니다.

이 기사에서는 그린 수소의 원리에 대해 논의합니다. 그런 다음 Infineon Technologies의 전력 부품을 소개하고 이러한 부품을 사용하여 환경 친화적인 에너지원에서 그린 수소를 생성하는 데 필요한 특성을 갖춘 안정적인 전기 전력 출력으로 변환하는 방법을 보여줍니다.

물의 전기 분해에 의한 수소 생성

수소는 전기 분해 과정을 통해 물과 분리될 수 있습니다. 이 과정에서 부산물로 산소가 생성됩니다. 이 전기 분해 과정에는 높은 수준의 안정된 DC 인가가 필요합니다. 이 과정은 일반적으로 양극 및 음극을 포함하고 전기 화학 반응이 발생하는 전기 분해 셀 또는 전해조에서 발생합니다. 액체 또는 고체 전해질은 전극을 밀봉하고 전극 간에 이온을 전도합니다. 사용되는 프로세스에 따라 반응 속도를 증가시키기 위해 촉매가 필요할 수 있습니다. 셀에는 높은 수준의 안정된 DC 소스 또는 전원 공급 장치에 의해 전력이 공급됩니다(그림 1).

그림 1: 기본 전기 분해 셀은 물의 수소 성분과 산소 성분을 분리합니다. (이미지 출처: Art Pini)

이 셀에는 또한 혼합 중 전극에서 생성되는 수소 및 산소를 방지하기 위해 분리막(이 구성도에는 표시되지 않음)이 포함되어 있습니다.

이 과정에는 높은 수준의 DC가 필요합니다. 에너지 손실이 없는 이상적인 상태에서, 1kg의 수소를 생성하기 위해 충분한 물 분자를 전기 분해하려면 최소 32.9kWh(킬로와트시)의 전기 에너지가 필요합니다. 이는 사용되는 전기 분해 프로세스의 효율성에 따라 달라집니다.

현재 알칼리 전기 분해(AEL), 양성자 교환막(PEM), 고체 산화물 전기 분해의 세 가지 프로세스가 사용되고 있습니다.

가장 인정 받는 전해조는 AEL 전해조로, 금속 전극 사이에 수산화칼륨 같은 알칼리 용액을 사용합니다. 이 전해조는 다른 유형의 전해조에 비해 효율성이 떨어집니다.

PEM 전해조는 귀금속 촉매로 강화된 고체 고분자 전해질을 사용합니다. PEM 전해조는 더 높은 효율성, 더 빠른 응답 시간, 콤팩트한 설계를 특징으로 합니다.

고체 산화물 전해조 셀(SOEC)은 전해질로 고체 세라믹 재료를 사용합니다. 이는 효율성이 높을 수 있지만 높은 작동 온도를 필요로 합니다. 응답 시간은 PEM 전해조에 비해 느립니다.

그림 2에서 이 세 가지 기술의 특징을 비교한 내용을 볼 수 있습니다.

그림 2: AEL, PEM, SOEC 프로세스의 비교를 통해 새로운 전해조의 효율성 향상을 확인할 수 있습니다. (이미지 출처: Infineon Technologies)

현재는 그린 수소를 생성하려면 화석 연료에서 수소를 생성하는 것보다 비용이 더 많이 듭니다. 이는 전해조 및 전력 시스템을 비롯한 이산 부품의 효율성을 향상시키고 변환 시설의 규모를 확장시키는 방법으로 반전시킬 수 있습니다.

그리드 및 그린 전원을 위한 전력 시스템 구성

현재, 대부분의 수소 발생 시설은 전력망으로 가동됩니다. 전해조의 전원은 라인 변압기에서 공급되는 AC - DC 정류기입니다. 전력망에서 전력이 공급되는 전기 분해 시설은 단위 PF를 달성하고 낮은 고조파 왜곡을 유지하는 등의 모든 그리드 표준 및 코드를 충족해야 합니다. 그린 전원이 수소 분리 프로세스에 통합됨에 따라 다양한 전력 시스템이 필요합니다(그림 3).

그림 3: 전기 분해 시설은 전기 분해 셀을 위해 소스에서 DC로 전력을 변환해야 합니다. (이미지 출처: Infineon Technologies)

전력망과 마찬가지로, 풍력 기반 전원은 AC이며, 이로부터 전기 분해 셀에 전력을 공급하려면 정류기가 AC를 DC로 변환해야 합니다. 태양광 에너지와 하이브리드 소스(배터리 사용)는 DC/DC 컨버터를 기반으로 하여, 전기 분해 셀을 구동하는 DC 레벨을 제어합니다. 전기 분해 셀은 또한 전원에 상관없이 로컬 DC/DC 컨버터를 사용할 수도 있습니다. 전기 분해 셀은 일정한 DC 부하를 나타냅니다. 전해조 셀의 노후화를 고려할 때 셀의 수명에 따라 인가 전압이 증가해야 하므로 전력 변환 시스템(PCS)은 이러한 프로세스를 수용할 수 있어야 합니다. PCS는 AC 소스에 결합되든 DC 소스에 결합되든 관계없이 일부 공통된 사양을 가집니다.

해당 출력 전압은 400V_DC ~ 1,500V_DC의 범위여야 합니다. 알칼리 셀은 약 800V의 최대 전압 범위를 가집니다. PEM 셀은 제한적이지 않으며, 손실을 낮추고 비용을 줄이기 위해 전압 범위의 하이엔드 쪽으로 이동 중입니다. 출력 전력 범위는 20kW(킬로와트) ~ 30MW(메가와트)입니다. PCS의 전류 리플은 5% 미만이어야 하며, 이 사양은 셀의 수명 및 효율성에 대한 효과에 대해 계속 연구되고 있습니다. 전력망 소스, 특히 더 높은 전력 부하를 위한 PCS 정류기 설계는 전력 회사의 대규모 부하 및 PF 요구 사항을 충족해야 합니다.

AC 소스를 위한 전력 변환

AC 전력 구동의 수소 시설에는 전기 분해 셀을 직접 구동하거나 여러 셀에 연결된 DC 그리드를 구동할 수 있는 정류기가 필요합니다.

일반적으로 다중 펄스 정류기가 사용됩니다(그림 4). 사이리스터 기반의 이 정류기 설계는 높은 효율, 높은 신뢰성 및 높은 전류 밀도를 지원하고 낮은 비용의 반도체를 사용합니다.

그림 4: 사이리스터를 기반으로 하는 다중 펄스 정류기는 높은 효율, 높은 신뢰성 및 높은 전류 밀도를 지원하고 낮은 비용의 반도체를 사용합니다. 이 그림에는 12펄스 구현이 표시되어 있습니다. (이미지 출처: Infineon Technologies)

사이리스터 기반의 다중 펄스 컨버터는 잘 알려져 있고 널리 인정 받은 기술입니다. 그림 4에 표시된 12펄스 사이리스터 정류기는 와이-델타-와이 상용주파 변압기와 두 개의 저전압 2차 권선으로 구성되어 있습니다. 2차 권선은 병렬로 연결된 출력을 통해 두 개의 6펄스 사이리스터 정류기를 구동합니다. 이 정류기가 전해조를 직접 구동하는 경우 사이리스터 발사 각도에 따라 출력 전압 및 전해조로 흐르는 전류가 제어됩니다. 발사 각도는 또한 전해조 셀이 노화되고 셀 스택에 필요한 전압이 증가됨에 따라 시스템에서 전류를 유지하는 데에도 사용할 수 있습니다. 변압기에는 OLTC(부하 시 탭 전환장치)가 포함되어 있을 수 있습니다. OLTC는 권선 중 하나의 다중 액세스 점 또는 탭 간을 전환하는 방식으로 변압기 권수비를 변경하여 정류기에 공급되는 전압을 올리거나 낮춥니다.

Infineon Technologies는 PCS 설계자에게 다양한 반도체 부품 옵션을 제공합니다. 사이리스터 정류기는 이러한 AC 소스 응용 분야에 일반적으로 사용됩니다. 예를 들어, T3800N18TOFVTXPSA1은 1800V(5970A_rms 온스테이트 전류 기준)를 처리하도록 정격화된 섀시 실장 TO-200AE 디스크 패키지의 이산 사이리스터입니다. 디스크 패키지는 양면 냉각 설계 덕분에 향상된 전력 밀도를 제공합니다.

기본 정류기 설계는 정류기 출력에 정류 후 초퍼로 벅 컨버터를 추가하여 개선할 수 있습니다. 초퍼 단계를 추가하면 사이리스터의 발사 각도 대신 초퍼의 듀티 사이클을 조정하여 프로세스 제어가 개선됩니다(그림 5). 이렇게 하면 사이리스터에 필요한 동적 범위가 줄어들어 프로세스를 최적화할 수 있습니다.

그림 5: 정류 후 초퍼는 전류 왜곡을 줄이고 PF를 향상시킵니다. (이미지 출처: Infineon Technologies)

IGBT(절연 게이트 양극 트랜지스터)를 사용하여 정류 후 초퍼를 적용하면 OLTC 변압기를 사용할 필요가 없고 전류 왜곡이 감소되며 PF가 향상됩니다.

Infineon Technologies의 FD450R12KE4PHOSA1은 이러한 응용 분야를 위해 고안된 IGBT 초퍼 모듈입니다. 이 장치는 1200V의 최대 전압 및 450A의 최대 콜렉터 전류에 대해 정격화되었으며 표준 62mm C 계열 모듈로 제공됩니다.

고급 정류기 회로에는 IGBT 기반 능동 정류기가 포함되어 있습니다. 능동 정류기는 다이오드 또는 사이리스터를 게이트 구동기를 통해 적절한 시간에 컨트롤러가 켜지고 꺼지는 IGBT로 대체합니다(그림 6).

그림 6: 능동 정류기는 정류기 회로의 다이오드 또는 사이리스터를 게이트 구동기에 의해 스위칭되는 IGBT로 대체합니다 (이미지 출처: Infineon Technologies)

비정현파 라인 전류를 생성하는 기존의 정류기와 달리 능동 정류기는 인덕터가 라인 전류 정현파를 유지하고 고조파를 줄이는 IGBT와 직렬로 연결되어 있습니다. 전도 시 IGBT의 임피던스가 매우 낮아 표준 정류기와 비교하여 전도 손실이 감소하고 효율성이 개선됩니다. 능동 정류기 컨트롤러는 단위 PF를 유지하므로 외부 PFC(역률 보정) 장치가 필요하지 않습니다. 또한 더 높은 스위칭 주파수에서 작동하므로 수동 부품 및 필터의 크기를 더 줄일 수 있습니다.

FF1700XTR17IE5DBPSA1은 PrimePACK 3+ 모듈식 패키지에 하프 브리지 구성의 이중 IGBT를 결합합니다. 이 장치는 1700A의 최대 콜렉터 전류에서 1700V를 처리하도록 정격화되었습니다. 그림 6에 표시된 회로에는 이러한 모듈 3개가 사용되었습니다.

1ED3124MU12HXUMA1과 같은 IGBT 게이트 구동기는 단일 IGBT 쌍을 켜고 끕니다. 게이트 구동기는 코어리스 변압기 기술을 사용하여 전기적으로 분리됩니다. 이 장치는 600V ~ 2300V의 전압 범위를 가진 IGBT와 호환되고 별도의 소스 및 싱크 핀에서 14A(통상)의 출력 전류를 제공합니다. 입력 논리 핀은 CMOS 임계값 레벨을 사용하여 3V ~ 15V의 넓은 입력 전압 범위에서 작동하여 3.3V 마이크로 컨트롤러를 지원합니다.

DC 소스를 위한 전력 변환

광발전 에너지 및 배터리 기반 하이브리드 시스템과 같은 DC 전원을 사용하여 수소를 분리하려면 DC/DC 컨버터가 필요합니다. 앞에서 설명한 대로 이러한 컨버터는 다이오드/사이리스터 정류기의 성능을 향상시킬 수 있습니다. 또한 시설의 유연성을 위해 로컬 DC 그리드를 최적화할 수 있습니다.

인터리빙 벅 컨버터는 하프 브리지 초퍼 모듈을 병렬로 사용하여 입력에서 출력으로 DC 레벨을 변경합니다(그림 7).

그림 7: 인터리빙 벅 컨버터는 입력 DC 레벨 V_DC1을 출력 레벨 V_DC2로 줄입니다. (이미지 출처: Infineon Technologies)

적절한 인터리브 제어를 통해 이 DC/DC 컨버터 토폴로지는 인덕터의 크기 또는 스위칭 주파수를 증가시키지 않으면서 DC 리플을 대폭 줄입니다. 구현의 각 단계는 적절한 모듈을 통해 실현할 수 있습니다. FF800R12KE7HPSA1은 벅 토폴로지 DC/DC 컨버터에 적합한 하프 브리지 IGBT 62mm 모듈입니다. 이 장치는 1200V의 최대 전압에 대해 정격화되었으며 800A의 최대 콜렉터 전류를 지원합니다.

DAB(이중 능동 브리지) 컨버터는 벅 컨버터에 대한 대안입니다(그림 8).

그림 8: DAB 컨버터는 전압 강압을 수행하고 입력과 출력 사이에 갈바닉 분리를 제공합니다. (이미지 출처: Infineon Technologies)

DAB 컨버터는 갈바닉 분리를 제공하기 위해 고주파 변압기를 사용하여 입력 및 출력 풀 브리지 회로를 결합합니다. 이러한 분리는 대개 전해질 셀의 탱크 및 전극 부식을 최소화하는 데 도움이 됩니다. 동일한 풀 브리지 회로는 상호 보완적 구형파로 구동됩니다. 1차측과 2차측 간 구동 신호의 위상 조정에 따라 전력 조류의 방향이 결정됩니다. 또한, DAB 컨버터는 IGBT의 제로 볼트 스위칭을 사용하여 스위칭 손실을 최소화합니다. 이 회로는 하프 브리지 IGBT 또는 SiC(실리콘 카바이드) MOSFET 모듈로 제작할 수 있습니다.

결론

전 세계적으로 청정 에너지원에 대한 수요가 계속 증가함에 따라 재생 에너지원을 기반으로 한 친환경 수소 분리의 중요성이 커질 것입니다. 이러한 소스는 효율적이고 신뢰할 수 있으며 고도로 안정적인 DC 전력을 요구합니다. 설계자는 필수 전력 변환 부품을 위해 Infineon Technologies의 광범위한 고전압 및 고전류 반도체 포트폴리오를 사용할 수 있습니다.