सिलिकॉन की तुलना में सिलिकॉन कार्बाइड के क्या फायदे हैं?

वर्णन करें

बिजली सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) और गैलियम नाइट्राइड (GaN) जैसी वाइड बैंडगैप (WBG) सामग्रियों की ओर विकसित हो रही है। हालाँकि सिलिकॉन अभी भी बाजार पर हावी है, SiC और GaN डिवाइस जल्द ही अधिक कुशल तकनीकी समाधानों की एक नई पीढ़ी को जन्म देंगे।फ़्रांस में मुख्यालय वाले बाज़ार अनुसंधान संगठन, योल डे के अनुसार; वेलोपेमेंट का अनुमान है कि 2025 तक, SiC उपकरणों का राजस्व कुल बिजली इलेक्ट्रॉनिक्स बाजार का 10% से अधिक होगा, और GaN उपकरणों का राजस्व 2% से अधिक होगा।SiC घटकों के प्रसिद्ध आपूर्तिकर्ताओं में stmicroelectronics (ST), क्री/वुल्फस्पीड, रोमा, Infineon, ऑन सेमीकंडक्टर और मित्सुबिशी इलेक्ट्रिक शामिल हैं।क्री ने पहला वाणिज्यिक 900V SiC पावर MOSFET और वोल्फस्पीड 650V SiC MOSFET पोर्टफोलियो पेश किया; माइक्रोचिप और ROHM दोनों ने SiC MOSFET और डायोड जारी किए हैं; फीलिंग ने आठ 650V कूलसिक एमओएसएफईटी डिवाइस पेश किए हैं। . .。 . इससे यह देखा जा सकता है कि सभी प्रमुख निर्माताओं के पास SiC सामग्रियों में अपनी स्वयं की लेआउट और विकास रणनीतियाँ हैं।सिलिकॉन की तुलना में सिलिकॉन कार्बाइड का प्रदर्शन लाभ क्या है?अधिकांश इलेक्ट्रॉनिक अनुप्रयोगों में सिलिकॉन लंबे समय से प्रमुख अर्धचालक पदार्थ रहा है, लेकिन SiC की तुलना में यह अक्षम है। आजकल, उच्च दक्षता और उच्च शक्ति वाले उपकरणों को विकसित करने की ऊर्जा और लागत चुनौतियों का सामना करने के लिए कई अनुप्रयोगों, विशेष रूप से इलेक्ट्रिक वाहनों द्वारा SiC को अपनाया गया है।SiC शुद्ध सिलिकॉन और कार्बन से बना है। सिलिकॉन की तुलना में, SiC के तीन फायदे हैं: उच्च महत्वपूर्ण हिमस्खलन ब्रेकडाउन क्षेत्र की ताकत, उच्च तापीय चालकता और व्यापक बैंड गैप।SiC में 3 इलेक्ट्रॉन वोल्ट (eV) का एक विस्तृत बैंड गैप है, और हिमस्खलन टूटने के बिना सिलिकॉन की तुलना में 8 गुना बड़े वोल्टेज ग्रेडिएंट का सामना कर सकता है। बैंड गैप जितना चौड़ा होगा, उच्च तापमान पर लीकेज करंट उतना ही कम होगा और दक्षता उतनी ही अधिक होगी। तापीय चालकता जितनी अधिक होगी, धारा घनत्व उतना ही अधिक होगा।

चित्र 1: सिलिकॉन की तुलना में सिलिकॉन कार्बाइड के प्रदर्शन लाभ

SiC सब्सट्रेट में उच्च विद्युत क्षेत्र की ताकत होती है, इसलिए एक पतली आधार संरचना का उपयोग किया जा सकता है, और इसकी मोटाई सिलिकॉन एपिटैक्सियल परत का केवल दसवां हिस्सा हो सकती है। इसके अलावा, SiC की डोपिंग सांद्रता सिलिकॉन की तुलना में 2 गुना अधिक है, इसलिए डिवाइस की सतह का प्रतिरोध कम हो जाता है, और चालन हानि भी काफी कम हो जाती है।SiC को एक ऐसी तकनीक के रूप में मान्यता दी गई है जो विश्वसनीय रूप से सिलिकॉन की जगह ले सकती है। पावर मॉड्यूल और पावर इनवर्टर के कई निर्माताओं ने अपने भविष्य के उत्पाद रोडमैप में SiC तकनीक का उपयोग करने की योजना बनाई है।यह वाइड बैंड गैप तकनीक विशिष्ट भार के तहत स्विचिंग हानि और चालन हानि को काफी कम करती है, गर्मी अपव्यय प्रबंधन में सुधार करती है, और अभूतपूर्व ऊर्जा दक्षता प्रदान करती है। पावर इलेक्ट्रॉनिक प्रणाली में, गर्मी अपव्यय डिजाइन बहुत महत्वपूर्ण है, जो उच्च ऊर्जा घनत्व सुनिश्चित कर सकता है और सर्किट आकार को कम कर सकता है। इन अनुप्रयोगों में, SiC एक आदर्श अर्धचालक सामग्री है क्योंकि इसकी तापीय चालकता सिलिकॉन अर्धचालक की तीन गुना है।SiC तकनीक मोटर, ड्राइवर और इनवर्टर जैसी उच्च शक्ति वाली परियोजनाओं के लिए उपयुक्त है। इलेक्ट्रिक ड्राइवर निर्माता उच्च स्विचिंग आवृत्ति के लिए कनवर्टर की मांग को पूरा करने के लिए नए ड्राइविंग सर्किट विकसित कर रहे हैं, और विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप (ईएमआई) को कम करने के लिए अधिक जटिल और सरल टोपोलॉजी अपना रहे हैं।SiC उपकरणों को कम बाहरी घटकों, अधिक विश्वसनीय सिस्टम लेआउट और कम विनिर्माण लागत की आवश्यकता होती है। उच्च दक्षता, छोटे समग्र आकार और हल्के वजन के साथ, बुद्धिमान डिजाइन की शीतलन आवश्यकताएं तदनुसार कम हो जाती हैं।सिलिकॉन कार्बाइड का अनुप्रयोग

इलेक्ट्रिक कार/हाइब्रिड कार

कई ऑटोमोबाइल निर्माताओं ने नई शक्ति अवधारणाओं का उपयोग करके बाजार में हाइब्रिड और इलेक्ट्रिक वाहनों को पेश करने का बीड़ा उठाया है। इन वाहनों में नए उपकरण और सिस्टम शामिल हैं, जैसे इंजनों को पावर देने के लिए फ़्रीक्वेंसी कन्वर्टर (300kW तक), 3.6kW से 22kW वाहन बैटरी चार्जर, 3.6 किलोवाट से 22kW इंडक्शन चार्जर (वायरलेस चार्जिंग), 5kW तक DC/DC कन्वर्टर और इनवर्टर। एयर कंडीशनर और पावर स्टीयरिंग सिस्टम जैसे सहायक भार के लिए।हाई-वोल्टेज बैटरी हाइब्रिड और इलेक्ट्रिक वाहनों के विकास में मुख्य बाधाओं में से एक है। SiC का उपयोग करके, ऑटोमोबाइल निर्माता बैटरी के आकार और इलेक्ट्रिक वाहनों की कुल लागत को कम कर सकते हैं।इसके अलावा, क्योंकि SiC में गर्मी अपव्यय प्रदर्शन अच्छा है, निर्माता कूलिंग पावरट्रेन उपकरणों की लागत को भी कम कर सकते हैं। इससे इलेक्ट्रिक वाहनों के वजन और लागत को कम करने में मदद मिलती है।इलेक्ट्रिक वाहन/हाइब्रिड वाहन भी एंसन सेमीकंडक्टर के SiC रणनीतिक प्रमुख बाजारों में से एक है। हाल ही में आयोजित "एंसन सेमीकंडक्टर सिलिकॉन कार्बाइड रणनीति और योजना" की ऑनलाइन मीडिया एक्सचेंज बैठक में, कंपनी के बिजली आपूर्ति योजना विभाग के उत्पाद विपणन प्रबंधक वांग लिमिन ने कहा,इलेक्ट्रिक वाहन सिलिकॉन कार्बाइड की मुख्य प्रेरक शक्तियों में से एक है, जो कुल सिलिकॉन कार्बाइड बाजार क्षमता का लगभग 60% हिस्सा है। मुख्य ड्राइव, ओबीसी और डीसी-डीसी में उपयोग किए जाने वाले सिलिकॉन कार्बाइड उपकरण दक्षता में काफी सुधार कर सकते हैं, इसलिए यह इलेक्ट्रिक वाहनों की सहनशक्ति को बढ़ा सकते हैं। इन फायदों के आधार पर, वर्तमान में, मुख्य ड्राइव इन्वर्टर के लगभग सभी निर्माता सिलिकॉन कार्बाइड को मुख्य ड्राइव दिशा के रूप में लेते हैं।

चित्र 2: इलेक्ट्रिक वाहन सिलिकॉन कार्बाइड की मुख्य प्रेरक शक्तियों में से एक है।

वाहन चार्जर में विभिन्न विद्युत रूपांतरण उपकरण होते हैं, जैसे डायोड और MOSFET। इसका लक्ष्य छोटे आकार के निष्क्रिय घटकों का उपयोग करके पावर इलेक्ट्रॉनिक सर्किट की मात्रा को छोटा करना है, ताकि उन सभी को एक साथ एकीकृत किया जा सके।यह लक्ष्य प्राप्त किया जा सकता है यदि उपयोग किए जाने वाले अर्धचालक उपकरणों को उच्च स्विचिंग आवृत्ति के साथ एक ही सर्किट में नियंत्रित किया जा सकता है। हालांकि, सिलिकॉन के खराब ताप अपव्यय प्रदर्शन के कारण, उच्च स्विचिंग आवृत्ति समाधान उपयुक्त नहीं है। SiC MOSFET ऐसे अनुप्रयोगों के लिए एक आदर्श समाधान प्रदान करता है।वर्तमान में, अधिकांश ओबीसी और डीसी-डीसी निर्माता सिलिकॉन कार्बाइड उपकरणों का उपयोग उच्च दक्षता, उच्च वोल्टेज और उच्च आवृत्ति बिजली उपकरणों के रूप में करते हैं।उदाहरण के लिए, वांग लिमिन,कैलिफ़ोर्निया ने 5 तक सड़क पर 2030 लाख इलेक्ट्रिक वाहनों के लक्ष्य को प्राप्त करने के लिए एक कार्यकारी आदेश पर हस्ताक्षर किए हैं;यूरोप में ईंधन वाहनों को बदलने के लिए सभी इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए एक समय सारिणी भी है;चीन के प्रमुख प्रथम श्रेणी के शहरों में, इलेक्ट्रिक वाहनों को मुफ्त में लाइसेंस दिया जा सकता है।इन सभी नीतियों ने इलेक्ट्रिक वाहनों की पर्याप्त वृद्धि को बढ़ावा दिया है, और उच्च वोल्टेज, उच्च आवृत्ति और उच्च दक्षता वाले उपकरणों के लिए इलेक्ट्रिक वाहनों की मांग ने सिलिकॉन कार्बाइड बाजार की पर्याप्त वृद्धि को भी बढ़ावा दिया है।5जी बिजली आपूर्ति और स्विचिंग बिजली आपूर्ति5जी बिजली आपूर्ति और स्विचिंग बिजली आपूर्ति (एसएमपीएस) क्षेत्र एन्सन सेमीकंडक्टर के लिए सिलिकॉन कार्बाइड का दूसरा रणनीतिक बाजार है।पारंपरिक स्विचिंग बिजली आपूर्ति क्षेत्र बूस्ट और हाई-वोल्टेज बिजली आपूर्ति है, जिसमें बिजली घनत्व के लिए हमेशा उच्च आवश्यकताएं रही हैं। संचार बिजली आपूर्ति के शुरुआती स्वर्ण मानक और चांदी मानक से लेकर वर्तमान 5जी संचार बिजली आपूर्ति और क्लाउड डेटा सेंटर बिजली आपूर्ति तक, इन सभी में उच्च ऊर्जा दक्षता की उच्च आवश्यकताएं हैं।"सिलिकॉन कार्बाइड उपकरणों में कोई रिवर्स रिकवरी नहीं होती है, जो बिजली आपूर्ति को ऊर्जा कुशल बनाती है, जो 98% तक पहुंच सकती है। और 5G बिजली आपूर्ति वर्तमान में सिलिकॉन कार्बाइड उपकरणों का सबसे पारंपरिक और अपेक्षाकृत बड़ा बाजार है। " वांग लिमिन ने कहा।

चित्र 3: सिलिकॉन कार्बाइड का उपयोग 5G बिजली आपूर्ति और स्विचिंग बिजली आपूर्ति में किया जा सकता है।

इलेक्ट्रिक वाहन चार्जिंग ढेरसिलिकॉन कार्बाइड के लिए इलेक्ट्रिक वाहन चार्जिंग पाइल भी हमारे रणनीतिक बाजारों में से एक है। पाइल्स को चार्ज करने के लिए कई योजनाएं हैं, और अब उपभोक्ता डीसी फास्ट चार्जिंग में सबसे अधिक रुचि रखते हैं।तेज़ डीसी चार्जिंग वाले चार्जिंग पाइल को बहुत बड़ी चार्जिंग शक्ति और बहुत उच्च चार्जिंग दक्षता की आवश्यकता होती है, इन सभी को उच्च वोल्टेज द्वारा महसूस किया जाना चाहिए।इलेक्ट्रिक वाहन चार्जिंग पाइल के अनुप्रयोग में, चाहे सिलिकॉन कार्बाइड बूस्ट या आउटपुट डायोड में हो, मुख्य स्विच का उपयोग करके सिलिकॉन कार्बाइड MOSFET की कई चार्जिंग पाइल योजनाएं हैं, और उनके अनुप्रयोग की संभावनाएं बहुत व्यापक हैं।

चित्र 4: इलेक्ट्रिक वाहन चार्जिंग पाइल भी सिलिकॉन कार्बाइड का एक अनुप्रयोग क्षेत्र है।

सोलर इन्वर्टर

सौर इन्वर्टर के क्षेत्र में, सिलिकॉन कार्बाइड डायोड का उपयोग भी बहुत बड़ा है। सौर इनवर्टर की स्थापना हर साल बढ़ती जा रही है, और अनुमान है कि अगले 15-1 वर्षों में 10% ऊर्जा (वर्तमान में 15%) सौर ऊर्जा से आएगी। सौर ऊर्जा मुफ़्त और अक्षय है। घरेलू नीतियां पेश की गई हैं, और व्यक्ति राज्य ग्रिड को सौर ऊर्जा बेच सकते हैं।"सिलिकॉन कार्बाइड सेमीकंडक्टर को सोलर इन्वर्टर को बढ़ावा देने के लिए लगाया जा सकता है। सौर इन्वर्टर लागत के अनुकूलन के साथ, कई निर्माता मूल तीन-स्तरीय (इन्वर्टर) नियंत्रण जटिल सर्किट को बदलने के लिए मुख्य इन्वर्टर डिवाइस के रूप में सिलिकॉन कार्बाइड MOSFET का उपयोग करेंगे। वांग लिमिन ने कहा, "नीति संचालन के संदर्भ में, यूरोपीय संघ का लक्ष्य 20-20-20 है, यानी 2020 तक, ऊर्जा दक्षता 20% बढ़ जाएगी, कार्बन डाइऑक्साइड उत्सर्जन 20% कम हो जाएगा, और नवीकरणीय ऊर्जा 20% तक पहुंच जाएगा. एनईए ने 20 तक चीन की 2030% ऊर्जा मांग को पूरा करने के लिए स्वच्छ ऊर्जा लक्ष्य भी निर्धारित किया है।

चित्र 5: सोलर इन्वर्टर में सिलिकॉन कार्बाइड का अनुप्रयोग

टैग

दीर्घकालिक विश्वसनीयता SiC MOSFET का प्रतीक बन गई है। अर्धचालक निर्माताओं का अगला कार्य मल्टी-चिप पावर मॉड्यूल या हाइब्रिड मॉड्यूल विकसित करना है, जिसमें पारंपरिक सिलिकॉन ट्रांजिस्टर और SiC डायोड को एक ही भौतिक उपकरण पर एकीकृत किया जाएगा। उच्च ब्रेकडाउन वोल्टेज के साथ, ये मॉड्यूल उच्च तापमान पर काम कर सकते हैं। वे उपकरण के आकार को और कम करते हुए उच्च दक्षता भी प्रदान कर सकते हैं।वर्तमान बाजार मूल्य के दृष्टिकोण से, SiC MOSFET को सिलिकॉन IGBT की तुलना में सिस्टम-स्तरीय लाभ प्राप्त है। इसके अलावा, 150 मिमी वेफर निर्माण के व्यापक रूप से अपनाए जाने के साथ, यह उम्मीद की जाती है कि SiC MOSFET की कीमत में गिरावट जारी रहेगी।कुछ निर्माताओं ने 200 मिमी (8-इंच) वेफर्स का उत्पादन शुरू कर दिया है। वेफर आकार में वृद्धि के साथ, प्रति डाई लागत कम हो जाएगी, लेकिन उपज भी कम हो सकती है। इसलिए, निर्माताओं को अपनी प्रक्रियाओं में लगातार सुधार करना चाहिए।हालाँकि, SiC उपकरणों की उच्च विनिर्माण लागत और बड़े पैमाने पर उत्पादन की कमी के कारण, इसका व्यापक रूप से उपयोग करना मुश्किल है। SiC उपकरणों के बड़े पैमाने पर उत्पादन के लिए एक अच्छी तरह से डिज़ाइन की गई मजबूत वास्तुकला और विनिर्माण प्रक्रिया की आवश्यकता होती है। उदाहरण के लिए, वेफर परीक्षण में, परीक्षण किए गए उपकरणों को आकार में छोटा होना और उच्च धारा और वोल्टेज रेंज में काम करना आवश्यक है।एक बार जब ये समस्याएं हल हो जाती हैं, तो OEM डिजाइनर अधिक SiC उपकरणों को अपनाएंगे, अपनी अच्छी विद्युत विशेषताओं का पूरा उपयोग करेंगे, सिस्टम लागत को काफी कम करेंगे और समग्र दक्षता में सुधार करेंगे।

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