Source: This article comes from John Palmour, chief technical officer of Wolfspeed, Cree.

कई विद्युत प्रणालियाँ सिलिकॉन (Si) से सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) प्रौद्योगिकी की ओर अग्रसर हो रही हैं। यह विद्युत अर्धचालक उद्योग में 1980 के दशक में द्विध्रुवीय अर्धचालकों से इन्सुलेटेड गेट द्विध्रुवीय ट्रांजिस्टरों (IGBTs) में परिवर्तन के बाद से सबसे बड़ा बदलाव होगा। यह परिवर्तन ऐसे समय में हो रहा है जब इससे प्रभावित कई उद्योग व्यापक परिवर्तन के एक असामान्य दौर से गुजर रहे हैं। ऑटोमोबाइल उद्योग से लेकर सौर ऊर्जा तक, सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) के लाभों को नजरअंदाज करना असंभव हो गया है। महत्वपूर्ण परिवर्तनों से गुजरते हुए, सभी प्रमुख कंपनियाँ सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) को अपनी प्रौद्योगिकियों में और अधिक एकीकृत करने के लिए काम कर रही हैं।

ऑटोमोटिव उद्योग अभूतपूर्व परिवर्तनों से गुजर रहे आधुनिक उद्योग का एक प्रमुख उदाहरण है। अगले दशक में, ऑटोमोटिव उद्योग आंतरिक दहन इंजनों से विद्युतीकरण की ओर अग्रसर होगा। सिलिकॉन (Si) को सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) में परिवर्तित करना इलेक्ट्रिक वाहनों को अधिक कुशल बनाने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है, जिससे उपभोक्ताओं की मांग को पूरा करने के साथ-साथ जलवायु परिवर्तन के प्रभावों से निपटने वाले सरकारी नियमों का अनुपालन भी सुनिश्चित होता है। सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) समाधान इलेक्ट्रिक वाहनों को "अगले स्तर" तक ले जाने में मदद कर रहे हैं, जिससे फास्ट चार्जिंग इंफ्रास्ट्रक्चर, ड्राइव इनवर्टर और पावर सप्लाई जैसे अनुप्रयोगों में सुधार हो रहा है और दूरसंचार, सैन्य और एयरोस्पेस जैसे अनुप्रयोगों में प्रगति संभव हो रही है।

चित्र 1. प्रयोगशाला में क्री के कर्मचारी

इलेक्ट्रिक वाहनों के अवसर

टेस्ला, फोर्ड और फॉक्सवैगन जैसी ऑटोमोबाइल कंपनियों ने अगले दशक में इलेक्ट्रिक वाहनों में 300 अरब डॉलर से अधिक का निवेश करने की योजना की घोषणा की है, क्योंकि उपभोक्ताओं की मांग लगातार बढ़ रही है और सरकारी नियम सख्त होते जा रहे हैं। विश्लेषकों का अनुमान है कि 2030 तक बैटरी से चलने वाले इलेक्ट्रिक वाहन (बीईवी) कुल वाहनों का 15% हिस्सा होंगे। इसके परिणामस्वरूप, आने वाले वर्षों में इलेक्ट्रिक वाहनों के लिए सिलिकॉन कार्बाइड (एसआईसी) घटकों का बाजार तेजी से बढ़ेगा।

विद्युतीकरण पर इतना जोर दिए जाने के कारण, निर्माता अब सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) के फायदों को अनदेखा नहीं कर सकते। सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) बैटरी की रेंज बढ़ाता है, उसके प्रदर्शन में सुधार करता है और पारंपरिक इलेक्ट्रिक वाहनों में इस्तेमाल होने वाली सिलिकॉन (Si) तकनीक की तुलना में चार्जिंग समय को कम करता है। परिणामस्वरूप, कई आपूर्तिकर्ताओं ने क्री के साथ मिलकर इलेक्ट्रिक वाहन (EV) पहल की घोषणा की है। उदाहरण के लिए, डेल्फी टेक्नोलॉजीज सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) सेमीकंडक्टर का उपयोग करके अधिक कुशल, छोटे और हल्के इन्वर्टर सिस्टम विकसित कर रही है, जबकि जेडएफ ग्रुप पूरी तरह से इलेक्ट्रिक पावरट्रेन विकसित कर रहा है। एबीबी ग्रुप सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) पर आधारित विभिन्न पावर सिस्टम विकसित और आपूर्ति कर रहा है।

दक्षता में सुधार

सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) आधारित IGBT की तुलना में सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) में स्विचिंग लॉस काफी कम होता है। इसके अलावा, सिलिकॉन कार्बाइड उपकरणों में कोई अंतर्निर्मित वोल्टेज नहीं होता है और इनका कंडक्शन लॉस भी काफी कम होता है। परिणामस्वरूप, सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) की पावर डेंसिटी अधिक होती है, यह हल्का होता है और उच्च आवृत्तियों पर कार्य करता है। हाल ही में किए गए एक ऑटोमोटिव परीक्षण में, क्री की सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) तकनीक ने सिलिकॉन (Si) की तुलना में इन्वर्टर लॉस को लगभग 78% तक कम कर दिया।

ऑटोमोबाइल जगत में, इन दक्षता सुधारों का उपयोग पावरट्रेन समाधानों, पावर कन्वर्टर्स और ऑफ-बोर्ड व ऑन-बोर्ड चार्जर्स में किया जा सकता है। सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) पारंपरिक सिलिकॉन (Si) आधारित समाधानों की तुलना में इलेक्ट्रिक वाहनों की समग्र दक्षता को 5% से 10% तक बढ़ा सकता है। निर्माता इसका उपयोग ड्राइविंग रेंज बढ़ाने या भारी और महंगी बैटरियों की आवश्यकता को कम करने के लिए कर सकते हैं। इसके अलावा, सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) शीतलन आवश्यकताओं को कम करता है, जगह बचाता है और सिलिकॉन (Si) आधारित समाधानों की तुलना में हल्का होता है। सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) फास्ट चार्जर्स को भी शक्ति प्रदान करता है, जो वर्तमान में केवल 5 मिनट में रेंज को 75 मील तक बढ़ा देते हैं।

सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) समाधानों की लागत में लगातार गिरावट के कारण इनका उपयोग और भी बढ़ गया है। उदाहरण के तौर पर, हम अनुमान लगाते हैं कि एक इलेक्ट्रिक वाहन में उपयोग होने वाले सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) घटकों की कीमत लगभग $250 से $500 (इसकी बिजली की आवश्यकता के आधार पर) होती है। बैटरी की लागत, बैटरी और इन्वर्टर के आकार और वजन, और शीतलन आवश्यकताओं में ऑटोमोबाइल निर्माताओं को प्रति इलेक्ट्रिक वाहन $2,000 तक की बचत हो सकती है। हालांकि सिलिकॉन (Si) से सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) में परिवर्तन के कई अन्य कारक भी हैं, लेकिन यह बिंदु महत्वपूर्ण है।

ऑटोमोटिव उद्योग के बाहर

क्री के 9 अरब डॉलर के सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) के अवसर का लगभग आधा हिस्सा ऑटोमोटिव उद्योग की मांग से आता है, जबकि सौर ऊर्जा, एयरोस्पेस और रक्षा तथा संचार अवसंरचना अन्य प्रमुख मांग कारक हैं। कैनकॉर्ड जेन्युइटी के हालिया अनुमानों के अनुसार, 2030 तक सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) की मांग 20 अरब डॉलर से अधिक हो जाएगी।

图2. क्री 650V MOSFET

सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) से बने विद्युत उपकरण औद्योगिक और ऊर्जा कंपनियों को बिजली और स्थान का अधिकतम उपयोग करने में मदद करते हैं। सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) उच्च आवृत्ति वाले औद्योगिक विद्युत आपूर्तियों और निर्बाध विद्युत आपूर्तियों को उच्च दक्षता, उच्च शक्ति घनत्व और हल्का वजन प्रदान करता है, और सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) के लाभ इसकी लागत से कहीं अधिक हैं। इन क्षेत्रों में, उच्च दक्षता का अर्थ है उच्च लाभ।

पावर इलेक्ट्रॉनिक्स के क्षेत्र में, सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) सिलिकॉन (Si) की तुलना में कहीं अधिक कुशल है और इसकी पावर घनत्व तीन गुना अधिक है, जिससे उच्च-वोल्टेज सिस्टम हल्के, छोटे, अधिक कुशल और अधिक लागत प्रभावी बन जाते हैं। यह उत्कृष्ट प्रदर्शन अब एक निर्णायक मोड़ पर पहुँच गया है और यदि निर्माता वर्तमान बाजार में प्रतिस्पर्धी बने रहना चाहते हैं तो वे अब इसे अनदेखा नहीं कर सकते।

सेमीकंडक्टरों का भविष्य

सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) को अपनाने में लागत पहले एक बड़ी बाधा रही है। लेकिन उत्पादन और अनुभव में लगातार वृद्धि के साथ, इसकी लागत कम होती जा रही है। परिणामस्वरूप, इसका निर्माण भी अधिक कुशल और परिष्कृत हो गया है। इसके अलावा, ग्राहक यह महसूस कर रहे हैं कि सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) का वास्तविक मूल्य उपकरण-स्तर की तुलना के बजाय सिस्टम स्तर पर निहित है। विभिन्न उद्योगों की आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए, सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) निर्माण में और सुधार होगा, उत्पादन में निरंतर वृद्धि होगी और इसकी कीमत में निरंतर कमी आएगी। क्री को उदाहरण के तौर पर लेते हुए, क्री ने इन आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए बड़े पैमाने पर निवेश किया है, जिसमें न्यूयॉर्क राज्य में अत्याधुनिक तकनीक का उपयोग करने वाला और ऑटोमोटिव ग्रेड मानकों को पूरा करने वाला कारखाना बनाना शामिल है, जिससे उत्पादन क्षमता 2017 की तुलना में 30 गुना से अधिक बढ़ जाएगी।

सिलिकॉन (Si) से सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) में परिवर्तन अब यह सवाल नहीं है कि यह कब और कैसे होगा, हम पहले ही इस चरण में पहुँच चुके हैं। कई उद्योगों में हो रहे इन बड़े बदलावों में पूरी तरह से शामिल होना बेहद रोमांचक है। इन उद्योगों का भविष्य निश्चित रूप से स्थिर नहीं है, और हम निश्चित रूप से अभूतपूर्व परिवर्तन देखते रहेंगे। और जो निर्माता इन परिवर्तनों के अनुरूप तेजी से ढल जाएंगे, उन्हें भरपूर लाभ मिलेगा।

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