योले डेवलपमेंट की बाजार अनुसंधान रिपोर्ट से पता चलता है कि सिलिकॉन पावर सेमीकंडक्टर उपकरणों के जन्म के बाद से, अनुप्रयोगों की मांग जंक्शन तापमान में वृद्धि को बढ़ावा दे रही है, जो अब 150 डिग्री सेल्सियस तक पहुंच गया है।

तीसरी पीढ़ी के वाइड-बैंडगैप सेमीकंडक्टर उपकरणों (जैसे SiC) के उद्भव और उनकी बढ़ती परिपक्वता और पूर्ण व्यावसायीकरण के साथ, उनका अद्वितीय उच्च-तापमान प्रतिरोध जंक्शन तापमान को वर्तमान 150°C से 175°C तक बढ़ा रहा है, और भविष्य में 200°C तक पहुंच जाएगा।

SiC की अद्वितीय उच्च-तापमान विशेषताओं और कम स्विचिंग हानि के लाभों के साथ, जंक्शन तापमान में वृद्धि का यह रुझान विद्युत प्रणालियों के डिज़ाइन पैटर्न को काफी हद तक बदल देगा। भविष्योन्मुखी उच्च-तापमान, उच्च-शक्ति-घनत्व वाले इन विशिष्ट अनुप्रयोगों में एकीकृत इलेक्ट्रिक वाहन पावरट्रेन, बहु-इलेक्ट्रिक और पूर्ण-इलेक्ट्रिक विमान और यहां तक ​​कि इलेक्ट्रिक विमान, मोबाइल ऊर्जा भंडारण चार्जिंग स्टेशन और पावर बैंक, और विभिन्न विद्युत अनुप्रयोग शामिल हैं जहां तरल शीतलन की गंभीर सीमाएं हैं।

इलेक्ट्रिक वाहनों का पावरट्रेन (मोटर, इलेक्ट्रॉनिक कंट्रोल और गियरबॉक्स) तीन-इन-वन की ओर बढ़ रहा है, लेकिन वर्तमान में यह केवल संरचनात्मक रूप से एक साथ रखा गया है और इसका एकीकरण कमजोर है। संरचनात्मक दृष्टि से, भविष्य में पावरट्रेन का गहन एकीकरण अपरिहार्य है, क्योंकि इससे आयतन लगभग एक तिहाई, वजन लगभग एक तिहाई और आंतरिक खपत लगभग एक तिहाई कम हो सकती है, और कुल लागत 2 से 4 गुना तक कम हो सकती है।

हालांकि, इलेक्ट्रॉनिक नियंत्रण भाग मोटर के साथ घनिष्ठ रूप से एकीकृत होगा, और इस गहन एकीकरण से शक्ति घनत्व में काफी वृद्धि होगी। उच्च तापमान सबसे बड़ी चुनौती है जिसे टाला नहीं जा सकता।

उच्च तापमान के विशिष्ट अनुप्रयोग

परंपरागत विमानों में, टेल रडर, पंख और लैंडिंग गियर जैसी यांत्रिक गतिविधियों को पारंपरिक हाइड्रोलिक ट्रांसमिशन द्वारा नियंत्रित किया जाता है। हाइड्रोलिक तेल एक तरल पदार्थ होने के कारण पर्यावरण से अत्यधिक प्रभावित होता है और इसके रखरखाव की लागत भी अधिक होती है। वर्तमान में, आंशिक या पूर्ण विद्युतीकरण की ओर रुझान बढ़ रहा है, जिसे बहु-विद्युत और पूर्ण-विद्युत विमान की अवधारणा कहा जा सकता है।

विमान में हाइड्रोलिक तेल सर्किट के बजाय इलेक्ट्रिक मोटरों का उपयोग करके यांत्रिक संचालन करना उच्च विश्वसनीयता, मजबूत रखरखाव और अतिरिक्त बैकअप डिज़ाइन की सुविधा प्रदान करता है। हालांकि, सबसे बड़ी समस्या यह है कि विमान में मोटरों और इलेक्ट्रॉनिक नियंत्रणों को जल शीतलन से लैस करने की अनुमति नहीं है, और केवल जबरन वायु शीतलन और प्राकृतिक शीतलन पर ही निर्भर रहना पड़ता है। इसलिए, बहु-इलेक्ट्रिक या पूर्ण-इलेक्ट्रिक विमान, या यहां तक ​​कि इलेक्ट्रिक विमान के इलेक्ट्रॉनिक नियंत्रण डिज़ाइन को साकार करने के लिए, सबसे पहले हल की जाने वाली प्रमुख तकनीकी समस्या उच्च तापमान है।

इसके अलावा, कई अनुप्रयोग परिदृश्यों में, अर्ध-मोबाइल ऊर्जा भंडारण चार्जिंग स्टेशन और पूरी तरह से मोबाइल पावर बैंक, निश्चित चार्जिंग की कमी को प्रभावी ढंग से पूरा करेंगे, खासकर इलेक्ट्रिक वाहनों के बड़े पैमाने पर लोकप्रिय होने के साथ, यह और भी स्पष्ट हो जाएगा।

हालांकि, इस प्रकार के मोबाइल चार्जिंग अनुप्रयोग के लिए, जल-शीतलन तंत्र न केवल अतिरिक्त वजन और आयतन बढ़ाएगा, बल्कि इससे भी महत्वपूर्ण बात यह है कि यह इसमें संग्रहित विद्युत ऊर्जा का उपभोग करेगा। इसलिए, इलेक्ट्रॉनिक नियंत्रण के लिए प्राकृतिक शीतलन सर्वोत्तम तरीका होगा, लेकिन इलेक्ट्रॉनिक नियंत्रण प्रणाली के तापीय प्रबंधन का उचित प्रबंधन आवश्यक है।

ऊपर बताए गए तीन विशिष्ट उच्च-तापमान अनुप्रयोगों के अतिरिक्त, कई विशेष औद्योगिक अनुप्रयोगों में जहाँ तरल शीतलन की गंभीर सीमाएँ होती हैं, इलेक्ट्रॉनिक नियंत्रण प्रणालियों को भी इसी प्रकार की उच्च-तापमान संबंधी चुनौतियों का सामना करना पड़ता है। उच्च-तापमान विद्युत नियंत्रण तकनीक उपरोक्त उच्च-तापमान अनुप्रयोगों को साकार करने की कुंजी है। इसकी मूल कार्यान्वयन तकनीक SiC पावर उपकरणों की उच्च-तापमान पैकेजिंग तकनीक और उससे मेल खाने वाली उच्च-तापमान ड्राइव सर्किट तकनीक है।

“प्रतिभाशाली” एसआईसी

SiC सामग्री और उनकी उपकरण संरचनाओं में स्वाभाविक रूप से उच्च तापमान प्रतिरोध होता है, और ये निर्वात स्थितियों में 400 से 600 डिग्री सेल्सियस तक के तापमान को भी सहन कर सकती हैं। व्यावहारिक अनुप्रयोगों में, हवा के संपर्क से होने वाले ऑक्सीकरण को रोकने के लिए, SiC उपकरणों को पैकेजिंग में रखना आवश्यक है, और यदि उन्हें उच्च तापमान सहन करना है, तो उन्हें उच्च तापमान प्रतिरोधी पैकेजिंग में पैक किया जाना चाहिए।

उद्योग में वर्तमान में जंक्शन तापमान 150°C उच्चतम मानक है। 175°C जंक्शन तापमान स्तर अभी सामने आना शुरू हुआ है। कुछ मानक पैकेज उपलब्ध हैं जिनका उपयोग किया जा सकता है। 200°C या उससे अधिक तापमान वाले पैकेजों के लिए पैकेजिंग सामग्री और प्रक्रियाओं पर बहुत सख्त आवश्यकताएं होती हैं, और थर्मल चालकता और ऊष्मा अपव्यय प्रदर्शन आवश्यकताओं को सुनिश्चित करने के लिए इन्हें बेयर चिप की विशेषताओं के अनुसार अनुकूलित किया जाना चाहिए।

SiC पावर उपकरणों और मॉड्यूल का अनुप्रयोग ड्राइवर सर्किट और उनके संबंधित चिप्स से अविभाज्य रूप से जुड़ा हुआ है। हालांकि, अधिकांश ड्राइवर सर्किट चिप्स साधारण सिलिकॉन उपकरण होते हैं और उच्च तापमान सहन नहीं कर सकते। यदि वे 175°C जैसे उच्च तापमान पर 1,000 घंटे तक काम कर सकें, तो यह बहुत ही दुर्लभ है।

इसके अलावा, उच्च तापमान प्रतिरोध समस्या का केवल एक पहलू है। इससे भी अधिक गंभीर समस्या उच्च तापमान पर उपकरण के प्रदर्शन की स्थिरता है। सामान्य सिलिकॉन उपकरणों का प्रदर्शन 70°C से ऊपर बहुत तेजी से कमजोर हो जाता है, इसलिए उन्हें उच्च तापमान पर उपयोग नहीं किया जा सकता है।

20 वर्षों से अधिक के नवोन्मेषी अनुसंधान एवं विकास और अनुप्रयोग परीक्षण के बाद, सिस्सोइड के एसओआई विशेष सिलिकॉन उपकरणों ने उत्कृष्ट उच्च-तापमान प्रतिरोध हासिल किया है। ये 175°C पर लगातार 15 वर्षों तक कार्य कर सकते हैं और संपूर्ण तापमान सीमा में उत्कृष्ट प्रदर्शन स्थिरता बनाए रखते हैं। ये उच्च-तापमान सिलिकॉन (SiC) अनुप्रयोगों के आधार स्तंभ हैं।

“तापमान” की दुविधा से बाहर निकलना

सिस्सोइड की एसओआई-आधारित विशेष सिलिकॉन सेमीकंडक्टर तकनीक सिलिकॉन सेमीकंडक्टर उपकरणों की तापमान संबंधी समस्या को पूरी तरह से हल करती है और सिलिकॉन उपकरणों के तापमान वाहक प्रभाव (तापमान बढ़ने पर आंतरिक वाहक सांद्रता बढ़ती है) और जंक्शन तापमान प्रभाव (तापमान बढ़ने पर प्रभावी जंक्शन अवरोध घटता है) से स्पष्ट रूप से बचती है। यह न केवल उच्च तापमान सहन कर लंबे समय तक कार्य कर सकती है, बल्कि पूरे तापमान रेंज में बेहतर प्रदर्शन स्थिरता भी बनाए रखती है।

परिणामस्वरूप, सिस्सोइड के उच्च-तापमान अर्धचालक उपकरणों को लंबे समय से एयरोस्पेस और तेल अन्वेषण क्षेत्रों द्वारा पसंद किया जाता रहा है, और उनके पास लगभग 20 वर्षों का उच्च-तापमान अनुप्रयोग इतिहास और अनुभव है।

हाल के वर्षों में, तीसरी पीढ़ी के सेमीकंडक्टर SiC पावर उपकरणों की बढ़ती लोकप्रियता के साथ, सिस्सोइड ने SiC MOSFETs के लिए उच्च तापमान प्रतिरोधी ड्राइवर चिप्स और समाधान विकसित किए हैं। यह अद्वितीय उच्च तापमान प्रतिरोध क्षमता इसे SiC पावर मॉड्यूल के यथासंभव निकट स्थापित करने की अनुमति देती है, जिससे ड्राइव सर्किट के परजीवी प्रेरकत्व को कम किया जा सके और इस प्रकार रिंगिंग को अधिक प्रभावी ढंग से दबाकर इष्टतम दक्षता प्राप्त की जा सके।

हाल ही में, इलेक्ट्रिक वाहनों और ऑल-इलेक्ट्रिक/मल्टी-इलेक्ट्रिक विमानों में इलेक्ट्रिक ड्राइव अनुप्रयोगों के लिए, सिस्सोइड ने एक स्केलेबल प्लेटफॉर्म सीरीज़ का थ्री-फेज़ फुल-ब्रिज 1200V SiC MOSFET इंटेलिजेंट पावर मॉड्यूल (IPM) सिस्टम लॉन्च किया है। यह सिस्टम कम स्विचिंग लॉस तकनीक का उपयोग करके एक एकीकृत समाधान, यानी IPM प्रदान करता है।

आईपीएम में एक गेट ड्राइव सर्किट और एक त्रि-चरण सिलिकॉन कार्बाइड पावर मॉड्यूल शामिल है। इन दोनों के बीच सहयोग को अनुकूलित और समन्वित किया गया है ताकि SiC उपकरणों के लाभों का पूरी तरह से उपयोग किया जा सके।

वर्तमान में निर्मित CXT-PLA3SA12450AA मॉड्यूल का रेटेड जंक्शन तापमान 175°C तक है, और इसका गेट ड्राइव सर्किट 125°C तक के वातावरण में कार्य कर सकता है। इसके अतिरिक्त, अनुप्रयोग की स्थितियों और परिदृश्यों की आवश्यकता के अनुसार, उच्च स्तरीय निष्क्रिय घटकों को बदलकर और मुख्य चिप्स और मॉड्यूल की पैकेजिंग में सुधार करके परिचालन तापमान स्तर को और भी बेहतर बनाया जा सकता है।

सिलिकॉन सेमीकंडक्टर उपकरणों के जन्म के बाद से, उच्च तापमान अनुप्रयोग ही उनके उपयोग की कुंजी रहे हैं।

सिस्सोइड की नवोन्मेषी विशेष एसओआई सिलिकॉन चिप तकनीक ने उच्च तापमान वाले अर्धचालक असतत उपकरणों और लघु-स्तरीय एकीकृत परिपथों में प्रमुख सफलताएं हासिल करने में अग्रणी भूमिका निभाई है।

जैसे-जैसे SiC पावर सेमीकंडक्टर डिवाइस जैसे तीसरी पीढ़ी के सेमीकंडक्टर अधिक परिपक्व और लोकप्रिय होते जा रहे हैं, उनकी अंतर्निहित उच्च-तापमान प्रतिरोध क्षमता और सिस्सोइड उच्च-तापमान सेमीकंडक्टर डिवाइस एक बहुत अच्छा मेल बनाते हैं, जो पावर सिस्टम डिजाइन के पैटर्न को काफी हद तक बदल देगा और डिजाइन इंजीनियरों को विस्तार के लिए नए अवसर प्रदान करेगा।

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