IGBT प्रौद्योगिकी का विकास: पहली पीढ़ी से लेकर आधुनिक उच्च गति वाले मॉड्यूल तक

पावर इलेक्ट्रॉनिक्स के क्षेत्र में, अछूता गेट द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर (IGBT) पिछले कुछ दशकों के सबसे प्रभावशाली घटकों में से एक के रूप में खड़ा है। उच्च-वोल्टेज क्षमताओं और आसान गेट नियंत्रण के बीच की खाई को पाटते हुए, IGBTS ने क्रांति की है कि कैसे इंजीनियर पावर रूपांतरण और नियंत्रण के लिए डिजाइन और बिल्ड सिस्टम को कैसे डिजाइन करते हैं। औद्योगिक ड्राइव से लेकर इलेक्ट्रिक वाहन, सौर इनवर्टर से लेकर बुलेट ट्रेनों तक, IGBT की उपस्थिति हर जगह है। लेकिन सभी अर्धचालक प्रौद्योगिकियों की तरह, IGBTS पूरी तरह से गठित नहीं हुआ - वे पीढ़ियों के माध्यम से विकसित हुए, प्रत्येक प्रदर्शन, गति, दक्षता और थर्मल प्रबंधन में सुधार लाते हैं।

यह लेख IGBT प्रौद्योगिकी की यात्रा को अपने शुरुआती चरणों से आज उपलब्ध अत्याधुनिक उच्च गति वाले मॉड्यूल के लिए खोजता है। इसकी प्रगति को समझकर, हम आज के पावर सिस्टम में इसकी भूमिका और अपने भविष्य को चलाने वाले नवाचार में बेहतर सराहना कर सकते हैं।

IGBT क्या है?

इसके विकास में गोता लगाने से पहले, यह समझना महत्वपूर्ण है कि एक IGBT क्या है। एक अछूता गेट द्विध्रुवी ट्रांजिस्टर एक अर्धचालक उपकरण है जो दो प्रकार के ट्रांजिस्टर की सबसे अच्छी विशेषताओं को जोड़ती है: धातु-ऑक्साइड-सेमिकंडक्टर फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर (MOSFET) और द्विध्रुवी जंक्शन ट्रांजिस्टर (BJT) की उच्च-वर्तमान और उच्च-वोल्टेज हैंडलिंग क्षमता का उच्च गति स्विचिंग।

यह हाइब्रिड डिज़ाइन अनुमति देता है IGBTS को उच्च-शक्ति अनुप्रयोगों में आवश्यक मजबूती और कम चालन हानि को वितरित करते हुए वोल्टेज संकेतों का उपयोग करते हुए आसानी से चालू और बंद किया जाना चाहिए। इस दोहरी प्रकृति के कारण, IGBTs का उपयोग व्यापक रूप से कुशल बिजली नियंत्रण की आवश्यकता वाले सिस्टम में किया जाता है - जैसे कि मोटर ड्राइव, इलेक्ट्रिक वाहन (EVS), पवन टर्बाइन और निर्बाध बिजली आपूर्ति (यूपीएस)।

पहली पीढ़ी: नींव रखना

पहला वाणिज्यिक IGBTS 1980 के दशक की शुरुआत में दिखाई दिया। उस समय, पावर इलेक्ट्रॉनिक्स इंजीनियर एक ऐसे उपकरण की तलाश कर रहे थे जो BJTs की तुलना में बेहतर प्रदर्शन कर सके, जिन्हें नियंत्रित करना मुश्किल था, और शक्ति MOSFETS , जिसमें उच्च वोल्टेज पर उच्च चालन नुकसान था। पहली पीढ़ी के आईजीबीटी को अनिवार्य रूप से बीजेटी और एमओएसएफईटी से मौजूदा निर्माण प्रक्रियाओं का उपयोग करके बनाया गया था, जिसके परिणामस्वरूप उच्च वोल्टेज ब्लॉकिंग क्षमता (600 वी -1200 वी) वाले उपकरण लेकिन अपेक्षाकृत धीमी गति से स्विचिंग स्पीड हैं।

पहली पीढ़ी के आईजीबीटी के साथ सबसे बड़े मुद्दों में से एक 'लैच-अप ' प्रभाव था-एक ऐसी स्थिति जहां आईजीबीटी एक विनाशकारी शॉर्ट-सर्किट राज्य में प्रवेश कर सकता है और विफल हो सकता है। इस समस्या ने महत्वपूर्ण प्रणालियों में शुरुआती गोद लेने को सीमित कर दिया, और इंजीनियरों को डिवाइस की सुरक्षा के लिए बाहरी सर्किटरी को शामिल करना पड़ा। इसके अतिरिक्त, पावर MOSFETs की तुलना में स्विचिंग गति बहुत धीमी थी, जिसने उच्च-आवृत्ति अनुप्रयोगों के लिए IGBT को अनुपयुक्त बना दिया।

इन कमियों के बावजूद, ईज़ी गेट ड्राइव और उच्च वोल्टेज हैंडलिंग के लाभ औद्योगिक मोटर ड्राइव जैसे कम-आवृत्ति वाले उच्च-शक्ति अनुप्रयोगों में IGBT की जगह सुनिश्चित करने के लिए पर्याप्त थे।

दूसरी पीढ़ी: बेहतर बीहड़ता और विश्वसनीयता

1990 के दशक की शुरुआत में, दूसरी पीढ़ी के आईजीबीटी ने बाजार में प्रवेश किया। इन उपकरणों ने अपने पूर्ववर्तियों में पाई जाने वाली कई चिंताओं को संबोधित किया, जिसमें कुंडी सुरक्षा भी शामिल थी। निर्माताओं ने अवांछित परजीवी प्रभावों को कम करने और सुरक्षित परिचालन क्षेत्रों में सुधार करने के लिए IGBT की आंतरिक परतों के डिजाइन में सुधार किया।

इस पीढ़ी में, IGBT की संरचना पंच-थ्रू (पीटी) से गैर-पंच-थ्रू (एनपीटी) डिजाइनों में शिफ्ट होने लगी। NPT IGBTS ने बेहतर शॉर्ट-सर्किट क्षमता, बेहतर थर्मल स्थिरता और सरल प्रक्रियाओं का उपयोग करके आसान निर्माण की पेशकश की। वे तापमान भिन्नता के बारे में अधिक सहिष्णु हो गए, जिससे वे कठोर वातावरण में अधिक विश्वसनीय हो गए।

एक और महत्वपूर्ण सुधार स्विच करने के दौरान कम पूंछ धाराओं के रूप में था। पहली पीढ़ी में, अतिरिक्त वाहक के पुनर्संयोजन के कारण लंबी पूंछ की धाराएं हुईं, जिससे नुकसान और कम दक्षता कम हो गई। बेहतर जीवनकाल नियंत्रण तकनीकों के साथ, दूसरी पीढ़ी के आईजीबीटी ने इन नुकसान को कम कर दिया और पहले की तुलना में तेजी से स्विचिंग के लिए अनुमति दी।

नतीजतन, दूसरी पीढ़ी के आईजीबीटी ने लिफ्ट और एचवीएसी सिस्टम में मोटर नियंत्रण प्रणालियों, बिजली की आपूर्ति और ऊर्जा-बचत प्रणालियों में व्यापक उपयोग पाया।

तीसरी पीढ़ी: गति और दक्षता के लिए अनुकूलन

तीसरी पीढ़ी के आईजीबीटी को 1990 के दशक के अंत और 2000 के दशक की शुरुआत में विकसित किया गया था और प्रौद्योगिकी के विकास में एक महत्वपूर्ण मोड़ बिंदु को चिह्नित किया गया था। इन उपकरणों को तेजी से स्विचिंग और उच्च दक्षता के लिए अनुकूलित किया गया था, जो उन्हें अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला के लिए उपयुक्त बनाते हैं - जिनमें उनमें मध्यम स्विचिंग आवृत्तियों की आवश्यकता होती है।

सबसे उल्लेखनीय प्रगति में से एक फील्ड स्टॉप (एफएस) तकनीक का उपयोग था। इस तकनीक में टर्न-ऑफ के दौरान अतिरिक्त वाहक को अवशोषित करने के लिए कलेक्टर के पास एक अतिरिक्त परत जोड़ना शामिल है, जो पूंछ की धारा को कम करता है और वोल्टेज अवरुद्ध क्षमता से समझौता किए बिना स्विचिंग को गति देता है।

फील्ड स्टॉप IGBTS ने दोनों दुनिया के सर्वश्रेष्ठ की पेशकश की: वे उच्च वोल्टेज और वर्तमान को संभाल सकते हैं, और वे काफी कम स्विचिंग नुकसान के साथ भी संचालित होते हैं। इसने उन्हें सौर इनवर्टर, ट्रैक्शन सिस्टम और वेल्डर जैसे अनुप्रयोगों के लिए आदर्श बना दिया - जहां ऊर्जा दक्षता और जवाबदेही महत्वपूर्ण हैं।

इसके अतिरिक्त, पैकेजिंग तकनीक में सुधार हुआ। निर्माताओं ने उन्हें अधिक कॉम्पैक्ट और मजबूत बनाने के लिए IGBT मॉड्यूल के भीतर डायोड और सुरक्षात्मक सर्किट को एकीकृत करना शुरू किया। इसने कुल प्रणाली लागत और बेहतर विश्वसनीयता को कम करने में मदद की, विशेष रूप से मोटर वाहन और नवीकरणीय ऊर्जा अनुप्रयोगों में।

चौथी पीढ़ी: कॉम्पैक्ट मॉड्यूल और बेहतर थर्मल प्रदर्शन

जैसे -जैसे बिजली घनत्व की मांग बढ़ती गई, आईजीबीटी की चौथी पीढ़ी ने प्रति यूनिट क्षेत्र में वर्तमान हैंडलिंग को बढ़ाने पर ध्यान केंद्रित किया, साथ ही साथ बिजली की हानि को कम किया और थर्मल प्रदर्शन में सुधार किया। इसके लिए न केवल सेमीकंडक्टर सामग्री में सुधार की आवश्यकता है, बल्कि डिवाइस संरचना में नवाचार भी।

ट्रेंच-गेट IGBTS ने प्लानर गेट डिजाइनों की जगह शुरू की। इन ट्रेंच संरचनाओं ने डिवाइस के अंदर विद्युत क्षेत्र के बेहतर नियंत्रण और चालन के नुकसान को कम करने की अनुमति दी। इसके अलावा, एमिटर और कलेक्टर डोपिंग प्रोफाइल में प्रगति ने चालन और स्विचिंग लॉस के बीच ट्रेड-ऑफ को ठीक करने में मदद की, जिससे डिजाइनरों को एप्लिकेशन की जरूरतों के लिए उपकरणों को मैच करने के लिए अधिक लचीलापन मिला।

इसके अलावा, पैकेजिंग और मॉड्यूल एकीकरण ने एक बड़ी छलांग ली। मल्टी-चिप मॉड्यूल, एकीकृत गेट ड्राइवर, और प्रत्यक्ष तरल कूलिंग प्रौद्योगिकियों ने छोटे पैरों के निशान में बहुत अधिक बिजली घनत्व के लिए अनुमति दी। इन विशेषताओं ने चौथी पीढ़ी के आईजीबीटी को इलेक्ट्रिक ट्रेनों, हाइब्रिड वाहनों और स्मार्ट ग्रिड और पावर ट्रांसमिशन सिस्टम जैसी ऊर्जा बुनियादी ढांचा परियोजनाओं के लिए एक शीर्ष विकल्प बना दिया।

आधुनिक हाई-स्पीड IGBT मॉड्यूल: कला की स्थिति

आज के IGBT मॉड्यूल पहले से कहीं अधिक तेज, अधिक कुशल और अधिक बीहड़ हैं। उन्नत वेफर थिनिंग, अल्ट्रा-फाइन ट्रेंच गेट संरचनाओं, और सिलिकॉन कार्बाइड (एसआईसी) के लिए कुछ हाइब्रिड डिजाइनों में सह-पैकेजिंग के लिए धन्यवाद, आधुनिक आईजीबीटी मॉड्यूल न्यूनतम नुकसान के साथ असाधारण स्विचिंग गति प्राप्त कर सकते हैं।

नवीनतम हाई-स्पीड IGBT मॉड्यूल की कुछ प्रमुख विशेषताओं में शामिल हैं:

• अल्ट्रा-लो स्विचिंग लॉस:  एडवांस्ड फील्ड स्टॉप और ट्रेंच गेट डिजाइनों के उपयोग के साथ, स्विचिंग लॉस को कम से कम किया गया है, जिससे वे उन अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त हो गए जो कभी विशेष रूप से MOSFETs के डोमेन थे।

• उच्च थर्मल चालकता:  सब्सट्रेट और डायरेक्ट-कॉपर बॉन्डिंग (डीसीबी) के लिए एल्यूमीनियम नाइट्राइड जैसी सामग्रियों का उपयोग करना, आधुनिक मॉड्यूल गर्मी को अधिक प्रभावी ढंग से प्रबंधित करते हैं, जीवनकाल का विस्तार करते हैं और विश्वसनीयता में सुधार करते हैं।

• स्केलेबिलिटी:  मॉड्यूलर आर्किटेक्चर अब डिजाइनरों को पवन टर्बाइन और इलेक्ट्रिक लोकोमोटिव जैसे मेगावाट-स्केल अनुप्रयोगों के लिए कई IGBT मॉड्यूल को ढेर या समानांतर करने की अनुमति देते हैं।

• बुद्धिमान एकीकरण:  आधुनिक मॉड्यूल तापमान, वर्तमान और वोल्टेज के लिए अंतर्निहित सेंसर के साथ आते हैं, स्मार्ट डायग्नोस्टिक्स, भविष्य कहनेवाला रखरखाव और वास्तविक समय नियंत्रण के लिए अनुमति देते हैं।

ईवीएस, हाई-स्पीड ट्रेनों और उच्च क्षमता वाले औद्योगिक इनवर्टर के लिए फास्ट डीसी चार्जिंग स्टेशनों जैसे एप्लिकेशन अब इन उन्नत IGBT मॉड्यूल पर बहुत अधिक भरोसा करते हैं।

IGBT प्रौद्योगिकी का भविष्य

जबकि सिलिकॉन कार्बाइड (एसआईसी) और गैलियम नाइट्राइड (जीएएन) जैसे व्यापक बैंडगैप अर्धचालक कुछ डोमेन में आईजीबीटी के साथ प्रतिस्पर्धा करने लगे हैं, आईजीबीटी अभी भी लागत, परिपक्वता और मजबूती के मामले में मजबूत लाभ रखता है। भविष्य के विकास में हाइब्रिड मॉड्यूल शामिल होने की संभावना है जो IGBTS और SIC डायोड को संयोजित करते हैं या यहां तक ​​कि नई विनिर्माण तकनीकों जैसे कि एडिटिव सेमीकंडक्टर प्रिंटिंग का उपयोग करते हैं।

इसके अलावा, IGBT नियंत्रण प्रणाली तेजी से डिजिटल और सॉफ़्टवेयर-परिभाषित हो जाएगी, AI-enhanced निगरानी प्रणाली के साथ जो इष्टतम दक्षता और जीवनकाल के लिए स्विचिंग पैटर्न को अनुकूलित रूप से समायोजित कर सकती है।

जैसा कि विद्युतीकरण के लिए वैश्विक धक्का जारी है, विशेष रूप से मोटर वाहन और अक्षय क्षेत्रों में, IGBTS मध्यम और उच्च-वोल्टेज पावर रूपांतरण प्रणालियों में एक कोर बिल्डिंग ब्लॉक रहेगा।

IGBT नवाचार में एक विश्वसनीय खिलाड़ी: Jiangsu Donghai Semiconductor Co., Ltd.

आईजीबीटी टेक्नोलॉजी की उन्नति में सक्रिय रूप से योगदान देने वाली कंपनियों में, जियांगसू डोंगगई सेमीकंडक्टर कं, लिमिटेड पावर सेमीकंडक्टर स्पेस में एक समर्पित निर्माता और इनोवेटर के रूप में बाहर खड़ा है। उच्च-प्रदर्शन IGBT चिप्स और मॉड्यूल विकसित करने पर ध्यान देने के साथ, कंपनी इलेक्ट्रिक परिवहन से लेकर स्मार्ट ऊर्जा और औद्योगिक स्वचालन तक के उद्योगों का समर्थन करने में महत्वपूर्ण भूमिका निभाती है।

जियांगसू डोंगगई सेमीकंडक्टर विश्वसनीय, कुशल और उच्च गति वाले आईजीबीटी समाधानों का उत्पादन करने के लिए उन्नत विनिर्माण प्रक्रियाओं के साथ गहरी सामग्री विशेषज्ञता को जोड़ती है। जैसे-जैसे कॉम्पैक्ट, टिकाऊ, और उच्च दक्षता वाले पावर मॉड्यूल की मांग बढ़ती है, जियांगसू डोंगघई जैसी कंपनियां अधिक टिकाऊ और विद्युतीकृत भविष्य को बिजली देने के लिए आईजीबीटी तकनीक की अगली पीढ़ी को वितरित करने में आवश्यक हैं।