پروفسور Bantval Jayant Baliga جایزه فناوری هزاره 2024 را برای فناوری نیمه هادی پیشگام خود که به طور قابل توجهی مصرف انرژی جهانی و انتشار کربن را کاهش داده است، دریافت کرد.
در سال 2004 تاسیس شد جایزه فناوری هزاره هر دو سال یک بار توسط رئیس جمهور فنلاند به توسعه دهندگان نوآوری های تکنولوژیکی پیشگامانه که “بهزیستی مردم و کره زمین را ارتقا می دهند” اهدا می شود.
پروفسور بالیگا، استاد مهندسی برق در دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی، جایزه امسال یک میلیون یورویی را دریافت کرد. ترانزیستور دوقطبی گیت عایق (IGBT)، یک دستگاه نیمه هادی قدرتی که او 25 سال پیش اختراع کرد که امکان راندمان بالا و مصرف انرژی کم را در موتورهای الکتریکی فراهم می کند.
IGBT یک کلید برق تراشه نیمه هادی است که می تواند در فناوری های روزمره مانند لوازم خانگی، اتومبیل، پنل های خورشیدی، نورهای فلورسنت، تجهیزات پزشکی، یخچال ها و واحدهای تهویه مطبوع برای کنترل قرار گیرد. انرژی استفاده برای بهره وری بهینه
Päivi Törmä، رئیس کمیته بینالمللی انتخاب جایزه فناوری هزاره، گفت: «نوآوری پروفسور بالیگا به ما این امکان را داده است که جوامعی را با انرژی الکتریکی به طور کارآمد توسعه دهیم و در عین حال مصرف انرژی را به طور چشمگیری کاهش دهیم.
«الکترونیک قدرت یک فناوری توانمند کلیدی در هر جامعه مدرنی است که در آن اتوماسیون فرآیندها و سیستمهای انرژی نقشی فزاینده ایفا میکند. در 40 سال گذشته، و هنوز هم امروز، IGBT مهمترین قدرت است نیمه هادی دستگاه.”
جایزه فناوری هزاره هر دو سال یکبار اهدا می شود.
چالش های قدرت در عصر دیجیتال
مسائل مربوط به انرژی و تامین برق یک نگرانی اساسی برای مرکز داده جهانی و صنعت زیرساخت دیجیتال است. با این حال، در حالی که انتظار می رود تقاضا برای نیروی بیشتر ادامه یابد، پروفسور بالیگا گفت که او در مورد آینده بهره وری انرژی در بخش فناوری “خوشبین” است.
پیش از اعلام جایزه فناوری هزاره امسال، دانش مرکز داده با پروفسور بالیگا در مورد ترانزیستورها، پایداری و آینده فناوری صحبت کرد.
توجه: این مصاحبه برای وضوح و طولانی بودن کمی ویرایش شده است.
دانش مرکز داده: آیا می توانید به طور خلاصه سفر خود را در زمینه الکترونیک قدرت به اشتراک بگذارید؟ چه چیزی شما را به سمت توسعه ترانزیستور دوقطبی دروازه ایزوله سوق داد؟
پروفسور بانتوال جایانت بالیگا: برای پایان نامه دکتری خود، من پیشگام رشد مواد آرسنید ایندیوم و گالیوم-ایندیوم برای کاربردهای الکترونیکی بودم. این یک پیشرفت هیجان انگیز بود که اکنون به طور گسترده تجاری شده است.
با این حال، در آن زمان جدید بود و من نتوانستم شغلی برای ادامه کار روی این فناوری پیدا کنم. جنرال الکتریک (GE) موقعیتی را به من پیشنهاد داد تا بر روی دستگاه های نیمه هادی قدرت کار کنم. پیش از این پس از 25 سال تولید محصولات، یک فناوری بالغ در نظر گرفته می شد.
IGBT توسط من در پاسخ به نیاز فوری جنرال الکتریک برای ساخت درایوهای سرعت قابل تنظیم برای موتورها در پمپ های حرارتی مورد استفاده برای تهویه مطبوع اختراع شد. ترانزیستورهای موجود برای استفاده دست و پا گیر بودند و استحکام ضعیفی داشتند. من مجبور شدم مدیریت جنرال الکتریک را در مورد شایستگی ایده ام قانع کنم، حتی اگر هنوز دستگاه را نساخته بودم.
من یک پیشنهاد اساسی برای ساخت IGBT برای اولین بار در یک خط تولید ارائه کردم تا زمان انتقال از اختراع به محصول را در کمتر از یک سال در مقایسه با یک بازه زمانی معمولی پنج ساله کاهش دهم.
پروفسور بالیگا: “مهم ترین چالش برای صنعت نیمه هادی کاهش مداوم هزینه برای ساخت تراشه ها است.”
DCK: آیا میتوانید نحوه عملکرد IGBT و مکان استفاده از آن در سناریوهای دنیای واقعی را خلاصه کنید؟ مراکز داده چگونه از IGBT ها استفاده می کنند؟
پروفسور بالیگا: IGBT یک سوئیچ الکترونیکی است که انتقال نیرو را از فرمت آنالوگ به دیجیتال تبدیل می کند. با ترکیب عمل می کند فیزیک MOS با فیزیک دوقطبی در نیمه هادی ها برای اولین بار. در تمام بخش های اقتصادی کاربرد دارد.
در بخش کالاهای مصرفی، موتورها را در یخچال و تهویه مطبوع کار می کند. مشعل ها را در محدوده های مسطح کار می کند. موتورها را در ماشین لباسشویی و ماشین ظرفشویی اجرا می کند. وسایل کوچک مانند اجاق های توستر، میکسرها، غذاسازها و اتوهای بخار را کنترل می کند. در بخش صنعتی، ربات ها را در کارخانه ها راه اندازی می کند. موتورهایی را برای جابجایی سیالات راه اندازی می کند. و موتور را در کارخانه های نساجی و فولاد راه اندازی می کند.
در حمل و نقل، IGBT اجازه تجاری سازی خودروهای هیبریدی-الکتریکی و الکتریکی را داد. در بخش پزشکی، اسکنرهای اشعه ایکس، ام آر آی و سی تی را تامین می کند و دفیبریلاتورهای قابل حمل را فعال می کند. IGBT کاربردهای زیادی دارد.
مراکز داده هستند افزایش تقاضا برای انرژی الکتریکی. IGBT می تواند با انتقال نیرو از تولید انرژی خورشیدی و بادی به مراکز داده کمک کند. سلول های خورشیدی الکتریسیته DC تولید می کنند، در حالی که نیروی باد برق متناوب فرکانس متغیر تولید می کند. IGBT ها برای تبدیل آن به برق AC پایدار 60 هرتز برای استفاده در مراکز داده مورد نیاز هستند. سپس مراکز داده از اختراع ماسفت اسپلیت گیت من برای تحویل و توزیع نیرو در داخل آنها استفاده می کنند.
مراکز داده بزرگتر نیز به ذخیره انرژی بیشتری برای تامین برق بدون وقفه نیاز دارند. این را می توان با استفاده از نیروگاه آبی پمپ شده انجام داد. IGBT برای درایوهای موتور با سرعت قابل تنظیم مورد استفاده در این سیستم مورد نیاز است.
DCK: چگونه IGBT به نگرانی های جهانی در مورد محدودیت های برق، به ویژه با افزایش تقاضا برای انرژی در هر دو کاربرد مصرف کننده و صنعتی، رسیدگی می کند؟
پروفسور بالیگا: IGBT فناوری است که امکان افزایش بهره وری انرژی الکتریکی را فراهم می کند. با فعال کردن درایوهای موتور با سرعت قابل تنظیم، راندمان درایو موتور را تا 40٪ بهبود بخشید و با فعال کردن CFLها، کارایی روشنایی را تا 70٪ بهبود بخشید.
این باعث صرفه جویی 133000 تراوات ساعت در مصرف برق بین سال های 1990 تا 2020 شده است. امروزه تنها 50 درصد موتورها از درایوهای سرعت قابل تنظیم استفاده می کنند. افزایش این میزان به 100 درصد مزایای بیشتری را برای مصرف کنندگان و صنعت فراهم می کند.
IGBT برای استقرار تمام تولید انرژی های تجدیدپذیر ضروری است. سلول های خورشیدی الکتریسیته DC تولید می کنند. نیروی باد برق AC فرکانس متغیر تولید می کند. IGBT ها برای تبدیل آن به برق AC پایدار 60 هرتز برای استفاده در خانه ها و کارخانه ها مورد نیاز هستند. IGBT نقش اساسی در جایگزینی تولید برق مبتنی بر سوخت فسیلی با تولید انرژی های تجدیدپذیر ایفا می کند.
ترانزیستور دوقطبی گیت عایق (IGBT) توسط مراکز داده برای تبدیل برق DC به برق AC پایدار استفاده می شود.
DCK: شما همچنین نوآوری هایی مانند مفهوم بهبود اتصال کوتاه Baliga و ترانزیستور اثر میدان دو جهته ایجاد کرده اید. این فناوریها چگونه بر پایه IGBT بنا میشوند و چه پتانسیلی برای کاهش بیشتر مصرف انرژی در مکانهایی مانند مراکز داده دارند؟
پروفسور بالیگا: نوآوری های جدید من برای ایجاد جهش کوانتومی بعدی در فناوری دستگاه های نیمه هادی قدرت مورد نیاز است. من در سال 1979 جایگزینی سیلیکون با نیمههادیهای با شکاف گسترده را با استخراج شکل بالیگا (BFOM) پیشنهاد کردم. با استفاده از کاربید سیلیکون و نیترید گالیوم، عملکرد دستگاه قدرت را 1000 برابر افزایش داد.
پس از 30 سال تلاش برای بهبود کیفیت نیمه هادی ها، دستگاه های کاربید سیلیکون و نیترید گالیم اکنون به صورت تجاری در دسترس هستند. آنها در آینده جایگزین IGBT های سیلیکونی در خودروهای الکتریکی خواهند شد.
اختراع ترانزیستور اثر میدان دو جهته من (BiDFET) مبدلهای ماتریسی را قادر میسازد که نسبت به اینورترهای منبع ولتاژ موجود کارایی بالاتر، قابلیت اطمینان بهتر و اندازه کوچکتری دارند. کارشناسان الکترونیک قدرت بر این باورند که این یک پیشرفت بزرگ برای تحویل نیرو است. آنها می توانند برای تحویل انرژی خورشیدی در خانه ها، کارخانه ها و مراکز داده استفاده شوند.
DCK: به نظر شما، مهم ترین چالش های امروز در صنعت نیمه هادی چیست؟
پروفسور بالیگا: مهم ترین چالش برای صنعت نیمه هادی کاهش مداوم هزینه برای ساخت تراشه ها است. انتظار می رود مراکز داده با رونق هوش مصنوعی، مصرف انرژی الکتریکی بیشتری را طلب کنند. IGBT می تواند با انتقال انرژی از تولید انرژی خورشیدی و بادی به مراکز داده کمک کند.
مراکز داده بزرگتر نیز به ذخیره انرژی بیشتری برای تامین برق بدون وقفه نیاز دارند. این را می توان با استفاده از نیروگاه آبی پمپ شده انجام داد. IGBT برای درایوهای موتور با سرعت قابل تنظیم مورد استفاده در این سیستم مورد نیاز است.
آخرین اخبار سخت افزار مرکز داده را بیشتر بخوانید
DCK: به عنوان فردی که حرفه خود را وقف پایداری و بهره وری انرژی کرده است، چه توصیه ای به شرکت های فناوری می کنید که در تلاش برای کاهش اثرات زیست محیطی خود هستند؟
پروفسور بالیگا: توصیه من به شرکت ها این خواهد بود که شامل تاثیرات زیست محیطی هنگام تولید محصولاتشان. از درایوهای موتور با سرعت قابل تنظیم حتی اگر سرمایه گذاری اولیه بیشتر باشد به دلیل صرفه جویی طولانی مدت در هزینه برق و در عین حال کاهش انتشار دی اکسید کربن، استفاده کنید.
بخش زیرساخت دیجیتال می تواند به سمت پیشرفت حرکت کند پایداری با استفاده از منابع انرژی تجدیدپذیر
DCK: به نظر شما آینده پایداری در فناوری چیست؟ آیا روندها یا فناوری های نوظهوری وجود دارد که فکر می کنید در دهه آینده بازی را تغییر دهند؟
پروفسور بالیگا: من نسبت به جایگزینی سوخت های فسیلی با افزایش منابع انرژی تجدیدپذیر و وسایل نقلیه الکتریکی در آینده خوشبین هستم.
هزینه های انرژی های تجدیدپذیر در حال حاضر برابر با سوخت های فسیلی است و حتی ممکن است به زیر این آستانه مهم کاهش یافته باشد. این یک تغییر دهنده بازی است که می تواند سرمایه گذاری های عمده را در آینده تشویق کند.