elektronika daya
DESCRIPTION
IKHTISAR SAKLAR SEMIKONDUKTOR DAYATRANSCRIPT
BAB II
IKHTISAR SAKLAR SEMIKONDUKTOR DAYA
2.1 Pendahuluan
Piranti semikonduktor daya dapat diklasifikasikan menjadi tiga
kelompok besar sesuai dengan kemampuan kontrolnya yaitu :
1. Dioda : Keadaan ON (Panjar Maju) dan OFF (Panjar Mundur)
tergantung pada rangkaian daya.
2. Thyristors : Keadaan ON (ditentukan oleh sinyal input) dan
keadaan OFF oleh rangkaian daya.
3. Saklar Terkontrol : Keadaan ON dan OFF ditentukan oleh sinyal
input.
Saklar yang dapat dikontrol dapat diklasifikasikan pada beberapa
bentuk yaitu bipolar junction transistor (BJTs), metal-oxide-
semiconductor field effect transistors (MOSFETs), gate turn off (GTO)
thyristors, dan insulated gate bipolar transistors (IGBTs)
2.2 DIODA
Gambar 1, 2 dan 3 menunjukkan simbol rangkaian dioda, karakteristik
i-v dan karakteristik dioda ideal :
Gambar (1) Gambar (2) Gambar (3)
1
Ketika dioda dipanjar maju, maka dioda akan menghantar dengan
drop tegangan yang kecil, biasanya dalam orde 1 V. Ketika dioda di panjar
mundur, terdapat arus bocor yang kecil yang mengalir. Ini terjadi saat
dioda belum breakdown. Pada kondisi normal, tegangan panjar mundur
tidak sampai merusak dioda (breakdown). Pada gambar 3 merupakan
keadaan ideal dari dioda. Kondisi panjar maju tidak ada drop tegangan
yang melintasi dioda sehingga grafik berada pada arus (v = 0) dan pada
kondisi panjar mundur tidak ada arus bocor ( I bocor = 0).
Berdasarkan aplikasinya maka dioda dapat dibedakan atas :
1. Dioda Schottky : Dioda ini digunakan pada tegangan panjar
mundur yang rendah ( sekitar 0.3 V) dibutuhkan untuk rangkaian
yang mempunyai tegangan yang rendah.
2. Fast-Recovery Dioda : Digunakan pada rangkaian dengan
frekuensi tinggi.
3. Line-Frequency Dioda : Dioda ini dapat membloking tegangan
hingga beberapa kilovolt dan membloking arus hingga beberapa
kiloamper.
2.3 THYRISTORS
Gambar (4) Gambar (5) Gambar (6)
2
Simbol rangkaian thyristor dan karakteristik tegangan-arus terdapat
pada gambar 4 dan 5. Arus utama mengalir dari anoda (A) ke katoda (K).
Pada keadaan Off thyristor dapat menghambat tegangan maju dan tidak
menghantar. Thyristor dapat terpicu menjadi keadaan On dengan
menginjeksikan pulsa dengan gerbang positif dengan durasi yang cepat.
Karakteristik thyristor saat terpicu pulsa pada gerbang G terlihat pada
gambar 6.
Gambar (7) Gambar (8)
Gambar (9)
3
Pengontrolan dapat dilakukan pada siklus positif dari sumber. Ketika
arus thyristor menjadi panjar mundur dengan sendirinya terjadi pada
tegangan sumber menjadi negatif. Arus thyristor ideal menjadi nol ketika
waktu t = ½ T seperti yang ditunjukkan gambar (9).
Berdasarkan kebutuhan aplikasinya maka thyristor dibedakan atas :
1. Phase-Control Thyristor : Disebut juga Converter thyristor,
digunakan sebagai penyerah tegangan dan arus frekuensi-saluran,
seperti pada motor DC dan AC serta saluran transmisi tegangan
tinggi DC.
2. Inverter-grade thyristor. Dirancang dengan waktu turn off yang
kecil dan tegangan forward yang kecil.
3. Light-actived thyristor . Dapat dipicu dengan pulsa cahaya dengan
fiber-optic dengan daerah sensitive pada thyristor. Thyristor ini
digunakan pada saluran transmisi tegangan tinggi DC dimana
beberapa tyristor diserikan untuk menjadikan sebuah katup
converter.
2.4 KARAKTERISTIK SAKLAR TERKONTROL
Beberapa piranti elektronika daya seperti BJTs, MOSFETs, GTOs,
dan IGBTs dapat didalam kondisi On atan Off dengan sinyal terkontrol
dari gerbang sinyal kontrol. Piranti Saklar Terkontrol dilambangkan pada
gambar (10) Tidak ada arus mengalir ketika saklar off dan ketika on maka
arus mengalir dalam hanya dalam arah arus. Saklar terkontrol ideal
memiliki karakteristik sebagai berikut :
4
1. Karakteristik panjar maju yang bagus dan panjar mundur dengan
tidak arus yang mengalir saat panjar mundur.
2. Tidak ada jatuh tegangan saat kondisi On.
Gambar (10)
3. Pensaklaran dari keadaan on ke off atau sebaliknya secara cepat
ketika dipicu.
4. Membutuhkan daya yang kecil saat beroperasi.
Kondisi nyata tidak memiliki keadaan diatas dan memerlukan daya
yang besar jika diterapkan dalam aplikasi yang besar. Jika piranti ini
menyerap terlalu banyak daya, piranti ini akan rusak dan tentu saja
merusak sistem. Dalam rangka untuk memperhitungkan daya yang
diserap, saklar terkontrol terdapat pada gambar berikut :
Gambar (11)
5
Gambar (12)
Energi yang diserap saat turn on dinyatakan dengan :
(1)
Energi yang diserap saat kondisi rentang on :
(2)
Harga tertinggi dari pensaklaran tegangan dan arus terjadi pada
interval :
(3)
Energi yang diserap selama kondisi turn off :
(4)
6
Daya pensaklaran rata rata dapat dituliskan sebagai berikut :
(5)
Energi saat pensaklaran On :
(6)
Dari pembahasan diatas maka karakteristik dari saklar terkontrol dapat
dinyatakan sebagai berikut :
1.Arus bocor yang kecil saat kondisi Off
2.Tegangan yang kecil saat kondisi ON
3.Waktu On dan Waktu Off yang pendek. Berguna untuk proses
pensaklaran frekuensi tinggi.
4. Bloking panjar maju dan mundur yang besar.
5. Rating arus kondisi on yang besar
6. Koefisien temperatur yang besar saat resistansi on.
7. Daya yang diserap kecil untuk pengoperasian turn on atau turn off.
8. Tegangan ketahanan yang bagus saat kondisi On atau Off.
9. Rating dv/dt dan di/dt yang besar.
2.5 BIPOLAR JUNCTION TRANSISTORS DAN MONOLITHIC
DARLINGTONS
Simbol rangkaian untuk NPN BJT ditunjukkan pada gambar 13 dan
kondisi steady-state i-v pada gambar 14 dan karakteristik ideal pada
7
gambar 15. Untuk BJT diperlukan arus basis yang besar seperti persamaan
(7) :
(7)
Kondisi On tegangan VCE (jenuh) dari transistor daya biasanya 1-2
V, jadi rugi daya pada BJT relatif kecil.
Rangkaian Darlington pada satu chip ( a Monollithic Darlington
MD), BJTs mempunyai waktu penyimpanan selama waktu turn off.
Gambar (13) Gambar (14) Gambar (15)
Gambar (16)
Gambar (17)
Gambar (16) rangkaian Darlington (17) rangkaian triple Darlington
8
2.6 METAL-OXIDE-SEMICONDUCTOR FIELD EFFECT
TRANSISTORS
Simbol dari n channel MOSFET ditunjukkan pada gambar 18. Piranri
ini merupakan piranti kontrol tegangan yang ditunjukkan oleh
karakteristik i-v pada gambar 19, karakteristik ideal dari rangkaian
ditunjukkan pada rangkaian gambar 20.
MOSFET diaplikasikan untuk rangkaian dengan frekuensi
tinggi.dalam orde nano sekon. Hambatan kondisi On
yang dinyatakan dalam perunit area. k merupakan konstanta tergantung
dari geometri piranti.
Gambar (19) Gambar (20) Gambar (21)
2.7 GATE-TURN-OFF THYRISTORS
Simbol GTO terlihat pada gambar 22 dan karakteristik i – v steady
state terlihat pada gambar 23. Seperti thyristor GTO dapat on dengan pulsa
gerbang yang pendek. Bagaimanapun tidak seperti thyristor, GTO dapat
turn off dengan mengnegatifkan tegangan gerbang, karena arus yag
mengalir sangat negatif. Arus negatif hanya mengalir dalam waktu
beberapa mikrosekon, tetapi dalam magnituda yang besar. Biasanya dalam
9
sepertiga arus anoda . GTO dapat memblok tergantung pada rancangan
GTO tersebut. Rangkaian Snubber bertujuan untuk meredam lonjakan arus
dan tegangan saat proses pensaklaran seperti yang terlihat pada gambar
25 dan 26.
Gambar (22) Gambar (23) Gambar (24)
Gambar (25)
Gambar (26)
2.8 INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR
IGBT memiliki beberapa keuntungan dari pada MOSFET, BJT, dan
GTO. Sama seperti MOSFET, IGBT memiliki impedansi gerbang yang
10
tinggi yang menyerap energi yang rendah selama proses pensaklaran.
IGBT memiliki waktu turn on dan turn off dalam 1 mikrosekon. Rating
tegangan 2 – 3 kV. MCT (MOS-Controlled Thyristor) merupakan tipe
terbaru dari IGBT dengan dua jenis yaitu P MCT dan NMCT.
Gambar (27) Simbol IGBTGambar (28) Simbol IGBT
Gambar (29) karakteristik i-v Gambar (30) karakteristik ideal
Gambar (31) P MCT Gambar (32) N MCT
11
Gambar (33) Karakteristik i-vGambar (34)
2.9 PERBANDINGAN DARI SAKLAR TERKONTROL
Observasi secara kualitatif tentang perbandingan beberapa piranti
elektronika daya dapat dilihat dari tabel berikut :
Piranti Kemampuan Daya Kecepatan Pensaklaran
BJT/MD Sedang Sedang
MOSFET Rendah Cepat
GTO Tinggi Lambat
IGBT Sedang Sedang
MCT Sedang Sedang
12
Gambar (35) Ringkasan dari kemampuan piranti elektronika daya
13