BAB 1 KOMPONEN SEMIKONDUKTOR DAYA

Transkripsi

1 BAB 1 KOMPONEN SEMIKONDUKTOR DAYA 1-1 Pendahuluan Aplikasi komponen semikonduktor daya dalam bidang sistem tenaga elektrik sudah berkembang cukup cepat dan lebih canggih. Pada sistem tenaga elektrik, terdapat aplikasi komponen semikonduktor yang umumnya dipakai dalam rangkaian pengaturan kecepatan motor-motor elektrik. Komponen-komponen semikonduktor yang dipakai pada sistem tenaga elektrik ini pada prinsipnya harus mampu menghasilkan daya yang besar atau mampu menahan disipasi daya yang besar. Elaktronika daya meliputi pensaklaran (switching), pengontrolan dan pengubah (konversi) blok-blok yang besar dari daya elektrik dengan menggunakan sarana peralatan semi konduktor. Dengan demikian elektronika daya secara garis besar terbagi menjadi 2 bagian seperti yang ditunjukkan pada gambar 1-1 : 1. Rangkaian daya. 2. Rangkaian kontrol. Gambar 1.1 Kedua rangkaian tersebut banyak menggunakan peralatan-peralatan semikonduktor. Rangkaian daya terdiri atas : Diode, thyristor dan transistor daya; sedangkan

2 rangkaian kontrol terdiri atas : Dioda, Transistor dan rangkaian terpadu (Integrated Circuit - IC). Dengan menggunakan peralatan-peralatan yang serupa keandalan dan kompatibilitas dari perlengkapan (sistem) akan dapat lebih baik. Elektronika daya merupakan bagian yang penting dalam industri-industri dan dengan mudah dapat dilihat aplikasinya pada tempat-tempat yang cukup penting dari teknologi modern, seperti pada produk-produk daya tinggi yang mancakup pengendalian suhu, pengontrolan pencahayaan, pengendalian kecepatan motor, dan sistem-sitem tegangan tinggi dc (HVDC). Tabel 1-1 memperlihatkan beberapa aplikasi dari elektronika daya. Sejak pertama kali Silicon Controlled Rectifier (SCR) diperkenalkan dan dikembangkan akhir 1957, banyak keuntungan-keuntungan dalam aplikasinya. Sampai dengan tahun 1970-an thyristor konvensional pemakaiannya hanya terbatas pada aplikasi-aplikasi dalam industri saja, kemudian dalam pengembangannya tersedia thyristor yang diaplikasikan dalam bidang komersial Secara garis besar komponen semikonduktor daya dibagi menjadi 5 tipe : Power Diode 1. Thyristor 2. Power Bipolar Junction Transistor (BJT) 3. Power MOSFET 4. Insulateg-gate Bipolar Transistor (IGBT) dan Static-Induction Transistor (SIT). Thyristor dapat dibagi lagi menjadi 8 tipe : a) Force-commutated thyristor b) Line-commutated thyristor c) Gate-turn-off thyristor (GTO) d) Reverse-conducting thyristor (RCT) e) Static-conducting thyristor (SITH) f) Gate-assited turn-off thyristor (GATT) g) Light-activated silicon-controlled rectifier (LASCR) h) MOS-controlled thyristor (MCT)

3 Tabel 1-1 Beberapa Aplikasi Elektronika Daya Advertising Magnets Air conditioning Mass transits Aircraft power supplies Mercury-arc lamp ballasts Alarms Mining Appliances Model trains Audio amplifiers Motor controls Battery charger Motor drives Blenders Movie projectors Blowers Nuclear reactor control rod Boilers Oil well drilling Burglar alarms Oven controls Cement kiln Paper milis Chemical processing Particle accelerators Clothes dryers People movers Computers Phonographs Conveyers Photocopies Cranes and hoists Photographic supplies Dimmers Power supplies Displays Printing press Electric blankets Pumps and compressors Electric door openers Radar/sonar power supplies Electric dryers Range surface unit Electric fans Refrigerators Electric vehicles Regulators Electromagnets RF amplifiers Electromechanical Security systems electroplating Electronic ignition Servo systems

4 Electrostatic precipitators Elevators Fans Flashers Food mixers Food warmer trays Forklift trucks Furnaces Games Sewing machines Solar power supplies Solid-stale contactors Solid-state relays Space power supplies Static circuit breakers Static relays Steel mills Synchronous machine starting Rating daya dari komponen semikonduktor daya yang tersedia secara komersial ditunjukkan pada tabel 1-2. Tabel 1-2 Rating Upper On-state Voltage/current frequency Switching resistance Type rating (Hz) lime (MS) (ft) Diodes General purpose 5000 V/5000 A Ik m High speed 3000 V/1000 A 10k 2-5 1m Schottky 40 V/60 A 20k m Forced-turnedoff Reverse blocking 5000 V/5000 A Ik m thyristors High speed 1200 V/1500 A 10k m Reverse blocking 2500 V/400 A 5k m Reverse conducting 2500 V/1000 A 5k m GATT 1200 V/400 A 20k m Light triggered 6000 V/1500 A m TRIACs 1200 V/300 A m Self-turned-off GTO 4500 V/3000 A 10k m thyristors SITH 4000 V/2200 A 20k m

5 Power Single 400 V/250 A 20k 9 4m transistors 400 V/40 A 20k 6 31m 630 V/50 A 25k m Darlington 1200 V/400 A 10k 30 10m Sirs 1200 V/300 A 100k Power Single 500 V/8.6 A 100k MOSFETS 1000 V/4.7 A 100k V/50 A 100k m IGBTs Single 1200 V/400 A 20k m MCTs Single 600 V/60 A 20k m Gambar 1-1 memperlihatkan aplikasi dan daerah frekuensi dari komponen semikonduktor daya. Gambar 1-1 Aplikasi komponen semikonduktor daya

6 1-2 Diode Daya (Power Diode) Diode adalah merupakan sebuah saklar elektronik yang tidak terkontrol, dimana kondisi nyala dan padam-nya sangat tergantung pada arus dan tegangan dari rangkaian dimana diode tersebut dihubungkan. Diode sebenarnya tidak lebih dari sambungan-pn (pn-junction) yang melewatkan arus satu arah dan menahan (bloking) arus arah balik. Oleh karenanya diode banyak digunakan sebagai penyearah, yaitu mengubah arus bolak-balik (AC) menjadi arus searah (DC) Dalam kebanyakan aplikasi diode daya dapat diasumsikan sebagai saklar ideal tetapi dalam prkateknya diode berbeda dengan karakteristik ideal dan memiliki batasan yang cukup berarti. Diaode daya mirip dengan diode sinyalpn-junction. Diode daya memilki daya yang besar, kemampuan menangani tegangan dan arus yang lebih besar dibanding diode sinyal, respons frekuensi (kecepatan switching) lebih rendah dibandingkan diode sinyal Karakteristik Diode Diode daya adalah komponen sambungan-pn (pn-junction) dua terminal dan sebuah pn-junction yang terbentuk dari penumbuhan, difusi, dan epiktasial. Gambar 1-2 menunjukkan pandangan sebagian dari sebuah pn-junctiondan simbol diode. Gambar 1-2 Sambungan-pn dan simbol diode Ketika potensial anode (A) lebih positif dari katode (K). diode terbias maju sehingga diode konduksi. Diode yang konduksi mempunyai drop tegangan maju yang relatif kecil, dan besarnya tergantung pada proses manufakturnya dan temperatur junction. Kemudian pada saat potensial katode lebih positif terhadap anode, diode terbias mundur dan padam.

7 Dalam kondisi tersebut, arus mundur yang kecil (disebut arus bocor) dalam daerah mikro atau miliampere mengalir dan arus bocor ini akan berubah secara perlahan sesuai dengan peningkatan tegangan hingga tegangan zener atau avalanche tercapai. Gambar l-3a menunjukkan karakteristik v-i diode. Untuk keperluan praktis, diode dianggap sebagai sebuah saklar ideal, yang karakteristiknya ditunjukkan pada gambar l-3b. Dalam karakteristik v-i tersebut dapat dinyatakan dengan sebuah persamaan yang dikenal sebagai persamaan diode Schokley, diberikan oleh : (1-1) dimana : I D = arus yang melalui diode, A V D = tegangan diode dengan anode lebih positif terhadap katode, V I s = arus bocor (saturasi balik), umumnya 10-6 hingga n = konstanta empiris yang dikenal sebagai faktor idealitas atau koefisien emisi yang nilainya antara 1 hingga 2. Koefisien emisi n tergantung pada material dan kondisi fisik diode. Untuk diode germanium, n bernilai 1, dan untuk diode silikon nilai prediksi n adalah 2. Tetapi untuk kebanyakan diode silikon dalam prakteknya nilai n berada dalam daerah 1,1 hingga 1.8. V T dalari persamaan (1-1) disebut konstanta tegangan termal dan diberikan oleh persamaan: (1-2)

8 dimana : q = muatan elektron, 1,6022 x coulomb (C) T = temperatur absolut dalam Kelvin (K = C) k = konstanta Boltzmann : 1,2806 x J/K pada temperatur junction 25 C memberikan : Pada temperatur khusus, arus bocor I s konstan untuk diode tertentu. Karakteristik diode pada gambar l-3a dapat dibagi menjadi tiga wilayah: Wilayah bias maju, dengan V D > 0 Wilayah bias mundur, dengan V D < 0 Wilayah breakdown, dengan V D < -V ZK. Wilayah bias maju. Pada wilayah bias maju, V D > 0. Arus diode I D sangat kecil bila tegangan diode V D kurang dari nilai spesifik V TD (umumnya 0,7 V). Diode akan konduksi penuh bila V D lebih besar dari nilai V TD tersebut, yang direferensikan pada tegangan batas (threhold voltage) atau tegangan cut-in atau tegangan turn-on. Sehingga tegangan batas adalah tegangan ketika diode konduksi penuh. Sebagai contoh misalkan tegangan diode kecil V D = 0,1 V, n = 1, dan V T = 25,8 mv. Maka dengan menggunakan persamaan (1-1) dapat diperoleh arus diode I D sebagai berikut dengan kesalahan 2,1%. Sehingga untuk V D > 0,1 V, yang merupakan kasus umumnya, I D >> I S, dan persamaan (1-1) dapat didekati dalam kesalahan 2,1% dengan (1-3) (1-4)

9 Wilayah bias mundur. Dalam wilayah bias mundur, Vd < 0. Bila VD negatif dan \V D \» V T, dengan kejadian V D < -0,1, maka bagian eksponensial pada persamaan (1-1) diabaikan dan arus diode I D menjadi yang menunjukkan bahwa arus diode ID arahnya membalik dan konstan yang nilainya sama dengan I s. Wilayah breakdown. Dalam wilayah breakdown, tegangan baliknya tinggi, biasanya lebih besar dari 1000 V. Besarnya tegangan balik pada suatu nilai tertentu disebut dengan tegangan breakdown (breakdown voltage), V BR. Kenaikan arus balik yang secara cepat dengan perubahan kecil pada pada tegangan balik, V BR. Operasi pada wilayah breakdown tidak akan merisak selama disipasi daya masih dalam tingkat aman yang ditentukan oleh lembar data pabrik. Meskipun demikian perlu untuk membatasi arus balik diwilayah breakdown agar membatasi disipasi daya dalam nilai yang diizinkan. Contoh 1-1 Tegangan jatuh maju sebuah diode daya adalah V D = 1,2 V pada I D = 300 A. Dengan asumsi n = 2 dan V T = 25,8 mv, carilah arus saturasi I s. Solusi : Dengan menggunakan persamaan (1-1). Dapat diperoleh arus bocor (atau saturasi) I s dari yang memberikan I s = 2,38371 x 10-8 A Karakteristik Pemulihan Balik (Reverse Recovery). Arus pada junction diode bias maju tergantung pada pengaruh pembawa mayoritas dan minoritas. Pada saat diode kodisi konduksi maju dan arus majunya diturunkan hingga menjadi nol (karena perilaku alamiah rangkaian diode atau dengan menerapkan tegangan balik), diode terus konduksi karena pembawa minoritas yang

10 tersisa tersimpan dalam pn junction dan material semikonduktornya. Pembawa minoritas memerlukan waktu yang cukup untuk menyusun ulang untuk pengisian balik dan untuk dinetralkan. Waktu ini disebut reverse recovery time (waktu pemulihan balik) diode. Gambar 1-4 menunjukkan dua karakteristik pemulihan balik dari diode junction. Tipe pemulihan lunak (soft recovery) yang paling umum. Waktu pemulihan balik dinotasikan dengan t rr yang diukur dari awal pemotongan titik nol (initial zero crossing) arus diode hingga 25% arus balik puncak, I RR. t a terdiri dari dua komponen t a dan t b, t a karena pengisian komponen penyimpan di wilayah depleksi dari junction dari mereprensentasikan waktu antara zero crossing dengan arus balik puncak, I RR, sedangkan t b karena pengisian komponen penyimpan dalam bagian terbesar material semikonduktor. Perbandingan t a /tb dikenal dengan faktor kelunakan (softnes factor), SF. Waktu pemulihan total dan nilai puncak arus balik puncak I RR T RR = T A + T B (1-5) (1-6) Reverse recovery time t rr, dapat didefmisikan sebagai interval waktu antara arus yang melewati titik nol selama pengalihan dari konduksi maju ke kondisi bloking balik dan momen arus mundur kehilangan 25% nilai puncak balik i RR. t RR tergantung pada temperatur junction, tingkat jatuhnya arus maju, dan arus maju sebelum komutasi.

11 Reverse recovery charge Q RR, adalah pembawa pengisian yang mengalir melalui diode dengan arah berlawanan karena pengambil alihan dari konduksi maju ke konduksi bloking balik. Nilainya ditentukan dari wilayah yang dicakup oleh arah dari arus pemulihan balik. Pengisian penyimpan, yang wilayahnya dicakup oleh arah arus pemulihan, didekati dengan (1-7) Atau (1-8) Dengan menyelesaikan persamaan (1-6) dengan persamaan (1-8) menghasilkan (1-9) Jika t b bisa diabaikan dibandingkan t a, yang sering terjadi dalam banyak kasus t rr t a dan persamaan (1-9) menjadi (1-10) dan (1-11) Dari persamaan (1-10) dan (1-11) dapat dinyatakan bahwa waktu pemulihan balik t rr dan arus pemulihan balik puncak I RR tergantung dari pengisian penyimpan Q RR dan di/dt balik. Pengisian penyimpan tidak tergantung pada arus diode maju I f. Arus puncak pemulihan balik I RR, pengisisn balik Q RR, dan faktor kelunakan penting

12 diperhatikan bagi para perancang rangkaian, dan data ini terdapat pada lembar data diode. Jika sebuah diode dalam kondisi bias balik, arus bocor mengalir karena pembawa minoritas. Kemudian dengan memberikan tegangan maju akan memaksak diode membawa arus kearah maju. Namun demikian, haltersebut memerlukan waktu tertentu, yang dikenal dengan waktu pemulihan maju (forward recovery or turn-on time) sebeleum semua pembawa mayoritas melalui semua junction dapat mengkontribusikan pada aliran arus. Jika tingkat kenaikan arus tinggi dan arus maju dikonsentrasikan pada bagian junction yang kecil saja, diode mungkin gagal konduksi. Sehingga waktu pemulihan maju membatasi tingkat kenaikan arus maju dan kecepatan switching. Contoh 1-2 Waktu pemulihan balik sebuah diode t rr = 3 detik dan tingkat jatuhnya arus diode di/dt = 30 A/(adetik. Tentukan (a) pengisian penyimpan Q RR, dan (b) arus balik puncak I RR. SOLUSI : T RR = 3 di/dt = 30 A/µdetik (a) Dari persamaan (1-10) (b) Dari persamaan (1-11) Tipe Power Diode

13 Secara ideal sebuah diode seharus tidak mempunyai waktu pemulihan balik. Olehkarenanya pembuatan diode semacam itu sangat mahal. Pada kebanyakan aplikasi, pengaruh dari waktu pemulihan balik tidak terlau penting, sehingga diode murang dapat digunakan. Tergantung pada karakteristik pemulihan dan teknik pembuatan, diode daya dapat diklasifikasikan dalam tiga kategori. 1. Diode standar atau diode umum (general purpose) 2. Diode pemulihan-cepat (Fast-recovery diode) 3. Diode Schottky Diode standar Diode penyearah standar mempunyai waktu pemulihan balik yang relatif tinggi, biasanya sekitar 25 µdetik, dan digunakan pada aplikasi kecepatan rendah, yang waktu pemulihannya tidak kritis. Diode ini mencakup tingkatan arus kurang dari 1 A hingga beberapa ribu ampere, dengan tingkat tegangan antara 50 V hingga sekitar 5 kv. Diode ini secara umum dibuat secara difusi. Akan tetapi pemakaian pada penyearah yang digunakan untuk suplai pengelasan paling efektif pembiayaannya, kasar, dan mempunyai tingkat kemampuan hingga 300 A dan 1000 V. Diode pemulihan cepat Diode pemulihan cepat mempunyai waktu pemulihan paling rendah umumnya kurang dari 5 µdetik. Digunakan untuk rangkaian konverter dc-dc dan dc-ac, yang memerlukan kecepatan pemulihan yang tinggi. Diode ini mencakup tingkat arus mulai kurang dari 1 A hingga ratusan ampere, dengan tingkat tegangan mulai 50 V hingga 3 kv. Untuk tingkat tegangan diatas 400 V, diode ini dibuat melalui difusi dan waktu pemulihan diatur oleh difusi platina atau emas. Untuk tingkat tegangan dibawah 400 V, diode epitaksi lebih cepat dibanding diode difusi. Diode pemulihan cepat mempunyai lebar basis yang lipis, yang menghasilkan wcaktu pemulihan ulang kurang dari 50 ndetik.

14 Diode Schottky Masalah penyimpanan muatan pada pn-juntion dapat dihilangkan (atau diminimalkan) dalam diode Schottky. Diode Schottky mempunyai drop tegangan relatif rendah dan arus bocornya lebih tinggi dari pada diode biasa serta tegangan konduksi yang relatif rendah. Akan tetapi tegangan yang diijinkan secara umum terbatas hingga 100 V dan kapasitas arusnya antara 1 A hingga 300 A. Oleh karenanya diode Schottky ideal digunakan pada chopper-dc suplai tegangan rendah dan arus rendah sehingga dapat menaikkan efisiensi Pengaruh Waktu Pemulihan Maju dan Balik Pentingnya parameter ini dapat dijelaskan pada gambar l-5a. Jika saklar SW dinyalakan pada t = 0 dan dibiarkan cukup lama, arus tunak I 0 = V s /R akan mengalir melalui beban dan diode freewheeling D m akan terbias balik. Jika saklar SW dipadamkan pada t = t 1, diode D m akan konduksi dan arus beban akan mengalir melalui D m. Kemudian saklar dinyalakan kembali pada t = t 2, diode D m akan menghubungkan singkat rangkaian. Tingkat kenaikan arus maju saklar (diode D j ) dan tingkat jatuhnya arus maju diode D m akan sangat tinggi, menuju tak terhingga. Menurut persamaan (1-11), arus balik puncak diode D m dapat menjadi sangat tinggi, sehingga diode Di dan D m mungkin akan rusak. Gambar l-4b menunjukkan variasi bentuk gelombang untuk arus diode. Masalah tesebut dapat diatasi dengan memasangkan sebuah induktor pembatas di/dt, L s seperti pada gambar l-6a. Diode membutuhkan waktu nyala tertentu sebelum keseluruhan wilayah junction menjadi konduktif dan di/dt harus dijaga rendah untuk mendapatkan batas waktu nyala. Waktu itu biasanya disebut waktu pemulihan maju (forward recovery time t rf ).

15 Gambar 1-5 Rangkaian Chopper tanpa induktor pembatas di/dt Laju kenaikan arus melalui diode D 1, yang harus sama dengan laju jatuhnya arus melalui diode D m, adalah (1-12) Bila t rr adalah waktu pemulihan balik D m, arus balik puncak D m adalah (1-13)

16 Dan arus puncak yang melalui induktor L s adalah (1-14) Gambar 1-6 Rangkaian chopper d.engan induktor pembatas di/dt Ketika arus induktor menjadi I p, diode D m padam secara tiba-tiba (asumsikan pemulihan mendadak) dan memutuskan jalur aliran arus. Karena induktansi beban cukup tinggi, maka arus beban tidak dapat berubah dengan tiba-tiba dari I 0 manjadi

17 I p. Kelebihan energi yang tersimpan dalam L s dapat menginduksikan tegangan balik yang tinggi pada D m, hal ini dapat merusakkan diode D m. Kelebihan energi yang tersimpan menghasilkan waktu pemulihan balik yang diperoleh dari Bentuk gelombang untuk bermacam-macam arus ditunjukkan pada gambar l-6b. Kelebihan energi ini dapat ditransfer dari induktor L s ke kapasitor C s yang terhubung paralel dengan D m. Nilai C s dapat ditentukan dan Atau 1-17 dimana V c adalah tegangan balik diode yang diijinkan. Resistor R s, yang ditunjukkan pada gambar 1-6a daiam garis putus-putus, terhubung seri dengan kapasitor untuk meredam osilasi yang terjadi. Persamaan (1-17) adalah pendekatan dan tidak masuk dalam perhitungan pengaruh L s dan R s selama transien pada saat transfer energi. 1-3 Thyristor Thyrislor adalah salah satu tipe komponen semikondukstor daya yang paling penting dan telah digunakan secara intensif pada rangkaian elektronika daya. Thyristor biasanya digunakan sebagai saklar /bislabit, yang operasinya antara keadaan non konduksi dan konauksi. Pada banyak aplikasi, thyristor dapat diasumsikan sebagai saklar ideal akan tetapi dalam prakteknya thyristor memilki batasan dan karakteristik tertentu Karakteristik Thyristor

18 Thyristor merupakan komponen empat lapis berstruktur pnpn dengan tiga pnjunction. Komponen ini mempunyai tiga terminal: Anode; Katode dan Gate. Gambar 1-7 memperlihatkan simbol thyristor dan bagan dari tiga pn-junction. Thyristor dibuat melalui difusi. Pada saat tegangan terminal anode dibuat lebih positif terhadap tegangan katode, junction J 1 dan J 3 berada pada kondisi forward bias, dan junction J 2 berada pada konaisi reverse bias, sehingga akan mengalir arus bocor yang kecil antara anode dan katode. Pada kondisi ini thyristor dikatakan pada kondisi forward blocking atau kondisi off-stale dan alus bocor ini aikenal sebagai arus off-state ID. Jika tegangan antara anode dan katode V AK dinaikkan hingga pada nilia tertentu, junction J 2 akan bocor. Hal ini disebut avalanche breakdown dan tegangan VAK tersebut dikenal sebagai forward breakdown voltage, V BO. Karena J 1 dan J 3 sudah berada pada kondisi forward bias, maka akan terdapat lintasan pembawa inuatan bebas melewati ketiga junction, yang akan menghasilkan arus anode yang besar. Thyristor pada kondisi ini disebut dalam keadaan konduksi atau keadaan nyala. Tegangan jatuh yang terjadi akibat resistansi antara empat lapis dan biasanya cukup kecil sekitar 1 V. Pada saat konduksi arus anode dibatasi oleh resistansi atau impedansi luar, RL seperti terlihat pada gambar l-8a. Arus anode harus lebih besar dari suatu nilai yang disebut latching current I L agar diperoleh cukup banyak aliran pembawa muatan bebas yang melewati junction-junction, jika tidak demikian maka akan kembali ke kondisi blocking ketika tegangan anode ke katode berkurang. Latching current II adalah arus anode minimum yang diperlukan agar dapat membuat thyristor tetap pada kondisi nyala walaupun sinyal gale sudah dihilangkan. Gambar 1-8b menunjukkan karakteristik v-i suatu thyristor pada umumnya. Cambar 1-7 Simbol thyristor dan tiga/w-junction

19 Ketika berada pada kondisi nyala, thyristor akan bertindak seperti diode yang tidak dapat dikendalikan. Akan tetapi, jika arus maju anode berada dibawah suatu tingkatan yang disebut dengan holding current I H, maka thyristor akan berada pada kondisi blocking. Holding current berada pada orde miliampere dan lebih kecil dari lacthing current I L (I H > I L ). Holding current I H adalah arus anode minimum untuk mempertahankan thyristor pada kondisi nyala. Ketika tegangan katode lebih positif dari anode, junction J 2 forward bias, akan tetapi junction J 1 dan J 3 akan reverse bias. Maka thyristor akan berada pada kondisi reverse blocking dan arus bocor reverse yang disebut reverse current I R akan mengalir melalui komponen. Gambar 1-8 Rangkaian thyristor dan karakteristik v-i Thyristor akan dapat ainyaiakan dengan menaikkan tegangan maju V AK diatas V BO, akan tetapi kondisi ini bersifat merusak. Dalam prakteknya, tegangan maju harus dipertanankan dibawan VBO dan thyristor dinyalakan dengan memberikan tegangan positif antara gate dengan katode. Hal ini diperiihatkan pada gambar 4-2b dengan

20 garis putus-putus. Begitu tnyristor dinyalakan dengan sinyal gate itu dan arus anode lebih besar dari arus holding, maka thyristor akan konduksi, dan bahkan bila sinyal gate dihilangkan tnyristor masin tetap konduksi (dikategorikan sebagai komponen latching) Model Thyristor Aksi regeneratif afau latching akibat dari feedback positif dapat diperhatikan dengan menggunakan model thyristor dengan dua transistor. Thyristor dapat dianggap sebagai dua transistor yang komplementer, satu pnp, Q 1 dan yang lain npn, Q 2 seperti pada gambar l-9a. Arus koiektor I c dari thyristor secara umum berkaitan dengan arus emitor I E dan arus junction kolektor-basis I CBO adalah Gambarl-9 Model thyristor dengan aua rrasistor I c = αi E + I CBO (1-18) dan penguatan arus common-base yang didefinisikan sebagai α = I C /I E. Pada transistor Q 1, arus emitor adalah arus anode 1 A, dan arus kolektor I c1 dapat diperoleh dari persamaan (1-18) I c1 = α 2 I k + I CBO1 (1-19) Dengan α 1 adalah penguatan arus dan I CBO adalah arus bocor dari Q 1. Pada transistor Q 2, arus kolektor I c2 adalah

21 I c2 = α 2 I k + I CBO2 (1-20) Dengan α 1 adalah penguatan arus dan I CBO2 adalah arus bocor dari Q 2. Dengan mengkombinasikan I c1 dan I c2, diperoleh I A = I c1 + I c2 = α 1 I A + I CBO1 + α2i K + I CBO2 (1-21) Tetapi untuk arus gate I G, I K = I A + I G dan dengan menggunakan persamaan (1-21), akan diperoleh I A adalah (1-22) Penguatan arus α 1 bervariasi sesuai aengan 1 A = I E, dan α 2 bervariasi sesuai dengan I = K I A + I G. Variasi yang umum penguatan arus α dengan arus emitor I E ditunjukkan pada gambar I-10. Jika arus gate I G tiba-tiba meningkat, misalnya dari 0 ke 1 ma, akan menaikkan arus anode 1A secara tiba-tiba juga, selanjutnya α 1 dan α 2 akan meningkat, α 2 akan bergantung pada I A dan 1Q. Peningkatan α 1 dan α 2 akan meningkatkan lebih jauh I A. Sehingga ada pengaruh regeneratif atau feedback positif. Bila (α 1 + α 2 ) cenderung akan menuju liarga satu, maka penyebut persamaan (1-22) akan cenderung mendekati nol, yang menghasilkan nilai arus anode I A yang besar, dan thyristor akan konduksi dengan arus gerbang yang kecil. Gambar 1-10 Variasi penguatan anis yang umum terhadap arus emitor Pada kondisi transien, kapasitansi pn junction seperti pada gambar 1-11 akan mempengaruhi karakteristik thyristor. Jika thyristor berada dalam keadaan blocking, peningkatan tegangan dengan cepat yang diberikan sepanjang komponen akan (1-23)

22 mengakibatkan aliran arus yang besar ke junction kapasitor. Arus yang melalui kapasitor Cj2 dapat dinyatakan sebagai dimana C j2 dan V j2 adalah kapasitansi dan tegangan dari junction J 2, q j2 adalah muatan pada junction tersebut. Jika kecepatan peningkatan tegangan dv/dt cukup besar, maka i j2 akan besar dan akan menghasilkan peningkatan arus bocor I CBO1 dan I CBO2. Menurut persamaan(1-22), nilai bocor I CBOI dan I CBO2 yang cukup besar dapat membuat (α 1 + α 2 ) mendekati kenilai satu dan mengakibatkan thyristor konduksi. Namun, arus besar yang mengalir melalui kapasitor junction akan juga merusak komponen. Gambar 1-11 Model transien thyristor dengan dua transistor Penyalaan Thyristor Thyristor dapat konduksi dengan meningkatkan arus anode. Hal ini dapat dicapai dengan salah satu langkah sebagai berikut: Panas. Jika suhu thyristor cukup tinggi, akan terjadi peningkatan jumlah pasangan elektron-hole, sehingga arus bocor meningkat. Peningkatan ini akan mengakibatkan ai dan a 2 meningkat. Karena aksi regeneratif, (α 1 + α 2 ) akan menuju kenilai satu dan thyristor mungkin akan konduksi. Cara ini dapat menyebabkan thermal runway dan buasanya dihindari.

23 Cahaya. Jika cahaya diijinkan mengenai junction thyristor, pasangan elektron-hole akan meningkat, dan thyristor mungkin konduksi. Cara ini dilakukan dengan membiarkan cahaya mengenai silocon water dari thyristor. Tegangan tinggi. Jika tegangan maju anode ke katode lebih besar dari tegangan maju breakdown V Bo, arus bocor yang dihasilkan cukup untuk membuat thyristor konduksi. Cara ini merusak dan harus dihindari. dv/dt. Dari persamaan (1-23) diperoleh bahwa jika kecepatan peningkatan tegangan anode-katode cukup tinggi, arus pengisian kapasitor junction mubgkin cukup untuk mengkonduksikan thyristor. Nilai arus pengisian yang tinggi akan merusak thyristor, dan komponen diproteksi melawan dv/dt yang tinggi. Manufaktur pembuatan thyristor akan menentukan berapa besar dv/dt yang dapat ditangani oleh suatu thyristor. Arus gate. Bila thyristor diberi tegangan forward bias, injeksi arus gate dengan menerapkan tegangan gate positif antara terminal gate dan katode akan dapat membuat thyristor konduksi. Ketika arus gate dinaikkan, tegangan forward blocking akan menurun sperti pada gambar 1-12 Gambar 1-12 Pengaruh arus gate pada tegangan forward blocking Gambar 1-13 Karakteristik penyalaan Gambar 1-13 menunjukkan bentuk gelombang arus anode, yang diikuti dengan penerapan arus gate. Ada waktu tunda yang dikenal sebagai turn-on time t on antara

24 sinyal gate dan konduksi sebuag thyristor. T on didefinisikan sebagai interval waktu antara 10% nilai arus gate keadaan tunak (0,1I G ) dan 90% dari arus on-state thyristor keadaan tunak (0,9I T ). t on adalah jumlah waktu tunda t d dan waktu naik t r. t d didefinisikan sebagai interval waktu antara 10% arus gate (0,1I G ) dan 10% arus keadaan thyristor konduksi (0,1 I T ). t r adalah waktu yang diperlukan agar arus anoda meningkat dari 10% arus keadaan thyristor konduksi (0,1I t ) ke 90% arus keadaan thyristor konduksi (0,9I T ). Semua waktu tersebut ditunjukkan pada gambar Beberapa hal yang harus diperhatikan ketika merancang rangkaian kendali gate : 3. Sinyal gate harus dihilangkan setelah thyristor konduksi. Suatu sinyal gate yang kontinyu akan meningkatkan daya yang terbuang pada junction gate. 4. Pada saat thyristor kondisi reverse bias, tidak boleh ada sinyal gate, jika ada sinyal gate, thyristor akan rusak karena meningkatnya arus bocor. 5. Lebar pulsa gate t G harus lebih lama dari waktu yang diperlukan untuk meningkatnya arus anode kenilai arus holding 1 H. Secara praptis, lebar pulsa t G biasanya diambil lebih dari waktu turn-on t on thyristor. Contoh 1-1 Kapasitansi junction J 2 yang mendapatkan reverse bias pada thyristor adalah C j2 = 20 pf dan diasumsikan bebas dari tegangan off-state. Nilai batas yang membuat thyristor konduksi adalah 16 ma. Tentukan nilai kritis dari dv/dt. Solusi: C j2-20 pf dan i j2 = 16 ma. Karena d (C j2 )/dt = 0, kita dapat tentukan nilai kritis dv/dt dari persamaan (1-23) Proteksi di/dt Thyristor memerlukan waktu minimum untuk menyebarkan arus konduksi ke semua junction-nya secara merata. Jika peningkatan arus anode lebih cepat dibandingkan kecepatan penyebaran dari prosen turn-on, titik-titik pemansan akan terjadi pada komponen karena adanya daerah-daerah dengan kepadatan arus yang tinggi dan komponen akan rusak karena suhu yang berlebihan. Gambar 1-14 Rangkaian chopper dengan induktor pembatas di/dt

25 Dalam prakteknya komponen harus diproteksi terhadap di/dt yang tinggi. Sebagai contoh pada gambar 1-14, pada keadaan tunak, D m kondiksi ketika thyristor T j dipadamkan. Jika T 1 dinyalakan ketika D m masih konduksi, di/dt akan sangat tinggi dan dibatasi hanya oleh induktansi penyimpang (stray) dari rangkaian. Dalam prakteknya, di/dt dibatasi dengan menambahkan suatu indikator seri L s, seperti pada gambar di/dt maju menjadi (1-24) dimana L s adalah induktansi seri yang mencakup sembarang induktansi stray Proteksi dv/dt Jika saklar S 1 pada gambar l-15a ditutup pada t = 0, tegangan step akan terasa pada thyristor T j dan dv/dt akan cukup tinggi untuk membuat komponen konduksi. Dv/dt dapat dibatsi dengan menambahkan kapasitor C s seperti pada gambar. Ketika thyristor T j dinyalakan, arus pembuangan kapasitor dibatasi oleh reistor R s seperti pada gambar 1-15b. Gambar 1-15 Rangkaian proteksi dv/dt

26 Dengan rangkaian RC yang dikenal sebagi rangkaian snubber, tegangan kapasitor akan meningkat secara eksponensial seperti pada gambar 1-15c dan rangkaian dv/dt dapat diberikan secara pendekatan sebagai berikut (1-25) Nilai konstanta waktu rangkaian snubber π = R S C S dapat ditentukan dengan persamaan (1-25) untuk nilai dv/dt yang diketahui. Nilai R s diperoleh dari nilai arus pengosongan I TD (1-26) Dapat juga menggunakan lebih dan satu resistor untuk dv/dt dan pengosongan seperti pada gambar 1-15d. Nilai dv/dt dibatasi oleh R 1 dan C s. (R 1 + R 2 ) membatasi arus pengosongan sehingga (1-27) Beban dapat membentuk rangkaian seri dengan rangkaian snubber sperti pada gambar 1-15e. Dari persamaan (2-23) dan (2-24), rasio redaman 8 dari persamaan orde dua adalah (1-28) dimana L s adalah induktansi stray, L dan R adalah induktansi dan resistansi beban. Untuk membatasi tegangan puncak overshoot yang teijadi sepanjang thyristor, damping rasio yang digunakan harus berada pada daerah 0,6 hingga I. Jika induktansi beban tinggi, R s dapat dibuat tinggi dan C s dibuat kecil untuk memperoleh damping rasio pada daerah yang diinginkan. Nilai R s yang tinggi akan mengurangi arus pengosongan, dan nilai C s yang rendah akan mengurangi daya hilang pada rangkaian snubber. Dengan damping rasio diketahui maka nilai R s dan C s dapat ditentukan.