semiconductor devices

Transkripsi

1 Overview of power semiconductor devices Asnil Elektro FT-UNP 1

2 Voltage Controller electronic switching I > R 1 V 1 R 2 V 2 V 1 V 2 Gambar 1. Pengaturan tegangan dengan potensiometer Gambar 2. Pengaturan tegangan dengan electronic switching Untuk mengubah tegangan V Untuk mengubah tegangan V 1 menjadi V 2, dimana V 2 < V 1 1 menjadi V 2, TIDAK TERDAPAT terdapat rugi daya sebesar I 2 RUGI DAYA pada elemen (R 1 + R 2 ). electronic switching 2

3 Fungsi semikonduktor dalam elektronika daya 1. Pensakelaran (switching) 2. Konverting (pengubah) 3. Pengendali (kontroller) 3

4 Apakah electronic switching itu? (1) Power Diode (2) Silicon Controlled Rectifier (SCR) or Thyristor (3) Gate Turn off Thyristor (GTO) (4) Power Bipolar Junction Transistor (Power BJT) (5) Power Metal Oxide Field Effect Transistor (Power MOSFET) (6) Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) (7) Mos Controlled Thyristor (MCT) As electronic switching, there is two conditions, ie. ON and OFF 4

5 DIODA Gambar 3. Diode Diode memiliki dua kaki, yaitu anoda dan katoda Diode hannya dapat melewatkan arus listrik dari satu arah saja, yaitu dari anoda ke katoda yang biasa disebut dengan posisi panjar maju (forward) Diode akan menahan atau memblok arus yang berasal dari katoda ke anoda yang dikenal dengan panjar mundur (reverse) Diode memiliki keterbatasan dalam menahan tegangan panjar mundur yang disebut dengan break down, bila batas tegangan ini dilewati maka diode akan rusak 5

6 Gambar 4. a) Panjar maju (forward), b) Panjar mundur (reverse) Gambar 5. Karakteristik diode 6

7 Syarat Diode ON/OFF ON, jika : A dan K dibias maju (FB), dimana A(+) dan K ( ). V AK = 0, I A = I beban OFF, jika : A dan K dibias mundur (RB), dimana A( ) dan K (+). V AK = V sumber, I A = 0 7

8 Switching characteristics di F /dt i(t) 0 Tens of volts v(t) 0 V FP I F V on Q rr I rr t rr /2, I leak 0 di R /dt t 3 t 4 t rr Q rr 0.25I rr I rr t 5 I leak V R t t1 t 2 V rr Gambar 6. Switching characteristics Voltage and current waveforms for a power diode driven by currents with a specified di F /dt and a specified di R /dt. 8

9 TRANSISTOR Gambar 7. Transistor daya Pada aplikasi elektronika daya, Transistor lebih banyak digunakan sebagai sakelar elektronik. Misalnya dalam teknik switching power suplly, transistor berfungsi sebagai sakelar yang bekerja ON/OFF pada kecepatan yang sangat tinggi dalam orde mikro detik 9

10 Transistor dapat difungsikan sebagai saklar elektronik dengan mengatur arus Ib (arus basis) yang membuat transistor Cut In dan menghantarkan arus Ic (arus kolektor) yang kemudian dialirkan ke beban. Transistor akan Off jika nilai Ib mendekati nol. Dengan demikian transistor dapat digunakan sebagai sakelar elektronik ON OFF dalam aplikasi elektronika daya. Gambar 7. Karakteristik out put transistor BD

11 Gambar 8. Tegangan operasi transistor sebagai saklar Arus basis dan arus kolektor maksimum dan tahanan kolektor emitor RCE mendekati nol, terjadi antar 0 sampai 50 ms. Ketika transistor Off, tegangan kolektor emitor mendekati tegangan basis dan arus basis dan arus kolektror mendekati nol. Pada saat tersebut tahanan RCE tak hingga 11

12 Gambar 9. Transistor sebagai saklar 12

13 Karakteristik out put transistor Transistor berfungsi sebagai saklar ON terjadi ketika tegangan g Vce saturasi, terjadi saat arus basis maksimum pada titik A3 Transistor berfungsi sebagai penguat sinyal input ketika arus basis berada antara arus kerjanya A2 sampai A1 Gambar 10. Karakteristik out put transistor Ketika arus basis mendekati nol, Transistor berfungsi sebagai saklar OFF ketika tegangan Vce sama dengan tegangan suplai Vb di titik A1 13

14 Syarat Transistor ON/OFF ON,, jika : Terminal C dan E dibias maju, polaritas C dan E tergantung jenis transistornya. Arus I B > 0 V CE = 0 dan I C = I beban OFF, jika : Terminal C dan E dibias maju, polaritas C dan E tergantung jenis transistornya. Arus I B = 0 V CE = V CC = V sumber dan I C = 0 14

15 Thyristor (SCR) G A I A2 Q 1 I G J3 IA1 J2 Q 2 K J1 Gate i G i A Anode + v AK - Cathode (a) (b) (c) Gambar 11. (a) Bentuk fisik dan simbol thyristor, (b) dua model transistor, (c) simbol thyristor Thyristor memiliki tiga kaki, yaitu Anoda, Katoda dan Gate, juga dikenal ada dua jenis tryristor, yaitudenganthyristor dengan tipe P Gate dan N Gate. 15

16 Dikembangkan oleh Bell Laboratories tahun 1950 an dan mulai digunakan secara komesial oleh general electric tahuun 1960 an Thyristor atau SCR (Silicon Controlled Rectifier) banayak di pakai dalam aplikasi industri karena memiliki kemampuan untuk bekerja pada tegangan dan arus yang besar Fungsi Gate pada thyristor menyerupai basis pada transistor, dengan mengatur arus gate yang besarnya 1 ma sampai 100 ma, maka tegangan keluaran dari anoda dapat di atur. Tegangan yang mampu diatur mulai daru 50 Volt sampai 5000Volt dan mampu menatur arus dari 0.4 Ampere samapai 1500 Ampere 16

17 Gambar 12. Karakteristik thyristor Pada tegangan Forward, jika arus gate diatur dari 0 50mA, maka thyristor akan cut in dan mengalirkan arus forward. Tegangan reverse untuk thyristor sekitar 600Volt. Agar thyristor tetap ON, maka ada arus yang tetap dipertahankan yang disebut dengan arus holding sebesar 5 ma 17

18 Syarat SCR ON/OFF ON, jika : A dan K dibias maju (FB), dimana A(+) dan K ( ). Arus I G > 0 V AK = 0, I A = I beban OFF, jika : A dan K dibias mundur (RB), dimana A( ) dan K (+). Arus I G > 0 V AK = V sumber, I A = 0 18

19 Thyristor (SCR) in a simple circuit Turn off tima, tq berada dalam orde ms Gambar 13. Thyristor; () (a) circuit, (b) waveforms, () (c) turn off tima interval tq For successful turn off, reverse voltage required for an interval greater than the turn off interval 19

20 TRIAC Triac, sama halnya dengan SCR juga termasuk ke dalam golongan Thyristor yang juga terdiri dari empat gandengan bahan semi konduktor Gambar 13. Triac dan simbol TRIAC bekerja mirip dengan SCR yang paralel bolak balik, sehingga dapat melewatkan arus dua arah TRIACdapat ditriggeruntuk konduksi melalui arus gatenya untuk salahsatu TRIAC dapat ditrigger untuk konduksi melalui arus gatenya untuk salah satu polaritas tegangan antara T1 dan T2 20

21 Gambar 14. Mode trigger TRIAC 21

22 +i Keadaan ON Quadrant I MT2 + Ig- Tertrigger -V BO +I H Quadrant III MT2 - -I H +V BO +v Gambar 15. Karakteristik v i TRIAC TRIAC merupakan device bidirectional, terminalnya tidak dpat ditetukan sebagai Anoda dan Katoda. Jika terminal T2 positif terhadap T1, triac dapat dimatikan dengan memberikan sinyal pulsa positif antara gerbang G dan T1. Jika terminal T2 negatif terhadap T1, triac dapat dihidupkan dengan memberikan sinyal pulsa negatif antara gerbang G dan terminal T1 22

23 Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) Gambar 16. Struktur fisik dan kemasan IGBT Aplikasinya sangat luas, dipakai untuk mengatur putaran motor DC atau motor AC daya besar, Inverter, komponen utama VVVF (VariableVoltageVoltage Variable Frequency) pada KRL modern, dipakai pada kontrol pembangkit tenaga angin dan tenaga panas matahari. 23

24 Equivalent Circuits Circuit Symbols Gambar 16. IGBT 24

25 i C Increasing V GE V GE5 i C actual V GE4 Active region A few tens of volts due J 1 breakdown V RM V GE3 V GE2 V GE > V GE(th) V GE1 GE GE(th) v GE linearized Transfer curve V GE(th) ~1V Due to J 1 forward bias V GE < V GE(th) Cut-off region BV CES v CE V GE(th) ~ 3-8V, V GE(max) = ±20 to 25V, V CE(sat) ~ 2-4V Gambar 17. Karakteristik Ic Vce IGBT 25

26 Gambar 18. Karakteristik dan simbol semikonduktor daya 26

27 POWER CONVERTERS 1. AC DC converter (rectifier) Menyearahkan listrik arus bolak bali menjadi arus searah 2. AC AC converter (AC voltage controller) Mengubah energi listrik arus bolak balik dengan frekuensi dan tegangan tertentu menjadi arus bolak balik dengan tegangan dan frekuensi yang lain 3. DC DC converter (DC chopper) Mengubah energi listrik arus searah menjadi arus searah dengan besaran yang berbeda 3. DC AC converter (Inverter) Mengubah energi listrik arus searah menjadi arus arus bolak balik pada tegangan dan frekuensi yang dapat diatur 27