BAB 1 KOMPONEN SEMIKONDUKTOR DAYA

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

Komponen Semikonduktor Daya

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)


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

Electrostatic

Sewing machines

precipitators Elevators

Solar power supplies

Fans

Solid-stale contactors

Flashers

Solid-state relays

Food mixers

Space power supplies

Food warmer trays

Static circuit breakers

Forklift trucks

Static relays

Furnaces

Steel mills

Games

Synchronous machine starting

Rating daya dari komponen semikonduktor daya yang tersedia secara komersial ditunjukkan pada tabel 1-2. Tabel 1-2 Rating Komponen Semikonduktor Daya

Upper Voltage/current

frequency

Switching

resistance

rating

(Hz)

lime (MS)

(ft)

General purpose

5000 V/5000 A

Ik

100

0.16m

High speed

3000 V/1000 A

10k

2-5

1m

Schottky

40 V/60 A

20k

0.23

1m

Reverse blocking

5000 V/5000 A

Ik

200

0.25m

High speed

1200 V/1500 A

10k

20

0.47m

Reverse blocking

2500 V/400 A

5k

40

2.16m

Reverse conducting 2500 V/1000 A

5k

40

2.1m

GATT

1200 V/400 A

20k

8

2.24m

Light triggered

6000 V/1500 A

400

200-400

0.53m

1200 V/300 A

400

200-400

3.57m

Type Diodes

Forced-turned-

On-state

off thyristors

TRIACs Self-turned-off

GTO

4500 V/3000 A

10k

15

2.5m

thyristors

SITH

4000 V/2200 A

20k

6.5

5.75m


Power

Single

400 V/250 A

20k

9

4m

400 V/40 A

20k

6

31m

630 V/50 A

25k

1.7

15m

1200 V/400 A

10k

30

10m

1200 V/300 A

100k

0.55

1.2

500 V/8.6 A

100k

0.7

0.6

1000 V/4.7 A

100k

0.9

2

500 V/50 A

100k

0.6

0.4m

transistors

Darlington Sirs Power

Single

MOSFETS

IGBTs

Single

1200 V/400 A

20k

2.3

60m

MCTs

Single

600 V/60 A

20k

2.2

18m

Gambar 1-1 memperlihatkan aplikasi dan daerah frekuensi dari komponen semikonduktor daya.

Gambar 1-1 Aplikasi komponen semikonduktor daya


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. 1-2.1 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.


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 : ID = arus yang melalui diode, A VD = tegangan diode dengan anode lebih positif terhadap katode, V Is = arus bocor (saturasi balik), umumnya 10-6 hingga 10-15. 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. VT dalari persamaan (1-1) disebut konstanta tegangan termal dan diberikan oleh persamaan: (1-2)


dimana : q = muatan elektron, 1,6022 x 10-19 coulomb (C) T = temperatur absolut dalam Kelvin (K = 273 + °C) k = konstanta Boltzmann : 1,2806 x 10-23 J/K

pada temperatur junction 25°C memberikan :

Pada temperatur khusus, arus bocor Is konstan untuk diode tertentu. Karakteristik diode pada gambar l-3a dapat dibagi menjadi tiga wilayah: Wilayah bias maju, dengan VD > 0 Wilayah bias mundur, dengan VD < 0 Wilayah breakdown, dengan VD < -VZK. Wilayah bias maju. Pada wilayah bias maju, VD > 0. Arus diode ID sangat kecil bila tegangan diode VD kurang dari nilai spesifik VTD (umumnya 0,7 V). Diode akan konduksi penuh bila VD lebih besar dari nilai VTD 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 VD = 0,1 V, n = 1, dan VT = 25,8 mV. Maka dengan menggunakan persamaan (1-1) dapat diperoleh arus diode ID sebagai berikut

dengan kesalahan 2,1%. Sehingga untuk VD > 0,1 V, yang merupakan kasus umumnya, ID >> IS, dan persamaan (1-1) dapat didekati dalam kesalahan 2,1% dengan (1-3)

(1-4) Komponen Semikonduktor Daya

Wilayah bias mundur. Dalam wilayah bias mundur, Vd < 0. Bila VD negatif dan \VD\» VT, dengan kejadian VD < -0,1, maka bagian eksponensial pada persamaan (1-1) diabaikan dan arus diode ID menjadi

yang menunjukkan bahwa arus diode ID arahnya membalik dan konstan yang nilainya sama dengan Is. 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), VBR. Kenaikan arus balik yang secara cepat dengan perubahan kecil pada pada tegangan balik, VBR. 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 VD = 1,2 V pada ID = 300 A. Dengan asumsi n = 2 dan VT = 25,8 mV, carilah arus saturasi Is. Solusi : Dengan menggunakan persamaan (1-1). Dapat diperoleh arus bocor (atau saturasi) Is dari

yang memberikan Is = 2,38371 x 10-8 A.

1-2.2 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


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 trr yang diukur dari awal pemotongan titik nol (initial zero crossing) arus diode hingga 25% arus balik puncak, IRR. ta terdiri dari dua komponen ta dan tb, ta karena pengisian komponen penyimpan di wilayah depleksi dari junction dari mereprensentasikan waktu antara zero crossing dengan arus balik puncak, IRR, sedangkan tb karena pengisian komponen penyimpan dalam bagian terbesar material semikonduktor. Perbandingan ta/tb dikenal dengan faktor kelunakan (softnes factor), SF. Waktu pemulihan total dan nilai puncak arus balik puncak IRR TRR

= T A + TB

(1-5) (1-6)

Reverse recovery time trr, 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 iRR. tRR tergantung pada temperatur junction, tingkat jatuhnya arus maju, dan arus maju sebelum komutasi.


Reverse recovery charge QRR, 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 tb bisa diabaikan dibandingkan ta, yang sering terjadi dalam banyak kasus trr ≈ ta dan persamaan (1-9) menjadi (1-10)

dan (1-11)

Dari persamaan (1-10) dan (1-11) dapat dinyatakan bahwa waktu pemulihan balik trr dan arus pemulihan balik puncak IRR tergantung dari pengisian penyimpan QRR dan di/dt balik. Pengisian penyimpan tidak tergantung pada arus diode maju If. Arus puncak pemulihan balik IRR, pengisisn balik QRR, dan faktor kelunakan penting


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 trr = 3 detik dan tingkat jatuhnya arus diode di/dt = 30 A/(adetik. Tentukan (a) pengisian penyimpan QRR, dan (b) arus balik puncak IRR. SOLUSI : TRR = 3 di/dt = 30 A/µdetik (a) Dari persamaan (1-10)

(b) Dari persamaan (1-11)

1-2.3 Tipe Power Diode


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.


√ 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.

1-2.4 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 I0 = Vs/R akan mengalir melalui beban dan diode freewheeling Dm akan terbias balik. Jika saklar SW dipadamkan pada t = t1, diode Dm akan konduksi dan arus beban akan mengalir melalui Dm. Kemudian saklar dinyalakan kembali pada t = t2, diode Dm akan menghubungkan singkat rangkaian. Tingkat kenaikan arus maju saklar (diode Dj) dan tingkat jatuhnya arus maju diode Dm akan sangat tinggi, menuju tak terhingga. Menurut persamaan (1-11), arus balik puncak diode Dm dapat menjadi sangat tinggi, sehingga diode Di dan Dm mungkin akan rusak. Gambar l-4b menunjukkan variasi bentuk gelombang untuk arus diode. Masalah tesebut dapat diatasi dengan memasangkan sebuah induktor pembatas di/dt, Ls 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 trf).


Gambar 1-5 Rangkaian Chopper tanpa induktor pembatas di/dt

Laju kenaikan arus melalui diode D1, yang harus sama dengan laju jatuhnya arus melalui diode Dm, adalah (1-12)

Bila trr adalah waktu pemulihan balik Dm, arus balik puncak Dm adalah (1-13)


Dan arus puncak yang melalui induktor Ls adalah (1-14)

Gambar 1-6 Rangkaian chopper d.engan induktor pembatas di/dt

Ketika arus induktor menjadi Ip, diode Dm 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 I0 manjadi


Ip. Kelebihan energi yang tersimpan dalam Ls dapat menginduksikan tegangan balik yang tinggi pada Dm, hal ini dapat merusakkan diode Dm. Kelebihan energi yang tersimpan menghasilkan waktu pemulihan balik yang diperoleh dari 1-15 1-16

Bentuk gelombang untuk bermacam-macam arus ditunjukkan pada gambar l-6b. Kelebihan energi ini dapat ditransfer dari induktor Ls ke kapasitor Cs yang terhubung paralel dengan Dm. Nilai Cs dapat ditentukan dan Atau 1-17 dimana Vc adalah tegangan balik diode yang diijinkan. Resistor Rs, 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 Ls dan Rs 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. 1-3.1 Karakteristik Thyristor


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 J1 dan J3 berada pada kondisi forward bias, dan junction J2 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 VAK dinaikkan hingga pada nilia tertentu, junction J2 akan bocor. Hal ini disebut avalanche breakdown dan tegangan VAK tersebut dikenal sebagai forward breakdown voltage, VBO. Karena J1 dan J3 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 IL 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


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 IH, maka thyristor akan berada pada kondisi blocking. Holding current berada pada orde miliampere dan lebih kecil dari lacthing current IL (IH > IL). Holding current IH adalah arus anode minimum untuk mempertahankan thyristor pada kondisi nyala. Ketika tegangan katode lebih positif dari anode, junction J2 forward bias, akan tetapi junction J1 dan J3 akan reverse bias. Maka thyristor akan berada pada kondisi reverse blocking dan arus bocor reverse yang disebut reverse current IR akan mengalir melalui komponen.

Gambar 1-8 Rangkaian thyristor dan karakteristik v-i

Thyristor akan dapat ainyaiakan dengan menaikkan tegangan maju VAK diatas VBO, 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


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).

1-3.2

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, Q1 dan yang lain npn, Q2 seperti pada gambar l-9a. Arus koiektor Ic dari thyristor secara umum berkaitan dengan arus emitor IE dan arus junction kolektor-basis ICBO adalah

Gambarl-9 Model thyristor dengan aua rrasistor Ic= αIE + ICBO

(1-18)

dan penguatan arus common-base yang didefinisikan sebagai α = IC/IE. Pada transistor Q1, arus emitor adalah arus anode 1A, dan arus kolektor Ic1 dapat diperoleh dari persamaan (1-18) Ic1 = α2Ik + ICBO1

(1-19)

Dengan α1 adalah penguatan arus dan ICBO adalah arus bocor dari Q1. Pada transistor Q2, arus kolektor Ic2 adalah


Ic2 = α2Ik + ICBO2

(1-20)

Dengan α1 adalah penguatan arus dan ICBO2 adalah arus bocor dari Q2. Dengan mengkombinasikan Ic1 dan Ic2, diperoleh IA = Ic1 + Ic2 = α1IA + ICBO1 + α2IK + ICBO2

(1-21)

Tetapi untuk arus gate IG, IK = IA + IG dan dengan menggunakan persamaan (1-21), akan diperoleh IA adalah (1-22) Penguatan arus α1 bervariasi sesuai aengan 1A = IE, dan α2 bervariasi sesuai dengan IK = IA + IG. Variasi yang umum penguatan arus α dengan arus emitor IE ditunjukkan pada gambar I-10. Jika arus gate IG tiba-tiba meningkat, misalnya dari 0 ke 1 mA, akan menaikkan arus anode 1A secara tiba-tiba juga, selanjutnya α1 dan α2 akan meningkat, α2 akan bergantung pada IA dan 1Q. Peningkatan α1 dan α2 akan meningkatkan lebih jauh IA. Sehingga ada pengaruh regeneratif atau feedback positif. Bila (α1 + α2) cenderung akan menuju liarga satu, maka penyebut persamaan (1-22) akan cenderung mendekati nol, yang menghasilkan nilai arus anode IA 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) Komponen Semikonduktor Daya

mengakibatkan aliran arus yang besar ke junction kapasitor. Arus yang melalui kapasitor Cj2 dapat dinyatakan sebagai

dimana Cj2 dan Vj2 adalah kapasitansi dan tegangan dari junction J2, qj2 adalah muatan pada junction tersebut. Jika kecepatan peningkatan tegangan dv/dt cukup besar, maka ij2 akan besar dan akan menghasilkan peningkatan arus bocor ICBO1 dan ICBO2. Menurut persamaan(1-22), nilai bocor ICBOI dan ICBO2 yang cukup besar dapat membuat (α1 + α2) 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

1-3.3 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 a2 meningkat. Karena aksi regeneratif, (α1 + α2) akan menuju kenilai satu dan thyristor mungkin akan konduksi. Cara ini dapat menyebabkan thermal runway dan buasanya dihindari.


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 VBo, 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 ton antara


sinyal gate dan konduksi sebuag thyristor. Ton didefinisikan sebagai interval waktu antara 10% nilai arus gate keadaan tunak (0,1IG) dan 90% dari arus on-state thyristor keadaan tunak (0,9IT). ton adalah jumlah waktu tunda td dan waktu naik tr. td didefinisikan sebagai interval waktu antara 10% arus gate (0,1IG) dan 10% arus keadaan thyristor konduksi (0,1 IT). tr adalah waktu yang diperlukan agar arus anoda meningkat dari 10% arus keadaan thyristor konduksi (0,1It) ke 90% arus keadaan thyristor konduksi (0,9IT). Semua waktu tersebut ditunjukkan pada gambar 1-13. 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 tG harus lebih lama dari waktu yang diperlukan untuk meningkatnya arus anode kenilai arus holding 1H. Secara praptis, lebar pulsa tG biasanya diambil lebih dari waktu turn-on ton thyristor.

Contoh 1-1 Kapasitansi junction J2 yang mendapatkan reverse bias pada thyristor adalah Cj2 = 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: Cj2 - 20 pF dan ij2 = 16 mA. Karena d (Cj2)/dt = 0, kita dapat tentukan nilai kritis dv/dt dari persamaan (1-23)

1-3.4 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

Dalam prakteknya komponen harus diproteksi terhadap di/dt yang tinggi. Sebagai contoh pada gambar 1-14, pada keadaan tunak, Dm kondiksi ketika thyristor Tj dipadamkan. Jika T1 dinyalakan ketika Dm 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 Ls, seperti pada gambar 1-14. di/dt maju menjadi (1-24)

dimana Ls adalah induktansi seri yang mencakup sembarang induktansi stray.

1-3.5

Proteksi dv/dt

Jika saklar S1 pada gambar l-15a ditutup pada t = 0, tegangan step akan terasa pada thyristor Tj dan dv/dt akan cukup tinggi untuk membuat komponen konduksi. Dv/dt dapat dibatsi dengan menambahkan kapasitor Cs seperti pada gambar. Ketika thyristor Tj dinyalakan, arus pembuangan kapasitor dibatasi oleh reistor Rs seperti pada gambar 1-15b.

Gambar 1-15 Rangkaian proteksi dv/dt


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 = RSCS dapat ditentukan dengan persamaan (1-25) untuk nilai dv/dt yang diketahui. Nilai Rs diperoleh dari nilai arus pengosongan ITD (1-26)

Dapat juga menggunakan lebih dan satu resistor untuk dv/dt dan pengosongan seperti pada gambar 1-15d. Nilai dv/dt dibatasi oleh R1 dan Cs. (R1 + R2) 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 Ls 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, Rs dapat dibuat tinggi dan Cs dibuat kecil untuk memperoleh damping rasio pada daerah yang diinginkan. Nilai Rs yang tinggi akan mengurangi arus pengosongan, dan nilai Cs yang rendah akan mengurangi daya hilang pada rangkaian snubber. Dengan damping rasio diketahui maka nilai Rs dan Cs dapat ditentukan.


Contoh 1-2 Tegangan masukanpada gambar 1-15e adalah Vs = 200 V dengan resistansi beban R = 5 Ω Beban dan induktansi stray diabaikan dan thyristor dioperasikan pada frekuensi fs = 2 kHz. Bila diperlukan dv/dt adalah 100 V/µdetik dan arus pengisian dibatasi 100 A, carilah (a) nilai Rs dan Cs, (b) rugi snubber, dan (c) rating daya resistor snubber. Solusi; dv/dt = 100 V/µdetik, 1TD = 100 A, R = 5 Ω, L = Ls = 0, Vs = 200 V. (a) dari gambar 1-15e arus pengisian kapasitor snubber dapat dinyatakan sebagai

Dengan kondisi awal vc(t = 0) - 0, dtperoleh arus pengisian adalah (1-29) dimana x = (Rs + R)CS. Tegangan maju thyristor adalah (1-30)

(1-31)

(1-32)


Pada t = 0, v-KO) - V, - RVS/(RS + R) dan pada t = π, vT(0) - V, - 0,368RVS/(RS + R):

Dari persamaan (1-26), Rs = VS/IJD = 200/100 = 2 Ω, Persamaan (1-31) meberikaan

(b) Rugi snubber

(c) Dengan astimsi bahwa semua energi yang tersimpan dalam Cs didisipasikan hanya pada Rs, rating daya resistor snubber adalah 5,2 W. 1-3.6

Pemadaman Thyristor

Sebuah thyristor yang berada dalam kondisi konduksi dapat dipadamkan dengan mengurangi arus maju ketingkat dibawah arus holding 1H. Dalam semua teknik komutasi, arus anode dipertahankan dibawah arus holding untuk waktu yang cukup lama, sehingga semua kelebihan pembawa muatan pada keempat layer dapat dikeluarkan. Akibat dua pn junction, J1 dan J3, karakteristik pemadaman serupa dengan diode, yang berkaitan dengan waktu pemulihan balik TRR- dan arus pemulihan balik IRR. IRR dapat lebih besar dari pada arus blocking balik. Pada rangkaian komutasi jala-jala dimana tegangan masukan adalah bolak-balik seperti pada gambar 1-16a, tegangan balik pada thyristor terjadi setelah arus maju menjadi nol. Tegangan

balik

inilah

yang

menyebabkan thyristor padam, dengan

membuang

semua

muatan

pada

kelebihan

pn-junction J1 dan J3. Persamaan (1-6) dan (1-7) dapar digunakan untuk mengitung trr dan IRR. Komponen Semikonduktor Daya

Gambar 1-16 Karakterisrik pemadaman


pn-junction J2 memerlukan waktu yang disebut sebagai recombination time trc untuk merekombinasi kelebihan muatan pembawa. Tegangan balik negatif akan mengurangi recombination time trc ini tergantung pada besarnya tegangan balik. Karakteristik pemadaman ditunjukkan pada gambar 1-16a dan b berturut-turut untuk rangkaian komutasi jala-jala dan rangkaian komutasi komutasi paksa. Waktu pemadaman tq adalah jumlah waktu pemulihan balik trr dan waktu rekombinasi trc. Pada akhir pemadaman, lapisan depleksi terbentuk sepanjang junction J2 dan thyristor memperoleh kembali kemampuan untuk tahan terhadap tegangan maju. Hampir semua teknik komutasi thyristor yang dibahas pada bab 5 menerapkan tegangan balik pada thyristor selama proses pedaman. Waktu pemadaman tq adalah nilai minimum interval waktu antara sesaat ketika arus on-state turun menjadi nol dan sesaat ketika thyristor masih mampu menahan tegangan maju. tq tergantung dari nilai puncak arus on-state dan tegangan on-state sesaat. Reverse recovered charge QRR adalah banyaknya besamya muatan yang harus dipenuhi selama proses pemadaman. Nilai tersebut ditentukan dari daerah yang tercakup oleh aliran arus pengisian balik. Nilai QRR tergantung pada kecepatan penurunan arus on-state dan nilai puncak dari arus on-state sebelum pemadaman. QRR merupakan sebab terjadinya kehilangan energi dalam komponen.

1-3.7

Tipe-Tipe Thyristor

Hampir seluruh pembuatan thyristor dilakukan melalui proses difusi. Pabrik pembuat thyristor menggunakan banyak struktur gate untuk mengendalikan di/dt, waktu penyalaan dan waktu pemadaman. Tergantung dari konstruksi fisik komponen, perilaku penyalaan dan pemadaman, thyristor dapat diklasifikasikan menjadi 9 kategori : 4.

Phase-control thyristor (SCR)

5.

Fast-switching thyristor (SCR)

6.

Gate-torn-offthyristor (GTO)

7.

Bidirectional triode thyristor (TR1AC)


8.

Reverse-conduction thyristor (RCT)

9.

Static induction thyristor (S1TH)

10. Light-activated silicon-controlled rectifier (LASCR) 11. FET-controlled thyristor (FET-CTH) 12. MOS-controlled thyristor (MCT)

□ Phase-control thyristor Thyristor tipe ini biasanya beroperasi pada frekuensi jala-jala yang proses pemadamannya dengan komutasi alamiah (natural-commutation). Turn-on time tCj berkisar dalam orde 50 hingga 100 pdetik. Gocok digunakan pada aplikasi-aplikasi konverter dengan kecepatan switching rendah yang biasanya dikenal sebagai konverter thyristor. Tipikal tegangan konduksi (on-state) VT bervariasi antara 1,15 V untuk komponen 600 V hingga 2,5 untuk komponen 4000 V, dan untuk thyristor 5500 A, 1200 V tipikalnya adalah 1,25 V. Thyristor yang modern biasanya menggunakan penguat gate, dengan thyristor auxiliary TA memiliki gate yang merupakan gate thyristor keseluruhan dan dengan kelaran TA yang sudah dikuatkan itu diberikan sinyal gate untuk thyristor utama TM, seperti terlihat pada gambar 1-17. Penguatan gate menghasilkan karakteristik dinamik yang umum dv/dt sebesar 1000 V/jadetik dan di/dt sebesar 500 A/(µdetik, disamping itu akan menyederhanakan perancangan rangkaian yaitu dengan mengurangi atau meminimisasi induktor pembatas di/dt dan rangkaian proteksi dv/dt.

Gambar 1-17 Thyristor dengan penguat gate

□ Fast-switching thyristor Thyristor tipe ini biasanya digunakan pada aplikasi-aplikasi konverter dengan komutasi paksa (force-commutation) seperti pada chopper dan inverter. Pada Komponen Semikonduktor Daya

umumnya mempunyai turn-off time yang cepat sekitar 5 hingga 50 µdetik, tergantung pada daerah tegangannya. Tegangan drop konduksi bervariasi yaitu berbanding terbalik dengan turn-off time tq. Thyristor tipe ini desebut dengan thyristor inverter. Thyristor tipe ini mempunyai dv/dt yang tinggi (tipikalnya 1000 V/µdetik) dan di/dt sekitar 1000 V/µdetik. Pemadaman yang cepat dan di/dt yang tinggi sangat penting untuk mengurangi dimensi dan berat dari komponen komutasi dan rangkaian reaktif. Tegangan konduksi dari thyristor 2200 A 1800 V tipikalnya 1,7 V. Thyristor inverter yang kemampuan blocking sangat terbatas, tipikal 10 V, dan turn-off time sangat cepat antara 3 hingga 5 pdetik biasanya dikenal sebagai thyristor asimetris (asymmetrical thyristor - ASCR). Gambar 1-18 adalah fast- switching thyristor bermacam-macam ukuran.

Gambar 1-18 Fast-switching thyristor

□ Gate-Turn-Off Thyristor Gate-Turn-Off Thyristor (GTO) sama dengan SCR yang dapat dinyalakan dengan memberikan sinyal positif pada gate-nya. Akan tetapi GTO dapat dipadamkan dengan memberikan sinyal negatif pada gate-nya. GTO juga merupakan komponen latching dan dapat dibangun dengan rating arus dan tegangan yang mirirp dengan SCR. Pulsa penyala dan pemadam yang diberikan pada GTO merupakan pulsa pendek. GTO mempunyai keuntungan dibandingkan SCR : 1.

komponen komutasi dapat diminimalkan pada komutasi-paksa, sehingga akan mengurangi biaya, berat dan volume.


2.

pengurangan kebisingan akustik dan elketromagnetik akibat dari eliminasi kumparan komutasi.

3.

pemadaman yang cepat, sehingga memungkinkan diaplikasi pada frekuensi switching yang tinggi.

4.

memperbaiki efisiensi konverter.

Dalam aplikasi daya rendah, GTO mempunyai keuntungan dibanding dengan bipolar transistor: 1.

kemampuan blocking tegangan tinggi

2.

rasio arus puncak yang dapat dikontrol dengan arus rata-rata yang tinggi.

3.

rasio arus surge puncak terhadap arus rata-rata tinggi (umumnya 10 : 1).

4.

pengutan on-state tinggi (arus anode dibanding dengan arus gate) tipikal 600

5.

sinyal pulsa gate durasinya pendek.

GTO mempunyai pengutan rendah pada saat pemadaman, tipikal 6, dan memerlukan pulsa arus negatif relatif tinggi untuk pemadaman. Mempunyai tegangan on- state yang tinggi dari pada SCR. Tegangan on-state tipikal GTO 550 A 1200 V adalah 3,4 V. GTO 160 A 200 V tipe 160PFT ditunjukkan pada gambar 1-19 dan junction GTO ini ditunjukkan pada gambar 1-20.

Gambar 1-19 GTO 160 A 200 V Controlable peuk on-state current ITGQ adalah nilai puncak arus on-state yang dapat dipadamkan dengan kontrol gate. Tegangan off-state diberikan seketika Komponen Semikonduktor Daya

setelah pemadaman dan dv/dt hanya akan dibatasi oleh kapasitansi snubber. Begitu GTO dipadamkan, arus befcan IL yang mengalir dan mengisi kapasitor snubber akan menentukan dv/dt yang terjadi

dimana Cs adalah kapasitansi snubber.

Gambar 1-20 Junction GTO 160 A pada gambar 1-19 □ Bidirectional Triode Thyristor TRIAC dapat konduksi dua arah dan umumnya diguanakan pada pengaturan fasa tegangan ac (yaitu pengaturan tegangan bolak-balik). TRIAC dapat direalisasikan dua buah SCR yang dihubungkan antiparalel dengan hubungan common gate seperti yang ditunjukkan pada gambar 1-2la. Karakteristik v-i ditunjukkan pada gambar 1-2 lc. Karena TRIAC adalah komponen bidirectional (dua arah), terminal-terminalnya tidak dapat ditentukan sebagai anode dan karode. Jika terminal MT2 adalah lebih positif terhadap terminal MT1, TRIAC dapat dinyalakan dengan memberikan sinyal gate positif antara gate (G) dan terminal MT1. Bila MT2 lebih negatif terhadap terminal MT1, untuk menyalakan-nya dengan menberikan dinyal pulsa negatig antara G dan terminal MT1, Tanpa memerlukan kedua polaritas sinyal gate, TRIAC dapat dinyalakan baik sinyal gate positif ataupun negatif. Dalam prakteknya, kepekaannya bervariasi antara satu kuadran dengan kuadran lainnya, umumnya TRIAC dioperasikan pada kuadran I+ (tegangan gate dan arus gate positif) dan III-(tegangan gate dan arus gate negatif).


Gambar 1-21 Karakteristik TRIAC

□ Reverse-Conducting Thyristor Dalam banyak rangkaian chopper dan inverter, diode antiparalel yang terhubung pada SCR digunakan untuk mengalirkan arus balik karena beban induktif dan untuk meningkatkan kinerja pemadaman dari rangkaian komutasi. Diode akan memotong tegangan balik bloking SCR hingga 1 atau 2 V pada kondisi tunak. Akan tetapi pada kondisi transien, tegangan balik dapat naik hingga 30 V karena tegangan terinduksi dalam rangkaian induktasi stray terhadap komponen.

Gambar 1-22 Revese-conducting thyristor


RCT juga disebut asymetrical thyristor (ASCR). Tegangan blocking maju berariasi dari 400 hingga 2000 V dan rating arus hingga diatas 500 A. Tegangan blocking balik tipikal 30 hingga 40 V. Karena rasio arus maju yang melelui thyristor terhadap arus balik diode tetap untuk sebuah komponen, maka aplikasi akan terbatas pada rancangan rangkaian tertentu.

□ Static Induction Thyristor

Karakteristik SITH mirip dengan karakteristik MOSFET. SITH biasnya dinyalakan dengan memberikan tegangan gate positif seperti umumnya thyristor dan dipadamkan dengan memberikan tegangan negatif pada gate-nya. SITH adalah merupakan komponen pembawa minoritas. Oleh karenanya SITH mempunyai resistansi on-state atau drop tegangan yang rendah dan dapat dibuat dengan rating tegangan dan arus yang tinggi. SITH mempunyai kecepatan switching yang cepat dan kemampuan dv/dt dan di/dt yang tinggi. Waktu switching dalam orde 1 hingga 6 µdetik. Rating tegangan dapat mencapai 2500 V dan rating arus terbats hingga 500 A.

□ Light-Activated Silicon-Controlled

Komponen ini dinyalakan dengan radiasi langsung pada silikon wafer-nya dengan sumber cahaya. LASCR digunakan pada aplikasi-aplikasi tegangan tinggi dan arus tinggi seperti pada aplikasi transmisi tegangan tinggi dc (HVDC) dan kompensasi daya reaktif statis atau volt-ampere reactive (VAR). LASCR dilengkapi dengan isolasi elektrik antara sumber trigger-cahaya dan komponen switching dari konverter daya, dengan potensial mengambang tinggi hingga beberapa kilovolt. Rating tegangan dari LASCR dapat setinggi 4 kV pada 1500 A dengan daya trigger-cahaya kurang dari 100 mW. Tipikal di/dt adalah 250 A/µdetik dan dv/dt dapat setinggi 2000 V/µdetik.

□ FET-ControIIed Thyristor

FET-CTH adalah komponen gabungan antara sebuah MOSFET dan sebuah thyristor yang terhubung anti paralel seperti yang ditunjukkan pada gambar 1-23. Jika sebuah tegangan yang cukup diberikan ke gate MOSFET, tipikal 3 V,


maka akan dibangkitkan arus trigger dari dalam. Mempunyai kecepatan switching tinggi, dv/dt tinggi, dan di/dt tinggi. Komponen ini dapat dinyalakan sama seperti thyristor konvensional, tetapi tidak dapat dipadamkan dengan mengendalikan gate-nya.

Gambar 1-23 FET-Controlled Thyristor

□ □ MOS-Controlled Thyristor

MOS-Controlled Thyristor (MCT) adalah merupakan kombinasi sifat-sifat regeratif thyristor dan struktur gate thyristor. Skematik dari sel MCT diberikan pada gambar l-24a. Rangkaian ekivalen diberikan pada gambar l-24b dan simbolnya

diberikan

pada

gambar

l-24c.

Struktur

NPNP

dapat

direprensentasikan oleh transistor NPN, Q1, dan transistor PNP, Q2. Struktur MOS-gate dapat direprensentasikan oleh sebuah MOSFET kanal-p (M1) dan MOSFET kanal-n (M2). Karena strukturnya NPNP, maka anode berlaku sebagai terminal acuan relatif terhadap semua sinyal gate yang diberikan. Tegangan negatif VGA akan mebuat MOSFET kanal-p (M1) konduksi sehingga memberikan arus basis untuk transistor Q2, sedangkan pulsa gate positif VGA akan menarik arus yang menggerakkan basis dari Q1 sehingga membuat MCT padam.


MCT dapat dioperasikan sebagai komponen gate-terkendali jika arusnya kurang dari arus puncak yang dapat dikontrol. Usaha untuk membuat MCT padam pada arus yang melebihi nilai tersebut akan mengakibatkan kerusakan pada komponen. Untuk nilai arus yang tinggi MCT dipadamkan seperti thyristor biasa. Lebar pulsa gate tidak kritis untuk arus komponen yang lebih kecil. Untuk arus yang besar, lebar pulsa pemadaman harus lebih besar. Pada banyak aplikasi, termasuk inverter dan chopper, pulsa gate kontinyu selama periode nyala-padam diperlukan untuk menghindari kerancuan.


Gambar 1-24 Skematik dan rangkaian ekivalen MCT

Komponen Semikondukstor Daya

Disamping itu MCT mempunyai :• 1.

drop tegangan selama konduksi rendah

2.

turn-on time cepat (tipikal. 0,4 µdetik) dan turn-off time cepat (tipikal 1,25 µdetik) untuk sebuah MCT 300 A, 500 V

3.

rugi switching rendah

.

4.

kemampuan blocking tegangan balik rendah

5.

impedansi input gate tinggi.

Contoh 1-3 Sebuah thyristor mengalirkan arus seperti yang ditunjukkan pada gambar 1-25 dan pulsa arus diberikan secara berulangulang pada frekuensi fs = 50 Hz. Tentukan arus rata-rata on-state I T. Solusi: Ip = ITM = 1000 A, T = l/fs = 1/50 = 20 mdetik, dan t1 = t2 = 5 µdetik. Maka arus rata-rata on-state adalah

Gambar 1-25 Bentuk gelombang arus thyristor


\


BAB 1 KOMPONEN SEMIKONDUKTOR DAYA

Recommend Documents