12/4/2010
Overview of power semiconductor devices
Asnil Elektro FT-UNP
1
12/4/2010
Voltage Controller electronic switching
I > R1 V1
R2
V1 V2
Gambar 1. Pengaturan tegangan dengan potensiometer
Untuk mengubah tegangan V1 menjadi V2, dimana dimana V2 < V < V1 terdapat rugi daya sebesar I2 (R1 + R2).
V2
Gambar 2. Pengaturan tegangan dengan electronic switching
Untuk mengubah tegangan V1 menjadi V2, TIDAK TERDAPAT TIDAK TERDAPAT RUGI DAYA pada elemen electronic switching
2
12/4/2010
Fungsi semikonduktor dalam elektronika daya 1 Pensakelaran (switching) 1. 2. Konverting (pengubah) 3. Pengendali (kontroller)
3
12/4/2010
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
12/4/2010
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
12/4/2010
Gambar 4. a) Panjar maju (forward), b) Panjar mundur (reverse)
Gambar 5. Karakteristik diode
6
12/4/2010
Syarat Diode ON/OFF
ON, jika : A dan K dibias maju (FB), dimana A(+) dan K (‐). VAK = 0, IA = Ibeban
OFF, jika : 9 A dan K dibias mundur (RB), dimana A(‐) dan K (+). 9 VAK = Vsumber, IA = 0
7
12/4/2010
Switching characteristics
diF/dt
IF
i(t)
Qrr ≈ Irrtrr/2, Ileak ≈ 0
diR/dt
0.25Irr Ileak
trr
t
0 Tens of volts v(t) 0
t3
VFP
Qrr t4 t5
Von t1
t2
Irr VR
Vrr
Gambar 6. Switching characteristics
Voltage and current waveforms for a power diode driven by currents with a specified diF/dt and a specified diR/dt.
8
12/4/2010
TRANSISTOR
Gambar 7. Transistor daya 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 ang bekerja ON/OFF pada kecepatan yang sangat tinggi dalam orde mikro detik
9
12/4/2010
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. 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 135
10
12/4/2010
Gambar 8. Tegangan operasi transistor sebagai saklar
Arus basis dan arus kolektor maksimum dan tahanan kolektor , j antar 0 sampai p 50 ms. emitor RCE mendekati nol, terjadi 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
12/4/2010
Gambar 9. Transistor sebagai saklar
12
12/4/2010
Karakteristik out put transistor Transistor berfungsi sebagai saklar j ketika tegangan g g Vce ON terjadi saturasi, terjadi saat arus basis maksimum pada titik A3 Transistor berfungsi sebagai penguat sinyal input ketika input ketika arus basis berada basis berada antara arus kerjanya A2 sampai A1 Ketika arus basis mendekati nol, Transistor berfungsi sebagai saklar OFF ketika tegangan Vce sama dengan tegangan suplai Vb di titik A1 Gambar 10. Karakteristik out put transistor
13
12/4/2010
Syarat Transistor ON/OFF ON, jika ,j : • Terminal C dan E dibias maju, polaritas C dan E tergantung jenis transistornya. • Arus IB > 0 • VCE = 0 dan IC = Ibeban OFF, jika : z Terminal C dan E dibias maju, polaritas C dan E tergantung jenis transistornya. z Arus IB = 0 z VCE = VCC = Vsumber dan IC = 0
14
12/4/2010
Thyristor (SCR) A IA2
IA1
J1
iA
Q1
+ vAK
J2 G
Q2 IG
(a)
Gate iG
J3
Anode
Cathode
K
(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, yaitu dengan thyristor dengan tipe P‐Gate dan N‐Gate.
15
12/4/2010
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 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, d dengan mengatur t arus gate yang besarnya t b 1 A sampaii 100 1 mA 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 1500 Ampere
16
12/4/2010
Gambar 12. Karakteristik thyristor
Pada tegangan Forward, jika arus gate diatur dari 0‐50mA, maka thyristor akan cut‐in dan cut‐in dan mengalirkan arus forward. 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
12/4/2010
Syarat SCR ON/OFF ON jika : ON, jika A dan K dibias maju (FB), dimana A(+) dan K (‐). Arus IG > 0 VAK = 0, IA = Ibeban
OFF, jika : 9 A dan K dibias mundur (RB), dimana A(‐) dan K (+). 9 Arus IG > 0 9 VAK = Vsumber, IA = 0
18
12/4/2010
Thyristor (SCR) in a simple circuit
Turn off tima, Turn‐off tima, tq berada dalam orde 50 ‐100ms
Gambar 13. Thyristor; (a) circuit, (b) waveforms, (c) turn‐off tima y ;( ) ,( ) ,( ) interval tq q
For successful turn‐off, reverse voltage required for an interval greater than the turn‐off interval
19
12/4/2010
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 TRIAC bekerja mirip dengan SCR yang paralel SCR yang paralel bolak‐balik, sehingga dapat melewatkan arus dua arah
TRIAC dapat TRIAC dapat ditrigger untuk konduksi melalui arus gatenya untuk salah satu polaritas tegangan antara T1 dan T2
20
12/4/2010
Gambar 14. Mode trigger TRIAC
21
12/4/2010
+i
Keadaan ON Quadrant I MT2 +
-VBO
Quadrant III MT2 -
Ig- Tertrigger
+IH -IH
+VBO
+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 l positiff antara gerbang b G dan d T1 . Jika k terminal T2 negatif l f terhadap T1, triac dapat dihidupkan dengan memberikan sinyal pulsa negatif antara gerbang G dan terminal T1
22
12/4/2010
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 (Variable Voltage Variable VVVF (Variable Voltage Variable Frequency) pada KRL modern, dipakai pada kontrol pembangkit tenaga angin dan tenaga panas matahari.
23
12/4/2010
Equivalent Circuits
Circuit Symbols
Gambar 16. IGBT
24
12/4/2010
Increasing VGE
iC
VGE5
iC
actual
VGE4 Active region A few tens of volts due J1 breakdown
VGE3
linearized
VGE2 VGE1
VRM ~1V
vGE
VGE(th)
VGE > VGE(th)
Transfer curve
VGE < VGE(th) Cut-off region BVCES
vCE
Due to J1 forward bias
VGE(th) ~ 3- 8V, VGE(max) = ±20 to 25V, VCE(sat) ~ 2- 4V
Gambar 17. Karakteristik Ic – Vce IGBT
25
12/4/2010
Gambar 18. Karakteristik dan simbol semikonduktor daya
26
12/4/2010
POWER CONVERTERS 1. AC – DC converter ((rectifier) “ Menyearahkan ) y 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
