Semikonduktor Daya [PDF]

Citation preview

ELEKTRONIKA DAYA Semikonduktor Daya



Pendahuluan Rangkaian Elektronika Daya Pengubahan



Semikonduktor Daya



Pensaklaran



efisiensi dan performasi rangkaian rugi daya



Pengaturan



Mengubah bentuk gelombang → gelombang lain



Dioda Pensaklaran Menghantarkan arus (ON) jika potensial A lebih (+) vs potensial K



(a) simbol dioda (b) karakteristik dioda (c) karakteristik ideal dioda



Dioda Pensaklaran



➢ Jika mendapat tegangan maju (forward voltage – VF), maka dioda (ON); ➢ Jika mendapat tegangan balik (reverse voltage – VR), maka dioda



(OFF)



Parameter Spesifikasi Umum Dioda (Datasheet) ➢ Maximum Average Forward Current (If(avg)max) Arus yang ditangani dengan aman oleh Dioda saat bias maju, biasanya dari beberapa Ampere s.d. beberapa ratus Ampere tergantung spesifikasi Dioda. ➢ Peak Inverse Voltage (PIV) Tegangan balik maksimum yang dapat dihubungkan ke Dioda sehingga



tanpa mengalami kerusakan, disebut juga tegangan tembus balik, biasanya dari beberapa Volt s.d. beberapa kV.



Parameter Spesifikasi Umum Dioda (Datasheet) ➢ Maximum Surge Current (IFSM – forward surge maximum current) Arus maksimum yang dapat ditangani Dioda karena transien sesekali atau dari gangguan pada rangkaian ➢ Maximum Junction Temperature Suhu yang dialami Dioda agar Dioda bertahan tanpa kerusakan



== Doida: gerbang [-] → OFF, [+] → ON [AC]



Thyristor



== Doida → latch: triggering gerbang; unlatch: VA = VK (komutasi) [DC]



Pemicu



Pensaklaran



gerbang dialiri arus pulsa positif



(a) (b) (c)



simbol SCR karakteristik SCR karakteristik ideal SCR



Thyristor (SCR)



➢ Saat gerbang terbuka (open cct), maka: Jika tegangan sumber (V) dinaikkan mencapai suatu harga tertentu, maka SCR (ON). Tegangan ini disebut tegangan breakover (tegangan dadal maju); ➢ Saat tegangan pada gerbang lebih positif terhadap katoda: Tegangan gerbang lebih positif sedikit saja dari katoda, maka SCR (ON).



Istilah



Thyristor (SCR)



1. Tegangan breakover (VBO): tegangan maju minimum yang dikenakan ke SCR dengan gerbang terbuka maka SCR mulai menghantarkan arus (ON). Biasanya bernilai 50 – 500V, misal: VBO = 100V, maka SCR tetap mati jika tegangan sumber bernilai di bawah 100V; 2. Tegangan peak reverse (PRV): tegangan balik maksimum tanpa berakibat SCR menghantarkan arus dalam arah berlawanan. Jika nilai PRV dilewati, maka SCR akan menghantarkan arus berlawanan, sehingga membahayakan SCR. Biasanya bernilai s.d. 2,5kV; 3. Arus holding (IH): arus maksimum yang mengalir pada anoda, gerbang terbuka, sehingga SCR mulai (OFF). Misal: = 5mA, jika arus pada anoda di bawah nilai 5mA, maka SCR (OFF); 4. Arus forward rating (IF): arus maksimum yang diperbolehkan mengalir ke SCR tanpa merusaknya. Biasanya nilai IF = 30 – 100A



Thyristor (SCR)



Parameter Spesifikasi Umum SCR (Datasheet) ➢ Surge Current Rating (IFM) Puncak arus anoda SCR yang dapat ditangani SCR selama durasi singkat ➢ Latching Current (IL) Arus anoda minimum yang harus mengalir melalui SCR agar tetap ON sesaat setelah sinyal gerbang (gate) tidak ada



➢ Holding Current (IH) Setelah SCR latching, arus anoda minimum tertentu diperlukan untuk menjaga agar tetap konduksi. Jika arus minimum menurun di bawah nilai minimum ini, SCR akan OFF ➢ Peak Repetitive Reverse Voltage (VRRM) Tegangan maksimum sesaat yang dapat ditahan SCR, tanpa breakdown dalam arah sebaliknya



Parameter Spesifikasi Umum SCR (Datasheet) ➢ Peak Repetitive Forward Blocking Voltage (VDRM) Tegangan maksimum sesaat sehingga SCR dapat menahan dalam arah maju. Jika VDRM terlampaui, SCR akan konduksi tanpa tegangan gerbang (gate) ➢ Nonrepetitive Peak Reverse Voltage (VRSM) Tegangan balik transien maksimum yang mampu ditahan SCR ➢ Maximum Gate Trigger Current (IGTM) Arus DC gate maksimum yang diizinkan agar SCR ON



➢ Minimum Gate Trigger Voltage (VGT) Tegangan DC minimum antara gate dan katoda yang dibutuhkan untuk memicu/menyalakan SCR ➢ Minimum Gate Trigger Current (IGT) Arus DC gate minimum yang dibutuhkan agar SCR ON



Thyristor (SCR) Alami



Terjadi jika sumber tegangan AC, SCR akan (OFF) karena sifat alamiah tegangan AC



Komutasi



Paksa



Terjadi jika sumber tegangan DC, arus maju SCR akan dipaksa menjadi 0 dengan menambahkan rangkaian komutasi agar SCR (OFF)



Thyristor (GTO) Pensaklaran



== SCR: gerbang [-] → OFF, [+] → ON



Komutasi (OFF) sulit, perlu arus balik gerbang yang besar (biasanya: 20% arus anoda/rating)



(a) simbol GTO (b) karakteristik GTO (c) karakteristik ideal GTO



Thyristor (GTO vs SCR) ✓ Tidak memerlukan rangkaian komutasi, sehingga lebih murah; ✓ Proses komutasi (OFF) lebih cepat;



✓ Memperbaiki efisiensi rangkaian.



✓ Tegangan jatuh dan rugi-rugi lebih besar; ✓ Perlu arus gerbang yang lebih besar ketika memicu (ON); ✓ Latching dan arus holding lebih besar.



Transistor



BJT



MOSFET



Bipolar Junction Transistor



Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor



IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor



Kecepatan pensaklaran (switching speed) transistor lebih tinggi daripada thyristor dan transistor sering dipakai dalam konverter DCDC dan DC-AC. Namun, nilai tegangan dan arusnya lebih rendah daripada thyristor dan transistor secara normal digunakan dalam aplikasi daya rendah sampai menengah.



Transistor (BJT)



(a) simbol transistor (b) karakteristik transistor (c) karakteristik ideal transistor



BJT NPN (ON): C-E → bias, VB lebih [+] terhadap VE, IB mampu mengendalikan pada daerah jenuhnya BJT NPN (OFF): IB dikurangi → C tidak ada arus



Transistor (BJT) (ON): VCE = 0 && IC = ILoad



(OFF): VCE = VCC && IC = 0



➢ Jika tegangan U1 = 12V → IB mengalir, transistor menghantarkan arus (ON) → IC mengalir → lampu P1 (ON) ➢ Jika tegangan U1 = 0 → IB = 0, transistor (OFF) → IC berhenti mengalir → P1 (OFF) Kerja transistor dikendalikan oleh arus basis IB



Transistor (MOSFET) (a) simbol MOSFET (b) karakteristik MOSFET (c) karakteristik ideal MOSFET



(ON): VGS besar → VDS besar. Δ VDS ≈ ID



(ON): VDS = 0 && ID = ILoad.



(OFF): VDS = VDD && ID = 0 Kerja MOSFET dikendalikan oleh tegangan, memerlukan tegangan kecil pada Gate



Transistor (IGBT) ZG tinggi → IG kecil → (ON)



(a) simbol IGBT (b) karakteristik IGBT (c) karakteristik ideal IGBT



Memiliki kesamaan dengan BJT, bedanya pada BJT arus basis IB yang diatur, sedangkan IGBT tegangan gate-emitor VGE yang diatur



(ON): VGE kecil, meskipun Vrating besar dan mampu blok tegangan negatif



Transistor (IGBT)



Contoh: Karakteristik IGBT pada tegangan rating VCE = 20V dan tegangan gate-emitor VGE diatur dari min. 8V s.d. 16V, arus kolektor IC dari 2A – 24A



Rating Tipikal



Sumber: Jaganathan, V.



Doping p >>



Pengayaan: Unijunction Transistor (UJT) Digunakan untuk membangkitkan sinyal penyalaan/pemicuan untuk SCR/Thyristor



Doping n >



Tahanan variable (𝑅𝐵1 ) dan tegangan titik A (𝑉𝐴 ) beserta tahanan tetap (𝑅𝐵2 ) membentuk hubungan pembagi tegangan, yaitu: 𝑹𝑩𝟏 𝑽𝑨 = 𝑽 → 𝑽𝑨 = 𝜼𝑽𝑩𝑩 𝑹𝑩𝟏 + 𝑹𝑩𝟐 𝑩𝑩 Persambungan pn



𝑹𝑩𝟏 𝑹𝑩𝟏 𝜼= = 𝑹𝑩𝟏 + 𝑹𝑩𝟐 𝑹𝑩𝑩



𝜂: rasio pegimbang (intrinsic standoff ratio) Variabel karena tergantung dari IE



Pengayaan: Unijunction Transistor (UJT)



Rangkaian UJT Pembangkit Pulsa Gelombang tegangan penyalaan yang digunakan (𝑉𝐵1 ) identic dengan arus discharge kapasitor C. 𝑉𝐵1 dirancang harus cukup untuk memicu SCR. Periode osilasi T tidak bergantung nilai 𝑉𝑠 , sehingga: 𝟏 𝟏 𝑻 = ≈ 𝑹𝑪 𝐥𝐧 𝒇 𝟏−𝜼 Jika 𝑉𝑠 dinyalakan, kapasitor C terisi melalui resistor R saat emitter dalam kondisi terbuka. Maka persamaan konstanta waktu rangkaian pengisian: 𝜏1 = 𝑅𝐶. Saat terbentuk tegangan emitter 𝑉𝐸 yang sama dengan 𝑉𝐶 , maka tegangan mencapai puncaknya 𝑉𝑃 → UJT ON dan kapasitor C discharge melalui 𝑅𝐵1 , sehingga keadaan ini digambarkan dengan persamaan: 𝜏2 = 𝑅𝐵1 𝐶 dengan nilai 𝜏2 ≪ 𝜏1 . Saat tegangan emitter 𝑉𝐸 berkurang menuju nilai lembah/valey 𝑉𝑣 , maka emitter berhenti menghantarkan arus → UJT OFF dan siklus pengisian kapasitor C terulang kembali.



Rangkaian UJT Pembangkit Pulsa



Resistor R dibatasi antara 3kΩ – 3MΩ, sedemikian sehingga terpotong seperti gambar gelombang di atas. Maka: 𝑉𝑠 − 𝐼𝑃 𝑅 > 𝑉𝑃 , sehingga dapat dipenuhi melalui persamaan: 𝑽𝒔 − 𝑽𝑷 𝑹< 𝑰𝑷 Pada nilai lembahnya 𝐼𝐸 = 𝐼𝑉 dan 𝑉𝐸 = 𝑉𝑣 sedemikian sehingga 𝑉𝑠 − 𝐼𝑣 𝑅 < 𝑉𝑣 , maka dapat dipenuhi melalui persamaan: 𝑽𝒔 − 𝑽𝒗 𝑹> 𝑰𝒗



Rangkaian UJT Pembangkit Pulsa Rekomendasi rentang tegangan suplai 𝑉𝑠 dari 10 – 35V. Untuk nilai 𝜂 yang tetap, maka tegangan puncak 𝑉𝑃 berubah terhadap tegangan antar basis 𝑉𝐵𝐵 , sehingga tegangan puncak 𝑉𝑃 dapat diperoleh melalui persamaan: 𝑽𝑷 = 𝜼𝑽𝑩𝑩 + 𝑽𝑫 (= 𝟎, 𝟓𝑽) ≈ 𝜼𝑽𝒔 + 𝑽𝑫 (= 𝟎, 𝟓𝑽) Dengan 𝑉𝐷 jatuh tegangan maju dioda (biasanya: 0,5V atau 0,7V). Lebar waktu penyalaan/pemicuan (𝑡𝑜𝑛 ) diperoleh melalui persamaan: 𝒕𝒐𝒏 = 𝝉𝟐 = 𝑹𝑩𝟏 𝑪 Secara umum, 𝑅𝐵1 dibatasi di bawah 100Ω, walaupun nilai sampai dengan 2 atau 3kΩ memungkinkan dalam penerapannya. Resistor 𝑅𝐵2 secara umum dihubungkan seri dengan basis-2 untuk mengkompensasi penurunan tegangan puncak 𝑉𝑃 karena kenaikan suhu dan memproteksi UJT dari suhu berlebih. Resistor 𝑅𝐵2 bernilai 100Ω atau lebih dan dapat diperoleh melalui persamaan: 𝟏𝟎𝟒 𝑹𝑩𝟐 = 𝜼𝑽𝒔



Terima kasih



Tugas Kelompok Aturan ✓ 1 (satu) kelompok terdiri dari 3 orang; ✓ Masing-masing



anggota



dalam



kelompok



mengerjakan



dan



mempresentasikan 1 soal, terdiri dari butir a) [datasheet] dan b) [simulasi sederhana] ✓ Presentasi akan dilaksanakan pada pertemuan selanjutnya sampai semua



kelompok



dan



semua



mempresentasikan bagian tugasnya.



anggota



dalam



kelompok



Tugas Kelompok…1 1. Karakteristik Dioda R1 5kΩ V1 5V



D1 1N4001G



Jelaskan mengapa grafik yang terbentuk demikian sehingga apakah sesuai dengan datasheetnya?



Tugas Kelompok…2 2. Karakteristik SCR Ra 570Ω Rg 470Ω



D1 2N6400



Vs 10V



Vg 0V



Jelaskan mengapa grafik yang terbentuk demikian sehingga apakah sesuai dengan datasheetnya?.



Tugas Kelompok…3 3. Karakteristik BJT Rc 220Ω



C



Rb



E



B



220Ω Ib 5A



Q1 BD139



Vce 10V



Jelaskan mengapa grafik yang terbentuk demikian sehingga sesuai dengan datasheet-nya



Tugas Kelompok…4 4. Karakteristik MOSFET Q1 IRF541 Vgs 80V



Vds 20V



Jelaskan mengapa grafik yang terbentuk demikian sehingga sesuai dengan datasheet-nya



Tugas Kelompok…5 5. Karakteristik IGBT Rc 50Ω Rg Vge 100Ω 10V



Q1 IRGPC20U



Vce 2V



Jelaskan mengapa grafik yang terbentuk demikian sehingga sesuai dengan datasheet-nya



Tugas Kelompok…6 6. Karakteristik UJT R2 200Ω R1 1kΩ V1 5V



Q1 2N6027



V2 12V



R3 100Ω



Jelaskan mengapa grafik yang terbentuk demikian sehingga sesuai dengan datasheet-nya