Pertemuan 2 Divais Semikonduktor Daya

Pertemuan 2

Divais Semikonduktor Daya

Aplikasi

• Power generation and transmission (HVDC).

• Uninteruptable power supplies (UPS).

• DC Power supplies

• Energy conservation (ballast, pumps, compressors, air condition).

• Tranportation (electric car, trains)

• Process control and automation.

• Electroplating, Welding.

• Heating, cooling.

• Utility-related application.

2

Perkembangan Kemajuan di Bidang Elektronika Daya

• Perkembangan elektronika daya cukup pesat akibat dari:

– Kemajuan dibidang power semiconductor switches.

– Kemajuan dibidang mikroelektronik (DSP, VLSI, mikroprosesor/ mikrokontroler).

– Munculnya ide-ide baru dalam bidang aigoritma kontrol.

– Kebutuhan-kebutuhan akan aplikasj-aplikasi baru.

Elektronika daya merupakan bidang interdisipliner :

• Elektronika digital atau analog.

• Daya dan energi Mikroelektronik.

• Sistem kontrol.

• Komputer, simulasi dan software.

• Solid-state physics dan devices.

• Heat transfer

4

Konverter Elektronika Daya

• Berdasarkan hubungan antara masukan dan keluaran, konverter diklasifikasikan menjadi:

– AC to DC Converter : Penyearah

Konverter ac ke dc menghasilkan keluaran dc

dari masukan ac, daya rata-rata dipindahkan dari sumber ac kebeban dc.

– DC to DC Converter (Chopper) : Konverter dc ke dc

manghasilkan keluaran dc yang variabel

– DC to AC Converter (Inverter) : Pada inverter, daya rata-rata mengalir dari sisi dc ke sisi ac.

– AC to AC Converter (Cycloconverter) :

Konverter ac ke ac dapat digunakan untuk mengubah

besaran dan atau frekuensi dari masukan ac

6

Contoh aplikasi : konverter statis

• DC to DC Converter

• Switch Mode

Power Supply

(SMPS)

Contoh aplikasi : sistem pengendali kecepatan motor

8

Divais Semikonduktor Daya (Power Switches)

• Power switches adalah merupakan tulang punggung dari sistem elektronika daya.

• Power electronics switches bekerja hanya dalam dua kondisi:

– Konduksi penuh (Fully ON – conducting/konduksi)

– Padam (Fully O0F - blocking)

10

• Dapat dikategorikan menjadi tiga grup :

– Diode : kondisi ON dan OFF dikendalikan hanya dengan rangkaian daya.

– Thyristor (SCR) : kondisi ON dengan menggunakan sinyal kontrol daya rendah, akan tetapi untuk memadamkannya menggunakan rangkaian daya. Tidak dapat dipadamkan dengan sinyal kontrol.

– Controllable switches : dapat dinyalakan

dan dipadamkan melalui sinyal kontrol

dengan daya rendah (BJT, MOSFET, IGBT,

GTO)

Diode Daya (Power Diode )

• Ketika diode mendapatkan bias maju (forward biased), maka diode akan konduksi dengan tegangan maju yang kecil (Vf) yang terdapat pada diode (0,2 - 3) Volt.

• Ketika diode mendapatkan bias balik(reverse biased), diode dalam kondisi padam dan dengan mengabaikan arus bocor yang kecil (orde mikroampere hingga mA) yang mengalir hingga reverse breakdown terjadi. Diode seharusnya tidak boleh dioperasikan pada kondisi tegangan balik lebih tinggi dari Vr. ¹⁴

• Karakteristik Pemulihan Balik (Reverse Rocovery Characteristic)

– Ketika terjadi perubahan (switched) secara mendadak/cepat dari kondisi bias maju ke kondisi bias balik, maka diode akan kontinyu konduksi karena pembawa minoritas (minority carriers) yang tersimpan pada sambungan p-n dan material semikonduktornya.

– Pembawa minoritas memerlukan waktu yang cukup untuk menyusun ulang pengisiannya. Waktu ini disebut dengan reverse recovery time dari diode (t_rr biasanya kurang dari 1 mikrodetik).

– Pengaruh dari reverse recovery adalah menaikkan rugi-rugi pensaklaran (switching), menaikkan rating tegangan, terjadinya tegangan lebih (spike) pada beban-beban induktif.

– Gambar diatas menunjukkan karakteriktik pemulihan balik (reverse recovery) dari sambungan p-n sebuah diode. Reverse recovery time diukur dari perpotongan awal titik nol arus diode hingga 25% arus puncak balik I_RR.

– t_rr terdiri dari dua komponen t_a dan t_b, dimana t_a adalah waktu perpotongan titik nol dengan arus balik puncak (karena adanya pengisian komponen penyimpan pada daerah defleksi sambungan) dan t_b karena pengisian komponen penyimpan dalam material semikonduktor.

16

– Perbandingan antara t_a dan t_b (t_a/t_b) dikenal sebagai Softness Factor (SR), untuk SR=1 (pemulihan lunak – soft recovery) dan SR<<1 (pemulihan kasar - abrupt recovery).

– Total waktu pemulihan t_rr adalah :

– Arus balik puncak dapat dinyatakan :

dt t di I_RR = _a

b a

rr t t

t = +

Tipe Diode

Ditinjau dari karakteristik pemulihan dan teknik pembuatannya, diode daya

diklasifikasikan menjadi 3 kategori :

– Diode standar atau general purpose.

– Tegangan konduksinya sangat rendah (dibawah 1 V) – t_rr tinggi (tipikal 25 mikrodetik)

– Umumnya digunakan pada aplikasi kecepatan rendah (mis. : diode penyearah dan konverter dengan frekuensi masukan rendah hingga 1 kHz dan konverter-konverter komutasi jala-jala).

– Daya hantar arus sangat tinggi (diatas 5 kA) dan rating tegangan (hingga 5 kV).

18

– Fast recovery Diode

• t_rr rendah (tipikal 1 mikrodetik)

• Rating tegangan ratusan volt dan rating arus ratusan ampere.

• Umumnya digunakan pada rangkaian dengan frekuensi tinggi.

– Schottky Diode

• Drop tegangan maju sangat rendah (tipikal 0,3 V)

• Tegangan blocking terbatas (50 - 100) Volt

• Digunakan pada aplikasi tegangan rendah, aplikasi arus tinggi seperti pada SMPS.

THYRISTOR (SCR)

• Thyristor hanya dapat dinyalakan pada dua kondisi:

– Divais pada kondisi terbias maju (yaitu V_ak positif) – Arus gate (Ig) positif diberikan pada gate

20

• Pada kondisi ON arus anode harus lebih besar dari suatu nilai yang disebut dengan latching current, jika tidak maka divais akan kembali kekondisi blocking ketika tegangan anode- katode berkurang.

• Latching current (I

_L

) adalah arus anode minimum yang diperlukan agar dapat membuat thyristor tetap konduksi meskipun sinyal gate dihilangkan.

• Holding current (I

_H

) adalah arus anode minimum

untuk membuat thyristor ON (I

_L

>I

_H

)

Mekanisme penyalaan dan pemadaman (Turning ON-OFF mechanism)

• Pada mode terbias-balik, SCR berperilaku seperti diode. Akan mengalirkan arus bocor yang kecil yang tergantung pada tegangan, tetapi akan naik dengan kenaikan temperatur.

• Ketika tegangan balik puncak tercapai, maka akan terjadi avalance breakdown dan arus yang besar akan mengalir.

• Pada mode terbias-balik, dengan tidak adanya arus gate (yaitu pada kondisi tidak di-trigger) divais akan mengalirkan arus bocor.

22

• Bila tegangan maju breakdown (Vbo) tercapai, maka SCR akan ter-trigger dengan sendirinya ("selft triggered”), dan tegangan jatuh konduksi sekitar (1,5 - 3 V tipikal). Adanya arus gate akan mengurangi tegangan maju breakdown

• Thyristor tidak dapat dipadamkan dengan memberikan arus gate negatif. Thyristor hanya bisa dipadamkan jika Ia menuju negatif (reverse). Hal ini terjadi karena bagian negatif dari gelombang sinus terjadi (natural- commutation)

• Metode lain untuk memadamkan yang dikenal

sebagai "force-commutation", arus anode

dialihkan kerangkaian yang lain.

Tipe Thyristor

• Fasa terkontrol (phase controlled)

– Penyearahan tegangan dan arus pada frekuensi jala- jala yang digunakan untuk penggerak motor dc.

– Kemampuan tegangan tinggi (hingga 7 kV) dan arus tinggi (hingga 4 kA)

– Tegangan jatuh ON-state rendah (1,5 - 3) V.

• Inverter grade

– Digunakan pada pada inverter dan chopper – Sangat cepat, dapat dinyalakan dengan

menggunakan metode "force commutation'''

24

Tipe Thyristor

• Penyalaan dengan cahaya (light activated - LASCR)

– Seperti pada fasa terkontrol, divais ini dinyalakan dengan memberikan radiasi cahaya langsung ke wafer silicon.

– Pada umumnya rating dayanya sangat tinggi

(contoh : transmisi tegangan tinggi dc - HVDC

dan kompensasi daya reaktif statis atau

reaktif volt ampere - VAR)

TRIAC

26

TRIAC

• Thyristor dengan polaritas ganda yaitu merupakan divais yang mempunyai sifat konduksi dua arah (bi-directional), olehkarenanya divais ini digunakan untuk pengaturan tegangan bolak-balik.

• Adalah merupakan ekivalensi dari dua buah SCR yang dihubungkan antiparalel.

• TRIAC akan lebih sensitive bila dioperasikan

pada kuadran satu (tegangan MT2 positif, gate

positif) dan kuadran tiga (tegangan MT2 negatif,

gate negatif).

Controllable Switch (Power Transistors)

• Dapat dinyalakan (ON) dan dipadamkan (OFF) dengan sinyal kontrol yang relatif sangat rendah.

• Dioperasikan pada mode saturasi dan cut-off saja. Tidak dioperasikan pada daerah linier karena rugi-ruginya

besar.

• Secara umum transistor tidak bekerja pada latched mode.

• Divais tradisional : Bipolar Junction Transistor (BJT), Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor (MOSFET), Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT), Gate turn-off Thyristor (GTO).

• Divais modern : Gate Controlled Thyristor (GCT).

28

Bipolar Junction Transistor

(BJT)

Bipolar Junction Transistor (BJT)

• Transistor digunakan sebagai elemen saklar, sehingga dioperasikan dalam daerah saturasi. Jatuh tegangan pada kondisi ON rendah (V_CE-sat = 2-3 V).

• Kecepatan pensaklaran (switching) lebih tinggi dari pada thyristor (hingga 5 kHz), sering digunakan pada

konverter dc-dc dan konverter dc-ac.

• Dengan memasangkan sebuah diode anti parallel, transistor dapat menghasilkan arus dua arah

(bidirectional).

• Level tegangan dan arusnya lebih rendah dibandingkan dengan thyristor (V_CE<1000V), Ic<400A), sehingga

banyak diaplikasikan pada aplikasi daya rendah dan menengah.

30

Karakteristik BJT

• Untuk menyalakan dan memadamkan divais yaitu dengan menghubungkan terminal basis dan emitor dengan rangkaian driver.

• Untuk menyalakannya dengan mengijeksikan arus pada terminal basis sehingga arus mengalir dari kolektor ke emitor.

• Untuk memadamkan dengan menghilangkan arus basis.

• Penguatan arus (β) rendah jika dioperasikan pada daerah saturasi (umumnya <10)

• Untuk memperoleh penguatan arus (β) yang tinggi, maka digunakan hubungan Darlington.

32

Metal Oxide Silicon Field Effect Transistor (MOSFET)

• Bipolar Jucntion Transistor adalah merupakan komponen yang dikendalikan oleh arus basis dan penguatan arusnya sangat bergantung pada

temperatur junction.

• MOSFET merupakan komponen yang dikendalikan oleh tegangan dan memerlukan arus masukan yang kecil. Rating tegangan Vdc

< 500 V dan arus IDC < 300 A.

• MOSFET mempunyai frekuensi switching sangat tinggi (> 100 kHZ) bahkan untuk divais daya rendah (ratusan watt) dapat mencapai orde MHz dan orde waktu switching sekitar

nanodetik.

Karakteristik MOSFET

• Penyalaan dan pemadamannya sangat sederhana.

Hanya memerlukan VGs = +15 V untuk penyalaan dan VGs = +0 V untuk pemadaman. Rangkaian diver gate- nya sederhana.

• Pada dasarnya adalah merupakan divais tegangan rendah. Tersedia juga divais tegangan tinggi (hingga 600V), tetapi dengan arus terbatas. Untuk memperoleh kemampuan arus tinggi dapat diparalel dengan mudah.

• Resistansi internal antara Drain dan Source pada kondisi ON (Rds(on)) akan membatasi kemampuan daya

MOSFET. Rugi-rugi tinggi pada divais tegangan tinggi karena Rds(on>.

• MOSFET lebih dominan dalam aplikasi frekuensi tinggi (>100 kHZ). Banyak digunakan pada Swicthed-Mode Power Supplies.

34

Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)

• Adalah merupakan kombinasi keuntungan-keuntungan pada BJT dan MOSFET, yaitu :

• Karakteristik gate-nya sama

dengan MOSFET, mudah dalam pemadaman dan penyalaan.

• IGBT memiliki impedansi masukan yang tinggi seperti

MOSFET dan rugi-rugi konduksi yang rendah seperti BJT (2 - 3 V).

• Rating tegangan dan arus yang tersedia hingga kini (V_CE < 3,3 kV, Ic < l,2kA). Bahkan dalam perkembangannya sudah

mencapai 4,2/1,2 kA.

Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)

• Rating tegangan dan arus yang tersedia hingga kini (V

_CE

< 3,3kV, Ic < l,2kA). Bahkan dalam

perkembangannya sudah mencapai 4,2/1,2 kA.

• Kemampuan switching-nya bagus (hingga 100 kHZ) pada divais yang baru. Aplikasi tipikal

IGBT digunakan pada range 20 - 50 kHz.

• Pada aplikasi divais daya tinggi, frekuensi switching terbatas hingga beberapa kHz.

• Operasi tanpa rangkaian snubber dimungkinkan, bahkan pada IGBT yang baru sudah tidak

memerlukan lagi snubber.

36

Gate Turn-Off Thyristor (GTO)

• Seperti normalnya

sebuah thyristor, dapat dinyalakan dengan

memberikan sinyal gate positif, tetapi GTO

dapat dipadamkan dengan memberikan

sinyal gate negatif. GTO mempunyai lacthing

current yang lebih tinggi dari thyristor, sehingga pulsa gate GTO akan lebih panjang.

Gate Turn-Off Thyristor (GTO)

• Akan tetapi untuk pemadamannya memerlukan arus gate balik yang lebar pulsanya lebih pendek tetapi magnitute pulsa umumnya seperlima dari arus anoda.

• Tegangan jatuh pada saat konduksi relatif lebih besar dibandingkan dengan SCR (untuk GTO 550A, 1200V besarnya sekitar 3,4V).

• Dalam perkembangannya rating tegangan Vak<5kV dan arus Ia<5kA serta frekuensi <5kHz.

• Pada umumnya GTO memerlukan rangkaian snubber, dan rangkaian snubber daya tinggi cukup mahal.

• Untuk GTO dengan daya yang sangat tinggi (>5kV,

>5kA) diperlukan pengembangan rangkaian gate- controlled thyristor (GCT) yang lebih kompleks.

38

Rangkaian Driver (Basis atau Gate)

• Interface (antar-muka) antara rangkaian kontrol

(elektronika daya kecil) dan saklar elektronik (daya

tinggi), berfungsi untuk :

– Penguat sinyal kontrol ke nilai yang diinginkan untuk mengendalikan saklar

elektronika daya (power switch).

– Memberikan isolasi elektris antara rangkaian daya

(power switch) dengan rangkaian kontrol

Contoh-contoh rangakain driver

• MOSFET membutuhkan V_GS

= +15 V untuk penyalaan dan 0 V untuk pemadaman.

LM311 adalah sebuah

amplifier sederhana dengan keluaran open collector Q_x.

• Ketika B₁ tinggi Q₁ konduksi, sehingga V_GS tertarik ke

ground dan MOSFET akan padam.

• Ketikan B₁ rendah Q₁ akan padam, sehingga V_GS tertarik ke V_GG. Jika V_GG di-set pada tegangan +15V, maka

MOSFET akan konduksi.

40

Rangakaian driver gate Thyristor

• Transformator pulsa

digunakan sebagai isolasi.

R₁ digunakan untuk membatasi arus gate.

• Pada umumnya lebar pulsa 10µs dengan

amplitude 50 mA cukup untuk menyalakan

thyristor.

• Tetapi tidak mungkin memadamkan thyristor dengan rangkaian

tersebut.

Isolasi Elektris untuk Driver

• Isolasi elektris ini diperlukan untuk mencegah bahaya dari pensaklaran (switching)

komponen semikonduktor daya (high power switch) terhadap propagasi balik ke rangkaian kontrol elektronik.

• Pada umumnya opto-coupler atau material magnetic

frekuensi tinggi banyak digunakan sebagai isolasi.

• Banyak rangkaian driver dan isolasinya sudah menjadi satu chip, misalnya TLP 250 dari Toshiba, HP 3150 dari Hewlett- Packard menggunakan opto- coupling isolation.

42

Rugi-rugi pada Saklar Semikonduktor Daya (Power Switch Losses)

• Adalah penting untuk mempertimbangkan rugi-rugi pada power switch:

– Untuk meyakikan bahwa sistem beroperasi secara handal dalam segala kondisi

lingkungan sekitar.

– Sehingga dengan menghilangkan sistem pendingin pada divais (heatsink, radiators, coolant) dapat meminimasi biaya dan ukuran.

– Rugi-rugi pada power switch akan

berpengaruh pada efisiensi sistem.

Rugi-rugi pada Saklar Semikonduktor Daya (Power Switch Losses)

• Bila power switch tidak didinginkan, maka

kemampuan divais pada daya penuh tidak dapat terealisir dan dereting.

• Rugi-rugi utama yang akan terjadi pada power switch adalah :

– Rugi-rugi konduksi (forward conduction losses)

– Rugi-rugi pada kondisi padam (blocking state losses).

– Rugi-rugi pensaklaran (switching losses).

44

Rugi-rugi konduksi

(forward conduction losses)

• Pada saklar ideal mempunyai jatuh tegangan pada saat

konduksi nol (Von=0).

Walaupun arus maju yang

mengalir besar tetapi rugi-rugi saklar nol.

• Akan tetapi pada saklar yang tidak ideal (BJT, IGBT, GTO, SCR dan GCT) mempunyai jatuh tegangan pada saat konduksi antara 1-3 Volt.

MOSFET mempunyai jatuh tegangan konduksi tergantung pada nilai R_DS(ON)

46

Rugi-rugi konduksi dan padam

(forward conduction and blocking state losses)

• Rugi-rugi diukur dengan hasil perkalian antara tegangan jatuh pada divais (Von) dengan arus konduksi, Ion, rata- rata dalam seluruh periode.

• Selama periode padam, saklar akan memblok tegangan yang besar. Idealnya seharusnya tidak ada arus yang mengalir pada saklar. Akan tetapi pada power

semiconductor switch yang sebenarnya akan mengalir arus bocor yang kecil. Hal ini akan mengakibatkan rugi- rugi kondisi konduksi dan padam.

• Arus bocor selama periode padam biasanya kecil, sehingga biasanya rugi-rugi pada kondisi padam diabaikan.

Rugi-rugi pensaklaran (switching losses)

• Selama proses penyalaan dan pemadaman, saklar ideal

mempunyai waktu transisi (transition time) nol. Proses

pensaklaran tegangan dan arus dapat berlangsung dengan

cepat.

• Pada real switch, karena tidak idealnya power switch maka profil dari pensaklaran

ditunjukkan seperti pada gambar.

• Rugi-rugi pensaklaran terjadi secara simultan perubahan tegangan dan arus selama periode pensaklaran.

• Perkalian antara arus dan tegangan dari divais akan

memberikan daya sesaat yang didisipasikan pada divais.

48

Rugi-rugi pensaklaran (switching losses)

• Energi panas yang dihasilkan selama periode pensaklaran adalah integrasi dari daya sesaat seluruh waktu seperti yang ditunjukkan dengan luasan yang diarsir pada kurve daya.

• Rugi daya rata-rata adalah jumlah energi

penyalaan dan pemadaman dikalikan dengan frekuensi pensaklaran.

• Bila frekuensi pensaklaran naik, rugi-rugi

pensaklaran juga naik. Batasan ini merupakan rentang (range) dari power switch tanpa

menggunakan pendingin.

Daerah Operasi Aman

(Safe Operation Area - SOA)

• Adalah merupakan

gambaran singkat dari nilai-nilai maksimum dari arus dan

tegangan suatu power switch.

• Divais berbeda

mempunyai SOA yang berbeda pula. Contoh dibawah ini adalah

SOA tipikal dari BJT seperti pada gambar.

50

Rangkaian Snubber

• Dengan

menggunakan

hukum kirchoff

tegangan :

• Karena di/dt negatif (pada saat pemadaman)

• Dari persamaan tersebut terlihat bahwa tegangan pada saklar lebih besar dari pada tegangan catu (dalam waktu yang singkat).

• Tegangan spike dapat melebihi tegangan bloking nominal saklar dan menyebabkan kerusakan akibat adanya tegangan lebih (over voltage) tersebut.

• Untuk mencegah kejadian tersebut, maka dipasangkan rangkaian snubber pada saklar. Sebagai contoh

rangkaian snubber RCD ditunjukkan pada gambar

52

• Rangkaian snubber dapat memperhalus (smoothened) proses transisi dan membuat kenaikan tegangan pada saklar lebih pelan (slowly).

Pengaruhnya akan meredam tegangan spike yang tinggi kenilai yang aman.

• Power switch dan diode pada umumnya memerlukan

rangkaian snubber. Akan tetapi, generasi baru IGBT, MOSFET dan GCT tidak memerlukan lagi rangkaian snubber.

• Secara umum rangkaian snubber digunakan untuk :

– Penyalaan : untuk meminimasi arus yang berlebihan yang mengalir melalui divais pada saat penyalaan.

– Pemadaman : untuk meminimasi tegangan yang berlebihan diantara divais pada saat pemadaman.

– Stress reduction : untuk membuat/membentuk bentuk gelombang pensaklaran divais (seperti: tegangan dan arus) tidak menjadi tinggi secara simultan.

54

Ideal vs Practical Power Switch

Related websites for further readings/info/data sheet

• Power Switches

– Power diodes (irf.com) (semikron.com) – Thyristors (irf.com) (semikron.com)

– IGBT (siemens.com) (irf.com) (semikron.com) – MOSFETS (irf.com)

– GTO (abb.com) – GCT (abb.com)

• Drivers

– IGBT (Toshiba.com) (hp.com) (semikron.com)

• Complete power electronics solution

– (abb.com)

56