elektronika daya

BAB II

IKHTISAR SAKLAR SEMIKONDUKTOR DAYA

2.1 Pendahuluan

Piranti semikonduktor daya dapat diklasifikasikan menjadi tiga

kelompok besar sesuai dengan kemampuan kontrolnya yaitu :

1. Dioda : Keadaan ON (Panjar Maju) dan OFF (Panjar Mundur)

tergantung pada rangkaian daya.

2. Thyristors : Keadaan ON (ditentukan oleh sinyal input) dan

keadaan OFF oleh rangkaian daya.

3. Saklar Terkontrol : Keadaan ON dan OFF ditentukan oleh sinyal

input.

Saklar yang dapat dikontrol dapat diklasifikasikan pada beberapa

bentuk yaitu bipolar junction transistor (BJTs), metal-oxide-

semiconductor field effect transistors (MOSFETs), gate turn off (GTO)

thyristors, dan insulated gate bipolar transistors (IGBTs)

2.2 DIODA

Gambar 1, 2 dan 3 menunjukkan simbol rangkaian dioda, karakteristik

i-v dan karakteristik dioda ideal :

Gambar (1) Gambar (2) Gambar (3)

1

Ketika dioda dipanjar maju, maka dioda akan menghantar dengan

drop tegangan yang kecil, biasanya dalam orde 1 V. Ketika dioda di panjar

mundur, terdapat arus bocor yang kecil yang mengalir. Ini terjadi saat

dioda belum breakdown. Pada kondisi normal, tegangan panjar mundur

tidak sampai merusak dioda (breakdown). Pada gambar 3 merupakan

keadaan ideal dari dioda. Kondisi panjar maju tidak ada drop tegangan

yang melintasi dioda sehingga grafik berada pada arus (v = 0) dan pada

kondisi panjar mundur tidak ada arus bocor ( I bocor = 0).

Berdasarkan aplikasinya maka dioda dapat dibedakan atas :

1. Dioda Schottky : Dioda ini digunakan pada tegangan panjar

mundur yang rendah ( sekitar 0.3 V) dibutuhkan untuk rangkaian

yang mempunyai tegangan yang rendah.

2. Fast-Recovery Dioda : Digunakan pada rangkaian dengan

frekuensi tinggi.

3. Line-Frequency Dioda : Dioda ini dapat membloking tegangan

hingga beberapa kilovolt dan membloking arus hingga beberapa

kiloamper.

2.3 THYRISTORS


2

Simbol rangkaian thyristor dan karakteristik tegangan-arus terdapat

pada gambar 4 dan 5. Arus utama mengalir dari anoda (A) ke katoda (K).

Pada keadaan Off thyristor dapat menghambat tegangan maju dan tidak

menghantar. Thyristor dapat terpicu menjadi keadaan On dengan

menginjeksikan pulsa dengan gerbang positif dengan durasi yang cepat.

Karakteristik thyristor saat terpicu pulsa pada gerbang G terlihat pada

gambar 6.

Gambar (7) Gambar (8)

Gambar (9)

3

Pengontrolan dapat dilakukan pada siklus positif dari sumber. Ketika

arus thyristor menjadi panjar mundur dengan sendirinya terjadi pada

tegangan sumber menjadi negatif. Arus thyristor ideal menjadi nol ketika

waktu t = ½ T seperti yang ditunjukkan gambar (9).

Berdasarkan kebutuhan aplikasinya maka thyristor dibedakan atas :

1. Phase-Control Thyristor : Disebut juga Converter thyristor,

digunakan sebagai penyerah tegangan dan arus frekuensi-saluran,

seperti pada motor DC dan AC serta saluran transmisi tegangan

tinggi DC.

2. Inverter-grade thyristor. Dirancang dengan waktu turn off yang

kecil dan tegangan forward yang kecil.

3. Light-actived thyristor . Dapat dipicu dengan pulsa cahaya dengan

fiber-optic dengan daerah sensitive pada thyristor. Thyristor ini

digunakan pada saluran transmisi tegangan tinggi DC dimana

beberapa tyristor diserikan untuk menjadikan sebuah katup

converter.

2.4 KARAKTERISTIK SAKLAR TERKONTROL

Beberapa piranti elektronika daya seperti BJTs, MOSFETs, GTOs,

dan IGBTs dapat didalam kondisi On atan Off dengan sinyal terkontrol

dari gerbang sinyal kontrol. Piranti Saklar Terkontrol dilambangkan pada

gambar (10) Tidak ada arus mengalir ketika saklar off dan ketika on maka

arus mengalir dalam hanya dalam arah arus. Saklar terkontrol ideal

memiliki karakteristik sebagai berikut :

4

1. Karakteristik panjar maju yang bagus dan panjar mundur dengan

tidak arus yang mengalir saat panjar mundur.

2. Tidak ada jatuh tegangan saat kondisi On.

Gambar (10)

3. Pensaklaran dari keadaan on ke off atau sebaliknya secara cepat

ketika dipicu.

4. Membutuhkan daya yang kecil saat beroperasi.

Kondisi nyata tidak memiliki keadaan diatas dan memerlukan daya

yang besar jika diterapkan dalam aplikasi yang besar. Jika piranti ini

menyerap terlalu banyak daya, piranti ini akan rusak dan tentu saja

merusak sistem. Dalam rangka untuk memperhitungkan daya yang

diserap, saklar terkontrol terdapat pada gambar berikut :

Gambar (11)

5

Gambar (12)

Energi yang diserap saat turn on dinyatakan dengan :

(1)

Energi yang diserap saat kondisi rentang on :

(2)

Harga tertinggi dari pensaklaran tegangan dan arus terjadi pada

interval :

(3)

Energi yang diserap selama kondisi turn off :

(4)

6

Daya pensaklaran rata rata dapat dituliskan sebagai berikut :

(5)

Energi saat pensaklaran On :

(6)

Dari pembahasan diatas maka karakteristik dari saklar terkontrol dapat

dinyatakan sebagai berikut :

1.Arus bocor yang kecil saat kondisi Off

2.Tegangan yang kecil saat kondisi ON

3.Waktu On dan Waktu Off yang pendek. Berguna untuk proses

pensaklaran frekuensi tinggi.

4. Bloking panjar maju dan mundur yang besar.

5. Rating arus kondisi on yang besar

6. Koefisien temperatur yang besar saat resistansi on.

7. Daya yang diserap kecil untuk pengoperasian turn on atau turn off.

8. Tegangan ketahanan yang bagus saat kondisi On atau Off.

9. Rating dv/dt dan di/dt yang besar.

2.5 BIPOLAR JUNCTION TRANSISTORS DAN MONOLITHIC

DARLINGTONS

Simbol rangkaian untuk NPN BJT ditunjukkan pada gambar 13 dan

kondisi steady-state i-v pada gambar 14 dan karakteristik ideal pada

7

gambar 15. Untuk BJT diperlukan arus basis yang besar seperti persamaan

(7) :

(7)

Kondisi On tegangan VCE (jenuh) dari transistor daya biasanya 1-2

V, jadi rugi daya pada BJT relatif kecil.

Rangkaian Darlington pada satu chip ( a Monollithic Darlington

MD), BJTs mempunyai waktu penyimpanan selama waktu turn off.


Gambar (16)

Gambar (17)

Gambar (16) rangkaian Darlington (17) rangkaian triple Darlington

8

2.6 METAL-OXIDE-SEMICONDUCTOR FIELD EFFECT

TRANSISTORS

Simbol dari n channel MOSFET ditunjukkan pada gambar 18. Piranri

ini merupakan piranti kontrol tegangan yang ditunjukkan oleh

karakteristik i-v pada gambar 19, karakteristik ideal dari rangkaian

ditunjukkan pada rangkaian gambar 20.

MOSFET diaplikasikan untuk rangkaian dengan frekuensi

tinggi.dalam orde nano sekon. Hambatan kondisi On

yang dinyatakan dalam perunit area. k merupakan konstanta tergantung

dari geometri piranti.


2.7 GATE-TURN-OFF THYRISTORS

Simbol GTO terlihat pada gambar 22 dan karakteristik i – v steady

state terlihat pada gambar 23. Seperti thyristor GTO dapat on dengan pulsa

gerbang yang pendek. Bagaimanapun tidak seperti thyristor, GTO dapat

turn off dengan mengnegatifkan tegangan gerbang, karena arus yag

mengalir sangat negatif. Arus negatif hanya mengalir dalam waktu

beberapa mikrosekon, tetapi dalam magnituda yang besar. Biasanya dalam

9

sepertiga arus anoda . GTO dapat memblok tergantung pada rancangan

GTO tersebut. Rangkaian Snubber bertujuan untuk meredam lonjakan arus

dan tegangan saat proses pensaklaran seperti yang terlihat pada gambar

25 dan 26.


Gambar (25)

Gambar (26)

2.8 INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR

IGBT memiliki beberapa keuntungan dari pada MOSFET, BJT, dan

GTO. Sama seperti MOSFET, IGBT memiliki impedansi gerbang yang

10

tinggi yang menyerap energi yang rendah selama proses pensaklaran.

IGBT memiliki waktu turn on dan turn off dalam 1 mikrosekon. Rating

tegangan 2 – 3 kV. MCT (MOS-Controlled Thyristor) merupakan tipe

terbaru dari IGBT dengan dua jenis yaitu P MCT dan NMCT.

Gambar (27) Simbol IGBTGambar (28) Simbol IGBT

Gambar (29) karakteristik i-v Gambar (30) karakteristik ideal

Gambar (31) P MCT Gambar (32) N MCT

11

Gambar (33) Karakteristik i-vGambar (34)

2.9 PERBANDINGAN DARI SAKLAR TERKONTROL

Observasi secara kualitatif tentang perbandingan beberapa piranti

elektronika daya dapat dilihat dari tabel berikut :

Piranti Kemampuan Daya Kecepatan Pensaklaran

BJT/MD Sedang Sedang

MOSFET Rendah Cepat

GTO Tinggi Lambat

IGBT Sedang Sedang

MCT Sedang Sedang

12

Gambar (35) Ringkasan dari kemampuan piranti elektronika daya

13

elektronika daya

Documents

Transcript of elektronika daya