61
BAB III ELEKTRONIKA DAYA Sistem elektronika daya adalah proses dan kontrol aliran daya elektrik yang berupa catu daya, tegangan dan arus dalam bentuk yang secara optimal sesuai dengan kebutuhan beban. Rangkaian elektronika daya adalah mengubah daya elektrik dari bentuk ke bentuk lainnya dengan menggunakan komponen elektronika. Rangkaian elektronika daya menggunakan komponen semikonduktor daya sebagai saklar dengan cara mengontrol atau memodifikasi tegangan dan arus. 1

Bab 3 Komponen Semikonduktor

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Bab 3 Komponen Semikonduktor

BAB III ELEKTRONIKA DAYA

• Sistem elektronika daya adalah proses dan kontrol aliran daya elektrik yang berupa catu daya, tegangan dan arus dalam bentuk yang secara optimal sesuai dengan kebutuhan beban.

• Rangkaian elektronika daya adalah mengubah daya elektrik dari bentuk ke bentuk lainnya dengan menggunakan komponen elektronika. Rangkaian elektronika daya menggunakan komponen semikonduktor daya sebagai saklar dengan cara mengontrol atau memodifikasi tegangan dan arus.

1

Page 2: Bab 3 Komponen Semikonduktor

Blok diagram sistem elektronika daya secara umum.

• Daya masukan ke prosesor daya biasanya sumber dari PLN (tidak selalu) dengan frekuensi jala-jala 50 Hz, satu fasa atau tiga fasa.

• Sudut fasa antara arus dan tegangan tergantung pada topologi dan kontrol prosesor daya.

• Jika prosesor daya dipandang sebagai sumber tegangan, maka arus keluaran dan hubungan sudut fasa antara tegangan dan arus keluaran tergantung pada karakteristik beban.

2

Page 3: Bab 3 Komponen Semikonduktor

• Pada umumnya umpan-balik kontroler membandingkan keluaran dari prosesor daya dengan nilai referensi yang diinginkan dan kesalahan {error) antara keduanya diminimasi oleh kontroler.

3

Page 4: Bab 3 Komponen Semikonduktor

Sasaran Sistem Konversi Elektronika Daya

• Mengubah bentuk energi elektrik menjadi bentuk lain, dari sumber ke beban dengan efisiensi sangat tinggi, ketersediaan yang tinggi, ketahanan yang tinggi dengan biaya yang sangat rendah, berat dan ukurannya sangat kecil.

4

Page 5: Bab 3 Komponen Semikonduktor

• Aplikasi pada konverter statis.– Tidak memerlukan komponen-komponen

yang berputar atau pergerakan mekanik.– Contoh aplikasi : penyearah, inverter,

chopper dan cycloconverter.

• Aplikasi pada sistem penggerak– Yang mengandung komponen-komponen

pergerakan dan perputaran (seperti motor).– Contoh : DC drives, AC drives, permanent

magnet motor drives.

5

Page 6: Bab 3 Komponen Semikonduktor

Contoh : Konsep Konservasi

• Catu daya dari PLN ; 50 Hz, 220 Volt RMS (puncak 311 Volt)

• PLN memberikan catu daya gelombang sinus, dimana komponen dc-nya nol.

• Bila konsumen menginginkan tegangan dc (misalnya untuk pengelasan).

6

Page 7: Bab 3 Komponen Semikonduktor

• Kita dapat menggunakan penyearah setengah gelombang sederhana, sehingga diperoleh tegangan dc yang tetap, hal tersebut adalah merupakan sistem elektronika daya yang sederhana

• Tegangan keluaran rata-rata adalah

7

Page 8: Bab 3 Komponen Semikonduktor

• Bagaimana bila konsumen menginginkan tegangan dc yano variabel ?

• Maka diperlukan rangkaian yang lebih kompleks, yaitu menggunakan SCR.

• Tegangan keluaran rata-rata adalah

8

Page 9: Bab 3 Komponen Semikonduktor

• Dengan mengatur sudut penyalaan α , tegangan keluaran dc dapat diatur.

• Terlihat jelas bahwa hal tersebut memerlukan sistem elektronika yang lebih rumit untuk menentukan pulsa-pulsa arus penyala SCR.

9

Page 10: Bab 3 Komponen Semikonduktor

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.

10

Page 11: Bab 3 Komponen Semikonduktor

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.

11

Page 12: Bab 3 Komponen Semikonduktor

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

12

Page 13: Bab 3 Komponen Semikonduktor

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.

13

Page 14: Bab 3 Komponen Semikonduktor

– 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

14

Page 15: Bab 3 Komponen Semikonduktor

Contoh aplikasi : konverter statis

• DC to DC Converter

• Switch Mode Power Supply (SMPS)

15

Page 16: Bab 3 Komponen Semikonduktor

Contoh aplikasi : sistem pengendali kecepatan motor

16

Page 17: Bab 3 Komponen Semikonduktor

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)– Padam (Fully O0F - blocking)

• Dapat dikategorikan menjadi tiga grup :– Diode : kondisi ON dan OFF dikendalikan

hanya dengan rangkaian daya.

17

Page 18: Bab 3 Komponen Semikonduktor

– 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)

18

Page 19: Bab 3 Komponen Semikonduktor

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.

19

Page 20: Bab 3 Komponen Semikonduktor

• 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.

20

Page 21: Bab 3 Komponen Semikonduktor

– Pembawa minoritas memerlukan waktu yang cukup untuk menyusun ulang pengisiannya. Waktu ini disebut dengan reverse recovery time dari diode (trr 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 IRR.

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

21

Page 22: Bab 3 Komponen Semikonduktor

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

– Total waktu pemulihan trr adalah :

– Arus balik puncak dapat dinyatakan : dt

ditI aRR

barr ttt

22

Page 23: Bab 3 Komponen Semikonduktor

Tipe DiodeDitinjau dari karakteristik pemulihan dan

teknik pembuatannya, diode daya diklasifikasikan menjadi 3 kategori :– Diode standar atau general purpose.

– Tegangan konduksinya sangat rendah (dibawah 1 V)

– trr 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).

23

Page 24: Bab 3 Komponen Semikonduktor

– Fast recovery Diode• trr 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.

24

Page 25: Bab 3 Komponen Semikonduktor

THYRISTOR (SCR)• Thyristor hanya dapat dinyalakan pada dua

kondisi: – Divais pada kondisi terbias maju (yaitu Vak positif)

– Arus gate (Ig) positif diberikan pada gate

25

Page 26: Bab 3 Komponen Semikonduktor

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

• Holding current (IH) adalah arus anode minimum untuk membuat thyristor ON (IL>IH)

26

Page 27: Bab 3 Komponen Semikonduktor

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.

27

Page 28: Bab 3 Komponen Semikonduktor

• 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.

28

Page 29: Bab 3 Komponen Semikonduktor

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'''

29

Page 30: Bab 3 Komponen Semikonduktor

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)

30

Page 31: Bab 3 Komponen Semikonduktor

TRIAC

31

Page 32: Bab 3 Komponen Semikonduktor

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).

32

Page 33: Bab 3 Komponen Semikonduktor

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).

33

Page 34: Bab 3 Komponen Semikonduktor

Bipolar Junction Transistor (BJT)

34

Page 35: Bab 3 Komponen Semikonduktor

Bipolar Junction Transistor (BJT)

• Transistor digunakan sebagai elemen saklar, sehingga dioperasikan dalam daerah saturasi. Jatuh tegangan pada kondisi ON rendah (VCE-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 (VCE<1000V), Ic<400A), sehingga banyak diaplikasikan pada aplikasi daya rendah dan menengah.

35

Page 36: Bab 3 Komponen Semikonduktor

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.

36

Page 37: Bab 3 Komponen Semikonduktor

37

Page 38: Bab 3 Komponen Semikonduktor

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.

38

Page 39: Bab 3 Komponen Semikonduktor

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.

39

Page 40: Bab 3 Komponen Semikonduktor

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 (VCE < 3,3 kV, Ic < l,2kA). Bahkan dalam perkembangannya sudah mencapai 4,2/1,2 kA.

40

Page 41: Bab 3 Komponen Semikonduktor

Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)

• Rating tegangan dan arus yang tersedia hingga kini (VCE < 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.

41

Page 42: Bab 3 Komponen Semikonduktor

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.

42

Page 43: Bab 3 Komponen Semikonduktor

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.

43

Page 44: Bab 3 Komponen Semikonduktor

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

44

Page 45: Bab 3 Komponen Semikonduktor

Contoh-contoh rangakain driver

• MOSFET membutuhkan VGS = +15 V untuk penyalaan dan 0 V untuk pemadaman. LM311 adalah sebuah amplifier sederhana dengan keluaran open collector Qx.

• Ketika B1 tinggi Q1 konduksi, sehingga VGS tertarik ke ground dan MOSFET akan padam.

• Ketikan B1 rendah Q1 akan padam, sehingga VGS tertarik ke VGG. Jika VGG di-set pada tegangan +15V, maka MOSFET akan konduksi.

45

Page 46: Bab 3 Komponen Semikonduktor

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.

46

Page 47: Bab 3 Komponen Semikonduktor

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.

47

Page 48: Bab 3 Komponen Semikonduktor

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.

48

Page 49: Bab 3 Komponen Semikonduktor

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).

49

Page 50: Bab 3 Komponen Semikonduktor

50

Page 51: Bab 3 Komponen Semikonduktor

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 RDS(ON)

51

Page 52: Bab 3 Komponen Semikonduktor

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.

52

Page 53: Bab 3 Komponen Semikonduktor

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.

53

Page 54: Bab 3 Komponen Semikonduktor

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.

54

Page 55: Bab 3 Komponen Semikonduktor

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.

55

Page 56: Bab 3 Komponen Semikonduktor

Rangkaian Snubber

• Dengan menggunakan hokum kirchoff tegangan :

56

Page 57: Bab 3 Komponen Semikonduktor

• 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

57

Page 58: Bab 3 Komponen Semikonduktor

• 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.

58

Page 59: Bab 3 Komponen Semikonduktor

• 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.

59

Page 60: Bab 3 Komponen Semikonduktor

Ideal vs Practical Power Switch

60

Page 61: Bab 3 Komponen Semikonduktor

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)

61