12/4/2010
1
Overview of powerOverview of power semiconductor devices
AsnilElektro FT-UNP
12/4/2010
2
Voltage Controllerelectronic switching
V1
V2
R1
R2
>I
V1 V2
Untuk mengubah tegangan V1menjadi V2 dimana V2 < V1
Untuk mengubah tegangan V1menjadi V2 TIDAK TERDAPAT
Gambar 1. Pengaturan tegangan denganpotensiometer
Gambar 2. Pengaturan tegangan denganelectronic switching
menjadi V2, dimana V2 < V1terdapat rugi daya sebesar I2
(R1 + R2).
menjadi V2, TIDAK TERDAPAT RUGI DAYA pada elemenelectronic switching
12/4/2010
3
Fungsi semikonduktor dalam elektronika daya
1 Pensakelaran (switching)1. Pensakelaran (switching)
2. Konverting (pengubah)
3. Pengendali (kontroller)
12/4/2010
4
ApakahApakah electronic switching electronic switching ituitu ??
(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
12/4/2010
5
DIODA
Diode memiliki dua kaki, yaitu anoda dan katoda
Gambar 3. Diode
Diode hannya dapat melewatkan arus listrik dari satu arah saja, yaitu darianoda ke katoda yang biasa disebut dengan posisi panjar maju (forward)
Diode akan menahan atau memblok arus yang berasal dari katoda ke anodayang 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 akanrusak
12/4/2010
6
Gambar 4. a) Panjar maju (forward), b) Panjar mundur (reverse)
Gambar 5. Karakteristik diode
12/4/2010
7
Syarat Diode ON/OFF
ON, jika :A dan K dibias maju (FB), dimana A(+) dan K (‐).
VAK = 0, IA = Ibeban
OFF, jika :
A dan K dibias mundur (RB), dimana A(‐) dan K (+).
VAK = Vsumber, IA = 0
12/4/2010
8
Switching characteristics
IF
tQrr
trrIleak
t3t4VFPv(t)
i(t)
Irr
0.25Irr
diF/dt diR/dt
0Tens of volts
Qrr ≈ Irrtrr/2, Ileak ≈ 0
VR
Vrrt1 t2
t5Von
v(t)0
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.
12/4/2010
9
TRANSISTOR
Gambar 7 Transistor daya
Pada aplikasi elektronika daya, Transistor lebih banyakdigunakan sebagai sakelar elektronik. Misalnya dalamteknik switching power suplly, transistor berfungsisebagai sakelar ang bekerja ON/OFF pada kecepatan
Gambar 7. Transistor daya
sebagai sakelar yang bekerja ON/OFF pada kecepatanyang sangat tinggi dalam orde mikro detik
12/4/2010
10
Transistor dapat difungsikansebagai saklar elektronik denganmengatur arus Ib (arus basis)yang membuat transistor Cut‐Indan menghantarkan arus Ic (aruskolektor) yang kemudiandialirkan ke beban Transistordialirkan ke beban. Transistorakan Off jika nilai Ib mendekatinol. Dengan demikian transistordapat digunakan sebagai sakelarelektronik ON –OFF dalamaplikasi elektronika daya.
Gambar 7. Karakteristik out put transistor BD 135
12/4/2010
11
Arus basis dan arus kolektor maksimum dan tahanan kolektoremitor RCE mendekati nol, terjadi antar 0 sampai 50 ms.
Gambar 8. Tegangan operasi transistor sebagai saklar
, j pKetika transistor Off, tegangan kolektor emitor mendekatitegangan basis dan arus basis dan arus kolektror mendekati
nol. Pada saat tersebut tahanan RCE tak hingga
12/4/2010
12
Gambar 9. Transistor sebagai saklar
12/4/2010
13
Karakteristik out put transistor
Transistor berfungsi sebagai saklarON terjadi ketika tegangan Vcej g gsaturasi, terjadi saat arus basis maksimum pada titik A3
Transistor berfungsi sebagai penguatsinyal input ketika arus basis beradasinyal input ketika arus basis beradaantara arus kerjanya A2 sampai A1
Ketika arus basis mendekati nol, Transistor berfungsi sebagai saklarOFF ketika tegangan Vce samadengan tegangan suplai Vb di titik A1
Gambar 10. Karakteristik out put transistor
12/4/2010
14
ON, jika :
SyaratSyarat Transistor ON/OFFTransistor ON/OFF
, j• Terminal C dan E dibias maju, polaritas C dan E
tergantung jenis transistornya.• Arus IB > 0• VCE = 0 dan IC = Ibeban
OFF, jika :
Terminal C dan E dibias maju, polaritas C dan E tergantung jenis transistornya.
Arus IB = 0
VCE = VCC = Vsumber dan IC = 0
12/4/2010
15
Thyristor (SCR)
A
G
J1
J2
J3
AIA1IA2
IG
Q1
Q2 Cathode
Anode
Gate
iG
iA
vAK
+
-
Gambar 11. (a) Bentuk fisik dan simbol thyristor, (b) dua model transistor, (c) simbol thyristor
J3 K
(a) (b) (c)
Thyristor memiliki tiga kaki, yaitu Anoda, Katoda dan Gate, juga dikenal ada dua jenis tryristor, yaitu dengan thyristordengan tipe P‐Gate dan N‐Gate.
12/4/2010
16
Dikembangkan oleh Bell Laboratories tahun 1950‐an dan mulaidigunakan secara komesial oleh general electric tahuun 1960‐an
Thyristor atau SCR (Silicon Controlled Rectifier) banayak diThyristor atau SCR (Silicon Controlled Rectifier) banayak dipakai dalam aplikasi industri karena memiliki kemampuanuntuk bekerja pada tegangan dan arus yang besar
Fungsi Gate pada thyristor menyerupai basis pada transistor, d t t b 1 A i 100dengan mengatur arus gate yang besarnya 1 mA sampai 100 mA, maka tegangan keluaran dari anoda dapat di atur. Tegangan yang mampu diatur mulai daru 50 Volt sampai5000Volt dan mampu menatur arus dari 0.4 Ampere samapai 1500 Amperesamapai 1500 Ampere
12/4/2010
17
Gambar 12. Karakteristik thyristor
Pada tegangan Forward, jika arus gate diatur dari 0‐50mA, maka thyristor akan cut‐in dan mengalirkan arus forwardmaka thyristor akan cut‐in dan mengalirkan arus forward. Tegangan reverse untuk thyristor sekitar 600Volt. Agar thyristor tetap ON, maka ada arus yang tetap dipertahankanyang disebut dengan arus holding sebesar 5 mA
12/4/2010
18
Syarat SCR ON/OFF
ON jika :ON, jika :A dan K dibias maju (FB), dimana A(+) dan K (‐).Arus IG > 0VAK = 0, IA = Ibeban
OFF, jika :
A dan K dibias mundur (RB), dimana A(‐) dan K (+).
Arus IG > 0
VAK = Vsumber, IA = 0
12/4/2010
19
Thyristor (SCR) in a simple circuit
Turn‐off tima,
Gambar 13. Thyristor; (a) circuit, (b) waveforms, (c) turn‐off tima interval tq
Turn off tima,tq berada dalam orde
50 ‐100ms
y ; ( ) , ( ) , ( ) q
For successful turn‐off, reverse voltage required for an interval greater than the turn‐off interval
12/4/2010
20
TRIAC
Triac, sama halnya dengan SCR juga termasukke dalam golongan Thyristor yang juga terdiridari empat gandengan bahan semi konduktor
TRIAC bekerja mirip dengan SCR yang paralel
Gambar 13. Triac dan simbol
TRIAC bekerja mirip dengan SCR yang paralelbolak‐balik, sehingga dapat melewatkan arusdua arah
TRIAC dapat ditrigger untuk konduksi melalui arus gatenya untuk salah satuTRIAC dapat ditrigger untuk konduksi melalui arus gatenya untuk salah satupolaritas tegangan antara T1 dan T2
12/4/2010
21
Gambar 14. Mode trigger TRIAC
12/4/2010
22
+i
Quadrant IMT2 +
-VBO+IH
Ig- Tertrigger
Keadaan ON
Gambar 15. Karakteristik v –i TRIAC
+v
Quadrant IIIMT2 -
+VBO-IH
TRIAC merupakan device bidirectional, terminalnya tidak dpatditetukan sebagai Anoda dan Katoda. Jika terminal T2 positifterhadap T1, triac dapat dimatikan dengan memberikan sinyall f b d k l fpulsa positif antara gerbang G dan T1 . Jika terminal T2 negatif
terhadap T1, triac dapat dihidupkan dengan memberikan sinyalpulsa negatif antara gerbang G dan terminal T1
12/4/2010
23
Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)
Gambar 16. Struktur fisik dan kemasan IGBT
Aplikasinya sangat luas, dipakai untuk mengaturputaran motor DC atau motor AC daya besar, Inverter, komponen utama VVVF (Variable Voltage Variablekomponen utama VVVF (Variable Voltage Variable Frequency) pada KRL modern, dipakai pada kontrol
pembangkit tenaga angin dan tenaga panas matahari.
12/4/2010
24
Equivalent Circuits
Circuit Symbols
Gambar 16. IGBT
12/4/2010
25
actualiCiC VGE5
Increasing VGE
linearizedvGEVGE(th)
Transfer curve
Active region
VGE1
VGE4
VGE3
VGE2
VGE > VGE(th)VRM
A few tens of volts due J1breakdown
Due to J1 forward bias
Cut-off region vCEBVCES
VGE1
VGE < VGE(th)
VGE(th) ~ 3- 8V, VGE(max) = ±20 to 25V, VCE(sat) ~ 2- 4V
GE GE(th)VRM
~1V
Gambar 17. Karakteristik Ic – Vce IGBT
12/4/2010
26
Gambar 18. Karakteristik dan simbol semikonduktor daya
12/4/2010
27
POWER CONVERTERS
1. AC – DC converter (rectifier) “ Menyearahkan listrik arus( ) ybolak bali menjadi arus searah”
2. AC – AC converter (AC voltage controller) “ Mengubah energilistrik arus bolak balik dengan frekuensi dan tegangantertentu menjadi arus bolak balik dengan tegangan danfrekuensi yang lain”
3. DC ‐ DC converter (DC chopper) “ Mengubah energi listrikarus searah menjadi arus searah dengan besaran yang berbeda”
3. DC ‐ AC converter (Inverter) “ Mengubah energi listrik arussearah menjadi arus arus bolak balik pada tegangan danfrekuensi yang dapat diatur”