IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor)

IGBT
Insulated-Gate Bipolar Transistor

LATAR BELAKANG

Pada tahun-tahun yang lalu, gelanggang piranti penyakelar daya (switching device) memang didominasi oleh transistor, juga SCR yang sulit untuk dimatikan serta bekerja relatif lambat. Kondisi ini mendorong para perancang di berbagai laboratorium pembuatan piranti semikonduktor seperti di Motorola, IR, APT, IXYS, Siemens, Samsung dan lainnya saling berlomba untuk menemukan piranti penyakelar yang memiliki kemampuan lebih baik, Sebagai hasilnya,munculah piranti IGBT, IGBT memang telah muncul sebagai pesaing bagi Power MOSFET konvensional yang beroperasi pada tegangan tinggi dan rugi konduksi yang rendah. Berbagai usaha telah dilakukan dalam tahun-tahun terakhir ini untuk dapat membuat penyakelar IGBT dapat bekerja seperti halnya MOSFET, sembari mendapatkan kemampuan yang setara dengan transistor daya bipolar, baik yang bekerja pada tegangan menengah maupun tegangan tinggi. Para pembuat IGBT memang sedang berusaha untuk membuat piranti elektronik ini menjadi pilihan alternatif yang menarik untuk rentang yang luas di bidang elektronika daya, tempat yang semula didominasi oleh power MOSFET dan transistor bipolar. Dampaknya, kita dihadapkan pada suatu pilihan yang perlu lebih cermat dalam mempertimbangkan beberapa kriteria, saat memilih mana dari kedua piranti elektronik tersebut yang akan dipergunakan. Sebab, seri-seri baru kini terus bermunculan di pasaran, beserta masing-masing keunggulannya.

DEFINISI

IGBT (Insulated-Gate Bipolar Transistor) adalah piranti semikonduktor dengan tiga terminal yang setara dengan gabungan sebuah transistor bipolar (BJT) dan sebuah transistor efek medan (MOSFET) yang tercatat untuk efisiensi tinggi dan cepat berpindah. Karena dirancang untuk cepat menghidupkan dan mematikan, IGBT sering digunakan dengan menyatukan kompleks waveforms pulse modulasi lebar dan low-pass filters.

KARAKTERISTIK  IGBT

Sesuai dengan namanya, divais baru ini merupakan divais yang menggabungkan struktur dan sifat-sifat dari kedua jenis transistor tersebut di atas, BJT dan MOSFET. Dengan kata lain, IGBT mempunyai sifat kerja yang menggabungkan keunggulan sifat-sifat kedua jenis transistor tersebut.

Terminal gate dari IGBT, sebagai terminal kendali juga mempunyai struktur bahan penyekat (insulator) sebagaimana pada MOSFET. Input dari IGBT adalah terminal Gate dari MOSFET, sedang terminal Source dari MOSFET terhubung ke terminal Basis dari BJT (PNP). Dengan demikian, arus drain keluar dan dari MOSFET akan menjadi arus basis dari BJT (PNP). Karena besarnya tahanan masuk dari MOSFET, maka terminal input IGBT hanya akan menarik arus yang kecil dari sumber. Di pihak lain, arus drain sebagai arus keluaran dari MOSFET akan cukup besar untuk membuat BJT mencapai keadaan saturasi. Dengan gabungan sifat kedua elemen tersebut, IGBT mempunyai perilaku yang cukup ideal sebagai sebuah saklar elektronik.

Di satu pihak IGBT tidak terlalu membebani sumber, di pihak lain mampu menghasilkan arus yang besar bagi beban listrik yang dikendalikannya. Terminal masukan IGBT mempunyai nilai impedansi yang sangat tinggi, sehingga tidak membebani rangkaian pengendalinya yang umumnya terdiri dari rangkaian logika. Ini akan menyederhanakan rancangan rangkaian pengendali (controller) dan penggerak (driver) dari IGBT.

Di samping itu, kecepatan pensaklaran IGBT juga lebih tinggi dibandingkan divais BJT, meskipun lebih rendah dari divais MOSFET yang setara. Di lain pihak, terminal keluaran IGBT mempunyai sifat yang menyerupai terminal keluaran (kolektor-emitter) BJT. Dengan kata lain, pada saat keadaan menghantar, nilai tahanan menghantar (R_on) dari IGBT sangat kecil, menyerupai R_on pada BJT. Dengan demikian bila tegangan jatuh serta lesapan dayanya pada saat keadaan menghantar juga kecil. Dengan sifat-sifat seperti ini, IGBT akan sesuai untuk dioperasikan pada arus yang besar, hingga ratusan Ampere, tanpa terjadi kerugian daya yang cukup berarti. IGBT sesuai untuk aplikasi pada perangkat inverter maupun Kendali Motor Listrik (Drive).

SIFAT-SIFAT IGBT

Komponen utama di dalam aplikasi elekronika daya (power electronics) dewasa ini adalah saklar zat padat (solid-state switches) yang diwujudkan dengan peralatan semikonduktor seperti transistor bipolar (BJT),transistor efek medan (MOSFET), maupun Thyristor. Sebuah saklar ideal di dalam aplikasi elektronika daya akan mempunyai sifat-sifat sebagai berikut:

1.pada saat keadaan tidak menghantar (off), saklar mempunyai tahanan yang besar sekali, mendekati nilai tak berhingga. Dengan kata lain, nilai arus bocor struktur saklar sangat kecil

2.Sebaliknya, pada saat keadaan menghantar (on), saklar mempunyai tahanan menghantar (R_on) yang sekecil mungkin. Ini akan membuat nilai tegangan jatuh (voltage drop) keadaan menghantar juga sekecil mungkin, demikian pula dengan besarnya daya lesapan (power dissipation) yang terjadi, dan (kecepatan pensaklaran (switching speed) yang tinggi.

Sifat nomor (1) umumnya dapat dipenuhi dengan baik oleh semua jenis peralatan semikonduktor yang disebutkan di atas, karena peralatan semikonduktor komersial pada umumnya mempunyai nilai arus bocor yang sangat kecil. Untuk sifat nomor (2), BJT lebih unggul dari MOSFET, karena tegangan jatuh pada terminal kolektor-emitter, VCE pada keadaan menghantar (on) dapat dibuat sekecil mungkin dengan membuat transitor BJT berada dalam keadaan jenuh (saturasi).

Sebaliknya, untuk unsur kinerja nomor (3) yaitu kecepatan switching, MOSFET lebih unggul dari BJT, karena sebagai divais yang bekerja berdasarkan aliran pembawa muatan mayoritas (majority carrier), pada MOSFET tidak dijumpai aruh penyimpanan pembawa muatan minoritas pada saat proses pensaklaran, yang cenderung memperlamnat proses pensaklaran tersebut.

RUMUS-RUMUS IGBT

Total Daya Disipasi (Daya maksimal yang dapat device tahan)

Arus Pada Colector

Keterangan

P       = Daya Disipasi             Ic       = Arus Colector

Tj      = Temperatur Junction Vce    = Beda potensial Colector - Emiter

PERBANDINGAN UMUM ANTARA KINERJA BJT, MOSFET DAN IGBT

Tabel 1. Perbandingan tiga piranti penyakelar daya untuk kemampuan (rating) yang setara

Karakteristik	MOSFET	IGBT	Bipolar
Kemampuan arus (A)	20	20	20
Kemampuan tegangan (V)	500	600	500
Ron (ohm) Pada 25º C	0,2	0,24	0,18
Ron (ohm) Pada 150º C	0,6	0,23	0,24
Waktu turun (nanodetik)	40	200	200

Dua fakta yang bersumber pada Tabel 1 tersebut adalah bahwa; pertama, transistor bipolar sangat lebih lambat daripada MOSFET. Secara prinsip, hal ini disebabkan oleh waktu gulir mati (turn-off) piranti bipolar yang lebih panjang. Kedua adalah resistansi saat kondisi menyambung (on-state) piranti bipolar yang relatif tak bergantung (bersifat invarian) terhadap temperatur, dibandingkan dengan adanya nilai koefisien temperatur yang tinggi pada MOSFET. Informasi koefisien temperatur ini merupakan pertimbangan penting dalam perencanaan batas aman thermal pada sistem-sistem yang berdaya tinggi. Tabel 2 menyatakan perbandingan yang lebih umum mengenai karakteristik penyakelarannya. Disebabkan oleh struktur masukan gate-nya, MOSFET dan IGBT merupakan piranti elektronik yang dikemudikan oleh tegangan, dengan kebutuhan akan daya pengemudi yang relatif kecil saja. Sementara itu, pada transistor bipolar yang sifatnya dikemudikan oleh arus (arus keluaran dibagi oleh h_FE), ia memerlukan pengemudi dengan daya yang relatif lebih besar. Dalam hal kapasitansi masukan, untuk MOSFET dan IGBT, bergantung pada ratingnya (kemampuan arusnya). Kapasitansi ini dapat menjadi demikian besar, sehingga rangkaian pengemudinya dituntut memiliki kemampuan untuk mengisi dan membuang dengan cepat muatan kapasitansi yang besar ini.

Perbandingan karakteristik piranti penyakelar daya

Karakteristik	MOSFET	IGBT	Bipolar
Tipe pengemudi	Tegangan	Tegangan	Arus
Daya pengemudi	minimum	Minimum	Besar
Tingkat kerumitan pengemudi	Sederhana	Sederhana	Cukupan atau sedang
Kemampuan arus pada nilai tegangan drop di ujung-ujung terminal piranti	Tinggi pada teg. rendah; rendah pada teg. tinggi	Sangat tinggi (terpengaruh oleh kecepatan penyakelaran)	Cukupan (sangat terpengaruh oleh kecepatan penyakelaran
Rugi penyakelaran	Sangat rendah	Rendah sampai sedang (dipengaruhi oleh rugi konduksi)	Sedang sampai tinggi (dipengaruhi oleh rugi konduksi)

IGBT tampaknya memang menawarkan rating kemampuan arus yang lebih baik. Namun demikian, kekurangan dan kelebihan masing-masing piranti yang tercantum pada Tabel 2 tersebut dapat digunakan sebagai acuan untuk memilih salah satu di antara ketiganya. Untuk mempertahankan nilai resistansi yang tetap rendah, pembuat IGBT membuat kemampuan arus yang lebih rendah untuk tipe yang lebih cepat. Sebagai contoh, Perusahaan International Rectifier (IR) di pasaran menawarkan tiga tipe IGBT; yakni tipe standar, cepat dan ultra cepat. IR mendeskripsikan kemampuan arus dengan perbandingan terbalik terhadap kecepatan penyakelarannya. Sementara itu V_CE saturasinya naik berturut-turut untuk masing-masing tipe tersebut menjadi; 1,3 1,5, dan 1,9 volt. Parameter terakhir dalam Tabel 2 tersebut adalah rugi penyakelaran (switching losses) , yang mencerminkan kecepatan penyakelaran dari ketiga piranti elektronik tersebut. Untuk MOSFET, baik transisi saat menyambung (turn-on) dan memutus (turn-off) sangat cepat. Sedang untuk IGBT, kita dihadapkan pada kenyataan bahwa ada perimbangan dalam hal kecepatan penyakelaran versus kemampuan arus; jenis yang lebih cepat akan mengalami rugi konduksi yang lebih tinggi. Waktu penyakelaran pada IGBT sebagian besar didominasi oleh waktu saat menyambung, sehingga secara garis besar membatasi penggunaannya dalam sistem yang beroperasi pada laju penyakelaran yang lebih rendah daripada 100 kHz.

PERKEMBANGAN FABRIKASI SAKLAR DAYA

Kini pasar dunia piranti semikonduktor telah melihat beberapa versi IGBT yang telah diperbaiki untuk aplikasi tertentu. IGBT tradisional memang berbasis pada teknik punchthrough yang memiliki rugi-rugi penyakelaran yang tinggi, dan menghasilkan kecepatan yang lebih rendah. Selain itu tegangan kerjanya yang paling tinggi cuma masuk kategori kelas menengah. Kondisi ini akan menjadi lebih buruk jika tegangan dadalnya dinaikkan. Masalahnya adalah waktu hidup elektron-elektron dan hole-hole dalam daerah aliran muatan (drift) pada IGBT menyebabkan rugi penyakelaran yang tinggi maupun arus bocor. Beberapa pabrik telah menerapkan iradiasi elektron dosis tinggi untuk meningkatkan pembunuhan waktu hidup pembawa muatan sembari meminimumkan ekor arus dan rugi energi penyakelaran. Sementara, pabrik lain mengadopsi metode non-punchthrough untuk menjangkau kecepatan yang lebih tinggi dan nilai tegangan kolektor-emitor saat menyambung (V_CE(_sat)) yang lebih rendah. Namun demikian efisiensi masih merupakan suatu masalah. Beberapa usaha sedang dilakukan untuk mengurangi rugi penyakelaran pada IGBT non-punchtrough.