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”