BJT dan MOSFET adalah perangkat switching elektronik daya yang sangat populer dan banyak digunakan.
Kami telah membahas dengan detail cara kerja BJT dan MOSFET serta penerapannya dalam rangkaian listrik.
Namun, kedua komponen ini memiliki batasan dalam penggunaannya untuk aplikasi arus yang sangat tinggi.
Oleh karena itu, diperlukan perangkat switching elektronik yang cocok untuk aplikasi tersebut. Salah satu pilihannya adalah Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT).
IGBT dapat dianggap sebagai gabungan antara BJT dan MOSFET, karena memiliki karakteristik input BJT dan karakteristik output MOSFET.
Pada artikel ini, kami akan menjelaskan apa itu IGBT, bagaimana cara kerjanya, dan cara penggunaannya dalam rangkaian yang akan Anda buat. Mari kita bahas lebih lanjut!
Pengertian IGBT
IGBT adalah singkatan dari Insulated Gate Bipolar Transistor. Ini adalah perangkat semikonduktor tiga terminal yang digunakan untuk switching dengan efisiensi tinggi dalam berbagai perangkat elektronik.
Perangkat ini umumnya digunakan dalam amplifier untuk melakukan switching atau pemrosesan pola gelombang kompleks menggunakan PWM (Pulse Width Modulation).
Bentuk fisik dan simbol IGBT dapat dilihat pada gambar di atas. Seperti yang disebutkan sebelumnya, IGBT merupakan gabungan antara BJT dan MOSFET.
Simbol IGBT juga mencerminkan hal yang sama; bagian input mewakili MOSFET dengan terminal Gate, sementara bagian output mewakili BJT dengan Kolektor dan Emitor.
Kolektor dan Emitor adalah terminal konduktif, sementara Gate adalah terminal kontrol yang digunakan untuk mengontrol fungsi switching.
Konstruksi IGBT
IGBT dapat direpresentasikan dalam rangkaian setara yang terdiri dari dua transistor dan MOSFET, karena IGBT menggabungkan output dari transistor PNP, transistor NPN, dan MOSFET.
Dengan mengombinasikan tegangan saturasi transistor yang rendah, resistansi input yang tinggi, dan kecepatan switching MOSFET, IGBT memberikan karakteristik switching dan konduktivitas output dari transistor bipolar, namun dapat dikontrol tegangannya seperti MOSFET.
Karena IGBT merupakan gabungan antara MOSFET dan BJT, mereka memiliki beberapa nama alternatif, antara lain:
- Insulated Gate Transistor (IGT)
- Metal Oxide Insulated Gate Transistor (MOSIGT)
- Gain Modulated Field Effect Transistor (GEMFET)
- Conductively Modulated Field Effect Transistor (COMFET)
Cara Kerja IGBT
IGBT memiliki tiga terminal yang terhubung ke tiga lapisan logam yang berbeda, dengan lapisan logam terminal gate diisolasi dari bahan semikonduktor oleh lapisan silikon dioksida (SiO2).
IGBT dibangun dengan 4 lapisan semikonduktor yang disusun bersama-sama, yaitu:
- Lapisan substrat p+
- Lapisan n
- Lapisan p
- Lapisan n+
Persimpangan antara lapisan p+ dan lapisan n disebut persimpangan J2, sedangkan pertemuan antara lapisan n dan lapisan p disebut persimpangan J1. Struktur IGBT dapat dilihat pada gambar di atas.
Untuk memahami cara kerja IGBT, perhatikan sumber tegangan VG yang terhubung positif ke terminal Gate terhadap terminal Emitor.
Perhatikan juga sumber tegangan VCC lain yang terhubung melintasi Emitor dan Kolektor, di mana Kolektor tetap positif terhadap Emitor.
Dikarenakan sumber tegangan VCC, persimpangan J1 akan diberi bias maju sementara persimpangan J2 akan diberi bias mundur. Karena J2 dalam kondisi bias mundur, tidak akan ada arus yang mengalir dalam IGBT (dari Kolektor ke Emitor).
Pada awalnya, ketika tidak ada tegangan yang diterapkan ke terminal Gate, IGBT akan dalam keadaan non-konduktif.
Namun, jika kita meningkatkan tegangan gate yang diterapkan, efek kapasitansi pada lapisan SiO2 akan menyebabkan ion negatif terakumulasi di sisi atas lapisan dan ion positif terakumulasi di sisi bawah lapisan SiO2.
Ini akan menyebabkan penyisipan pembawa muatan negatif di wilayah p. Semakin tinggi tegangan yang diberikan VG, semakin besar penyisipan pembawa muatan negatif.
Ini akan membentuk saluran antara persimpangan J2 yang memungkinkan arus mengalir dari Kolektor ke Emitor.
Aliran arus direpresentasikan sebagai jalur arus pada gambar. Ketika tegangan gate yang diterapkan VG meningkat, jumlah arus yang mengalir dari Kolektor ke Emitor juga meningkat.
Karakteristik IGBT
Karena IGBT dikontrol oleh tegangan kecil yang diberikan ke gate, perangkat ini dapat mempertahankan konduktivitas listriknya. Ini berbeda dengan transistor bipolar (BJT) yang memerlukan pasokan arus basis yang cukup besar secara terus menerus untuk mempertahankan saturasinya.
IGBT juga merupakan perangkat searah, yang berarti arus hanya dapat mengalir dalam kondisi bias maju, yaitu dari Kolektor ke Emitor. Ini berbeda dengan MOSFET yang dapat mengalihkan arus dalam kedua arah (bias maju dan bias mundur).
Prinsip operasi dan rangkaian driver gate IGBT sangat mirip dengan MOSFET daya N-channel. Perbedaan utamanya dengan IGBT adalah resistansi konduktor yang rendah saat arus mengalir melalui perangkat dalam keadaan ON.
Karena itu, aliran arus pada IGBT jauh lebih tinggi dibandingkan dengan MOSFET dengan daya setara.
Kelebihan dan Kekurangan IGBT
IGBT secara keseluruhan memiliki kelebihan dan keunggulan dibandingkan BJT maupun MOSFET. Berikut adalah beberapa kelebihan dan kekurangan yang dimiliki oleh transistor IGBT.
Kelebihan:
- Mampu menangani tegangan dan arus yang tinggi.
- Memiliki impedansi input yang sangat tinggi.
- Dapat melakukan switching arus tinggi dengan tegangan yang rendah.
- Voltage-controlled, sehingga tidak memiliki arus input dan kerugian input rendah.
- Rangkaian driver IGBT sederhana dan murah.
- Mudah dinyalakan dengan menerapkan tegangan positif dan dimatikan dengan menerapkan tegangan nol atau sedikit negatif.
- Memiliki resistansi ON-state yang sangat rendah.
- Memiliki kerapatan arus yang tinggi, sehingga dapat memiliki ukuran chip yang lebih kecil.
- Memiliki penguatan daya yang lebih tinggi dibandingkan BJT dan MOSFET.
- Memiliki kecepatan switching yang lebih tinggi daripada BJT.
Kekurangan:
- Memiliki kecepatan switching yang lebih rendah daripada MOSFET.
- Beroperasi dalam mode searah.
- Tidak dapat memblokir tegangan balik yang tinggi.
- Harga IGBT lebih mahal daripada BJT dan MOSFET.
Aplikasi IGBT
IGBT memiliki berbagai aplikasi yang digunakan dalam rangkaian AC dan DC. Berikut adalah beberapa penggunaan dari Insulated Gate Bipolar Transistor:
- Digunakan dalam SMPS (Switched Mode Power Supply) untuk menyediakan daya ke peralatan medis dan komputer yang sensitif.
- Digunakan dalam sistem UPS (Uninterruptible Power Supply).
- Digunakan dalam pengendalian kecepatan motor AC dan DC.
- Digunakan dalam inverter.
Kesimpulan
Dari penjelasan di atas, dapat disimpulkan bahwa IGBT adalah jenis transistor yang digunakan untuk aplikasi switching dengan efisiensi yang baik.
Insulated Gate Bipolar Transistor adalah gabungan dari transistor BJT dan MOSFET, di mana karakteristik inputnya mirip dengan BJT dan karakteristik outputnya mirip dengan MOSFET.
Demikianlah informasi terkait apa itu IGBT dan cara kerjanya yang dapat kami sampaikan. Semoga memberikan wawasan yang bermanfaat bagi semuanya.