√ Apa Itu IGBT? Karakteristik dan Cara Kerjanya

Baca Cepat Buka

Finoo.id – √ Apa Itu IGBT? Karakteristik dan Cara Kerjanya. BJT dan MOSFET merupakan perangkat switching elektronik daya yang paling populer dan umum digunakan.

Kami telah merinci cara kerja BJT dan MOSFET serta penerapannya dalam rangkaian listrik. Meskipun demikian, keduanya memiliki batasan untuk aplikasi arus yang sangat tinggi.

Dalam situasi seperti itu, dibutuhkan perangkat switching elektronik yang dapat menangani arus tinggi, seperti Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT).

IGBT dapat dianggap sebagai gabungan antara BJT dan MOSFET, menggabungkan karakteristik input BJT dengan karakteristik output MOSFET.

Pada pembahasan IGBT kali ini, kami akan menjelaskan apa itu IGBT, cara kerjanya, dan bagaimana mengintegrasikannya dalam rangkaian yang akan Anda buat. Berikut penjelasannya!

Apa Itu IGBT?

IGBT merupakan kependekan dari Insulated Gate Bipolar Transistor. IGBT adalah semikonduktor tiga terminal yang dapat digunakan untuk switching dengan efisiensi tinggi pada berbagai jenis perangkat elektronik.

Perangkat ini umumnya digunakan dalam amplifier untuk melakukan switching atau pemrosesan pola gelombang kompleks dengan Pulse Width Modulation (PWM).

Bentuk fisik dan simbol IGBT dapat dilihat pada gambar di atas. Sebagaimana telah disebutkan sebelumnya, IGBT merupakan perpaduan antara BJT dan MOSFET.

Simbol IGBT juga mencerminkan konsep yang serupa; pada sisi input, terdapat representasi MOSFET dengan terminal Gate, sedangkan pada sisi output terdapat representasi BJT dengan Kolektor dan Emitor.

Kolektor dan Emitor berfungsi sebagai terminal konduksi, sementara Gate adalah terminal kontrol yang mengontrol fungsi switching.

Karakteristik IGBT

Dikarenakan IGBT merupakan perangkat yang dikendalikan oleh tegangan, hanya memerlukan tegangan kecil pada Gerbang untuk mempertahankan konduksinya. Hal ini berbeda dengan Transistor Bipolar (BJT) yang memerlukan arus Basis dalam jumlah yang cukup besar untuk menjaga saturasinya.

IGBT juga merupakan perangkat searah yang hanya dapat mengalirkan arus dalam “arah maju,” yaitu dari Kolektor ke Emitter. Karakteristik ini berbeda dengan MOSFET yang memiliki kemampuan mengalihkan arus dua arah (dikontrol dalam arah maju dan tidak terkontrol dalam arah sebaliknya).

Prinsip operasi dan rangkaian penggerak Gerbang untuk IGBT sangat mirip dengan MOSFET daya saluran-N. Perbedaan mendasar pada IGBT adalah bahwa dalam keadaan ON, resistansi penghantar lebih rendah ketika arus mengalir melalui perangkat. Oleh karena itu, arus yang mengalir jauh lebih tinggi dibandingkan dengan MOSFET daya yang setara.

Keuntungan utama penggunaan IGBT dibandingkan dengan jenis transistor lainnya meliputi kemampuannya pada tegangan tinggi, resistansi ON yang rendah, kemudahan dalam pengendaliannya, dan kecepatan switching yang relatif lebih cepat.

Konstruksi IGBT

IGBT dapat direalisasikan melalui suatu rangkaian setara yang terdiri dari dua transistor dan MOSFET. Struktur ini melibatkan kombinasi transistor PNP, transistor NPN, dan MOSFET dalam output IGBT.

IGBT menggabungkan keunggulan tegangan saturasi transistor yang rendah, resistansi input yang tinggi, dan kecepatan switching MOSFET. Kombinasi ini memberikan karakteristik switching dan konduksi output yang mirip dengan transistor bipolar, namun tegangannya dapat dikendalikan sebagaimana pada MOSFET.

Dengan menggabungkan unsur-unsur ini, IGBT mendapatkan keunggulan dalam kontrol tegangan yang mirip dengan MOSFET sambil tetap mempertahankan karakteristik konduksi dan switching yang mirip dengan transistor bipolar.

Sebagai hasil dari gabungan ini, IGBT juga dikenal dengan 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)

Setiap nama tersebut mencerminkan aspek atau karakteristik tertentu dari struktur dan kinerja IGBT.

Cara Kerja IGBT

IGBT, atau Insulated Gate Bipolar Transistor, memiliki tiga terminal yang terhubung pada tiga lapisan logam yang berbeda, di mana lapisan logam pada terminal gate diisolasi dari bahan semikonduktor dengan menggunakan lapisan silikon dioksida (SiO2).

Struktur dasar IGBT dibentuk oleh empat lapisan semikonduktor yang terletak di antara terminal-terkait. Keempat lapisan tersebut adalah:

Lapisan substrat p+: Merupakan lapisan semikonduktor yang bertindak sebagai substrat dasar IGBT. Lapisan ini biasanya memiliki sifat p-type, yang berarti memiliki muatan berlebih positif.
Lapisan n: Merupakan lapisan semikonduktor tipe n yang ditempatkan di atas lapisan substrat p+. Lapisan ini memiliki muatan berlebih negatif.
Lapisan p: Merupakan lapisan semikonduktor tipe p yang ditempatkan di atas lapisan n. Lapisan ini kembali memiliki muatan berlebih positif.
Lapisan n+: Lapisan ini merupakan lapisan semikonduktor tipe n+ yang ditempatkan di atas lapisan p. Lapisan n+ ini memiliki muatan berlebih negatif dan merupakan bagian kritis dalam proses switching IGBT.

Titik persilangan antara lapisan p+ dan lapisan n disebut sebagai persimpangan J2, sedangkan titik pertemuan antara lapisan n dan lapisan p disebut sebagai persimpangan J1. Struktur IGBT terlihat pada gambar di atas.

Untuk memahami prinsip kerja IGBT, mari perhatikan sumber tegangan VG yang terhubung positif ke terminal Gate terkait dengan terminal Emitter.

Selanjutnya, kita lihat sumber tegangan VCC lain yang terhubung melintasi Emitter dan Collector, di mana Collector tetap positif terkait dengan Emitter.

Dengan adanya sumber tegangan VCC, persimpangan J1 akan diberi bias maju, sementara persimpangan J2 akan diberi bias mundur. Karena J2 berada dalam bias mundur, tidak akan ada aliran arus melalui IGBT (dari Collector ke Emitter).

Pada awalnya, ketika tidak ada tegangan yang diterapkan ke terminal Gate, IGBT berada 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, sementara ion positif terakumulasi di sisi bawah lapisan SiO2.

Ini mengakibatkan penyisipan pembawa muatan negatif di wilayah p. Semakin tinggi tegangan yang diberikan VG, semakin besar penyisipan pembawa muatan negatif.

Proses ini menyebabkan pembentukan saluran antara persimpangan J2, memungkinkan aliran arus dari Collector ke Emitter.

Aliran arus direpresentasikan sebagai jalur arus pada gambar, dan dengan peningkatan tegangan gate yang diberikan VG, jumlah arus yang mengalir dari Collector ke Emitter juga meningkat.

Kelebihan dan Kekurangan IGBT

IGBT secara menyeluruh memiliki keunggulan dan kelebihan dibandingkan dengan BJT maupun MOSFET. Berikut adalah gambaran kelebihan dan kekurangan yang dimiliki oleh transistor IGBT.

Kelebihan

IGBT memiliki sejumlah kelebihan yang menjadikannya pilihan yang sangat dihargai dalam aplikasi daya tinggi. Berikut adalah ekspansi lebih lanjut mengenai kelebihan-kelebihan tersebut:

Kemampuan Penanganan Tegangan dan Arus Tinggi: IGBT mampu menangani tegangan dan arus yang lebih tinggi dibandingkan dengan BJT dan MOSFET, membuatnya cocok untuk aplikasi daya tinggi seperti inverter dan konverter daya.
Impedansi Input yang Sangat Tinggi: Impedansi input IGBT sangat tinggi, sehingga memungkinkan pengendalian dengan tegangan yang rendah dan memberikan efisiensi dalam konsumsi daya.
Switching Arus Tinggi dengan Tegangan Rendah: Kemampuan IGBT untuk melakukan switching arus tinggi menggunakan tegangan yang sangat rendah memberikan efisiensi dan kontrol yang tinggi dalam sistem daya.
Voltage-Controlled dan Kerugian Input Rendah: Sebagai perangkat voltage-controlled, IGBT tidak memiliki arus input, dan kerugian inputnya rendah, membuatnya efisien dalam penggunaan daya.
Rangkaian Driver Sederhana dan Murah: Rangkaian pengendali IGBT relatif sederhana dan murah, mempermudah integrasi perangkat ini dalam berbagai aplikasi.
Pengaktifan dan Penonaktifan Mudah: IGBT dapat dengan mudah diaktifkan dengan menerapkan tegangan positif dan dimatikan dengan menerapkan tegangan nol atau sedikit negatif, memberikan fleksibilitas dalam pengendalian.
Resistansi ON-State yang Sangat Rendah: Resistansi penghantar saat IGBT dalam keadaan ON sangat rendah, mengurangi rugi daya dan meningkatkan efisiensi operasionalnya.
Kerapatan Arus Tinggi dan Ukuran Chip yang Kecil: Kemampuan IGBT untuk menangani kerapatan arus tinggi memungkinkannya memiliki ukuran chip yang lebih kecil, meningkatkan kepadatan daya pada perangkat.
Penguatan Daya yang Tinggi: IGBT memiliki penguatan daya yang lebih tinggi daripada BJT dan MOSFET, memberikan efisiensi konduksi yang lebih baik dalam aplikasi daya tinggi.
Kecepatan Switching yang Tinggi: Kecepatan switching IGBT yang tinggi memungkinkannya memberikan respons yang cepat dalam aplikasi seperti inverter dan motor drive, meningkatkan efisiensi sistem secara keseluruhan.

Kekurangan

Meskipun IGBT memiliki sejumlah kelebihan, namun perlu diakui bahwa perangkat ini juga memiliki beberapa kekurangan yang perlu dipertimbangkan dalam pemilihan dan desain sistem. Berikut adalah ekspansi lebih lanjut mengenai kekurangan-kekurangan tersebut:

Kecepatan Switching yang Lebih Rendah Dibanding MOSFET: Salah satu kekurangan utama IGBT adalah kecepatan switching yang lebih rendah dibandingkan dengan MOSFET. Hal ini dapat membatasi kemampuannya dalam aplikasi yang memerlukan switching sangat cepat seperti dalam inverter frekuensi tinggi.
Operasi dalam Mode Searah: IGBT beroperasi dalam mode searah, artinya arus hanya dapat mengalir dari Kolektor ke Emitter. Ini dapat menjadi pembatas dalam beberapa aplikasi yang memerlukan switching arus bolak-balik.
Tidak Dapat Mem-Blocked Tegangan Balik yang Lebih Tinggi: IGBT tidak dapat memblokir tegangan balik yang tinggi seperti halnya MOSFET. Oleh karena itu, perlindungan tambahan seperti diode antiparalel biasanya diperlukan untuk mencegah terjadinya kerusakan akibat tegangan balik.
Harga yang Lebih Mahal Dibanding BJT dan MOSFET: Secara umum, perangkat IGBT memiliki harga yang lebih tinggi dibandingkan dengan BJT dan MOSFET. Hal ini dapat menjadi faktor pertimbangan dalam pengembangan proyek dengan anggaran terbatas.

Meskipun memiliki kekurangan, penting untuk dicatat bahwa pemilihan antara IGBT, BJT, atau MOSFET tergantung pada persyaratan spesifik aplikasi. Setiap perangkat memiliki kelebihan dan kelemahan tertentu, dan desain sistem yang efektif mempertimbangkan faktor-faktor ini untuk memenuhi kebutuhan aplikasi dengan baik.

Penggunaan IGBT

Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) memiliki berbagai aplikasi yang luas, baik dalam rangkaian AC maupun DC. Berikut adalah beberapa penggunaan utama dari IGBT:

Switched Mode Power Supply (SMPS):
IGBT digunakan secara luas dalam SMPS untuk menyediakan daya ke peralatan medis dan komputer yang sangat sensitif terhadap fluktuasi daya. Kinerja switching yang tinggi dan kemampuan penanganan daya tinggi membuatnya ideal untuk aplikasi ini.
Uninterruptible Power Supply (UPS):
Dalam sistem UPS, IGBT digunakan untuk menghasilkan gelombang sinusoidal murni dan memastikan kelancaran aliran daya saat terjadi pemutusan listrik. Keandalan dan kemampuan IGBT dalam mengendalikan daya memberikan kontribusi penting dalam menjaga keberlanjutan daya.
Drive Motor AC dan DC:
IGBT digunakan dalam sistem pengendali motor AC dan DC untuk menyediakan kontrol kecepatan yang tepat dan efisien. Dengan kemampuan switching yang tinggi, IGBT memungkinkan pengaturan kecepatan motor yang halus dan presisi, menjadikannya pilihan populer dalam aplikasi industri.
Inverter:
IGBT digunakan secara luas dalam inverter untuk mengubah arus searah (DC) menjadi arus bolak-balik (AC). Ini dapat ditemukan dalam berbagai aplikasi, termasuk pembangkit listrik tenaga surya dan sistem konversi daya pada kendaraan listrik. IGBT memainkan peran kunci dalam menciptakan gelombang sinusoidal murni dan mengoptimalkan efisiensi konversi daya.
Pengendalian Pemanas Induksi:
Dalam industri manufaktur, IGBT sering digunakan dalam sistem pengendalian pemanas induksi. Kemampuannya dalam mengontrol daya dengan efisien membuatnya ideal untuk mencapai suhu yang diinginkan pada logam atau bahan lainnya.
Pengendalian Lampu LED:
Dalam aplikasi pencahayaan, IGBT dapat digunakan dalam rangkaian pengendalian lampu LED. Dengan kemampuan switching yang tinggi, IGBT membantu dalam mengatur intensitas cahaya dan mengoptimalkan efisiensi energi.
Sistem Kendali Pemanas dan Pendingin:
IGBT digunakan dalam sistem otomatisasi industri, termasuk sistem kendali pemanas dan pendingin. Kemampuannya untuk mengontrol daya dengan presisi membantu menjaga suhu pada tingkat yang diinginkan dalam proses industri.
Penerapan IGBT dalam berbagai aplikasi ini menunjukkan fleksibilitas dan kinerja yang tinggi dari perangkat ini dalam menyediakan kontrol daya yang andal dan efisien.

BACA JUGA :

Penutup

Dengan membahas secara mendalam tentang Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) dan berbagai aplikasinya, kita dapat menyimpulkan bahwa IGBT merupakan suatu perangkat semikonduktor yang berperan penting dalam mengontrol dan mengatur daya pada berbagai sistem listrik.

Dengan kemampuan penanganan tegangan dan arus yang tinggi, kecepatan switching yang baik, serta penerapan yang luas dalam berbagai aplikasi, IGBT memainkan peran kunci dalam meningkatkan efisiensi, keandalan, dan kinerja sistem daya modern.

Sebagai teknologi yang terus berkembang, pengetahuan dan pemahaman akan IGBT akan membuka pintu menuju perkembangan lebih lanjut dalam dunia elektronika daya dan sistem kontrol.

Sebagai pembaca, semoga artikel ini telah memberikan wawasan yang bermanfaat mengenai peran dan signifikansi IGBT dalam dunia teknologi modern. Apa itu IGBT, menjadi pertanyaan yang kini telah kita jawab bersama dalam eksplorasi ini.

Demikianlah artikel finoo.id yang membahas tentang √ Apa Itu IGBT? Karakteristik dan Cara Kerjanya. Semoga artikel kami dapat bermanfaat dan terimakasih telah membaca artikel ini.