IGBT

IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) merupakan perangkat transistor dibangun dengan menggabungkan kemampuan antara Bipolar Junction Transistor (BJT) dan Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) sehingga membuat transistor ini ideal untuk perangkat switching (switching device) untuk mengakomodasi tegangan tinggi.

Sebelum masuk ke materi IGBT perlu diketahui perbedaan dan keunggulan antara BJT dan MOSFET sebagai berikut :

1. BJT merupakan perangkat dimana arus listrik mengalir melalui dua PN junction (Collector-Emitter), sedangkan MOSFET antara Drain dan Source merupakan unipolar sehingga memiliki kemampuan switching lebih cepat dibanding BJT.
2. MOSFET merupakan transistor unipolar sehingga arus yang mengalir merupakan pembawa mayoritas tanpa melewati PN junction manapun, selain itu conductivity modulation yang menyebabkan resitivitas berubah juga tidak terjadi. Hal ini menjadi kekurangan MOSFET yaitu sulit mengurangi on resistance (RDS on) sehingga hal ini membatasi MOSFET untuk aplikasi tegangan tinggi karena losses (kerugian daya saat  on-state) lebih besar dibanding BJT.
3. BJT sulit dikontrol karena menggunakan arus pada terminal Base untuk mengontrol aliran arus listrik pada terminal Collector-Emitter dengan syarat utama tegangan Base-Emitter lebih besar dari 0,7 Volt, sedangkan MOSFET lebih mudah digunakan karena arus pada Drain-Source dikontrol oleh tegangan pada terminal Gate.

Untuk mendapatkan kecepatan switching seperti MOSFET dan cocok untuk daya tinggi maka MOSFET dan BJT digabungkan menjadi perangkat yang disebut sebagai IGBT.

IGBT memiliki karakteristik output seperti BJT tetapi output dikontrol oleh tegangan seperti halnya MOSFET. IGBT memiliki impedansi input yang sangat tinggi dan memiliki kemampuan switching kecepatan tinggi seperti halnya MOSFET, selain itu IGBT juga memiliki tegangan saturasi rendah seperti BJT sehingga hasil penggabungan kedua karakteristik MOSFET dan BJT sangat ideal digunakan sebagai perangkat switching yang mampu menangani arus mengalir pada terminal Collector-Emitter yang cukup besar (tegangan tinggi) dengan tegangan trigger pada termintal Gate yang cukup rendah. IGBT memiliki 3 terminal yaitu Gate - Collector - Emitter. Simbol IGBT ditunjukan pada Gambar 1.

Gambar 1. Simbol Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)

Untuk memperjelas bagaimana cara IGBT bekerja dapat dilihat pada Gambar 2 yang menunjukan rangkaian ekivalen IGBT yang diilustrasikan dengan gabungan antara MOSFET dengan BJT.

Gambar 2. Rangkaian ekivalen IGBT

Rangkaian ekivalen IGBT paling sederhana terdiri dari sebuah BJT tipe PNP dan sebuah MOSFET N channel. Pada sisi MOSFET secara teoritis tidak ada arus yang mengalir melalui terminal Gate. Saat terminal Collector dihubungkan pada sumber tegangan dan terminal Emitter dihubungkan pada ground.

Untuk mengaktifkan IGBT sangat sederhana yaitu dengan memberikan tegangan pada terminal Gate-Emitter lebih besar dibanding dengan tegangan Gate-Emitter threshold (VGE-T), dan untuk mematikan IGBT tinggal memberi tegangan 0 Volt atau memberi tegangan temintal Gate-Emitter lebih kecil dari tegangan threshold IGBT. Dengan memberikan tegangan Gate-Emitter semakin besar maka arus yang mengalir pada terminal Collector juga semakin besar dan pada titik tertentu tegangan VGE arus akan mencapai maksimum. Hal ini ditunjukan oleh kurva karakterisitik pada Gambar 3.

Kurva karakteristik input

Kurva ini menunjukan bagaimana arus pada terminal Collector-Emitter meningkat seiring dengan meningkatnya tegangan pada terminal Gate. Kemiringan kurva menunjukan transkonduktansi perangkat IGBT.

Gambar 3. Karakteristik input IGBT

IGBT hanya mengalirkan arus listrik dari terminal Collector ke Emitter jika tegangan pada terminal Gate-Emitter (VGE) lebih besar dari tegangan threshold Gate-Emitter (VGE-T) sehingga syarat IGBT dapat bekerja dapat dituliskan :

Kurva karakteristik output

Kurva Gambar 4 menunjukan hubungan antara tegangan Gate-Emitter (VGE), tegangan Collector-Emitter serta arus yang mengalir pada terminal Collector (IC). 

Gambar 4. Karakteristik output IGBT

Kurva karakteristik Gambar 4 menggambarkan bahwa :

1. Saat tegangan VGE dinaikan maka arus mengalir pada terminal Collector menuju Emitter ikut naik. Hal ini menggambakan bahwa kenaikan arus pada terminal Collector dipengaruhi oleh besarnya tegangan pada terminal Gate-Emitter.
2. Saat pada nilai VGE tertentu (VGE > VGE-T), IGBT dalam keadaan saturasi dimana arus pada terminal Collector tetap atau konstan meskipun tegangan pada terminal Collector-Emitter dinaikan. 
3. Jika tegangan pada terminal Collector-Emitter (VCE) dinaikan terus menerus hingga nilai tertentu  (nilai tegangan brakdown VB-CE) maka IGBT akan mengalami breakdown dimana arus pada terminal collector meningkat maksimum secara cepat. Pada titik ini IGBT dapat mengalami kerusakan. Nilai batas maksimum atau nilai tegangan breakdown IGBT dapat dilihat pada datasheet IGBT yang digunakan.

Besarnya arus yang mengalir pada terminal Emitter sama dengan arus yang mengalir pada terminal Collector, hal ini disebabkan secara teoritis tidak ada arus mengalir pada terminal Gate menuju Emitter.

Variabel penting umum ditemukan pada datasheet IGBT 

Beberapa variabel perlu diperhatikan dalam mendesain rangkaian switching menggunakan IGBT sehingga perangkat IGBT yang digunakan tidak mengalami kerusakan. Beberapa variabel yang umum dicantumkan pada datasheet IGBT adalah sebagai berikut :

VCES : Tegangan maksimum Collector-Emitter supaya IGBT tidak masuk pada kondisi avalanche breakdown yang dapat menyebabkan kerusakan,  tegangan yang diterapkan pada terminal Collector-Emitter harus di bawah nilai VCES.

VGES : Tegangan maksimum terminal Gate-Emitter. Tegangan Gate-Emitter dibatasi oleh sifat dan ketebalan material oksida pada Gate. Dalam aplikasi sebaiknya tegangan VGE disetel jauh di bawah VGES agar IGBT tidak mengalami kerusakan pada lapisan oksida.

VGE(th) - Gate-Emitter Threshold Voltage : Merupakan tegangan minimal pada terminal Gate-Emitter agar IGBT masuk dalam keadaan on-state atau bekerja.

TJ : Kisaran suhu operasional junction dimana pada kisaran suhu tersebut IGBT dijamin beroperasi tanpa terjadi kerusakan baik elektrikal maupun fisik.

Rth(j-c) : Thermal resistance junction to case.

Merupakan resistansi thermal yang menggambarkan resistansi stabil pada suhu tertentu yang ditimbulkan pada kondisi listrik dc. 

IC : Arus dc yang diijinkan mengalir pada terminal Collector. Arus Collector maksimum didefinisikan sebagai jumlah arus yang mengalir terus menerus pada suhu tertentu yang umum disebutkan sebagai TC. Untuk mencapai suhu junction maksimum yang diijinkan  (TJ), maka arus maksimum Collector  yang diijinkan dapat dinyatakan sebagai berikut :

dimana :

• Rth (j-c) : Resistansi thermal IGBT.
• VCEsat : Tegangan saat konsisi on-state Collector-Emitter dengan arus IC yang telah ditentukan. 

Dari persamaan arus Collector maksimum di atas dapat diambil kesimpulan bahwa besarnya arus maksimum pada Collector tergantung pada suhu dan kondisi spesifik kelistrikan.

ICES (Collector-Emitter Cut-off Current) : Merupakan arus Collector saat kondisi IGBT dalam kondisi tidak bekerja atau off-state  (arus bocor) pada kondisi forward blocking mode. ICES menentukan besarnya nilai arus bocor saat tegangan Gate-Emitter  0 Volt.

IF (Diode Forward Current) :

IF merupakan arus forward maksimum yang dapat mengalir pada suhu tetap tertentu TC tetapi masih di bawah suhu TJ maksimum. Nilai IF dapat dicari dengan persamaan sebagai berikut :

PD (power dissipation)

Power dissipation umumnya ditentukan dengan persamaan :

Forward transconductance (gfs) : Merupakan perbandingan nilai perubahan arus pada terminal Collector terhadap perubahan nilai tegangan pada terminal Gate-Emitter. Nilai gfs umumnya ditentukan pada nilai suhu kamar dan umumnya saat IGBT pada kondisi saturasi penuh. Transkonduktansi gfs memiliki satuan Siemens atau Mhos

Gambar 5. Ilustrasi pengukuran transkonduktansi IGBT (gfs)

Tstg : Suhu maksimum diijinkan dimana IGBT dapat disimpan tanpa arus atau tegangan.

Dan masih banyak sekali variabel penting lainnya pada datasheet IGBT sebagai acuan pembuatan rangkaian kontrol menggunakan IGBT. 

Dilihat dari beberapa rumus di atas dalam mendesain rangkaian kontrol menggunakan IGBT perlu dilakukan pengujian karena arus yang mengalir pada terminal Collector-Emitter dipengaruhi oleh suhu pada IGBT sehingga sangat penting menentukan suhu maksimum operasional rangkaian yang akan Anda buat.

Pengaplikasian IGBT umunya digunakan untuk berbagai kebutuhan switching tegangan atau daya tinggi seperti :

• Control motor.
• UPS (Uninterruptible Power Supply ).
• Solar inverter.
• Pemanas induksi seprti kompor induksi.

EoF