Prinsip Kerja IGBT – Yang Perlu Anda Ketahui
IGBT adalah salah satu penemuan elektronik yang paling efisien. Prinsip kerja IGBT unik dan hadir dengan berbagai aplikasi komersial – seperti penggerak motor AC/DC, kontrol motor traksi, UPS (catu daya tidak diatur), inverter, dll.
Tapi, janganlah kita mendahului diri kita sendiri. Anda perlu memahami cara kerja IGBT sepenuhnya. Jadi di sini kita pergi.
Apa sebenarnya IGBT itu?
IGBT adalah singkatan dari Insulated Gate Bipolar Transistor. Ini adalah perangkat listrik semikonduktor 3-terminal yang menyediakan kemampuan switching cepat dengan efisiensi tinggi.
Untuk lebih memahami IGBT, yang terbaik adalah memahami transistor yang berbeda dalam hal fungsionalitas.
Transistor
Transistor adalah komponen elektronik kecil dengan dua fungsi utama. Berfungsi sebagai sakelar untuk mengontrol sirkuit pencahayaan dan dapat memperkuat sinyal.
Ada berbagai jenis transistor berdasarkan kegunaan lain atau penerapan tertentu. Transistor yang umum digunakan adalah BJT (Bipolar Junction Transistor), MOSFET, dan IGBT.
Baik BJT dan MOSFET memiliki preferensi, serta kelebihannya masing-masing. Sementara BJT lebih menyukai drop on-state yang rendah, MOSFET adalah yang terbaik untuk impedansi I/P yang tinggi, kehilangan switching yang rendah, dan kurangnya kerusakan sekunder.
IGBT menggabungkan BJT dan MOSFET, sehingga dibutuhkan yang terbaik dari kedua transistor.
Oleh karena itu, IGBT adalah perangkat tiga terminal yang digunakan sebagai perangkat switching dan berlaku dalam memperkuat sinyal. IGBT menyediakan peralihan cepat dengan efisiensi tinggi.
Simbol IGBT
Karena IGBT menggabungkan BJT dan MOSFET, simbolnya mengikuti prinsip yang sama seperti di bawah ini.
Simbol IGBT
Simbol ini juga memiliki tiga terminal – Kolektor, Pemancar, dan Gerbang. Sisi input mewakili MOSFET, sementara itu mengambil simbol output dari simbol BJT.
Seperti yang diharapkan, terminal konduksi adalah Kolektor dan Emitter. Gerbang adalah terminal kontrol.
Struktur IGBT
Ketiga terminal (Kolektor, Emitter, dan Gerbang) IGBT dilekatkan dengan lapisan logam. Namun, bahan logam di terminal Gerbang memiliki insulasi lapisan silikon dioksida.
Secara internal, struktur IGBT adalah perangkat semikonduktor empat lapis. Perangkat empat lapis muncul dengan menggabungkan transistor PNP dan NPN, yang membentuk pengaturan PNPN.
Struktur IGBT
Sumber:Components101
Lapisan yang paling dekat dengan daerah Kolektor adalah substrat (p+), Daerah Injeksi. Kanan, di atasnya adalah N-Drift Region, yang terdiri dari N-layer.
Daerah Aktif Injeksi menginjeksi sebagian besar pembawa (arus lubang) dari (p+) ke dalam lapisan-N.
Ketebalan Daerah Drift menentukan kemampuan pemblokiran tegangan IGBT.
Di atas Daerah Drift adalah Daerah Tubuh, yang terdiri dari (p) substrat. Itu dekat dengan Emitter. Di dalam Body Region, ada (n+) layer.
Perhatikan bahwa persimpangan antara daerah Kolektor (atau Daerah Injeksi) dan Daerah N-Drift adalah J2. Demikian pula, persimpangan antara Wilayah-N dan Wilayah Tubuh adalah persimpangan J1.
CATATAN:Struktur IGBT secara topologi mirip dengan thyristor dalam hal gerbang "MOS". Namun, tindakan dan fungsi thyristor dapat ditekan, artinya hanya tindakan transistor yang diizinkan di seluruh rentang operasi perangkat IGBT.
IGBT lebih disukai daripada thyristor karena toggling cepat atas thyristor menunggu nol penyeberangan.
Bagaimana Cara Kerja IGBT?
Prinsip kerja IGBT adalah ON atau OFF dengan cara mengaktifkan atau menonaktifkan terminal Gate-nya.
Jika tegangan input positif melewati Gerbang, Emitter menjaga sirkuit drive ON. Di sisi lain, jika terminal Gerbang IGBT bertegangan nol atau sedikit negatif, itu akan mematikan aplikasi rangkaian.
Karena perangkat Bipolar Gerbang Terisolasi keduanya berfungsi sebagai BJT dan MOSFET, jumlah amplifikasi yang dicapai adalah rasio antara sinyal keluaran dan sinyal masukan kontrol.
Untuk BJT konvensional, jumlah penguatan kira-kira sama dengan rasio arus keluaran terhadap arus masukan. Kami menyebutnya sebagai Beta dan dilambangkan sebagai .
Di sisi lain, untuk MOSFET, tidak ada arus input karena terminal Gerbang adalah isolasi dari saluran utama yang membawa arus. Kami menentukan penguatan IGBT dengan membagi perubahan arus keluaran dengan perubahan tegangan masukan. Ini menjadikan IGBT sebagai perangkat trans-konduktansi.
Pengoperasian IGBT sebagai Sirkuit
Mari kita jelaskan ini menggunakan gambar di bawah ini, yang menjelaskan seluruh rentang operasi perangkat IGBT.
Operasi IGBT sebagai Sirkuit
IGBT hanya berfungsi jika ada suplai tegangan pada terminal Gate. Ini adalah Tegangan Gerbang, yaitu VG .
Seperti yang terlihat pada diagram, setelah ada Tegangan Gerbang (V G ), Arus Gerbang (Saya G ) meningkat. Kemudian meningkatkan Tegangan Gerbang-Emitter (V GE ).
Akibatnya, tegangan Gerbang-Emitter meningkatkan Arus Kolektor (I C ). Dengan demikian, Arus Kolektor (Saya C ) menurunkan Tegangan Kolektor-ke-Emitter (V CE ).
CATATAN:IGBT memiliki fitur penurunan tegangan yang mirip dengan dioda, tipikal dengan urutan 2V, yang hanya meningkat dengan log arus.
IGBT menggunakan dioda free-wheeling untuk mengalirkan arus balik. Dioda freewheeling ditempatkan di terminal Kolektor-Emitter perangkat.
IGBT, Si Diode
Sumber:Publikasi Researchgate
Dioda built-in adalah persyaratan pada IGBT karena perangkat elektronik daya dapat mematikan sakelar daya tanpanya. Sejak OFF, arus beban induktif menghasilkan puncak tegangan tinggi setiap kali tidak ada jalur yang sesuai.
Modul IGBT dan FWD
Sumber:Researchgate
Setiap kali Transistor Bipolar Gerbang Terisolasi dimatikan, pembawa minoritas dari Wilayah-N mengalir keluar ke sirkuit eksternal. Setelah lapisan penipisan mengembang (Tegangan Kolektor-Emitter naik), pembawa minoritas menyebabkan rekombinasi internal aliran arus, arus ekor.
Jenis IGBT
Sebagai perangkat empat lapis, IGBT dapat diklasifikasikan berdasarkan keberadaan lapisan penyangga (n+). Transistor Bipolar Gerbang Terisolasi dengan lapisan penyangga (n+) adalah Punch through IGBT (atau hanya PT-IGBT).
Demikian pula, IGBT tanpa lapisan penyangga (n+) adalah Non-Punch melalui IGBT (atau hanya NPT-IGBT). Berikut tabel perbedaannya.
Transistor Bipolar Gerbang Terisolasi lebih lanjut dapat diklasifikasikan berdasarkan karakteristiknya. Konsep desain perangkat untuk PT-IGBT dan NPT-IGBT dapat berupa simetris atau asimetris.
IGBT simetris memiliki tegangan tembus maju dan mundur yang sama. Pada saat yang sama, Transistor Bipolar Gerbang Terisolasi asimetris memiliki tegangan tembus maju lebih besar daripada tegangan tembus mundur.
Ini berarti bahwa IGBT simetris terutama berlaku di sirkuit AC. Di sisi lain, IGBT asimetris berlaku di sirkuit DC, dan itu karena mereka tidak memerlukan tegangan balik yang didukung.
Model IGBT
Sirkuit yang menggunakan prinsip kerja IGBT biasanya menampilkan pemodelan menggunakan simulator sirkuit seperti Saber dan SPICE.
Simulator dapat memodelkan IGBT (dan perangkat aktual lainnya) untuk memberikan prediksi terbaik mengenai arus dan tegangan pada terminal listrik.
Untuk prediksi yang lebih tepat, panas dan suhu disertakan dalam proses simulasi. Metode pemodelan yang paling umum untuk konsep desain perangkat IGBT adalah:
- Model berbasis fisika
- Model Makro
Simulator SPICE menggunakan metode MacroModel, yang menggabungkan berbagai komponen, seperti MOSFET dan BJT, menggunakan konfigurasi Darlington.
Prinsip Kerja IGBT– Karakteristik Listrik
Karena ketergantungan IGBT pada voltase agar berfungsi, perangkat hanya memerlukan sejumlah kecil voltase yang dipasok ke terminal Gerbang untuk mempertahankan konduksi.
Karakteristik Listrik
Ini adalah kebalikan dari Transistor Daya Bipolar, yang membutuhkan aliran arus Basis terus menerus di wilayah Basis untuk mempertahankan saturasi.
Pada saat yang sama, IGBT adalah perangkat searah, yang berarti hanya beralih ke "arah maju" (dari Kolektor ke Emitter).
Ini adalah kebalikan dari MOSFET, yang memiliki proses switching arus dua arah. Dalam perangkat praktis, MOSFET dapat dikontrol dalam arah maju dan tidak terkontrol dalam tegangan mundur.
Perhatikan bahwa dalam kondisi dinamis, IGBT mungkin mengalami arus latch-up saat perangkat dimatikan. Ketika arus penggerak keadaan ON terus menerus tampaknya melebihi nilai kritis, ini adalah arus latch-up.
Juga, ketika tegangan Gerbang-Emitter turun di bawah tegangan ambang, arus bocor kecil mengalir melalui perangkat. Pada saat ini, tegangan Kolektor-Emitter hampir sama dengan tegangan suplai. Oleh karena itu, perangkat empat lapis IGBT beroperasi di wilayah batas.
Prinsip Kerja IGBT–Aplikasi IGBT
IGBT dapat digunakan dalam amplifier sinyal kecil, seperti MOSFET dan BJT. Namun, IGBT membuat yang terbaik dari keduanya, sehingga memiliki kehilangan konduksi yang rendah dan kecepatan switching yang tinggi.
Penggunaan IGBT ada di sebagian besar perangkat elektronik modern, seperti sistem stereo, kereta api, VSF, mobil listrik, AC, dll.
IGBT vs. MOSFET
Transistor Bipolar Gerbang Terisolasi adalah yang terbaik dalam tegangan tinggi, frekuensi switching rendah, konfigurasi arus tinggi. Sebaliknya, MOSFET paling baik dalam tegangan rendah, frekuensi switching tinggi, dan domain arus menengah.
IGBT vs. MOSFET
Sumber:Researchgate
IGBT dapat digunakan pada perangkat praktis dengan frekuensi switching lebih rendah dari 20 kHz karena kerugian switching yang tinggi.
Ringkasan
Kami harap Anda sekarang memahami apa itu IGBT dan bagaimana perbedaannya dari MOSFET dan BJT. Apakah Anda memiliki pertanyaan atau kekhawatiran tentang IGBT? Jangan sungkan untuk menghubungi kami!
