IGBT Dijelaskan: Prinsip Kerja, Aplikasi & Manfaat

IGBT adalah salah satu penemuan elektronik yang paling efisien. Prinsip kerja IGBT unik dan datang dengan banyak aplikasi komersial – sebagai AC/DC motor drives, traction motor controls, UPS (unregulated power supply), inverters, dll.

Tetapi, jangan terlalu maju. Anda perlu memahami bagaimana IGBT bekerja sepenuhnya. Jadi mari kita mulai.

Apa yang sebenarnya IGBT? 

IGBT adalah singkatan dari Insulated Gate Bipolar Transistor. Ini adalah perangkat semiconductor listrik 3-terminal yang menyediakan kemampuan switching cepat dengan efisiensi tinggi.

Untuk memahami IGBT dengan lebih baik, terbaik untuk memahami berbagai transistor berdasarkan fungsionalitas.

Transistors

Transistor adalah komponen elektronik kecil dengan dua fungsi utama. Ia bertindak sebagai switch untuk mengontrol sirkuit pencahayaan dan dapat memperkuat sinyal.

Ada berbagai jenis transistor berdasarkan kegunaan atau penerapan spesifik lainnya. Transistor yang sering digunakan adalah BJT (Bipolar Junction Transistor), MOSFETs, dan IGBT.

Kedua BJT dan MOSFET memiliki preferensi mereka, serta kelebihan satu sama lain. Sementara BJT memilih on-state drop rendah, MOSFET terbaik untuk impedance input tinggi, kehilangan switching rendah, dan tidak ada secondary breakdown.

IGBT menggabungkan baik BJT dan MOSFET, di mana ia mengambil yang terbaik dari kedua transistor.

Oleh karena itu, IGBT adalah perangkat tiga terminal yang digunakan sebagai perangkat switching dan berlaku untuk memperkuat sinyal. IGBT menyediakan switching cepat dengan efisiensi tinggi.

Simbol IGBT

Karena IGBT menggabungkan BJT dan MOSFET, simbolnya mengikuti prinsip yang sama di bawah ini.

Simbol IGBT

Simbol juga memiliki tiga terminal – Kolektor, Emitter, dan Gate. Sisi input mewakili MOSFET, sementara ia mengambil simbol output dari simbol BJT.

Seperti yang diharapkan, terminal konduksi adalah Kolektor dan Emitter. Gate adalah terminal kontrol.

Struktur IGBT

Ketiga terminal (Kolektor, Emitter, dan Gate) IGBT dilampirkan dengan lapisan logam. Namun, materi logam pada terminal Gate memiliki insulasi lapisan silikon dioksida.

Secara internal, struktur IGBT adalah perangkat empat lapisan semiconductor. Perangkat empat lapisan ini timbul dari penggabungan transistor PNP dan NPN, yang membentuk susunan PNPN.

Struktur IGBT

Sumber: Components101

Lapisan terdekat dengan wilayah Kolektor adalah substrat (p+), Injection Region. Tepat di atasnya adalah N- Drift Region, yang terdiri dari lapisan N-.

Injection Active Region menyuntikkan sebagian besar carrier (arus lubang) dari (p+) ke dalam lapisan N-.

Ketebalan Drift Region menentukan kemampuan pemblokiran tegangan IGBT.

Di atas Drift Region adalah Body Region, yang terdiri dari substrat (p). Ia dekat dengan Emitter. Di dalam Body Region, ada lapisan (n+).

Perhatikan bahwa junction antara wilayah Kolektor (atau Injection Region) dan N-Drift Region adalah J2. Demikian pula, junction antara N- Region dan Body Region adalah junction J1.

CATATAN: Struktur IGBT secara topologis mirip dengan thyristor dalam hal gate "MOS". Namun, aksi dan fungsionalitas thyristor dapat dihindari, berarti hanya aksi transistor yang diizinkan dalam rentang operasi seluruh perangkat IGBT.

IGBT lebih diutamakan daripada thyristor karena toggling yang lebih cepat daripada menunggu zero crossings thyristor.

Bagaimana Cara Kerja IGBT?

Prinsip kerja IGBT adalah ON atau OFF dengan mengaktifkan atau menonaktifkan terminal Gate-nya.

Jika tegangan input positif melintasi Gate, Emitter menyimpan drive circuit ON. Di sisi lain, jika terminal Gate IGBT adalah tegangan nol atau sedikit negatif, ia mematikan aplikasi sirkuit.

Karena Insulated Gate Bipolar device berfungsi baik sebagai BJT dan MOSFET, jumlah amplifikasi yang dicapainya adalah rasio antara output dan input sinyal kontrol.

Untuk BJT konvensional, jumlah gain sekitar sama dengan rasio arus output terhadap arus input. Kami menyebutnya Beta dan ditandai sebagai β.

Di sisi lain, untuk MOSFET, tidak ada arus input karena terminal Gate adalah isolasi dari saluran utama yang membawa arus. Kami menentukan gain IGBT dengan membagi perubahan arus output dengan perubahan tegangan input. Ini membuat IGBT menjadi perangkat trans-conductance.

Operasi IGBT sebagai Sirkuit

Mari kita jelaskan ini menggunakan gambar di bawah ini, yang menggambarkan rentang operasi seluruh perangkat IGBT.

Operasi IGBT sebagai Sirkuit

IGBT hanya bekerja jika ada supply tegangan pada terminal Gate. Ini adalah Tegangan Gate, yang adalah V_G.

Seperti yang terlihat pada diagram, setelah ada Tegangan Gate (V_G), Arus Gate (I_G) meningkat. Kemudian itu meningkatkan Tegangan Gate-Emitter (V_GE).

Akibatnya, Tegangan Gate-Emitter meningkatkan Arus Kolektor (I_C). Di sinilah, Arus Kolektor (I_C) menurunkan Tegangan Kolektor-Emitter (V_CE).

CATATAN: IGBT memiliki tegangan drop yang mirip dengan dioda, biasanya dalam urutan 2V, yang hanya meningkat dengan log arus.

IGBT menggunakan free-wheeling diodes untuk mengonduksi arus reverse. Dioda bebas diletakkan di seluruh terminal Kolektor-Emitter perangkat.

IGBT, Si Diode

Sumber: Researchgate Publication

Dioda bawaan adalah persyaratan pada IGBT karena perangkat elektronika daya dapat gagal sebagai switch daya tanpa itu. Setelah mematikan, arus beban induktif menghasilkan puncak tegangan tinggi setiap kali tidak ada jalur yang sesuai.

IGBT dan FWD module

Sumber: Researchgate

Setiap kali Insulated Gate Bipolar Transistor mematikan, carrier minor dari N- Region mengalir keluar ke sirkuit eksternal. Setelah depletion layer melebar (Tegangan Kolektor-Emitter naik), carrier minor menyebabkan rekombinasi internal arus aliran, tail current.

Jenis IGBT 

Sebagai perangkat empat lapisan, IGBT dapat diklasifikasikan berdasarkan keberadaan lapisan buffer (n+). Insulated Gate Bipolar Transistors dengan lapisan buffer (n+) adalah Punch through IGBT (atau PT-IGBT).

Demikian pula, IGBT tanpa lapisan buffer (n+) adalah Non-Punch through IGBT (atau NPT-IGBT). Berikut adalah tabel perbedaan mereka.

Insulated Gate Bipolar Transistors lebih lanjut dapat diklasifikasikan berdasarkan karakteristiknya. Konsep desain perangkat untuk PT-IGBT dan NPT-IGBT dapat simetris atau asimetris.

IGBT simetris memiliki tegangan breakdown maju dan mundur yang sama. Sementara Insulated Gate Bipolar Transistors asimetris memiliki tegangan breakdown maju yang lebih besar dari tegangan breakdown mundur.

Itu berarti IGBT simetris terutama berlaku dalam sirkuit AC. Di sisi lain, IGBT asimetris berlaku dalam sirkuit DC, dan itu karena mereka tidak memerlukan tegangan reverse yang didukung.

Model IGBT 

Sirkuit yang menggunakan prinsip kerja IGBT biasanya memiliki modeling menggunakan circuit simulators seperti Saber dan SPICE.

Simulator dapat memodel IGBT (dan perangkat aktual lainnya) untuk memberikan prediksi terbaik mengenai arus dan tegangan pada terminal listrik.

Untuk prediksi yang lebih tepat, panas dan suhu dimasukkan dalam proses simulasi. Metode modeling yang paling umum untuk konsep desain perangkat IGBT adalah:

• Physics-based model
• MacroModel

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 tegangan untuk berfungsi, perangkat hanya memerlukan jumlah tegangan yang sangat kecil yang disuplai pada terminal Gate untuk mempertahankan konduksi.

 Karakteristik Listrik

Ini adalah kebalikan dari Bipolar Power Transistors, yang membutuhkan aliran arus Base kontinu di wilayah Base untuk mempertahankan saturasi.

Pada saat yang sama, IGBT adalah perangkat satu arah, yang berarti ia hanya beralih dalam 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 dapat dikontrol dalam tegangan mundur.

Perhatikan bahwa dalam kondisi dinamis, IGBT mungkin mengalami latch-up current saat perangkat mematikan. Ketika aliran driving ON-state terlihat melebihi nilai kritis, ini adalah latch-up current.

Juga, saat Tegangan Gate-Emitter turun di bawah ambang tegangan, arus bocor kecil mengalir melalui perangkat. Pada saat ini, Tegangan Kolektor-Emitter hampir sama dengan tegangan supply. Oleh karena itu, perangkat empat lapisan IGBT beroperasi di wilayah cutoff.

Prinsip Kerja IGBT– Aplikasi IGBT 

IGBT dapat digunakan dalam amplifier sinyal kecil, sama seperti MOSFET dan BJT. Namun, IGBT membuat yang terbaik dari keduanya, sehingga memiliki kehilangan konduksi rendah dan kecepatan switching tinggi.

IGBT digunakan dalam sebagian besar perangkat elektronik modern, seperti sistem stereo, kereta api, VSFs, mobil listrik, pendingin udara, dll.

IGBT vs. MOSFET 

Insulated Gate Bipolar Transistors terbaik dalam konfigurasi tegangan tinggi, frekansi switching rendah, arus tinggi. Sebaliknya, MOSFET terbaik dalam domain tegangan rendah, frekansi switching tinggi, dan arus sedang.

IGBT vs. MOSFET

Sumber: Researchgate

IGBT dapat digunakan pada perangkat praktis dengan frekansi switching di bawah 20 kHz karena kehilangan switching yang tinggi.

Ringkasan 

Kami harap Anda sekarang memahami apa itu IGBT dan bagaimana mereka berbeda dari MOSFET dan BJT. Apakah Anda memiliki pertanyaan atau kekhawatiran tentang IGBT? Silakan hubungi kami!