Pada tahun-tahun yang lalu,
gelanggang piranti penyakelar daya (switching device) memang didominasi oleh
transistor, juga SCR yang sulit untuk dimatikan serta bekerja relatif lambat.
Kondisi ini mendorong para perancang di berbagai laboratorium pembuatan piranti
semikonduktor seperti di Motorola, IR, APT, IXYS, Siemens, Samsung dan lainnya
saling berlomba untuk menemukan piranti penyakelar yang memiliki kemampuan
lebih baik. Sebagai hasilnya, di pasaran, kini muncul piranti penyakelar Power
MOSFET dan IGBT yang saling bersaing.
Para rekayasawan yang
berkecimpung di bidang elektronika daya pun kini dihadapkan pada suatu pilihan
yang perlu lebih cermat dalam mempertimbangkan beberapa kriteria, saat harus
memilih mana dari kedua piranti elektronik tersebut yang akan dipakai.
Tulisan ini membahas kinerja
Power MOSFET dan IGBT serta proses pengembangannya sampai saat ini.
MOSFET (Metal Oxide
Semiconductor Field Efect Transistor) maupun IGBT (Insulated Gate
Bipolar Transistor), keduanya merupakan piranti atau komponen aktif pokok
yang kini banyak digunakan dalam bidang Elektronika Daya; yakni UPS (Uninterruptible
Power Supply), dan sistem pengendali daya/motor-motor besar di bidang
industri.
Sebelum adanya kemajuan
kinerja Power MOSFET, gelanggang penyakelar daya dulunya memang didominasi oleh
BJT (bipolar junction transistor), dan SCR yang sulit untuk dimatikan (turn-off)
dan lambat. Para perancang di berbagai laboratorium pembuatan piranti
semikonduktor selalu berusaha menemukan piranti penyakelar (switching device)
yang memiliki kemampuan lebih baik. Beberapa waktu kemudian, barulah
dikembangkan MOSFET, dan berikutnya IGBT.
Sebenarnya, pasar pun pernah
ditawari MCT (MOS-Controlled Thyristor), yang saat itu merupakan
semikonduktor yang memiliki kinerja terbaik untuk daya tinggi dan tegangan
tinggi, tetapi kenyataannya tak pernah menjadi populer. Kini pabrik-pabrik
semikonduktor terus mengembangkan kedua piranti tersebut di atas menuju
peningkatan dalam hal mempertinggi tegangan dadal (breakdown voltage),
memperbesar kemampuan arusnya, dan memperkecil rugi penyakelaran atau
peralihannya .
IGBT memang telah muncul
sebagai pesaing bagi Power MOSFET konvensional yang beroperasi pada tegangan
tinggi dan rugi konduksi yang rendah. Berbagai usaha telah dilakukan dalam
tahun-tahun terakhir ini untuk dapat membuat penyakelar IGBT dapat bekerja
seperti halnya MOSFET, sembari mendapatkan kemampuan yang setara dengan
transistor daya bipolar, baik yang bekerja pada tegangan menengah maupun
tegangan tinggi. Para pembuat IGBT memang sedang berusaha untuk membuat piranti
elektronik ini menjadi pilihan alternatif yang menarik untuk rentang yang luas
di bidang elektronika daya, tempat yang semula didominasi oleh power MOSFET dan
transistor bipolar. Dampaknya, para rekayasawan yang berkecimpung di bidang elektronika
dayapun kini dihadapkan pada suatu pilihan yang perlu lebih cermat dalam
mempertimbangkan beberapa kriteria, saat memilih mana dari kedua piranti
elektronik tersebut yang akan dipergunakan. Sebab, seri-seri baru kini terus
bermunculan di pasaran, beserta masing-masing keunggulannya.
Struktur Dasar
Dalam pembuatannya, MOSFET
dan IGBT menempuh langkah-langkah pemrosesan yang identik, namun masing-masing
menempuh langkah yang berbeda dalam hal polaritas substratnya. Perbedaan
langkah ini menghasilkan struktur MOSFET dan IGBT seperti dinyatakan pada Gambar 1a dan 1b. Untuk IGBT,
strukturnya lebih kompleks, karena terdiri dari; sebuah MOSFET kanal -N, sebuah
transistor NPN, dan sebuah FET junction yang mengemudikan transistor keluaran
PNP. Label 'kolektor' dan 'emitor' dalam Gambar 1b dan 1c tersebut
tampaknya memang menjadi rancu atau membingungkan, namun yang ditunjukkan itu
sebenarnya adalah kolektor dan emitor transistor npn pada lambangnya.
Transistor bipolar PNP dan
NPN dalam Gambar 1 membentuk sebuah SCR. Jika penguatan dari
keduanya tersebut cukup tinggi, maka SCR akan dapat terkunci. Resistansi basis
R berfungsi mencegah pengguliran dari kondisi saat menyambung (on). Secara
prinsip, rangkaiannya dapat disetarakan dan direduksi sehingga menjadi seperti
terlhat pada Gambar 1c. Struktur yang demikian ini dapat menawarkan yang
terbaik dari dua kubu, yakni; impedansi masukan yang tinggi, yang merupakan
ciri dari sebuah power MOSFET, dan tegangan saturasi yang rendah, yang
merupakan ciri dari sebuah transistor bipolar.
Pada hakekatnya, MOSFET dan
IGBT konvensional dibangun melalui proses DMOS (double diffused MOS),
yang menggunakan teknik, yakni; suatu lapisan silikon epitaksi tebal yang
dibangun di atas substrat silikon yang besar dan beresistansi tinggi. Namun
demikian, pada tegangan dalam orde 1200 volt, ketebalan lapisan epitaksi serta
resistansi kondisi menyambung pada piranti tersebut menjadi terlalu besar untuk
tegangan yang setinggi itu. Dampaknya, harga piranti tersebut menjadi terlalu
mahal. Kinerja yang jelek dan biaya yang lebih tinggi mendorong pabrik
semikonduktor tertarik untuk mencoba usaha lain, misalnya saja, menghubungkan
MOSFET dalam moda seri-paralel dan lain-lain.
Perbandingan Umum Antara Kinerja MOSFET dan IGBT
Perbandingan kinerja
penyakelaran MOSFET dan IGBT secara singkat dinyatakan dalam Tabel 1. Untuk
tujuan komparasi, Tabel 1 tersebut juga menyertakan pula perbandingannya dengan
transistor bipolar. Besaran tegangan kolektor-emitor dalam kondisi menyambung
atau jenuh (VCEsat) yang biasa digunakan untuk menggambarkan
karakter suatu IGBT, dalam Tabel 1 tersebut ditranslasikan ke dalam besaran
resistansi kolektor-emitor dalam kondisi menyambung (Ron).
Tabel 1. Perbandingan tiga
piranti penyakelar daya untuk kemampuan (rating) yang setara
Karakteristik
|
MOSFET
|
IGBT
|
Bipolar
|
Kemampuan arus (A)
|
20
|
20
|
20
|
Kemampuan tegangan (V)
|
500
|
600
|
500
|
Ron (ohm)
Pada 25ยบ C
|
0,2
|
0,24
|
0,18
|
Ron (ohm)
Pada 150ยบ C
|
0,6
|
0,23
|
0,24
|
Waktu turun (nanodetik)
|
40
|
200
|
200
|
Dua fakta yang bersumber
pada Tabel 1 tersebut adalah bahwa; pertama, transistor bipolar sangat lebih
lambat daripada MOSFET. Secara prinsip, hal ini disebabkan oleh waktu gulir
mati (turn-off) piranti bipolar yang lebih panjang. Kedua adalah
resistansi saat kondisi menyambung (on-state) piranti bipolar yang
relatif tak bergantung (bersifat invarian) terhadap temperatur, dibandingkan
dengan adanya nilai koefisien temperatur yang tinggi pada MOSFET. Informasi
koefisien temperatur ini merupakan pertimbangan penting dalam perencanaan batas
aman thermal pada sistem-sistem yang berdaya tinggi.
Tabel 2 menyatakan
perbandingan yang lebih umum mengenai karakteristik penyakelarannya. Disebabkan
oleh struktur masukan gate-nya, MOSFET dan IGBT merupakan piranti elektronik
yang dikemudikan oleh tegangan, dengan kebutuhan akan daya pengemudi yang
relatif kecil saja. Sementara itu, pada transistor bipolar yang sifatnya
dikemudikan oleh arus (arus keluaran dibagi oleh hFE), ia memerlukan
pengemudi dengan daya yang relatif lebih besar.
Dalam hal kapasitansi
masukan, untuk MOSFET dan IGBT, bergantung pada ratingnya (kemampuan arusnya).
Kapasitansi ini dapat menjadi demikian besar, sehingga rangkaian pengemudinya dituntut
memiliki kemampuan untuk mengisi dan membuang dengan cepat muatan kapasitansi
yang besar ini.
IGBT tampaknya memang
menawarkan rating kemampuan arus yang lebih baik. Namun demikian, kekurangan
dan kelebihan masing-masing piranti yang tercantum pada Tabel 2 tersebut dapat
digunakan sebagai acuan untuk memilih salah satu di antara ketiganya.
Tabel 2. Perbandingan
karakteristik piranti penyakelar daya
Karakteristik
|
MOSFET
|
IGBT
|
Bipolar
|
Tipe pengemudi
|
Tegangan
|
Tegangan
|
Arus
|
Daya pengemudi
|
minimum
|
Minimum
|
Besar
|
Tingkat kerumitan pengemudi
|
Sederhana
|
Sederhana
|
Cukupan atau sedang
|
Kemampuan arus pada nilai tegangan drop di ujung-ujung
terminal piranti
|
Tinggi pada teg. rendah; rendah pada teg. tinggi
|
Sangat tinggi (terpengaruh oleh kecepatan penyakelaran)
|
Cukupan (sangat terpengaruh oleh kecepatan penyakelaran
|
Rugi penyakelaran
|
Sangat rendah
|
Rendah sampai sedang (dipengaruhi oleh rugi konduksi)
|
Sedang sampai tinggi (dipengaruhi oleh rugi konduksi)
|
Untuk mempertahankan nilai
resistansi yang tetap rendah, pembuat IGBT membuat kemampuan arus yang lebih
rendah untuk tipe yang lebih cepat. Sebagai contoh, Perusahaan International
Rectifier (IR) di pasaran menawarkan tiga tipe IGBT; yakni tipe
standar, cepat dan ultra cepat. IR mendeskripsikan kemampuan arus dengan
perbandingan terbalik terhadap kecepatan penyakelarannya. Sementara itu VCE saturasinya
naik berturut-turut untuk masing-masing tipe tersebut menjadi; 1,3 1,5, dan 1,9
volt.
Parameter terakhir dalam
Tabel 2 tersebut adalah rugi penyakelaran (switching losses) , yang
mencerminkan kecepatan penyakelaran dari ketiga piranti elektronik tersebut.
Untuk MOSFET, baik transisi saat menyambung (turn-on) dan memutus(turn-off)
sangat cepat. Sedang untuk IGBT, kita dihadapkan pada kenyataan bahwa ada
perimbangan dalam hal kecepatan penyakelaran versus kemampuan arus; jenis yang
lebih cepat akan mengalami rugi konduksi yang lebih tinggi.
Waktu penyakelaran pada IGBT
sebagian besar didominasi oleh waktu saat menyambung, sehingga secara garis
besar membatasi penggunaannya dalam sistem yang beroperasi pada laju
penyakelaran yang lebih rendah daripada 100 kHz.
Tabel 3. Perbandingan
tegangan drop dan rating tegangan antara IGBT dan MOSFET pada kemampuan arus
maupun luasan yang sama
Rating tegangan (Volt)
|
IGBT
|
100
|
300
|
600
|
1200
|
MOSFET
|
100
|
250
|
500
|
1000
|
Tegangan drop untuk 1,7 ampere per mm2pada
temperatur 100ยบ C (Volt)
|
IGBT
|
1,5
|
2,1
|
2,4
|
3,1
|
MOSFET
|
2,0
|
11,2
|
26,7
|
100
|
Tabel 3 menunjukkan
perbandingan IGBT dengan MOSFET dalam hal rugi konduksi yang dinyatakan dalam
bentuk tegangan drop (tegangan yang terdapat pada kedua ujung terminalnya saat
pirantai tersebut dalam keadaan menyambung) untuk kondisi kemampuan arus pada luasan
(area) piranti maupun temperatur yang sama . Pada MOSFET, untuk kemampuan arus
yang sama per satuan luasan silikon, resistansi dalam kondisi menyambung naik
secara ekponensial terhadap rating tegangannya. Sementara itu, untuk piranti
IGBT (yang dinyatakan dalam besaran tegangan kolektor-emitor jenuh ketimbang
resistansi dalam kondisi menyambung) lebih mampu mempertahankan rugi konduksi
yang rendah untuk semua rating tegangan. Dari Tabel 3 tersebut juga dapat
diketahui bahwa MOSFET memiliki rating tegangan yang sedikit lebih rendah
daripada IGBT.
Perbandingan MOSFET dan IGBT
untuk luasan die (irisan tipis bahan semikonduktor yang dipakai untuk membuat
transistor atau piranti semikonduktor lainnya) yang sama, secara grafis
dinyatakan dalam Gambar 2. Pada Gambar 2, jelas tampak bahwa IGBT memiliki rugi
pada kondisi menyambung lebih rendah. Grafik tersebut menunjukkan tegangan drop
dalam kondisi menyambung untuk sebuah MOSFET dan dua IGBT hasil produksi IR
untuk arus beban 10 ampere. Piranti yang memiliki rugi yang paling rendah dalam
gambar tersebut adalah IRGBC40S, yakni IGBT tipe standar. Tipe ultra cepatnya;
IRGBC40U menawarkan penyakelaran yang lebih cepat, namun rugi dalam kondisi menyambungnya
juga lebih tinggi.
Perkembangan MOSFET dan IGBT
1. Perkembangan dalam KemasanBeberapa
tahun yang lalu, sebagian besar MOSFET dan IGBT tegangan tinggi yang
berkemampuan arus besar dikemas dalam kemasan diskret yang membutuhkan tempat
yang besar sekali (istilahnya disebut high profile), maupun
berbentuk modul-modul yang terdiri dari dua atau tiga piranti daya (misalnya
bagian lengan dari sistem setengah rangkaian jembatan). Piranti-piranti ini
mengendalikan kecepatan motor-motor yang besar ( multihorsepower)
maupun dalam aplikasi-aplikasi daya besar seperti off-line (3 phase)
uninterruptible power supply. Namun kini kemasan piranti telah berubah dan
bergerak bergerak menuju ke bentuk low-profile, yakni berbentuk
terintegrasi secara padat maupun ada yang berbentuk modul-modul hybrid.
Piranti-piranti dengan kemasan seperti ini kemungkinan juga telah memuat
penyearah jembatan gelombang penuh, jembatan setengah gelombang yang terdiri
dari tiga FET atau IGBT, juga telah memiliki fast power diode ataupun
catch and free-wheeling yang biasanya dipasang pada setiap
penyakelar daya dan pengemudi-pengemudi MOS tegangan tinggi.
Tak peduli seberapa besar sumber dayanya, semua
aplikasi sekarang ini memang menuntut efisiensi dan kemasan rangkaian kendali
yang lebih kecil, yang untuk banyak pekerjaan daya tinggi, para penggunanya
tidak perlu dirisaukan oleh keharusan untuk membuang panas yang dihasilkan oleh
sistem-sistem kendali ini. Di lain pihak, pabrik-pabrik pembuat motor listrik
sekarang inipun membutuhkan kemasan pengendali daya yang kecil, karena mereka
ingin memasang rangkaian-rangkaian kendali itu di dalam motornya. Terutama
untuk tipe-tipe motor baru yang membutuhkan rangkaian-rangkaian kendali yang
canggih, termasuk untuk motor-motor reluktansi tersakelar dan tipe tanpa sikat
(brushless). Tentu saja sistem kendalinya menjadi hangat ataupun bahkan
panas jika dipasang di dalam motor, yang bahkan pada motor-motor yang
didinginkan dengan kipas angin sekalipun. Memang lokasi seperti bukan merupakan
tempat yang mudah untuk membuang panas, apalagi pada FET yang berdaya dan
bertegangan tinggi, yang dirancang untuk memperoleh pembuangan panas yang cukup
memadai.
Dalam hal usaha untuk memperoleh drop tegangan
maju (forward) yang lebih rendah, pengembangannya adalah menuju
kemasan-kemasan baru yang dapat menampung irisan silikon yang lebih besar dalam
luasan piranti yang sama. Usaha terakhir pabrik semikonduktor IXYS dalam arena
ini adalah apa yang mereka sebut sebagai kemasan TO-247 'tanpa lubang', yakni
mengeliminasi lubang yang biasanya disediakan untuk menyekrupkan pirantinya,
yang membuat IXYS dapat meletakkan lebih banyak silikon dalam kemasan tersebut
sehingga kemampuan arus keluarannya dapat ditingkatkan sampai 50%. Dua piranti
pertama yang diluncurkan ke pasar dalam kemasan model ini adalah IGBT dengan
rating 600 dan 1200 volt, masing-masing pada 75 dan 10 ampere, yang juga
memiliki ketahanan terhadap hubung singkat.
Sementara itu, pabrik semikonduktor APT (Advanced
Power Technology) menggunakan pendekatan yang sedikit berbeda untuk
mengemas MOSFET tegangan tinggi yang diproduksinya. APT menyelipkan batangan
silikon sebesar mungkin ke dalam kemasan. Sebagai contoh, pada FET 500 volt
yang menggunakan teknologi D3PAK (tipe surface mount yang
eivalen dengan TO247)) dan kemasan TO-247 yang memiliki resistansi dalam
kondisi menyambung sebesar 200 miliohm dapat turun sehingga menjadi 170 miliohm
pada piranti produk terbaru mereka. Sedang resistansi pada FET 500 volt dalam
kemasan TO-227 telah turun dari 60 ke 50 miliohm.
Pabrik lainnya; yakni IR memproduksi FET
tipe low-gate-charge, juga IGBT jenis WARP-speed dalam kemasan daya
tipe surface mount baru yang disebut SMD 10. Kemasan tipe ini juga digunakan
untuk FET 500 volt/40 ampere maupun WARP-speed IGBT 600 dan 1200 volt pada
rating 95 dan 65 ampere. Pada saat sekarang ini, low-charge FET tersedia dalam
kemasan TO-220 dan TO-247.
Setelah membaca uraian tentang IGBT
Mosfet juga sedikit tentang Transistor Darlington, pilihan apakan yang akan
anda gunakan untuk TCI anda? Harga Komponen efisiensi atau..... Terserah anda
...
Daftar Pustaka
1.
Wojslawowicz E, Jack (Harris
Corp.). "Understanding Third-Generation IGBT
SwitchCharacteristics", Asian Electronics Engineer, May 1995.
2.
Travis, Bill., "MOSFETs
and IGBTs Differ in Drive Methods and Protection Needs" EDN Asia, Sept.
1996.
3.
Bindra Ashok., "Silicon
Direct Bonding Infuses Speed in High-Voltage IGBTs", Electronic design,
May, 13. 1998
4.
Goodenough Frank.,
"High-Voltage Power Switch; They're Faster and More Efficient",
Electronic design, July 7, 1997 q
Oleh : Drs. Sunomo, mengajar di
Jurusan Elektro FPTK IKIP Yogyakarta
TCI menggunakan High Transistor
