Meskipun beberapa orang mungkin menganggap IGBT sebagai teknologi "konvensional", ia masih memainkan peran penting dalam aplikasi daya tinggi.

Saat ini, sebagian besar berita dan diskusi di industri semikonduktor berkisar seputar perangkat berbasis material celah pita lebar (WBG) baru seperti silikon karbida (SiC) dan galium nitrida (GaN). Namun, beberapa tahun yang lalu, solusi yang paling diminati untuk banyak aplikasi adalah Transistor Bipolar Gerbang Terisolasi (IGBT).

Masih terdapat aplikasi berdaya menengah hingga tinggi yang menggunakan IGBT, dan perangkatnya sendiri terus berkembang. Dalam artikel ini, kami akan membahas detail IGBT dan mengeksplorasi aplikasinya yang sudah ada maupun yang sedang berkembang.

IGBT: Struktur Fisik

IGBT adalah transistor atau sakelar semikonduktor yang terdiri dari empat lapisan bahan semikonduktor berselang-seling (PNPN). Ketika tegangan yang tepat diberikan ke gerbang perangkat, arus akan mengalir—konduksi ini berhenti ketika tegangan dihilangkan.

Sejak awal, IGBT telah mengalami penyempurnaan dan peningkatan berkelanjutan, terutama dalam mengurangi rugi-rugi switching dan menciptakan struktur yang lebih tipis. Saat ini, IGBT umumnya menggabungkan gerbang parit dengan struktur penghenti medan sebagai cara untuk menekan karakteristik NPN parasit di dalam perangkat. Setelah tercapai, rugi-rugi konduksi dan tegangan saturasi berkurang, menghasilkan manfaat seperti peningkatan kerapatan daya.

Gambar 1: Struktur IGBT Field-Stop dengan Pemutus Saluran Parit

Pemanfaatan IGBT dan Contoh Teknis

IGBT memiliki aplikasi yang luas di berbagai bidang, termasuk inverter surya, sistem penyimpanan energi, catu daya tak terputus (UPS), penggerak motor, pengisi daya kendaraan listrik, pengelasan industri, dan peralatan rumah tangga. Biasanya, struktur topologi dipilih secara khusus untuk memenuhi persyaratan aplikasi tertentu. Mari kita bandingkan dan bedakan beberapa aplikasi populer.

Pengelasan Industri

Mengingat permintaan akan pengelasan berkualitas lebih tinggi, maka diperlukan kontrol yang tepat terhadap proses pengelasan. Oleh karena itu, inverter biasanya digunakan sebagai pengganti trafo las biasa karena arus keluaran DC dapat mencapai akurasi yang diperlukan.

Ada juga aspek keselamatan karena arus DC umumnya dianggap lebih aman. Dari sudut pandang pengguna, inverter lebih kecil dan ringan dibandingkan trafo, menjadikan mesin las lebih portabel dan nyaman digunakan.

Dalam mesin las biasa, daya AC satu fasa atau tiga fasa disearahkan untuk membentuk tegangan bus DC. Penyearah juga memberi daya pada konverter kecil yang menghasilkan tegangan yang dibutuhkan oleh unit kontrol. Tegangan bus DC memberi daya pada inverter, yang biasanya memiliki tegangan keluaran nominal sekitar 30 VDC. Namun, selama pengoperasian, dalam kondisi beban sirkuit terbuka, tegangan dapat berlipat ganda dan turun hingga hampir 0V (sebenarnya hubungan pendek) ketika busur las dipicu."

Gambar 2: Gambaran Umum Mesin Las pada umumnya

Banyak struktur topologi berbeda yang cocok untuk mesin las berbasis inverter. Namun yang paling umum adalah Full Bridge (FB), Half Bridge (HB), dan Two-Switch Forward. Pada topologi FB dan HB, frekuensi switching biasanya berada pada kisaran puluhan kHz, biasanya sekitar 20 - 50 kHz. Siklus kerja dikontrol berdasarkan level beban dan tegangan output. Dalam hal skema kontrol, seringkali arusnya konstan.

Gambar 3: Topologi umum meliputi FB, HB, dan Two-Switch Forward

Pengemudi Motor Industri

Salah satu aplikasi industri yang paling umum adalah driver motor industri, yang dapat digunakan untuk robot, mesin besar, atau banyak aplikasi lain yang bergantung pada gerakan. Sebagian besar aplikasi driver motor dikonfigurasikan sebagai HB, dengan frekuensi antara 2 kHz dan 15 kHz. Tegangan keluaran yang dihasilkan tergantung pada status sakelar dan polaritas arus.

Gambar 4: Topologi Setengah Jembatan menampilkan arus keluaran positif dan negatif.

Motor merupakan beban induktif, sehingga arus meningkat dengan cepat. Ketika arus positif mengalir (Ig > 0), transistor sisi tinggi (T1) menyala dan menyalurkan energi ke beban (Vg). Namun, jika arus beban Ig mengalir dalam arah berlawanan (polaritas negatif), arus mengalir kembali melalui D1, mengembalikan energi ke sumber DC.

Jika transistor sisi rendah bekerja (T4 hidup) dan transistor sisi tinggi (T1) mati, tegangan sebesar setengah Vbus (-Vbus/2) diterapkan ke beban, sehingga mengurangi arus. Jika Ig lebih besar dari nol, arus mengalir melalui D4, mengembalikan energi ke sumber bus.

Bersambung...