Apa itu IGBT?
IGBT merupakan singkatan dari Insulated Gate Bipolar Transistor, yaitu jenis perangkat semikonduktor daya yang menggabungkan transistor sambungan bipolar (BJT) dan transistor efek medan semikonduktor oksida logam (MOSFET). IGBT memiliki impedansi masukan yang tinggi seperti MOSFET dan penurunan tegangan yang rendah selama konduksi seperti transistor raksasa (GTR). IGBT umumnya digunakan dalam aplikasi dengan tegangan DC 600V atau lebih tinggi, seperti motor AC, inverter, catu daya, sirkuit penerangan, dan penggerak traksi.
IGBT merupakan komponen inti dari perangkat elektronika daya dan sering disebut sebagai "CPU" dari perangkat-perangkat tersebut. IGBT digunakan secara luas di berbagai bidang seperti transportasi kereta api, jaringan listrik cerdas, dirgantara, kendaraan listrik, dan peralatan energi baru.
Proses Pengembangan IGBT
Kemajuan Teknologi IGBT pada 1980-an
Konsep IGBT pertama kali diperkenalkan pada tahun 1979 sebagai perangkat pengatur daya berbasis MOS dengan gerbang parit berbentuk V. Pada awal 1980-an, teknologi DMOS (Double Diffused Metal Oxide Semiconductor) yang digunakan dalam pembuatan MOSFET daya diadopsi untuk IGBT, dan struktur chip silikonnya menggunakan desain NPT (Non-Punch-Through) yang tebal. Kemudian, dengan perkembangan teknologi epitaxial pada chip silikon dan penggunaan lapisan penyangga n+ yang dirancang untuk tegangan pemblokiran tertentu, peningkatan signifikan dalam keseimbangan parameter dicapai dengan mengadopsi struktur PT (Punch-Through).
Perkembangan Desain IGBT pada Tahun 1990-an
Pada pertengahan 1990-an, struktur gerbang parit diperkenalkan kembali dalam konsep baru IGBT yang menggunakan proses etsa baru yang diadopsi dari teknologi integrasi berskala besar (LSI), namun struktur chipnya masih menggunakan tipe PT. Struktur parit baru ini memungkinkan tercapainya keseimbangan antara tegangan saat konduksi dan waktu pemutusan. Struktur chip silikon juga mengalami transformasi dramatis dari struktur NPT ke LPT (Light Punch-Through), yang meningkatkan Area Operasi Aman (SOA) serupa dengan evolusi struktur gerbang planar.
Transisi dari PT ke NPT merupakan perubahan konseptual yang paling mendasar dan signifikan. Teknologi PT memiliki koefisien injeksi pembawa muatan yang relatif tinggi, namun memerlukan pengendalian umur pembawa minoritas, yang mengurangi efisiensi transportasi. Sebaliknya, teknologi NPT memiliki efisiensi transportasi yang baik tanpa menghilangkan pembawa minoritas, namun koefisien injeksi pembawa muatannya relatif rendah. Teknologi LPT, yang mirip dengan teknologi soft punch-through atau field-stop, menggantikan teknologi NPT dan lebih lanjut meningkatkan keseimbangan antara biaya dan kinerja.
CSTBT dan Modul IGBT Generasi Kelima
Pada tahun 1996, CSTBT (Carrier Stored Trench Gate Bipolar Transistor) memungkinkan terwujudnya modul IGBT generasi ke-5. Modul ini menggunakan struktur chip LPT dan desain yang lebih canggih dengan jarak sel yang lebar. Saat ini, konsep-konsep baru perangkat IGBT dengan fungsi "tipe pemblokiran balik" atau "tipe konduksi balik" sedang diteliti untuk mencapai optimalisasi lebih lanjut.
Modul daya IGBT telah berevolusi dari modul daya komposit (PIM) menjadi modul daya cerdas (IPM), blok bangunan elektronik daya (PEBB), dan modul daya (IPEM) yang menggunakan penggerak IC, berbagai sirkuit perlindungan penggerak, chip IGBT berkinerja tinggi, serta teknologi pengemasan baru.
Struktur IGBT
Sisi kiri diagram IGBT menunjukkan struktur transistor bipolar gerbang terisolasi (IGBT) kanal-N tipe enhancement. Daerah N+ disebut daerah sumber, dan elektroda yang terhubung padanya disebut elektroda sumber (atau emitor E). Daerah N yang disebut daerah dasar merupakan daerah kebocoran. Daerah pengendali perangkat ini adalah daerah gerbang, dan elektroda yang terhubung padanya disebut elektroda gerbang (atau gerbang G). Saluran terbentuk tepat di sebelah batas daerah gerbang. Daerah tipe P (termasuk daerah P+ dan P-) di antara kutub C dan E (di mana saluran terbentuk) disebut daerah sub-saluran. Daerah P+ di sisi lain daerah kebocoran disebut daerah injeksi saluran, yang merupakan area fungsional unik dari IGBT. Daerah ini membentuk transistor bipolar PNP bersama dengan daerah kebocoran dan daerah sub-saluran, bertindak sebagai emitor, menyuntikkan lubang ke daerah kebocoran untuk memodulasi konduktivitas dan mengurangi tegangan keadaan aktif perangkat. Elektroda yang terhubung ke daerah injeksi drain disebut elektroda drain (atau kolektor C).
Aksi pengalihan IGBT dicapai dengan memberikan tegangan gerbang maju untuk membentuk saluran, memberikan arus basis ke transistor PNP (semula NPN), dan mengaktifkan IGBT. Sebaliknya, penerapan tegangan gerbang balik menghilangkan saluran, memutus arus basis, dan mematikan IGBT. Metode penggerak IGBT pada dasarnya sama dengan MOSFET, hanya mengontrol gerbang input MOSFET saluran-N, sehingga memiliki impedansi input yang tinggi. Ketika saluran MOSFET terbentuk, lubang (pembawa minoritas) disuntikkan dari basis P+ ke lapisan N-, memodulasi konduktivitas lapisan N- dan mengurangi resistansinya, sehingga memungkinkan IGBT memiliki tegangan on-state yang rendah bahkan pada tegangan tinggi.
Prinsip Kerja IGBT
IGBT bekerja seperti MOSFET, tetapi pada IGBT, saluran drain MOSFET digantikan oleh saluran emitor BJT. Hal ini memungkinkan IGBT memiliki impedansi masukan yang tinggi seperti MOSFET sekaligus kemampuan penggerak seperti BJT. Sekarang mari kita lihat cara kerja IGBT berdasarkan 4 poin berikut:
Pengendalian gerbang IGBT
IGBT dinyalakan dan dimatikan dengan memberikan tegangan ke gerbang. Ketika tegangan positif diberikan ke gerbang, lubang-lubang disuntikkan ke dalam daerah drift yang didoping n, sehingga membentuk saluran konduksi bagi aliran arus.
Arus dan tegangan ambang
Besarnya arus yang dapat mengalir melalui IGBT ditentukan oleh ukuran saluran konduksi di daerah drift, yang dikendalikan oleh tegangan gerbang. Ketika tegangan gerbang diturunkan di bawah tingkat ambang batas, saluran tersebut terputus dan tidak ada arus yang dapat mengalir.
Struktur thyristor parasit dan pencegahan latch-up
Ketika tegangan kolektor-emitor diberi bias terbalik, struktur thyristor parasit dapat terbentuk di dalam IGBT, yang dapat menyebabkan latch-up atau kegagalan perangkat. Untuk mencegah hal ini, IGBT dirancang dengan daerah yang sedikit terdoping di dekat kolektor guna mengurangi gain struktur thyristor parasit tersebut.
Arus ekor pada IGBT
IGBT juga menunjukkan adanya arus sisa atau penurunan perlahan pada arus kolektor setelah tegangan gerbang dimatikan. Hal ini disebabkan oleh adanya pembawa muatan minoritas (lubang) di daerah drift yang didoping n, yang secara bertahap mengalami rekombinasi dan mengurangi arus. Besarnya arus sisa bergantung pada faktor-faktor seperti konsentrasi doping, suhu, dan geometri perangkat.
Karakteristik IGBT
Karakteristik Statis
Karakteristik statis IGBT terutama mencakup karakteristik volt-ampere dan karakteristik transfer.
Volt-Ampere
Karakteristik volt-ampere pada IGBT mengacu pada hubungan antara arus kolektor-emitor dan tegangan gerbang-sumber ketika tegangan gerbang-sumber Ugs digunakan sebagai variabel acuan. Arus kolektor-emitor keluaran dikendalikan oleh tegangan gerbang-sumber Ugs, dengan Ugs yang lebih tinggi menghasilkan Id yang lebih besar. Hal ini mirip dengan karakteristik keluaran GTR dan dapat dibagi menjadi daerah saturasi (1), daerah amplifikasi (2), dan karakteristik breakdown (3). Pada keadaan mati (off-state) IGBT, tegangan maju ditanggung oleh sambungan J2, sedangkan tegangan balik ditanggung oleh sambungan J1. Jika tidak ada daerah penyangga N+, tegangan blokir maju dan balik dapat berada pada tingkat yang sama. Namun, setelah daerah penyangga N+ ditambahkan, tegangan blokir balik hanya dapat mencapai puluhan volt, yang membatasi rentang aplikasi IGBT.
Transfer
Karakteristik transfer IGBT mengacu pada hubungan antara arus kolektor-emitor keluaran Id dan tegangan gerbang-sumber Ugs. Karakteristik ini sama dengan karakteristik transfer MOSFET. Ketika tegangan gerbang-sumber kurang dari tegangan ambang Ugs(th), IGBT berada dalam keadaan mati. Dalam sebagian besar rentang arus kolektor-emitor saat IGBT konduktif, Id berbanding lurus dengan Ugs. Tegangan gerbang-sumber maksimum dibatasi oleh arus kolektor-emitor maksimum, dan nilainya yang optimal umumnya sekitar 15V.
Karakteristik Dinamis
Karakteristik dinamis IGBT juga disebut karakteristik switching, yang dapat dibagi menjadi dua bagian: kecepatan switching dan kerugian switching.
Karakteristik switching IGBT mengacu pada hubungan antara arus kolektor-emitor dan tegangan kolektor-sumber. Ketika IGBT berada dalam keadaan konduksi, transistor PNP-nya memiliki nilai B yang rendah karena basisnya yang lebar. Meskipun rangkaian ekivalennya berbentuk struktur Darlington, arus yang mengalir melalui MOSFET menjadi bagian utama dari arus total IGBT. Pada saat ini, tegangan keadaan aktif Uds(on) dapat dinyatakan sebagai berikut:
Uds(on) = Uj1 + Udr + IdRoh
di mana Uj1 adalah tegangan maju sambungan J1 dengan nilai 0,7-1 V, Udr adalah penurunan tegangan pada resistansi ekstensi Rdr, dan Roh adalah resistansi saluran. Arus keadaan aktif Ids dapat dinyatakan sebagai berikut:
Ids = (1 + Bpnp)Imos
di mana Imos adalah arus yang mengalir melalui MOSFET. Karena efek modulasi konduktivitas di daerah N+, penurunan tegangan pada keadaan aktif IGBT relatif kecil, dan penurunan tegangan pada IGBT 1000V berkisar 2–3 V. Ketika IGBT berada dalam keadaan mati, hanya terdapat arus bocor yang kecil.
Selama proses pengaktifan IGBT, sebagian besar waktu IGBT beroperasi sebagai MOSFET. Baru pada tahap akhir penurunan tegangan kolektor-sumber Uds, transistor PNP beralih dari daerah penguatan ke daerah saturasi, yang meningkatkan waktu tunda. td(on) adalah waktu tunda pengaktifan, dan tri adalah waktu naik arus. Dalam aplikasi praktis, waktu pengaktifan arus kolektor-emitor, ton, merupakan penjumlahan dari td(on) dan tri, sedangkan waktu penurunan tegangan kolektor-sumber terdiri dari tfe1 dan tfe2.
Jenis-jenis IGBT
IGBT berdaya rendah
IGBT umumnya digunakan pada rentang tegangan 600 V, arus 1 kA, dan frekuensi 1 kHz atau lebih tinggi. Untuk memenuhi kebutuhan pengembangan industri peralatan rumah tangga, perusahaan seperti Motorola, ST Semiconductor, dan Mitsubishi telah meluncurkan produk IGBT berdaya rendah yang cocok untuk peralatan rumah tangga seperti oven microwave, mesin cuci, kompor induksi, penyearah elektronik, dan kamera.
IGBT
U (struktur parit) – IGBT adalah struktur yang memiliki gerbang berbentuk parit yang dibentuk di dalam sel chip dengan cara mengukir alur pada inti chip. Setelah menerapkan struktur parit, ukuran sel dapat diperkecil lebih lanjut, resistansi saluran dapat diturunkan, kepadatan arus dapat ditingkatkan, dan produk terkecil dengan arus pengenal dan ukuran chip yang sama dapat diproduksi. Terdapat banyak perusahaan yang memproduksi berbagai produk U-IGBT, yang cocok untuk pengoperasian tegangan rendah dan persyaratan pemasangan permukaan.
Perjanjian Non-Proliferasi - Badan Energi Atom Internasional
NPT (non-punch-through) – IGBT menggunakan teknologi wafer silikon tipis untuk menggantikan lapisan epitaksial tebal berresistansi tinggi dengan implantasi ion ke wilayah emitor, yang dapat mengurangi biaya produksi sekitar 25%. Semakin tinggi tegangan tahan, semakin besar perbedaan biayanya. Produk ini memiliki karakteristik unggul dalam hal kinerja, kecepatan tinggi, kerugian rendah, koefisien suhu positif, tidak ada efek latch-up, dan keandalan tertinggi dalam merancang IGBT dari 600-1200V. Siemens dapat menyediakan produk seri 600V, 1200V, 1700V, dan IGBT tegangan tinggi 6500V. Perusahaan ini juga telah meluncurkan IGBT tipe NPT dengan penurunan tegangan saturasi rendah (DLC). Infineon, Harris, Intersil, Toshiba, dan perusahaan lain juga telah mengembangkan seri IGBT dan modul tipe NPT. Fuji Electric, Motorola, dan lainnya saat ini sedang mengembangkannya, dan tipe NPT menjadi arah pengembangan IGBT.
Transistor bipolar sinyal kecil – transistor bipolar gerbang terisolasi
Mengingat para produsen saat ini sangat mementingkan pengembangan IGBT, Samsung, QuickLogic, dan perusahaan lain menggunakan teknologi SDB (silicon wafer direct bonding) untuk memproduksi produk seri IGBT dan modul berkecepatan tinggi generasi keempat di jalur produksi IC. Karakteristiknya meliputi kecepatan tinggi, penurunan tegangan saturasi rendah, arus ekor rendah, dan koefisien suhu positif, yang sangat unggul pada rentang tegangan 600V dan 1200V, dan dibagi menjadi dua sistem: UF dan RUF.
IGBT ultra-cepat
Fokus penelitian dan pengembangan perusahaan International Rectifier (IR) adalah untuk mengurangi efek ekor pada IGBT dan membuatnya dapat dimatikan dengan cepat. IGBT ultra-cepat yang dikembangkan ini mampu meminimalkan efek ekor, dengan waktu pematian tidak lebih dari 2000 ns. Dengan menggunakan teknologi pelapisan radiasi berenergi tinggi yang khusus, waktu pematian dapat ditekan hingga di bawah 100 ns, dan efek ekornya pun menjadi lebih pendek. Produk-produk utama dirancang untuk pengendalian motor, dengan enam model yang tersedia, dan juga dapat digunakan dalam konverter daya berdaya tinggi.
Transistor bipolar gerbang terisolasi / Penurunan Tegangan Maju
Perusahaan IR telah meluncurkan dua perangkat baru yang menggabungkan FRD (fast recovery diode) dengan IGBT. Kombinasi efektif antara IGBT dan FRD ini mampu mengurangi kerugian switching sebesar 20%. Perangkat ini menggunakan kemasan TO-247 dan memiliki spesifikasi nominal 1200 V, serta arus 25, 50, 75, dan 100 A. Perangkat ini digunakan untuk penggerak motor dan konversi daya. Teknologi baru berbasis IGBT dan FRD ini memudahkan koneksi paralel perangkat, sehingga menghasilkan suhu yang lebih merata pada modul multi-chip dan meningkatkan keandalan secara keseluruhan.
Modul IGBT
Modul IGBT adalah jenis produk semikonduktor modular yang terdiri dari chip IGBT dan chip dioda freewheeling (FWD) yang dikemas bersama menggunakan interkoneksi sirkuit khusus. Modul-modul ini digunakan secara langsung dalam berbagai perangkat seperti penggerak frekuensi variabel (VFD) dan modul inverter. Modul ini dikenal karena fitur hemat energinya, kemudahan pemasangan dan pemeliharaan, serta pembuangan panas yang stabil. Sebagian besar IGBT yang tersedia di pasaran berbentuk produk modular ini.
Dari PIM ke IPEM: Perkembangan Modul IGBT
Modul IGBT menggunakan penggerak IC dan berbagai rangkaian perlindungan penggerak, chip IGBT berkinerja tinggi, serta teknologi pengemasan terbaru. Modul ini telah berevolusi dari Power Integrated Module (PIM) menjadi Intelligent Power Module (IPM), Power Electronic Building Blocks (PEBB), dan Integrated Power Electronic Modules (IPEM). PIM telah berevolusi menuju aplikasi tegangan tinggi dan arus tinggi dengan rentang produk 1200-1800A/1800-3300V. IPM terutama digunakan untuk penggerak frekuensi variabel, sementara IPM 600A/2000V telah digunakan dalam inverter VVVF lokomotif listrik. PEBB menggunakan teknologi kemasan planar berinduktansi rendah dengan modul IGBT arus tinggi sebagai perangkat aktif, yang digunakan pada peluncur rudal kapal. IPEM menggunakan teknologi modul multi-chip keramik yang dibakar bersama (co-fired) untuk merakit PEBB, yang secara signifikan mengurangi induktansi kabel sirkuit dan meningkatkan efisiensi sistem. Generasi kedua IPEM telah berhasil dikembangkan, di mana semua komponen pasif tertanam dalam substrat berupa lapisan tertanam.
Desain cerdas dan modular kini menjadi fokus utama dalam pengembangan IGBT. Seiring dengan semakin gencarnya promosi konsep penghematan energi dan perlindungan lingkungan, produk-produk ini akan semakin banyak digunakan di pasar.
IGBT vs MOSFET
| Feature | IGBT | MOSFET |
|---|---|---|
| Full name | Insulated Gate Bipolar Transistor | Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor |
| Number of leads | 3 | 3 |
| Lead names | Collector (C), Emitter (E), Gate (G) | Source (S), Drain (D), Gate (G) |
| Breakdown Voltage | Up to 1200V | Lower than IGBTs |
| Collector Saturation Current | Over 1500A | Lower than IGBTs |
| Switching Speed | between 1 kHz and 20 kHz | 20 to 200 picoseconds |
| Conduction Losses | Lower | Higher |
| Switching Losses | Higher | lower |
| Thermal Stability | Better | Worse |
| Safe Operating Area (SOA) | Larger | Smaller |
| Advantages | High breakdown voltage, high collector saturation current, good high-frequency performance | Good thermal stability, large safe operating area |
| Disadvantages | Slow switching speed, high switching losses | Low breakdown voltage, low operating current |
| Typical applications | Inverters, motor drives, power supplies for high voltage and high current applications | Switching power supplies, DC-DC converters, power amplifiers |
Bagaimana Cara Memeriksa IGBT Menggunakan Multimeter?
Untuk memeriksa IGBT menggunakan multimeter, Anda perlu mengikuti langkah-langkah berikut:
Tentukan polaritasnya:
Atur multimeter ke skala R×1KΩ, lalu ukur resistansi antara masing-masing dari ketiga pin tersebut. Pin yang memiliki resistansi tak terhingga terhadap kedua pin lainnya setelah kabel multimeter dibalik adalah pin gerbang (G). Kemudian, ukur resistansi kembali dengan kedua pin lainnya; pin yang memiliki resistansi lebih rendah adalah kolektor (C), sedangkan yang satunya lagi adalah emitor (E).
Uji fungsionalitas:
Atur multimeter ke skala R×10KΩ, lalu sambungkan probe hitam ke kolektor (C) dan probe merah ke emitor (E) IGBT. Jarum multimeter seharusnya menunjukkan angka nol. Sentuh pin gerbang (G) dan kolektor (C) secara bersamaan dengan jari Anda, dan IGBT seharusnya menyala, serta jarum multimeter akan bergerak menuju nilai resistansi yang lebih rendah dan tetap di sana. Kemudian, sentuh pin gerbang (G) dan pin emitor (E) secara bersamaan dengan jari Anda, dan IGBT seharusnya mati, serta jarum multimeter seharusnya kembali ke nol. Jika hal ini terjadi, maka IGBT berfungsi dengan benar.
Tindakan pencegahan:
Gunakan multimeter tipe penunjuk untuk menguji IGBT. Selalu atur multimeter ke pengaturan R×10KΩ saat menguji fungsionalitas, karena pengaturan resistansi yang lebih rendah tidak memiliki tegangan yang cukup untuk memicu IGBT. Metode ini juga dapat digunakan untuk memeriksa fungsionalitas MOSFET daya (P-MOSFET).
Aplikasi IGBT
Sebagai salah satu perangkat utama berdaya tinggi yang penting dalam elektronika daya, IGBT telah banyak digunakan dalam peralatan rumah tangga, transportasi, teknik tenaga listrik, energi terbarukan, jaringan listrik cerdas, dan bidang-bidang lainnya.
Dalam aplikasi industri, seperti pengendalian lalu lintas, konversi daya, motor industri, catu daya tanpa gangguan (UPS), peralatan tenaga angin dan tenaga surya, serta konverter frekuensi untuk pengendalian otomatis.
Dalam elektronik konsumen, IGBT digunakan pada peralatan rumah tangga, kamera, dan ponsel.
