Pengertian Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)

A. Perkembangan Power MOSFET dan IGBT sampai saat ini.

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.

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.

B. Struktur IGBT

IGBT, Perangkat yang relatif baru dalam elektronika daya, sebelum munculnya IGBT, Power MOSFET dan Power BJT umum digunakan dalam aplikasi elektronik daya. Kedua perangkat memiliki beberapa Kelebihan dan Kerugian.

Struktur IGBT sangat mirip dengan PMOSFET, kecuali satu lapisan yang dikenal sebagai lapisan injeksi yang P+ tidak seperti N+ substrat di PMOSFET. Lapisan Injeksi, Kunci untuk karakteristik unggul IGBT. Lapisan lain disebut Drift.

Memiliki karakteristik switching yang sangat baik, impedansi input yang tinggi, PMOSFET yang dikontrol tegangan, juga memiliki karakteristik konduksi yang buruk dan Diode Parasit yang bermasalah pada peringkat yang lebih tinggi. 

Sifat PMOSFET Unipolar menyebabkan waktu switching rendah, juga Resistansi ON-State yang tinggi saat rating voltase meningkat.
Diagram Sirkuit IGBT

Konstruksi Dasar dari transistor gerbang bipolar yang terisolasi, Rangkaian driver IGBT sederhana dirancang menggunakan PNP dan NPN Transistor, JFET, MOSFET. Transistor JFET digunakan untuk menghubungkan Kolektor Transistor NPN ke Basis Transistor PNP. Transistor menunjukkan Thyristor Parasit untuk menciptakan Loop Umpan Balik Negatif.

Resistor RB menunjukkan terminal BE dari transistor NPN untuk mengkonfirmasi bahwa Thyristor tidak terkunci, mengarah ke gerendel IGBT. Transistor menunjukkan struktur arus di antara dua sel IGBT yang berdekatan.  Memungkin kan MOSFET dan mendukung sebagian besar tegangan. Simbol sirkuit IGBT, yang berisi tiga terminal yaitu emitor, gerbang dan kolektor.

IGBT terutama digunakan dalam aplikasi elektronika daya, seperti inverter, konverter dan catu daya, adalah tuntutan perangkat switching solid state tidak sepenuhnya dipenuhi oleh bipolar kekuasaan dan daya MOSFET. 

C. Karakteristik IGBT

IGBT dapat digunakan dalam rangkaian penguat sinyal kecil sama seperti transistor tipe BJT atau MOSFET. IGBT menggabungkan kerugian konduksi rendah BJT dengan kecepatan switching yang tinggi, kekuatan MOSFET Saklar Solid State Optimal yang ideal digunakan dalam aplikasi elektronika daya.

IGBT memiliki Resistansi “On-State” yang lebih rendah, Berarti I2R yang jatuh di struktur output bipolar untuk arus switching yang diberikan jauh lebih rendah. Operasi pemblokiran maju transistor IGBT identik dengan kekuatan MOSFET.

IGBT berubah “ON” atau “OFF” dengan mengaktifkan dan menonaktifkan terminal Gate-nya. Menerapkan sinyal input tegangan positif melintasi Gerbang dan Emitor menjaga perangkat dalam keadaan “AKTIF”.

Membuat Sinyal Gerbang input Nol atau Negatif, akan menyebabkannya menjadi “NONAKTIF” dengan cara yang sama seperti BJT atau MOSFET. Keuntungan IGBT, memiliki hambatan saluran yang lebih rendah daripada MOSFET Standar.

D. Karakteristik Switching IGBT

Waktu Mengaktifkan t-on terdiri dari dua komponen
  ➤  Waktu Tunda (tdn)
Waktu di mana Arus Kolektor naik dari ICE arus bocor ke 0,1 IC (Arus kolektor akhir) dan tegangan emitor kolektor jatuh dari VCE ke 0,9 VCE. 
  ➤  Waktu Naik (tr)
Waktu di mana arus kolektor naik dari 0,1 IC ke IC
dan tegangan emitor kolektor turun dari 0,9 VCE ke 0,1 VCE.

Waktu Mematikan toff terdiri dari tiga komponen
  ➤  Waktu Tunda (tdf)
Waktu ketika arus kolektor jatuh dari IC ke 0,9 IC dan VCE mulai naik. 
  ➤  Waktu Jatuh Awal (tf1)
Waktu di mana arus kolektor jatuh dari 0,9 IC ke 0,2 IC
dan tegangan emitor kolektor naik menjadi 0,1 VCE. 
  ➤  Waktu Jatuhnya Akhir (tf2)
Waktu di mana arus kolektor jatuh dari 0,2 IC ke 0,1 IC
dan 0,1VCE naik ke nilai akhir VCE.

E. Keuntungan IGBT

Keuntungan utama menggunakan Insulated Gate Bipolar Transistor
atas jenis perangkat Transistor lainnya
 ➤  Kemampuan Tegangan Tinggi
 ➤  ON-Resistance Rendah
 ➤  Kecepatan Switching yang relatif cepat dan dikombinasikan dengan 
      Zero Gate Drive, menjadikannya pilihan untuk kecepatan sedang
 ➤  Aplikasi Tegangan Tnggi seperti Modulasi Lebar-Pulsa (PWM)
 ➤  Kontrol Kecepatan Variabel
 ➤  Pasokan Daya Mode-sSakelar atau Inverter DC-AC bertenaga surya
 ➤  Aplikasi Konverter Frekuensi yang beroperasi rentang ratusan Kilohertz.

Kesederhanaan yang didorong “ON” dengan menerapkan tegangan gerbang positif, atau beralih “OFF” dengan sinyal gerbang nol atau sedikit negatif yang memungkinkan untuk digunakan dalam berbagai aplikasi. Di wilayah Aktif Linier untuk digunakan dalam Power Amplifier.

Ketahanan On-State yang rendah dan kerugian konduksi serta kemampuannya untuk beralih tegangan tinggi pada frekuensi tinggi tanpa kerusakan membuat Insulated Gate Bipolar Transistor ideal untuk menggerakkan beban induktif seperti Gulungan Kumparan, Elektromagnet dan Motor DC.