IGBT, MOSFET, dan Transistor: Skenario Aplikasi dan Perbedaannya

Beberapa perangkat menggunakan komponen yang kedengarannya sangat mengesankan—IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). Dari kereta api berkecepatan tinggi dan kendaraan listrik hingga peralatan kecil seperti AC dan kompor induksi, transistor ini umum ditemukan di mana-mana. Anda mungkin bertanya-tanya, apa sebenarnya IGBT, apa tujuannya, dan apa bedanya dengan MOSFET? Untuk memahami pertanyaan-pertanyaan ini, mari kita mulai dengan sakelar umum.

Pada diagram di bawah, sakelar dihubungkan ke sumber daya di sebelah kiri dan beban di sebelah kanan. Ketika sakelar diaktifkan terus-menerus, bentuk gelombang tegangan pada beban adalah gelombang PWM (Pulse Width Modulation). Rangkaian ini terlihat sederhana tetapi sangat penting. Dapat dikatakan bahwa sebagian besar papan sirkuit berisi versi rangkaian ini.

Misalnya, pada kendaraan listrik, model internal pada dasarnya adalah baterai yang terhubung ke motor. Tentu saja, pengontrol motor, yang juga dikenal sebagai ESC (Electronic Speed ​​Controller), diperlukan di antaranya. Komponen inti ESC ini sebenarnya adalah sakelar, yang menghasilkan gelombang PWM melalui pengalihan kecepatan tinggi. Jika Anda mengemudi lebih cepat, sakelar tetap tertutup lebih lama, dan jika Anda mengemudi lebih lambat, sakelar tetap tertutup untuk waktu yang lebih singkat. Demikian pula, pada AC, inverter yang sering diiklankan bekerja berdasarkan prinsip mengubah 220V AC menjadi DC melalui perbaikan dan penyaringan, dan kemudian menggunakan pengontrol sakelar PWM untuk menyesuaikan kecepatan kompresor, sehingga mengendalikan kinerja pendinginan. Bahkan pada catu daya mode sakelar (SMPS), sakelar yang terus-menerus beralih seperti itu digunakan untuk mengatur tegangan keluaran. Memahami prinsip-prinsip rangkaian pengalihan akan membuatnya jauh lebih mudah untuk mempelajari tentang catu daya mode sakelar, inverter, dan penggerak motor.

Keterbatasan MOSFET

Pada kenyataannya, kita memerlukan mikrokontroler untuk mengendalikan sakelar ini, jadi kita akan menggunakan MOSFET untuk menggantinya. Seperti yang dibahas dalam artikel motor brushless sebelumnya, MOSFET banyak digunakan untuk switching. Ketika Anda menerapkan tegangan tinggi ke gate, MOSFET antara drain (D) dan source (S) berperilaku seperti sakelar tertutup. Ketika tegangan rendah diterapkan ke gate, MOSFET berperilaku seperti sakelar terbuka. Biasanya, MOSFET cukup untuk skenario switching umum. Namun, dalam beberapa kasus, MOSFET tidak dapat berfungsi sebagai sakelar.

Jika Anda mengingat skenario yang melibatkan IGBT yang disebutkan sebelumnya—kereta api berkecepatan tinggi, kendaraan listrik, dan kompor induksi—mereka memiliki satu fitur umum: tegangan tinggiDi sinilah letak masalahnya. Masalah terbesar dengan MOSFET adalah mereka tidak dapat menangani tegangan tinggiBiasanya, MOSFET hanya dapat mentoleransi tegangan maksimum sekitar 400V. Oleh karena itu, dalam situasi dengan tegangan tinggi, seperti kereta api berkecepatan tinggi, kendaraan listrik, dan kompor induksi, penggunaan MOSFET tidak cocok, karena dapat dengan mudah terbakar. Jadi, komponen apa yang dapat menahan tegangan tinggi? Jawabannya adalah transistor sambungan bipolar (BJT)BJT dapat menangani tegangan kolektor-emitor (CE) yang sangat tinggi, hingga beberapa ribu volt. Jadi, dapatkah kita menggunakan BJT pada kendaraan listrik? Jawabannya adalah tidak.

Kekurangan BJT

Sementara BJT dapat mentoleransi tegangan tinggi, kendaraan listrik memerlukan arus besar. Ini berarti bahwa arus besar akan mengalir melalui sakelar. Jika kita mengganti sakelar dengan BJT, arus besar akan mengalir antara kolektor (C) dan emitor (E). Kita tahu bahwa arus antara kolektor dan emitor dalam BJT sama dengan β (penguatan arus) dikalikan arus basis-emitor (BE). Secara umum, β adalah sekitar 100. Jadi, jika kita ingin arus 100A mengalir antara kolektor dan emitor, kita perlu menyediakan 1A arus ke basis-emitor. Sekarang masalahnya adalah, bagaimana kita menghasilkan arus basis yang begitu besar?

Bisakah kita langsung menghubungkan pin I/O mikrokontroler ke basis transistor? Tidak, ini tidak akan berhasil. Pin I/O mikrokontroler tidak dapat mengeluarkan arus sebesar itu; secara umum, pin I/O hanya dapat menyediakan sekitar 20mA. Bahkan dengan penguatan 100, ini hanya akan menyediakan arus sebesar 2A antara kolektor dan emitor, yang jauh dari 100A yang dibutuhkan.

Anda mungkin berpikir, jika satu BJT tidak cukup, dapatkah kita menambahkan MOSFET lain di depannya? Karena MOSFET dikendalikan oleh tegangan, mungkin ini bisa berhasil. Ketika pin I/O mikrokontroler rendah, MOSFET mati, dan arus lebih besar dari 1A mengalir melalui basis-emitor BJT, menyalakan BJT dan memungkinkan arus besar mengalir antara kolektor dan emitor. Ketika pin I/O tinggi, MOSFET menyala, dan tegangan basis BJT menjadi nol, mematikan BJT. Untuk jenis rangkaian ini, selama kita menerapkan sinyal PWM ke gerbang MOSFET, BJT akan terus beralih.

Ringkasan

BJT lambat dalam pengalihan karena efek penyimpanan pembawa minoritas, dan memiliki waktu pemulihan yang lambat setelah saturasi yang dalam. Di sisi lain, MOSFET, yang mengandalkan konduksi muatan, memiliki karakteristik mati yang sangat cepat. Secara teori, dengan rangkaian penggerak yang tepat, MOSFET dapat menangani frekuensi pengalihan yang sangat tinggi. Demikian pula, dioda silikon biasa memiliki waktu pemulihan balik yang lambat karena elektron dan lubang berpartisipasi dalam konduksi. Namun, Dioda Schottky, yang hanya melibatkan elektron dalam konduksi, memiliki waktu pemulihan balik yang sangat cepat. Terkadang, dioda Schottky ditempatkan secara paralel dengan basis dan kolektor BJT untuk membatasi kedalaman saturasi dan mempersingkat waktu pengalihan secara signifikan. Inilah sebabnya mengapa "S" dalam rangkaian logika 74LS (Low Power Schottky) merupakan singkatan dari dioda Schottky.