Bab 3 Komponen Semikonduktor

BAB III

ELEKTRONIKA DAYA • Sistem elektronika daya adalah proses dan kontrol aliran daya elektrik yang berupa catu daya, tegangan dan arus dalam bentuk yang secara optimal sesuai dengan kebutuhan beban. • Rangkaian elektronika daya adalah mengubah daya elektrik dari bentuk ke bentuk lainnya dengan menggunakan komponen elektronika. Rangkaian elektronika daya menggunakan komponen semikonduktor daya sebagai saklar dengan cara mengontrol atau memodifikasi tegangan dan arus. 1

Blok diagram sistem elektronika daya secara umum. • Daya masukan ke prosesor daya biasanya sumber dari PLN (tidak selalu) dengan frekuensi jala-jala 50 Hz, satu fasa atau tiga fasa. • Sudut fasa antara arus dan tegangan tergantung pada topologi dan kontrol prosesor daya. • Jika prosesor daya dipandang sebagai sumber tegangan, maka arus keluaran dan hubungan sudut fasa antara tegangan dan arus keluaran tergantung pada karakteristik beban.

2

• Pada umumnya umpan-balik kontroler membandingkan keluaran dari prosesor daya dengan nilai referensi yang diinginkan dan kesalahan {error) antara keduanya diminimasi oleh kontroler.

3

Sasaran Sistem Konversi Elektronika Daya • Mengubah bentuk energi elektrik menjadi bentuk lain, dari sumber ke beban dengan efisiensi sangat tinggi, ketersediaan yang tinggi, ketahanan yang tinggi dengan biaya yang sangat rendah, berat dan ukurannya sangat kecil.

4

• Aplikasi pada konverter statis. – Tidak memerlukan komponen-komponen yang berputar atau pergerakan mekanik. – Contoh aplikasi : penyearah, inverter, chopper dan cycloconverter.

• Aplikasi pada sistem penggerak – Yang mengandung komponen-komponen pergerakan dan perputaran (seperti motor). – Contoh : DC drives, AC drives, permanent magnet motor drives.

5

Contoh : Konsep Konservasi • Catu daya dari PLN ; 50 Hz, 220 Volt RMS (puncak 311 Volt)

• PLN memberikan catu daya gelombang sinus, dimana komponen dc-nya nol. • Bila konsumen menginginkan tegangan dc (misalnya untuk pengelasan). 6

• Kita dapat menggunakan penyearah setengah gelombang sederhana, sehingga diperoleh tegangan dc yang tetap, hal tersebut adalah merupakan sistem elektronika daya yang sederhana • Tegangan keluaran ratarata adalah

7

• Bagaimana bila konsumen menginginkan tegangan dc yano variabel ? • Maka diperlukan rangkaian yang lebih kompleks, yaitu menggunakan SCR. • Tegangan keluaran rata-rata adalah 8

• Dengan mengatur sudut penyalaan α , tegangan keluaran dc dapat diatur. • Terlihat jelas bahwa hal tersebut memerlukan sistem elektronika yang lebih rumit untuk menentukan pulsa-pulsa arus penyala SCR.

9

Aplikasi • • • • • • • • •

Power generation and transmission (HVDC). Uninteruptable power supplies (UPS). DC Power supplies Energy conservation (ballast, pumps, compressors, air condition). Tranportation (electric car, trains) Process control and automation. Electroplating, Welding. Heating, cooling. Utility-related application. 10

Perkembangan Kemajuan di Bidang Elektronika Daya • Perkembangan elektronika daya cukup pesat akibat dari: – Kemajuan dibidang power semiconductor switches. – Kemajuan dibidang mikroelektronik (DSP, VLSI, mikroprosesor/ mikrokontroler). – Munculnya ide-ide baru dalam bidang aigoritma kontrol. – Kebutuhan-kebutuhan akan aplikasj-aplikasi baru.

11

Elektronika daya merupakan bidang interdisipliner : • • • • • •

Elektronika digital atau analog. Daya dan energi Mikroelektronik. Sistem kontrol. Komputer, simulasi dan software. Solid-state physics dan devices. Heat transfer

12

Konverter Elektronika Daya • Berdasarkan hubungan antara masukan dan keluaran, konverter diklasifikasikan menjadi: – AC to DC Converter : Penyearah

Konverter ac ke dc menghasilkan keluaran dc dari masukan ac, daya rata-rata dipindahkan dari sumber ac kebeban dc. 13

– DC to DC Converter (Chopper) : Konverter dc ke dc manghasilkan keluaran dc yang variabel – DC to AC Converter (Inverter) : Pada inverter, daya rata-rata mengalir dari sisi dc ke sisi ac. – AC to AC Converter (Cycloconverter) : Konverter ac ke ac dapat digunakan untuk mengubah besaran dan atau frekuensi dari masukan ac 14

Contoh aplikasi : konverter statis • DC to DC Converter

• Switch Mode Power Supply (SMPS) 15

Contoh aplikasi : sistem pengendali kecepatan motor

16

Divais Semikonduktor Daya (Power Switches) • Power switches adalah merupakan tulang punggung dari sistem elektronika daya. • Power electronics switches bekerja hanya dalam dua kondisi: – Konduksi penuh (Fully ON - conducting) – Padam (Fully O0F - blocking)

• Dapat dikategorikan menjadi tiga grup : – Diode : kondisi ON dan OFF dikendalikan hanya dengan rangkaian daya. 17

– Thyristor (SCR) : kondisi ON dengan menggunakan sinyal kontrol daya rendah, akan tetapi untuk memadamkannya menggunakan rangkaian daya. Tidak dapat dipadamkan dengan sinyal kontrol. – Controllable switches : dapat dinyalakan dan dipadamkan melalui sinyal kontrol dengan daya rendah (BJT, MOSFET, IGBT, GTO) 18

Diode Daya (Power Diode ) • Ketika diode mendapatkan bias maju (forward biased), maka diode akan konduksi dengan tegangan maju yang kecil (Vf) yang terdapat pada diode (0,2 - 3) Volt.

• Ketika diode mendapatkan bias balik(reverse biased), diode dalam kondisi padam dan dengan mengabaikan arus bocor yang kecil (orde mikroampere hingga mA) yang mengalir hingga reverse breakdown terjadi. Diode seharusnya tidak boleh dioperasikan pada kondisi 19 tegangan balik lebih tinggi dari Vr.

• Karakteristik Pemulihan Balik (Reverse Rocovery Characteristic)

– Ketika terjadi perubahan (switched) secara mendadak/cepat dari kondisi bias maju ke kondisi bias balik, maka diode akan kontinyu konduksi karena pembawa minoritas (minority carriers) yang tersimpan pada sambungan p-n dan material semikonduktornya. 20

–

–

–

–

Pembawa minoritas memerlukan waktu yang cukup untuk menyusun ulang pengisiannya. Waktu ini disebut dengan reverse recovery time dari diode (trr biasanya kurang dari 1 mikrodetik). Pengaruh dari reverse recovery adalah menaikkan rugi-rugi pensaklaran (switching), menaikkan rating tegangan, terjadinya tegangan lebih (spike) pada beban-beban induktif. Gambar diatas menunjukkan karakteriktik pemulihan balik (reverse recovery) dari sambungan p-n sebuah diode. Reverse recovery time diukur dari perpotongan awal titik nol arus diode hingga 25% arus puncak balik IRR. trr terdiri dari dua komponen ta dan tb, dimana ta adalah waktu perpotongan titik nol dengan arus balik puncak (karena adanya pengisian komponen penyimpan pada daerah defleksi sambungan) dan tb karena pengisian komponen penyimpan dalam material semikonduktor. 21

– Perbandingan antara ta dan tb (ta/tb) dikenal sebagai Softness Factor (SR), untuk SR=1 (pemulihan lunak – soft recovery) dan SR