ELEKTRO INDONESIA - Power MOSFET dan IGBT, Piranti Elektronika yang Saling Bersaing di Bidang Elektronika Daya

Nomor 27, Tahun VI, Agustus 1999

ELEKTRONIKA

Power MOSFET dan IGBT, Piranti Elektronika yang Saling Bersaing di Bidang Elektronika Daya

Sajian Utama
Sajian Khusus
Komunikasi
Komputer
Kendali

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.

Tulisan ini membahas kinerja Power MOSFET dan IGBT serta proses pengembangannya sampai saat ini.

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.

Struktur Dasar

Dalam pembuatannya, MOSFET dan IGBT menempuh langkah-langkah pemrosesan yang identik, namun masing-masing menempuh langkah yang berbeda dalam hal polaritas substratnya. Perbedaan langkah ini menghasilkan struktur MOSFET dan IGBT seperti dinyatakan pada Gambar 1a dan 1b. Untuk IGBT, strukturnya lebih kompleks, karena terdiri dari; sebuah MOSFET kanal -N, sebuah transistor NPN, dan sebuah FET junction yang mengemudikan transistor keluaran PNP. Label 'kolektor' dan 'emitor' dalam Gambar 1b dan 1c tersebut tampaknya memang menjadi rancu atau membingungkan, namun yang ditunjukkan itu sebenarnya adalah kolektor dan emitor transistor npn pada lambangnya.

Transistor bipolar PNP dan NPN dalam Gambar 1 membentuk sebuah SCR. Jika penguatan dari keduanya tersebut cukup tinggi, maka SCR akan dapat terkunci. Resistansi basis R berfungsi mencegah pengguliran dari kondisi saat menyambung (on). Secara prinsip, rangkaiannya dapat disetarakan dan direduksi sehingga menjadi seperti terlhat pada Gambar 1c. Struktur yang demikian ini dapat menawarkan yang terbaik dari dua kubu, yakni; impedansi masukan yang tinggi, yang merupakan ciri dari sebuah power MOSFET, dan tegangan saturasi yang rendah, yang merupakan ciri dari sebuah transistor bipolar.

Pada hakekatnya, MOSFET dan IGBT konvensional dibangun melalui proses DMOS (double diffused MOS), yang menggunakan teknik, yakni; suatu lapisan silikon epitaksi tebal yang dibangun di atas substrat silikon yang besar dan beresistansi tinggi. Namun demikian, pada tegangan dalam orde 1200 volt, ketebalan lapisan epitaksi serta resistansi kondisi menyambung pada piranti tersebut menjadi terlalu besar untuk tegangan yang setinggi itu. Dampaknya, harga piranti tersebut menjadi terlalu mahal. Kinerja yang jelek dan biaya yang lebih tinggi mendorong pabrik semikonduktor tertarik untuk mencoba usaha lain, misalnya saja, menghubungkan MOSFET dalam moda seri-paralel dan lain-lain.

Perbandingan Umum Antara Kinerja MOSFET dan IGBT

Perbandingan kinerja penyakelaran MOSFET dan IGBT secara singkat dinyatakan dalam Tabel 1. Untuk tujuan komparasi, Tabel 1 tersebut juga menyertakan pula perbandingannya dengan transistor bipolar. Besaran tegangan kolektor-emitor dalam kondisi menyambung atau jenuh (V_CEsat) yang biasa digunakan untuk menggambarkan karakter suatu IGBT, dalam Tabel 1 tersebut ditranslasikan ke dalam besaran resistansi kolektor-emitor dalam kondisi menyambung (R_on).

Tabel 1. Perbandingan tiga piranti penyakelar daya untuk kemampuan (rating) yang setara

Karakteristik MOSFET IGBT Bipolar

Kemampuan arus (A) 20 20 20

Kemampuan tegangan (V) 500 600 500

R_on(ohm)
Pada 25^º C 0,2 0,24 0,18

R_on(ohm)
Pada 150^º C 0,6 0,23 0,24

Waktu turun (nanodetik) 40 200 200

Dua fakta yang bersumber pada Tabel 1 tersebut adalah bahwa; pertama, transistor bipolar sangat lebih lambat daripada MOSFET. Secara prinsip, hal ini disebabkan oleh waktu gulir mati (turn-off) piranti bipolar yang lebih panjang. Kedua adalah resistansi saat kondisi menyambung (on-state) piranti bipolar yang relatif tak bergantung (bersifat invarian) terhadap temperatur, dibandingkan dengan adanya nilai koefisien temperatur yang tinggi pada MOSFET. Informasi koefisien temperatur ini merupakan pertimbangan penting dalam perencanaan batas aman thermal pada sistem-sistem yang berdaya tinggi.

Tabel 2 menyatakan perbandingan yang lebih umum mengenai karakteristik penyakelarannya. Disebabkan oleh struktur masukan gate-nya, MOSFET dan IGBT merupakan piranti elektronik yang dikemudikan oleh tegangan, dengan kebutuhan akan daya pengemudi yang relatif kecil saja. Sementara itu, pada transistor bipolar yang sifatnya dikemudikan oleh arus (arus keluaran dibagi oleh h_FE), ia memerlukan pengemudi dengan daya yang relatif lebih besar.

Dalam hal kapasitansi masukan, untuk MOSFET dan IGBT, bergantung pada ratingnya (kemampuan arusnya). Kapasitansi ini dapat menjadi demikian besar, sehingga rangkaian pengemudinya dituntut memiliki kemampuan untuk mengisi dan membuang dengan cepat muatan kapasitansi yang besar ini.

IGBT tampaknya memang menawarkan rating kemampuan arus yang lebih baik. Namun demikian, kekurangan dan kelebihan masing-masing piranti yang tercantum pada Tabel 2 tersebut dapat digunakan sebagai acuan untuk memilih salah satu di antara ketiganya.

Tabel 2. Perbandingan karakteristik piranti penyakelar daya

Karakteristik MOSFET IGBT Bipolar

Tipe pengemudi Tegangan Tegangan Arus

Daya pengemudi minimum Minimum Besar

Tingkat kerumitan pengemudi Sederhana Sederhana Cukupan atau sedang

Kemampuan arus pada nilai tegangan drop di ujung-ujung terminal piranti Tinggi pada teg. rendah; rendah pada teg. tinggi Sangat tinggi (terpengaruh oleh kecepatan penyakelaran) Cukupan (sangat terpengaruh oleh kecepatan penyakelaran

Rugi penyakelaran Sangat rendah Rendah sampai sedang (dipengaruhi oleh rugi konduksi) Sedang sampai tinggi (dipengaruhi oleh rugi konduksi)

Untuk mempertahankan nilai resistansi yang tetap rendah, pembuat IGBT membuat kemampuan arus yang lebih rendah untuk tipe yang lebih cepat. Sebagai contoh, Perusahaan International Rectifier (IR) di pasaran menawarkan tiga tipe IGBT; yakni tipe standar, cepat dan ultra cepat. IR mendeskripsikan kemampuan arus dengan perbandingan terbalik terhadap kecepatan penyakelarannya. Sementara itu V_CE saturasinya naik berturut-turut untuk masing-masing tipe tersebut menjadi; 1,3 1,5, dan 1,9 volt.

Parameter terakhir dalam Tabel 2 tersebut adalah rugi penyakelaran (switching losses) , yang mencerminkan kecepatan penyakelaran dari ketiga piranti elektronik tersebut. Untuk MOSFET, baik transisi saat menyambung (turn-on) dan memutus (turn-off) sangat cepat. Sedang untuk IGBT, kita dihadapkan pada kenyataan bahwa ada perimbangan dalam hal kecepatan penyakelaran versus kemampuan arus; jenis yang lebih cepat akan mengalami rugi konduksi yang lebih tinggi.

Waktu penyakelaran pada IGBT sebagian besar didominasi oleh waktu saat menyambung, sehingga secara garis besar membatasi penggunaannya dalam sistem yang beroperasi pada laju penyakelaran yang lebih rendah daripada 100 kHz.

Tabel 3. Perbandingan tegangan drop dan rating tegangan antara IGBT dan MOSFET pada kemampuan arus maupun luasan yang sama

Rating tegangan (Volt) IGBT 100 300 600 1200

MOSFET 100 250 500 1000

Tegangan drop untuk 1,7 ampere per mm² pada temperatur 100^º C (Volt) IGBT 1,5 2,1 2,4 3,1

MOSFET 2,0 11,2 26,7 100

Tabel 3 menunjukkan perbandingan IGBT dengan MOSFET dalam hal rugi konduksi yang dinyatakan dalam bentuk tegangan drop (tegangan yang terdapat pada kedua ujung terminalnya saat pirantai tersebut dalam keadaan menyambung) untuk kondisi kemampuan arus pada luasan (area) piranti maupun temperatur yang sama . Pada MOSFET, untuk kemampuan arus yang sama per satuan luasan silikon, resistansi dalam kondisi menyambung naik secara ekponensial terhadap rating tegangannya. Sementara itu, untuk piranti IGBT (yang dinyatakan dalam besaran tegangan kolektor-emitor jenuh ketimbang resistansi dalam kondisi menyambung) lebih mampu mempertahankan rugi konduksi yang rendah untuk semua rating tegangan. Dari Tabel 3 tersebut juga dapat diketahui bahwa MOSFET memiliki rating tegangan yang sedikit lebih rendah daripada IGBT.

Perbandingan MOSFET dan IGBT untuk luasan die (irisan tipis bahan semikonduktor yang dipakai untuk membuat transistor atau piranti semikonduktor lainnya) yang sama, secara grafis dinyatakan dalam Gambar 2. Pada Gambar 2, jelas tampak bahwa IGBT memiliki rugi pada kondisi menyambung lebih rendah. Grafik tersebut menunjukkan tegangan drop dalam kondisi menyambung untuk sebuah MOSFET dan dua IGBT hasil produksi IR untuk arus beban 10 ampere. Piranti yang memiliki rugi yang paling rendah dalam gambar tersebut adalah IRGBC40S, yakni IGBT tipe standar. Tipe ultra cepatnya; IRGBC40U menawarkan penyakelaran yang lebih cepat, namun rugi dalam kondisi menyambungnya juga lebih tinggi.

Perkembangan MOSFET dan IGBT

1. Perkembangan dalam Kemasan

Beberapa tahun yang lalu, sebagian besar MOSFET dan IGBT tegangan tinggi yang berkemampuan arus besar dikemas dalam kemasan diskret yang membutuhkan tempat yang besar sekali (istilahnya disebut high profile), maupun berbentuk modul-modul yang terdiri dari dua atau tiga piranti daya (misalnya bagian lengan dari sistem setengah rangkaian jembatan). Piranti-piranti ini mengendalikan kecepatan motor-motor yang besar ( multihorsepower) maupun dalam aplikasi-aplikasi daya besar seperti off-line (3 phase) uninterruptible power supply. Namun kini kemasan piranti telah berubah dan bergerak bergerak menuju ke bentuk low-profile, yakni berbentuk terintegrasi secara padat maupun ada yang berbentuk modul-modul hybrid. Piranti-piranti dengan kemasan seperti ini kemungkinan juga telah memuat penyearah jembatan gelombang penuh, jembatan setengah gelombang yang terdiri dari tiga FET atau IGBT, juga telah memiliki fast power diode ataupun catch and free-wheeling yang biasanya dipasang pada setiap penyakelar daya dan pengemudi-pengemudi MOS tegangan tinggi.

Tak peduli seberapa besar sumber dayanya, semua aplikasi sekarang ini memang menuntut efisiensi dan kemasan rangkaian kendali yang lebih kecil, yang untuk banyak pekerjaan daya tinggi, para penggunanya tidak perlu dirisaukan oleh keharusan untuk membuang panas yang dihasilkan oleh sistem-sistem kendali ini. Di lain pihak, pabrik-pabrik pembuat motor listrik sekarang inipun membutuhkan kemasan pengendali daya yang kecil, karena mereka ingin memasang rangkaian-rangkaian kendali itu di dalam motornya. Terutama untuk tipe-tipe motor baru yang membutuhkan rangkaian-rangkaian kendali yang canggih, termasuk untuk motor-motor reluktansi tersakelar dan tipe tanpa sikat (brushless). Tentu saja sistem kendalinya menjadi hangat ataupun bahkan panas jika dipasang di dalam motor, yang bahkan pada motor-motor yang didinginkan dengan kipas angin sekalipun. Memang lokasi seperti bukan merupakan tempat yang mudah untuk membuang panas, apalagi pada FET yang berdaya dan bertegangan tinggi, yang dirancang untuk memperoleh pembuangan panas yang cukup memadai.

Dalam hal usaha untuk memperoleh drop tegangan maju (forward) yang lebih rendah, pengembangannya adalah menuju kemasan-kemasan baru yang dapat menampung irisan silikon yang lebih besar dalam luasan piranti yang sama. Usaha terakhir pabrik semikonduktor IXYS dalam arena ini adalah apa yang mereka sebut sebagai kemasan TO-247 'tanpa lubang', yakni mengeliminasi lubang yang biasanya disediakan untuk menyekrupkan pirantinya, yang membuat IXYS dapat meletakkan lebih banyak silikon dalam kemasan tersebut sehingga kemampuan arus keluarannya dapat ditingkatkan sampai 50%. Dua piranti pertama yang diluncurkan ke pasar dalam kemasan model ini adalah IGBT dengan rating 600 dan 1200 volt, masing-masing pada 75 dan 10 ampere, yang juga memiliki ketahanan terhadap hubung singkat.

Sementara itu, pabrik semikonduktor APT (Advanced Power Technology) menggunakan pendekatan yang sedikit berbeda untuk mengemas MOSFET tegangan tinggi yang diproduksinya. APT menyelipkan batangan silikon sebesar mungkin ke dalam kemasan. Sebagai contoh, pada FET 500 volt yang menggunakan teknologi D3PAK (tipe surface mount yang eivalen dengan TO247)) dan kemasan TO-247 yang memiliki resistansi dalam kondisi menyambung sebesar 200 miliohm dapat turun sehingga menjadi 170 miliohm pada piranti produk terbaru mereka. Sedang resistansi pada FET 500 volt dalam kemasan TO-227 telah turun dari 60 ke 50 miliohm.

Pabrik lainnya; yakni IR memproduksi FET tipe low-gate-charge, juga IGBT jenis WARP-speed dalam kemasan daya tipe surface mount baru yang disebut SMD 10. Kemasan tipe ini juga digunakan untuk FET 500 volt/40 ampere maupun WARP-speed IGBT 600 dan 1200 volt pada rating 95 dan 65 ampere. Pada saat sekarang ini, low-charge FET tersedia dalam kemasan TO-220 dan TO-247.

Sambungannya:
2. Perkembangan Fabrikasi Penyakelar Daya