Translate

2013/04/01

POWER MOSFET DAN IGBT

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

Sajian Utama
Sajian Khusus
Komputer
Komunikasi
Kendali


2. Perkembangan Fabrikasi Penyakelar Daya

a. Untuk Piranti Power MOSFET Salah satu cara untuk menaikkan efisiensi adalah mengurangi rugi konduksi dengan mengurangi resistansi dalam kondisi menyambung atau RDS(on). Penyumbang pokok terhadap besarnya nilai resistansi ini pada MOSFET tegangan tinggi adalah dari tiga variabel, yakni resistansi epi, resistansi kanal, dan resistansi JFET. Resistansi epi merupakan reaksi penolakan terhadap penerapan tegangan tinggi, yang berarti merupakan fungsi langsung dari tegangan dadal. Mengurangi kontribusinya hanya dengan menaikkan luasan die FET tidak bisa demikian saja bisa dilakukan, karena adanya faktor-faktor lain yang terkait. Sebagaimana pada power FET tegangan rendah, resistansi kanal dapat dikurangi dengan menaikkan kepadatan kemasan kanal; yakni dengan menambahkan lebih banyak kanal per unit luasan chip-nya. Namun demikian, sebagaimana halnya pada piranti-piranti tegangan rendah, dengan membuat penambahan kepadatan kanal, berarti difusi body-p pada die-nya lebih didekatkan satu sama lain, yang berdampak menaikkan resistansi JFET. Jika kepadatan kanal naik, resistansi JFET akan mulai mendominasi, yang menyebabkan sumbangan kenaikan nilai pada resistansi dalam kondisi menyambung.
APT telah berhasil mewujudkan pembuatan FET tegangan tinggi yang disebut Power MOS V ( Power MOS seri atau generasi kelima) yang memiliki kemampuan dalam hal pengurangan nilai resistansi kondisi menyambung (yang berarti memperkecil rugi konduksi), dan menaikkan kecepatan (yang berarti memperkecil rugi penyakelaran). Proses ini dilakukan melalui pengurangan resistansi JFET dengan cara mengurangi kedalaman difusi body -p-nya. Sedang pembuatan junction yang lebih sempit memungkinkan untuk meningkatkan kepadatan kemasan kanalnya. Di samping proses Power MOS V yang menggunakan teknik "bonding di sepanjang daerah aktifnya", teknologi yang diterapkan ini mampu memperbesar luasan kanal yang dapat dimanfaatkan pada sebuah die.
Tabel 4. Perbandingan resistansi kondisi menyambung (RDS(on)) Produk APT antara Power Mos V (generasi baru) dan Power MOS IV (generasi sebelumnya).

Tegangan dadal (Volt) Power MOS V (miliOhm) Power MOS IV
(miliOhm)
Perbaikan
1200
1500
-
Baru
1000
860
-
Baru
800
560
-
Baru
600
250
300
17%
500
170
200
15%
400
120
160
25%
300
70
85
18%
200
38
45
16%
100
19
25
24%
Tabel 4 menunjukkan perbandingan resistansi kondisi menyambung pada piranti yang dibuat dengan teknologi lama dan baru. Tabel tersebut juga menunjukkan proses baru FET tegangan tinggi yang ditawarkan APT, yang merupakan power FET yang bekerja pada tiga kategori rating tegangan, yakni; 800, 1000 dan 1200 volt. Sifat power MOSFET yang secara keseluruhan memiliki sedikit pembawa muatan minoritas (hole), membuatnya memiliki kemampuan untuk beroperasi pada frekuensi dalam orde gigahertz dan waktu penyakelaran dalam orde nano detik. Namun demikian, interaksi impedansi source dan gate dengan kapasitansi masukannya secara praktis membatasi kecepatan kerjanya.
Analisa model rangkaian dari sebuah power FET menunjukkan bahwa meminimumkan impedansi gate (Rg +Lg) dan impedansi source (Rs +Ls) mengurangi waktu penyakelaran (Gambar 3). Dengan demikian konstanta waktu yang dihasilkan oleh impedansi Gate dikaitkan dengan kapasitansi masukan (Cgs dan Cgd) menentukan tundaan waktu menyambung (td(on)) dan waktu tunda memutus (td(off))-nya. Di samping itu, impedansi gate yang dikaitkan dengan kapasitansi Miller cgd menciptakan kontanta waktu yang mengeset waktu menyambung (tr) dan waktu memutus (tf). Sementara itu, impedansi source bertindak sebagai umpanbalik negatif pada sinyal gate yang berdampak mengurangi penguatan efektif FET, dan membuat kerjanya lambat karena menaikkan tr dan tf-nya.
Struktur sel yang tertutup diberlakukan pada MOSFET yang paling konvensional dengan cara menghubungkan gate dari seluruh sel pada die menggunakan poly-silicon. Sifat resistansi tinggi yang dimiliki bahan poly-silicon tersebut menghasilkan nilai yang besar untuk Rg. Sebaliknya, struktur Power MOS V tipe open-cell pada piranti produksi APT yang melapiskan metal pada gate poly-silicon berdampak mengurangi resistansi gate secara signifikan, juga mengurangi waktu penyakelarannya.
Para perancang di IR juga melakukan usaha untuk memacu power FET yang muncul dengan low-gate-charge power MOSFET. Seperti APT, mereka menekan nilai resistansi dan induktansi rangkaian gate parasitic eksternal, bersama-sama dengan kapasitansi masukan FET yang cenderung untuk membatasi kecepatan penyakelaran. Parasitic ini dapat menimbulkan goncangan (ringing) rangkaian yang berlebihan dan bahkan osilasi terutama ketika melewati daerah operasi linier. Harap diingat bahwa ketika penyakelaran berada di antara kondisi memutus dan menyambung, setiap saklar semikonduktor selalu melalui daerah linier.
b. Untuk Piranti IGBT Kini pasar dunia piranti semikonduktor telah melihat beberapa versi IGBT yang telah diperbaiki untuk aplikasi tertentu. IGBT tradisional memang berbasis pada teknik punchthrough yang memiliki rugi-rugi penyakelaran yang tinggi, dan menghasilkan kecepatan yang lebih rendah. Selain itu tegangan kerjanya yang paling tinggi cuma masuk kategori kelas menengah. Kondisi ini akan menjadi lebih buruk jika tegangan dadalnya dinaikkan. Masalahnya adalah waktu hidup elektron-elektron dan hole-hole dalam daerah aliran muatan (drift) pada IGBT menyebabkan rugi penyakelaran yang tinggi maupun arus bocor.
Beberapa pabrik telah menerapkan iradiasi elektron dosis tinggi untuk meningkatkan pembunuhan waktu hidup pembawa muatan sembari meminimumkan ekor arus dan rugi energi penyakelaran. Sementara, pabrik lain mengadopsi metode non-punchthrough untuk menjangkau kecepatan yang lebih tinggi dan nilai tegangan kolektor-emitor saat menyambung (VCE(sat)) yang lebih rendah. Namun demikian efisiensi masih merupakan suatu masalah. Beberapa usaha sedang dilakukan untuk mengurangi rugi penyakelaran pada IGBT non-punchtrough.
Iradiasi dosis tinggi sebenarnya menambah biaya karena memerlukan langkah-langkah pemrosesan tertentu. Di samping itu, iradiasi merupakan proses yang tidak bisa dilakukan secara cermat (teliti) yang membahayakan struktur lattice pada piranti yang bersangkutan dan menghasilkan variasi parameter yang lebar. Dan hal ini akan menurunkan karakteristik VCE IGBT.
Beberapa tahun yang lalu, para perancang di Siemens menghadirkan IGBT non-punchthrough yang menggunakan teknik pensubstitusian difusi tipe p yang mendalam pada lapisan epitaksi yang tebal. Lapisan epitaksi ini berfungsi agar piranti tahan terhadap tegangan, yang kebanyakan diperuntukkan pada semikonduktor tegangan tinggi. Namun demikian kondisi ini juga menyebabkan munculnya resistansi kondisi menyambung yang signifikan ; dan untuk IGBT, drop tegangan majunya juga akan naik. Lebih jauh lagi, penggunaan lapisan epitaksi akan membuat harga piranti menjadi mahal, kerjanya lambat dan kesulitan untuk mengukur maupun mengendalikan proses pembuatannya secara seragam, karena ia tidak dikontrol dengan teknik litografi.
Baru-baru ini Motorola bergerak ke apa yang mereka sebut "float zone process". Ini merupakan teknologi non-punchthrough versi Motorola, dan diterapkan secara ketat untuk IGBT 1200 volt. Teknologi baru ini berhasil menaikkan laju penyakelaran pada piranti-piranti 1200 volt maupun mengurangi biaya fabrikasi.
Kini banyak pabrik semikonduktor mengetahui bahwa IGBT telah mendominasi aplikasi seperti dalam pengendalian motor-motor ac besar, yang derau audio bukan merupakan suatu masalah, sehingga laju penyakelaran dapat menjadi sangat jauh di bawah 20kHz. Namun demikian, mereka juga tahu bahwa pasar untuk switching regulator jenis off-line (bekerja pada frekuensi tinggi) jauh lebih besar daripada yang untuk kendali motor. Oleh sebab itulah IR menempuh dua prosedur yang saling berbeda untuk memperbaiki kinerja penyakelar daya tegangan tinggi bagi piranti yang diproduksinya dalam rangka memenuhi tuntutan pasar.
Untuk piranti yang bekerja pada frekuensi tinggi, IR mengembangkan WARP-speed IGBT, yakni IGBT seri Warp 400 dan 600 volt yang memiliki kecepatan penyakelaran sampai 150kHz pada rating arus dari 5 sampai 50 ampere. Perusahaan lain, IXYS Corp. telah mengklaim kemampuan kecepatan penyakelaran 100 kHz pada IGBT hiperFast 600 volt yang diproduksinya. Sementara itu Harris Semiconductor, memunculkan seri penyakelar ultra cepat 600-volt dengan laju di atas 50 kHz. Target tim pengembang di Harris adalah melampaui kecepatan 100 kHz dengan kemampuan arus yang lebih besar, serta rugi konduksi dan rugi penyakelaran yang lebih rendah.
Dalam aktualisasinya, rugi konduksi pada IGBT tipe cepat adalah sedikit lebih besar daripada MOSFET yang berkemampuan setara, tetapi harga IGBT yang diproduksi kini secara signifikan lebih rendah. Hal ini disebabkan die untuk IGBT 400-600 volt dapat dilakukan pada luasan sekitar 40% saja dari ukuran pada die yang dibutuhkan untuk membuat MOSFET yang berkemampuan setara.
Selain mengembangkan IGBT, IXYS yang berlokasi di Santa Clara, California kini juga membuat piranti yang mereka beri nama biMOSFET. BiMOSFET ini, yang merupakan IGBT basis homogen, strukturnya memiliki empat terminal; dua buah terminal gate, sebuah terminal emitor dan sebuah terminal kolektor. Ia dapat digunakan sebagai penyakelar daya 600 volt, yang bekerja pada frekuensi di antara 8kHz dan 60 kHz. Dari hasil pengujian, ternyata beberapa parameternya dapat melampaui IGBT dan MOSFET yang setara. BiMOSFET yang pertama dibuat, mereka beri nama IXBH40N160, ratingnya pada 1600 volt 40 ampere. Perbandingan parameternya dengan MOSFET maupun IGBT dapat dilihat pada Tabel 5.
Tabel 5. Parameter BiMOSFET, IGBT dan MOSFET Produk IXYS Yang dibuat pada ukuran die sama (7,11 x 8,64 mm)
Parameter
BIMOSFET
(IXBH 40N160)
IGBT
(IXSH 35N120A)
MOSFET
(IXFH 12N100)
Parameter dc:
BVDSS @ 3 mA
1600 V
1200 V
1000 V
Tegangan ambang VGE
@ 4 mA
5-9 V
4-8 V
2-4,5 V
Tegangan jenuh VCE(sat)
@ I (125 ยบ C)
7 V @ 25A
4 V @ 35A
13,9V @ 6A
CISS (25V)
3275 pF
3750 pF
4000 pF
COES (25V)
210 pF
235 Pf
310 pF
CRES (25V)
28 pF
60 pF
70 pF
Qg muatan Gate
121 nC
150 nC
122 nC
Ic (Arus Puncak)
110 A
170 A
48 A
Penyakelaran :
(Tj = 1250 C)
Waktu tanjak
195 ns
150 ns
33 ns
(Rg = 22 ohm)
240 ns
1100 ns
32 ns
Egoff / A (960 V)
0,12mJ/A
0,26mJ/A
0,04mJ/A
Di kawasan Asia, para ilmuwan di Samsung (Samsung Electronics Buchun, Korea) juga tidak mau ketinggalan dalam mengembangkan IGBT. Kini Samsung telah mampu memasarkan hasil produksinya, yakni IGBT seri SGH yang mampu memenuhi karakteristik penyakelaran seperti halnya pada power MOSFET, namun dengan kemampuan tegangan yang lebih tinggi, demikian juga halnya dengan dayanya. Samsung memiliki target untuk menciptakan IGBT dengan tegangan dadal diatas 100 volt yang tidak tanggung-tanggung, yakni 1200 volt, dengan kemampuan arus sampai 25 ampere.
Samsung memang bertekad untuk menerobos pasar UPS, penguat daya, dan power suplai tegangan dan daya besar melalui IGBT produk barunya yang berkecepatan tinggi dan bertegangan tinggi, dan terus-menerus memperbaiki efisiensi sistem secara keseluruhan maupun kemampuan dayanya dengan sasaran biaya dollar per watt yang lebih rendah.
Untuk mengatasi kekurangan IGBT punchthrough tradisional seperti telah disebutkan di atas, sambil melakukan perbaikan sifat-sifat penyakelaran pada aras tegangan 1000 volt atau lebih, para ilmuwan di Samsung mengembangkan suatu perbaikan terhadap material awal yang berbasis pada proses baru yang disebut SDB (silicon direct bonding). Hasilnya adalah perbaikan parameter dalam hal rugi penyakelaran yang berhasil dikurangi dan kecepatan penyakelaran yang juga berhasil dinaikkan untuk IGBT punchthrough tegangan tinggi.
Pemasaran awal produk Samsung dalam keluarga SGH (IGBT kanal n) terdiri dari lima kategori, merentang dari arus 5 sampai 25 ampere dalam selang 5 ampere dengan kecepatan penyakelaran sampai 150 kHz, dan tegangan jenuh (saat menyambung) kolektor-emitor sebesar 2,4 volt. Semua IGBT ultra cepat 1200 volt muncul dalam kemasan populer 30-3P plastik. Kategori yang 5 ampere adalah SGH5N120RU, dan yang 25 ampere adalah SGH25N120RUF.
Pengurangan tegangan drop secara signifikan telah mengurangi rugi konduksi pada piranti 1200 volt yang mereka buat. Rugi penyakelaran yang lebih lambat pada gilirannya akan berdampak pada efisiensi keseluruhan pada transistornya dan efisiensi sistem di tempat ia digunakan. Waktu tunda putus (turn-off) dan menyambung (turn-on) untuk versi 10 ampere umumnya berturut-turut adalah 15 dan 80 nanodetik. Waktu jatuh saat memutus (tf) dengan beban induktif adalah 100 nanodetik. Sedangkan rugi-rugi penyakelaran saat memutus dan menyambungnya berturut-turut adalah 0,3milijoule dan 0,5milijoule, yang menghasilkan rugi total sekitar 0,8milijoule.
Walaupun karakteristik ini berlaku pada temperatur 25oC, namun para perancang di Samsung berpendapat tidak ada kenaikan rugi-rugi pada temperatur yang lebih tinggi. Hal ini disebabkan oleh sifat yang dibawa pada proses SDB. Namun demikian, rentang temperatur operasi spesifik untuk IGBT Samsung yang baru, memiliki rentang -55 sampai +175oC.
Samsung sedang merencanakan untuk menawarkan IGBT ini dalam modul-modul arus tinggi yang dikonfigurasi dalam bentuk rangkaian-rangkaian setengah jembatan dan jembatan penuh untuk pengendali motor-motor dan aplikasi-aplikasi industri yang lainnya. Perusahaan ini juga sedang merencanakan migrasi yang arahnya turun ke 1000 volt dan 600 volt dengan proses SDB yang baru. Ini merupakan rencana jangka panjang, juga termasuk pula rencana pengembangan IGBT yang bertegangan kerja 1500 volt dan tegangan dadal lebih tinggi lagi.

Persyaratan dalam Pengemudian Piranti

Setelah mengetahui konstruksi, spesifikasi dan perkembangan piranti-piranti penyakelar daya ini, pada akhirnya para perancang di bidang elektronika daya nantinya juga akan dihadapkan pada bagaimana mengemudikan atau memicu (triggering) piranti-piranti tersebut agar dapat bekerja. Jika ditinjau dari konstruksinya, dalam istilah statis, impedansi masukan baik untuk MOSFET maupun IGBT secara praktis adalah tak terhingga. Rangkaian pengemudinya tidak harus mempunyai kemampuan suplai arus basis yang memadai, yang umumnya dibutuhkan oleh piranti-piranti bipolar. Sedangkan jika beroperasi pada arus bolak balik, bagaimanapun impedansinya adalah jauh dari tak terhingga. Sementara itu, kapasitansi masukan kedua piranti tersebut dapat merentang dari ratusan atau ribuan pikofarad sampai nano farad dalam orde dua angka. Untuk itu, rangkaian kemudi untuk IGBT dan MOSFET harus dapat mengisi dan membuang muatan kapasitansi masukan yang tinggi ini untuk menjamin kerja penyakelaran yang cepat bagi piranti dayanya.
Persyaratan pengemudian untuk IGBT adalah serupa dengan yang untuk MOSFET, karena kedua piranti tersebut memiliki kapasitansi masukan bernilai tinggi. Namun demikian perbedaan IGBT dan MOSFET ditandai dalam hal tegangan ambangnya saat bergulir menyambung. Secara tradisional, MOSFET kanal n membutuhkan tegangan gate-source 10 volt untuk menjamin guliran secara penuh. Sekarang ini aras logika MOSFET memiliki variasi yang luas. Resistansi dalam kondisi menyambung telah dibuat sesuai dengan aras tegangan gate-source yang sama dengan aras logika 1 (tinggi) pada IC-IC digital pada umumnya.
IGBT membutuhkan tegangan gate-emiter 10 volt untuk dapat menyambung secara penuh dan 0 volt untuk membuatnya benar-benar dalam kondisi terputus atau mati (off).
IGBT tegangan tinggi, dan arus tinggi, juga modul-modul IGBT akan bekerja lebih baik pada aras-aras masukan yang lebih tinggi. Sebagai gambaran, Pabrik semikonduktor Powerex merekomendasikan tegangan setinggi +15 volt untuk guliran menyambung dan -10 volt untuk mematikan modul-modul IGBT daya besar yang diproduksinya. Powerex juga memasarkan sejumlah pengemudi gate yang berbentuk hybrid, yang menyediakan tegangan kemudi bagi modul-modul yang besar.

Penutup

Dari tulisan ini, dapat ditarik kesimpulan bahwa betapapun kerasnya persaingan antara Power MOSFET dan IGBT, maupun di antara pabrik pembuatnya, pasarlah yang akan menentukan. Masalah pokok yang menjadi perhatian bagi pabrik pembuatnya dalam merebut pasar tentu saja mencakup: harga piranti dalam dollar per Watt, rugi penyakelaran dan kecepatannya serta kemampuannya untuk menangani daya besar dan tegangan tinggi, sesuai dengan tempat tujuan piranti tersebut akan digunakan, dan yang terakhir dalah ukuran fisik piranti. Selain itu pabrik juga akan memperhitungkan pangsa pasar bagi produknya baik untuk bidang kendali daya di industri maupun UPS. Daftar Pustaka
  1. Wojslawowicz E, Jack (Harris Corp.). "Understanding Third-Generation IGBT Switch Characteristics", Asian Electronics Engineer, May 1995.
  2. Travis, Bill., "MOSFETs and IGBTs Differ in Drive Methods and Protection Needs" EDN Asia, Sept. 1996.
  3. Bindra Ashok., "Silicon Direct Bonding Infuses Speed in High-Voltage IGBTs", Electronic design, May, 13. 1998
  4. Goodenough Frank., "High-Voltage Power Switch; They're Faster and More Efficient", Electronic design, July 7, 1997 q
Oleh : Drs. Sunomo, mengajar di Jurusan Elektro FPTK IKIP Yogyakarta
Catat Ulasan