Tyristor

A.  Pengertian Tyristor

Thyristor merupakan salah satu devais semikonduktor daya yang paling penting dan telah digunakan secara ekstensif pada rangkaian elektronika daya.Thyristor biasanya digunakan sebagai saklar/bistabil,beroperasi antara keadaan non konduksi ke konduksi.Pada banyak aplikasi,thyristor dapt diasumsikan sebagai saklar ideal akan tetapi dalam prakteknya thyristor memiliki batasan dan karakteristik tertentu.

B.  KARAKTERISTIK THYRISTOR

Thyristor merupakan devais semikonduktor 4 lapisan berstruktur pnpn dengan tiga pn-junction.devais ini memiliki 3 terminal: anode,katode dan gerbang.Thyristor dibuat melalui proses difusi.

 Ketika tegangan anode dibuat lebih positif dibandingkan dengan katode,sambungan J1 dan J3 berada pada kondisi forward bias.Sambungan J2 berada pada kondisi reverse bias,dan akan mengalir arus bocor yang kecil antara anode ke katode.Pada kondisi ini thyristor dikatakan pada kondisi forward blocking stau kondisi off-state,dan arus bocor dikenal sebagai arus off-state ID.Jika tegangan anode ke katode VAK ditingkatkan hingga suatu tegangan tertentu,sambungan J2 akan bocor.

Hal ini dikenal dengan avalanche breakdown dan tegangan VAK tersebut dikenal sebagai forward breakdown voltage,VBO .Dan karena J1 dan J3 sudah berada pada kondisi forward bias,maka akan terdapat lintasan pembawa muatan bebas melewati ketiga sambungan,yang akan menghasilkan arus anode yang besar.Thyristor pada kondisi ini disebut berada pada keadaan konduksi atau keadaan hidup.

 Ketika pada kondisi on,thyristor akan bertindak seperti diode yang tidak dapat dikontrol.Devais ini akan terus berada pada kondisi on karena tidak adanya lapisan deplesi pada sambungan J 2 karena pembawa-pembawa muatan yang bergerak bebas.Akan tetapi,jika arus maju anode berada dibawah suatu tingkatan yang disebut holding current I H,daerah deplesi akan terbentuk di sekitar J 2 karena adanya pengurangan banyak pembawa muatan bebas dan thyristor akan berada pada keadaan blocking.Holding current adalah arus anode minimum untuk mempertahankan thyristor pada kondisi on.

 Ketika tegangan katode lebih positif dibanding dengan anode,sambungan J2 ter forward bias,akan tetapi sambungan J1dan J3 akan ter-reverse bias.

 Thyristor akan dapat dihidupkan dengan meningkatkan tegangan maju VAK diatas VBO,akan tetapi kondisi ini bersifat merusak.Thyristor dapat dikategorikan sebagai latching device.

C.  MEMBUAT THYRISTOR HIDUP

 Suatu thyristor dihidupkan dengan meningkatan arus anoda. Hal ini dapat dicapai dengan salah satu langkah berikut.

·         Panas. Jika suhu thyristor cukup tinggi,akan terjadi peningkatan jumlahpasangan elektron-hole,sehingga arus bocor meningkat. Peningkatan ini akan menyebabkan α 1 dan α 2 meningkat.karena aksi regeneratif akan menuju ke nilai satuan dan thyristor mungkin akan on. Cara ini dapat menyebabkan thermal runaway dan biasanya dihindari.

·          Cahaya. Jika cahaya diizinkan mengenai sambungan thyristor, pasangan elektron-hole akan meningkat dan thyristor mungkin akan on.Cara ini dilakukan dengan membiarkan cahaya mengenai silicon wafer dari thyristor.

·          Tegangan Tinggi. Jika tegangan forward anode ke katode lebih besar dari tegangan maju breakdown VBO, arus bocor yang dihasilkan cukup untuk membuat thyristor on. Cara ini merusak dan harus dihindari.

·          dv/dt. Jika kecepatan peningkatan tegangan anode-katode cukup tinggi,arus pengisian sumber kapasitor mungkin cukup untuk membuat thyristor on.Nilai arus pengisian yang tinggi dapat merusak thyristor,dan devais harus diproteksi melawan dv/dt yang tinggi.

·          Arus gerbang. Jika suatu thyristor diberi tegangan bias forward, injeksi arus gerbang dengan menerapkan tegangan gerbang positif antara terminal gerbangdan katode akan membuat thyeistor on. Ketika arus gerbang ditingkatkan, tegangan forward blocking akan menurun

Beberapa hal berikut harus diperhatikan ketika merancang rangkaian kendali gerbang:

Ø  Sinyal gerbang harus dihilangkan setelah thyristor dihidupkan.Suatu sinyal penggerbangan kontinyu akan meningkatkan daya yang terbuang di sambungan gerbang.

Ø   Ketika thyristor pada kondisi reverse bias,tidak boleh ada sinyal gerbang;jika ada sinyal gerbang,thyristor akan rusak karena peningkatan arus bocor.

Ø  Lebar pulsa gerbang tG harus lebih lama dari waktu yang diperlukan untuk arus anode meningkat ke nilai arus holding IH.Secara praktis,lebar pulsa tG biasanya diambil lebih dari waktu turn-on ton dari thyristor.

D.  MEMBUAT THYRISTOR OFF

 Thyristor yang berada dalam keadaan on dapat dimatikan dengan mengurangi arus maju ke tingkat di bawah arus holding IH.Ada beberapa variasi teknik untuk membuat thyristor off.Pada semua teknik komutasi,arus anode dipertahankan di bawah arus holding cukup lama,sehingga semua kelebihan pembawa muatan pada keempat layer dapat dikeluarkan.

 Akibat dua sambungan pn,J1 dan J3,karakteristik turn-off akan miripdengan pada diode,berkaitan dengan waktu pemulihan reverse trr dan aarus pemulihan reverse puncak IRR.IRR dapat lebih besar daripada arus blocking baik nominal.IR .Pada rangkaian konverter line-commutated yang tegangan masukannya bersifat bolak-balik ,tegangan balik muncul pada thyristor seketika setelah arus maju menuju ke nol.Tegangan balik ini akan mengakselarasi proses turn-off,dengan membuang semua kelebihan muatan dari sambungan pn J1 dan J3.

 Sambungan pn alam J2 akan memerlukan waktu yang dikenal sebagai recombination time trc bergantung pada magnituda dari tegangan balik.

 Waktu turn-off tq adalah jumlah dari reverse recovery time trr dan recombination time trc.Pada akhir masa turn-off ,lapisan deplesi terbentuk sepanjang sambungan J2 dan thyristor memperoleh kembali kemampuan untuk tahan terhadap tegangan forward.

 Waktu turn-off tq merupakan interval waktu minimum ketika arus keadaan on berkurang menjadi nol dan ketika thyristor dapat menahan tegangan forward tanpa menjadi on.tq bergantung pada nilai puncak dari arus keadaan on dan tegangan keadaan on sesaat.

 Reverse recovered charge QRR adalah besar muatan yang harus dicukupi lagi selama proses turn-off.Nilainya ditentukan dari daerah yang dicakup oleh aliran arus pengisian balik.Nilai QRR bergantung pada kecepatan turun arus keadaan on dan nilai puncak arus keadaan on sebelum turn-off.QRR merupakan sebab dari kehilangan energi dalam devais.

E.   JENIS-JENIS THYRISTOR

 Thyristor dibuat hampir seluruhnya dengan proses difusi.Thyristor dapat secara umum diklasifikasikan menjadi sembilan kategori:

1.       Phase-Control Thyristor (Kontrol Phase Thyristor)

Thyristor type ini secara umum beroperasi pada line-frequency dan dimatikan dengan komutasi natural. Turn off time tq, berada dalam orde 50 sampai 100 µs. Alat ini sangat cocok untuk aplikasi pensaklaran kecepatan rendah yang dikenal sebagai thyristor konverter. Karena terbuat dari silikon yang dikontrol maka thyristor ini disebut silicon-controlled rectifier (SCR). Dalam keadaan on, VT, bervariasi disekitar 1,15 V untuk devais 600 V hingga 2,5 V untuk devais 4000 V; dan untuk thyristor 5500 A, 1200 V, sekitar 1,25 V.

2.      Fast-Switching Thyristor

Biasanya thyristor ini digunakan pada penerapan teknologi pensaklaran kecepatan tinggi dengan forced-commutation. Thyristor jenis ini memiliki waktu turn off yang cepat, umumnya dalam 5 sampai 50 µs bergantung pada daerah tegangannya. Tegangan jatuh forward pada keadaan on bervarasi kira-kira seperti fungsi invers dari trun off time tq, dikenal juga sebagai thyristor inversi.

Thyristor ini memiliki dv/dt yang tinggi biasanya 1000 V/µs dan di/dt sebesar 1000 /µs. Turn off yang cepat akan sangat penting untuk mengurangi berat dan ukuran dari komponen rangkaian reaktif. Thyristor ini memiliki kemampuan blocking yang sangat terbatas kira-kira 10 V, biasanya dikenal asymmetrical thyristor (ASCR).

3.      Turn Off Thyristor

Alat ini dihidupkan dengan memberi sinyal gerbang positif. GTO memiliki beberapa keuntungan dibandingkan SCR; (1) turn-off yang cepat, memungkinkan komponen commulating pada forced-commutation, yang menghasilkan pengurangan biaya, berat dan volume; (2) pengurangan usikan akustik dan elektromagnetik karena hilangya commutation chokes; (3) trun-off yang cepat, memungkinkan frekuensi pensaklaran yang tinggi; dan (4) meningkankan efisiensi converter. Pada aplikasi daya rendah , GTO memiliki keuntungan dibandingkan bipolar transistor: (1) kemampuan bloking tegangan yang lebih tinggi; (2) rasio arus puncak yang dapt dikontrol dengan arus rata-rata yang tinggi; (3) rasio atus surge puncak terhadap arus terhadap arus rata-rata tinggi, umumnya 10 : 1 ; (4) penguatan keadaan on tinggi (arus anode/arus gerbang), umumnya 600; dan (5) durasi sinyal gerbang sinyal pulsa pendek. Controllable peak on-state current ITGQ adalah nilai puncak dari arus keadaan on, yang dapat dimatikan oleh control gerbang. Dengan CS adalah kapasitansi snubber.

4.      Bidirectional Triode Thyristor

TRIAC dapat bersifat konduktifdalam dua arah. Karena itu TRIAC merupakan devais bidirectional, terminalnya tidak dapat ditentukan sebagai anode/katode. Dalam prakteknya sensitivitas bervariasi antara satu kuadran dengan kuadran lain, dan TRIAC biasanya beroperasi di kuadran I+ (tegangan) dan arus gerbang positif) atau kuadran III- (tegangan dan arus gerbang negative).

5.      Reverse-Conducting Thyristor

Suatu RCT dapat dipandangi sebagai suatu kompromi antara karakteristikdevais dan kebutuhan dari rangkaian RCT dapat dianggap sebagai suatu thyristor dengan built-in mode antipapralel. Tegangan forward blocking bervariasi antara 400 samapi dengan 2000 V dan rating arus maju bergerakhingga 500 A. Tegangan blocking reverse biasanya sekitar 30 sampai dengan 40 V.

6.       Static Induction Thyristor

Karakteristik dari SITH mirip dengan karakteristik dari MOSFET. SITH biasanya dihidupkan dengan memberikan tegangan gerbang positif. SITH merupakan devais pembawa muatan minoritas. SITH memiliki kecepatan switching yang tinggi denagn kemampuan dv/dt dan di/dt yang tinggi. Waktu switchingnya berada pada orde 1 sampai 6 µs. Rating tegangan mencapai 2500 V dan rating arus dibatasi 500 A. devais ini sangat sensitive terhadap proses produksi, ganguan kecil dapat megakibatkan perubahan besar pada karakteristiknya.

7.       Light-Activated Silicon-Controlled Rectifier

Devais ini dihidupkan dengan memberikan radiasi langsung pada wafer silicon. Pasangan electron-hole yang terbentuk selama proses radiasi menghasilkan arus trigger pada pengaruh medan elektris. LASCR digunakan untuk pemakaian arus dan tegangan yang tinggi dan kompensasi daya reaktif statis. LASCR menediakan isolasi elektris penuh antara sumber cahaya pen-trigger dan devais switching dari converter daya, dengan potensial mengambang tinggi.

8.       FET-Controlled Thyristor

Devais FET – CTH merupakan kombinasi MOSFET dan thyristor secara parallel. Jika tegangan tertentu diberikan pada gerbang MOSFET, biasanya 3 V, arus pen-tringger dari thyristor akan bangkit secara internal. FET-CTH memiliki kecepatan switching tinggi.

9.       MOS-Controlled Thyristor

MOS-Controlled Thyristor (MCT) mengkombinasikan sifat-sifat regeneratif thyristor dan struktur gerbang MOS. Karena strukturny NPNP anode berlaku sebagai terminal acuan relatif terhadap semua sinyal gerbang yang diberikan. Diasumsikan bahwa MCT berada dalam keadaaan blocking state dan tegangan negatif VGAdiberikan. Kanal p (layer inversion) dibentuk dalam material n-doped, yang mengakibatkan hole-hole mengalir secara lateral dari emiter.

MCT dapat beroperasisebagai devais yang dikontrol oleh gerbang jika arusnya lebih kecil dari arus maksimum yang dapat dikontrol. Usaha untuk membuat MCT off pada arus yang melebihi nilai itu akan menyebabkan kerusakan pada devais. Untuk nilai arus yang tinggi, MCT harus dimatikan seperti thyristor biasa. Lebar pulsa gerbang tidak kritis untuk arus devais yang lebih kecil. Untuk arus besar, lebar pulsa turn off harus lebih besar dari pulsa turn-off harus lebih besar.

F.   STRUKTUR THYRISTOR

Ciri-ciri utama dari sebuah thyristor adalah komponen yang terbuat dari bahan semiconductor silicon. Walaupun bahannya sama, tetapi struktur P-N junction yang dimilikinya lebih kompleks dibanding transistor bipolar atau MOS. Komponen thyristor lebih digunakan sebagai saklar (switch) ketimbang sebagai penguat arus atau tegangan seperti halnya transistor.

Struktur dasar thyristor adalah struktur 4 layer PNPN seperti yang ditunjukkan pada gambar-1a. Jika dipilah, struktur ini dapat dilihat sebagai dua buah struktur junction PNP dan NPN yang tersambung di tengah seperti pada gambar-1b. Ini tidak lain adalah dua buah transistor PNP dan NPN yang tersambung pada masing-masing kolektor dan base.

Gambar-1 : Struktur Thyristor

Jika divisualisasikan sebagai transistor Q1 dan Q2, maka struktur thyristor ini dapat diperlihatkan seperti pada gambar-2 yang berikut ini.

Gambar-2 : Visualisasi dengan transistor

Terlihat di sini kolektor transistor Q1 tersambung pada base transistor Q2 dan sebaliknya kolektor transistor Q2 tersambung pada base transistor Q1.

 Ib, yaitu arus kolektor adalah penguatan dari arus base.bRangkaian transistor yang demikian menunjukkan adanya loop penguatan arus di bagian tengah. Dimana diketahui bahwa Ic =

Jika misalnya ada arus sebesar Ib yang mengalir pada base transistor Q2, maka akan ada arus Ic yang mengalir pada kolektor Q2. Arus kolektor ini merupakan arus base Ib pada transistor Q1, sehingga akan muncul penguatan pada arus kolektor transistor Q1. Arus kolektor transistor Q1 tidak lain adalah arus base bagi transistor Q2. Demikian seterusnya sehingga makin lama sambungan PN dari thyristor ini di bagian tengah akan mengecil dan hilang. Tertinggal hanyalah lapisan P dan N dibagian luar.

Jika keadaan ini tercapai, maka struktur yang demikian tidak lain adalah struktur dioda PN (anoda-katoda) yang sudah dikenal. Pada saat yang demikian, disebut bahwa thyristor dalam keadaan ON dan dapat mengalirkan arus dari anoda menuju katoda seperti layaknya sebuah diode

Gambar-3 : Thyristor diberi tegangan

Jika pada thyristor ini kita beri beban lampu dc dan diberi suplai tegangan dari nol sampai tegangan tertentu seperti pada gambar 3. yang terjadi pada lampu ketika tegangan dinaikan dari nol adalah lampu akan tetap padam karena lapisan N-P yang ada ditengah akan mendapatkan reverse-bias (teori dioda). Pada saat ini disebut thyristor dalam keadaan OFF karena tidak ada arus yang bisa mengalir atau sangat kecil sekali. Arus tidak dapat mengalir sampai pada suatu tegangan reverse-bias tertentu yang menyebabkan sambungan NP ini jenuh dan hilang. Tegangan ini disebut tegangan breakdown dan pada saat itu arus mulai dapat mengalir melewati thyristor sebagaimana dioda umumnya. Pada thyristor tegangan ini disebut tegangan breakover Vbo.

SCR

Telah dibahas, bahwa untuk membuat thyristor menjadi ON adalah dengan memberi arus trigger lapisan P yang dekat dengan katoda. Yaitu dengan membuat kaki gate pada thyristor PNPN seperti pada gambar-4a. Karena letaknya yang dekat dengan katoda, bisa juga pin gate ini disebut pin gate katoda (cathode gate). Beginilah SCR dibuat dan simbol SCR digambarkan seperti gambar-4b. SCR dalam banyak literatur disebut Thyristor saja.

Gambar-4 : Struktur SCR

Melalui kaki (pin) gate tersebut memungkinkan komponen ini di trigger menjadi ON, yaitu dengan memberi arus gate. Ternyata dengan memberi arus gate Ig yang semakin besar dapat menurunkan tegangan breakover (Vbo) sebuah SCR. Dimana tegangan ini adalah tegangan minimum yang diperlukan SCR untuk menjadi ON. Sampai pada suatu besar arus gate tertentu, ternyata akan sangat mudah membuat SCR menjadi ON. Bahkan dengan tegangan forward yang kecil sekalipun. Misalnya 1 volt saja atau lebih kecil lagi. Kurva tegangan dan arus dari sebuah SCR adalah seperti yang ada pada gambar-5 yang berikut ini.

Gambar-5 : Karakteristik kurva I-V SCR

Pada gambar tertera tegangan breakover Vbo, yang jika tegangan forward SCR mencapai titik ini, maka SCR akan ON. Lebih penting lagi adalah arus Ig yang dapat menyebabkan tegangan Vbo turun menjadi lebih kecil. Pada gambar ditunjukkan beberapa arus Ig dan korelasinya terhadap tegangan breakover. Pada datasheet SCR, arus trigger gate ini sering ditulis dengan notasi IGT (gate trigger current). Pada gambar ada ditunjukkan juga arus Ih yaitu arus holding yang mempertahankan SCR tetap ON. Jadi agar SCR tetap ON maka arus forward dari anoda menuju katoda harus berada di atas parameter ini.

Sejauh ini yang dikemukakan adalah bagaimana membuat SCR menjadi ON. Pada kenyataannya, sekali SCR mencapai keadaan ON maka selamanya akan ON, walaupun tegangan gate dilepas atau di short ke katoda. Satu-satunya cara untuk membuat SCR menjadi OFF adalah dengan membuat arus anoda-katoda turun di bawah arus Ih (holding current). Pada gambar-5 kurva I-V SCR, jika arus forward berada dibawah titik Ih, maka SCR kembali pada keadaan OFF. Berapa besar arus holding ini, umumnya ada di dalam datasheet SCR.

Cara membuat SCR menjadi OFF tersebut adalah sama saja dengan menurunkan tegangan anoda-katoda ke titik nol. Karena inilah SCR atau thyristor pada umumnya tidak cocok digunakan untuk aplikasi DC. Komponen ini lebih banyak digunakan untuk aplikasi-aplikasi tegangan AC, dimana SCR bisa OFF pada saat gelombang tegangan AC berada di titik nol.

Ada satu parameter penting lain dari SCR, yaitu VGT. Parameter ini adalah tegangan trigger pada gate yang menyebabkan SCR ON. Kalau dilihat dari model thyristor pada gambar-2, tegangan ini adalah tegangan Vbe pada transistor Q2. VGT seperti halnya Vbe, besarnya kira-kira 0.7 volt. Seperti contoh rangkaian gambar-6 berikut ini sebuah SCR diketahui memiliki IGT = 10 mA dan VGT = 0.7 volt. Maka dapat dihitung tegangan Vin yang diperlukan agar SCR ini ON adalah sebesar :

Vin = Vr + VGT

Vin = IGT(R) + VGT = 4.9 volt

Gambar-6 : Rangkaian SCR