Analisis Rugi-Rugi Daya Konverter DC-DC Kus Adi Nugroho 13204196 / Teknik Tenaga Elektrik (A) / Program Studi Teknik Elektro Laboratorium Penelitian Konversi Energi Elektrik Sekolah Teknik Elektro dan Informatika Institut Teknologi Bandung
[email protected]
Abstraksi—Saat ini, konverter dc-dc dengan rasiotegangan tinggi semakin dibutuhkan. Adanya keterbatasan pada saklar membuat konverter dc-dc dengan rasio-tegangan tinggi sulit untuk direalisasikan. Untuk memecahkan masalah tersebut, konverter dc-dc topologi baru telah diusulkan. Prinsip kerja konverter dc-dc tersebut dijelaskan pada laporan tugas akhir ini. Pada praktisnya, konverter dc-dc selalu menghasilkan rugi-rugi akibat proses penyaklaran. Rugi-rugi tersebut terdiri dari rugi-rugi penyaklaran dan rugi-rugi konduksi. Rugi-rugi inilah yang dianalisis pada konverter dc-dc topologi baru. Persamaan rugi-rugi konverter dc-dc tersebut diturunkan. Rugi-rugi konverter dc-dc topologi baru dibandingkan dengan rugi-rugi konverter dc-dc yang telah ada, yaitu konverter dc-dc multifasa dan multilevel. Rugi-rugi merupakan parameter evaluasi kinerja konverter dc-dc pada laporan tugas akhir ini. Simulasi menggunakan software PSIM® dan eksperimen di laboratorium dilakukan untuk membuktikan kevalidan persamaan yang diturunkan. Hasil evaluasi kinerja menunjukkan bahwa rugi-rugi yang dihasilkan oleh konverter dc-dc topologi baru lebih besar daripada konverter dc-dc multifasa dan multilevel. Index Terms—Konverter dc-dc, jembatan penuh, buck.
I. PENDAHULUAN saat ini kebutuhan akan sumber arus searah dengan Ptegangan sangat rendah dan arus tinggi meningkat, ADA
contohnya pada regulator tegangan pada mikroprosessor dan aplikasi elektrokimia. Aplikasi ini juga mensyaratkan riak arus yang kecil dan respon transien yang cepat. Untuk menghasilkan tegangan dc yang sangat rendah dari tegangan dc yang tinggi, harus digunakan konverter dcdc dengan duty cycle sangat kecil. Namun, duty cycle pada saklar konverter dc-dc dibatasi oleh kemampuan dari saklar itu sendiri. Saklar yang tersedia di pasar tidak mampu untuk merubah state-nya secara seketika. Untuk merubah state-nya dari OFF ke ON, dibutuhkan waktu yang disebut waktu penyalaan, dan sebaliknya disebut waktu pemadaman. Pada duty cycle yang sangat kecil, besar kemungkinan terjadinya sinyal penyalaan dan pemadaman di saat yang hampir bersamaan. Hal inilah yang menghasilkan rugi-rugi penyaklaran dan gangguan pada arus keluaran.
Lo io
Lo
Lo
io
S1 Ed 2
Lo
S2
C
Ed
vo Ed 2
C
Eo
S4 S3 (c)
Gambar 1. Topologi konverter dc-dc (a) topologi baru (b) dua-fasa (c) tiga-level
Untuk mengatasi masalah ini, topologi baru dari konverter dc-dc diusulkan[1]. Konverter ini dapat dilihat pada Gambar 1(a). Konverter dc-dc ini mampu merubah level tegangan masukan menjadi level tegangan keluaran dengan rasio tinggi. Paper ini membandingkan rugi-rugi konverter dc-dc topologi baru dengan konverter dc-dc multifasa dan multilevel yang telah ada, seperti pada Gambar 1(b) dan (c). Rugi-rugi penyaklaran dan konduksi pada ketiga konverter ini dibandingkan. Analisis ini diverifikasi dengan simulasi dan experimen.
II. KONVERTER DC-DC RASIO TINGGI Pembahasan pada penelitian ini dibatasi pada konverter dc-dc penurun tegangan (buck). Walaupun demikian, hasil analilis tersebut dapt berlaku juga untuk penaik tegangan (boost) Gambar 2 menunjukkan konverter dc-dc dua-fasa tipe buck. Konverter ini mewakili konverterdc-dc multifasa. Konverter dc-dc dua-fasa menggunakan dua buah transistor
Lo
vo
Lo
Lo
io
Gambar 2. Konverter dc-dc dua-fasa tipe buck. Gambar 4. Konverter dc-dc topologi baru tipe buck.
io Ed 2
S1 C
Lo
D2
Ed
vo Ed 2
load
C
S 3 D4
Gambar 3. Konverter dc-dc tiga-level tipe buck. TABLE I POSSIBLE OUTPUT VOLTAGE LEVELS
vuo 0 Ed/2 Ed/2 Ed
S1 OFF ON OFF ON
S2 ON OFF ON OFF
S3 OFF OFF ON ON
S4 ON ON OFF OFF
dan dua buah dioda.Pada konverter ini, dua buah sinyal kendali dengan perbedaan fasa 180° digunakan. Dengan prinsip dualitas, maka dari konverter dc-dc duafasa dapat dihasilkan konverter dc-dc tiga-level. Sinyal penyaklaran yang digunakan serupa dengan pada dengan dua-fasa, yaitu menggunakan sinyal dengan perbedaan fasa 180°. Gambar 3 dan Tabel 1 menunjukkan topologi konverter dc-dc tiga-level dan kemungkinan level tegangan keluaran. Pada dasarnya, konverter dc-dc topologi baru diturunkan dari dua buah konverter. Segala bentuk konverter dapat digunakan untuk membentuk topologi ini. Masukan dari konverter ini dihubungkan secara paralel dengan sebuah sumber tegangan dan keluarannya dihubungkan ecara seri dengan beban. Maka, tegangan keluaran dari konverter ini adalah penjumlahan dari dua tegangan keluaran konverter. Masukan dari konverter ini adalah sumber tegangan dc. Untuk menurunkan level tegangan, maka polaritas salah satu konverter dibalik. Sehingga tegangan keluaranmerupakan selisih dari dua tegangan keluaran. Selisih yang kecil dapat diperoleh tanpa duty cycle yang terlalu kecil. Salah satu contoh adalah, digunakannya konverter dc-dc satu fasa tipe buck sebagai konverter pada topologi baru tersebut. Konverter dc-dc topologi baru ini ditunjukkan oleh Gambar 4. Konverter tipe buck dikonstruksikan untuk menghasilkan VAB yang positif, sehingga arus mengalir dari titik A ke titik B. Olhe karena itu pada bidang Io-Vo, konverter ini bekerja pada satu kuadran. Arus yang mengalir pada beban selalu kontinyu, induktor yang terhubung seri dengan beban juga selalu teraliri oleh arus. Ini menunjukkan bahwa operasi terjadi pada continueconduction mode.
Untuk menghasilkan tegangan keluaran yang diinginkan, konverter dc-dc dikendalikan oleh suatu metode penyaklaran. Konverter dc-dc ini menggunkan Bipolar PWM, dimana S1 dan D2 serta D3 dan S4 dianggap sebagai pasangan. Pasangan disini diartikan bahwa sinyal kontrol yang digunakan adalah sama, namun salah satu saklar dari pasangan tersebut adalah inversi dari saklar lain. Sehingga sesama pasangan tidak pernah mengalami kondisi ON pada saat yang sama. Pasangan ini terletak pada lengan yang sama. Pasangan S1 dan D2 pada lengan A, dan pasangan D3 dan T4 pada lengan B. Pola ini digambarkan pada Gambar 5. PWM ini menggunakan sinyal segitiga sebagai sinyal carrier-nya. Disebut bipolar karena menggunakan dua buah sinyal referensi untuk mengontrol dua pasangan saklar. Setelah melalui komparator, maka sinyal kendali yang dihasilkan adalah Vcontrol 1 untuk mengendalikan lengan A dan Vcontrol 2 untuk mengendalikan lengan B. Terlihat bahwa tegangan keluaran yang dihasilkan adalah Vo. Sehingga tegangan keluar yang dihasilkan dapat sekecil mungkin tanpa menggunakan duty cycle yang ekstrim pada masingmasing saklar. Ts
Toff 4
vtri
Toff
Ton 2
Ton 2
2
Toff 4
vref 1
vref 2
vcontrol1
vcontrol 2
vo
t0
t1
t2
t2.5
t3
t4
t5
Gambar 5. Detil bentuk gelombang.
III. ANALISIS RUGI-RUGI DAYA KONVERTER DC-DC RASIO TINGGI Rugi-rugi konverter dc-dc yang dihasilkan oleh saklar terdiri dari dua macam rugi-rugi. Yang pertama adalah rugirugi penyaklaran dan yang kedua adalah rugi-rugi konduksi.
Untuk mengetahui rugi-rugi tersebut pada konverter dcdc topologi baru, multifasa dan multilevel, maka terlebih dahulu dicari arus rata-rata dan efektif yang melalui setiap saklarnya. Setelah didapatkan, nilai-nilai arus tersebut disubstitusikan kedalam persamaan (1) untuk rugi-rugi penyaklaran, dan rugi-rugi konduksi pada persamaan (8)(9). Sehingga untuk rugi-rugi penyaklaran diperoleh persamaan: Untuk topologi baru, 2
1
1 (10)
Gambar 6. Model gelombang penyaklaran pada saat penyalaan dan pemadaman.
Rugi-rugi ini dapat dilihat pada Gambar 6. Daerah 1 adalah rugi-rugi ketika gelombang arus meningkat, daerah 2 adalah rugi-rugi ketika arus memiliki arah yang berkebalikan pada dioda, dan daerah 3 adalah muatan yang dibuang oleh dioda. Daerah-daerah inilah yang menghasilkan rugi-rugi besar pada transistor pada rangkaian induktif dengan duty cycle yang tinggi. Berdasarkan [3], rugi-rugi penyaklaran dapat ditulis sebagai: (1) dimana (2) (3) (4) (5) dengan Ed = Tegangan sumber Fs = Frekuensi penyaklaran Io = Arus keluaran tr = Waktu naik arus trr = Waktu diode reverse recovery qrr = Muatan diode reverse recovery tcf = Waktu silang arus turun dan tegangan Rugi-rugi konduksi terjadi akibat adanya tegangan jatuh pada transistor dan dioda ketika konduksi. Tegangan ini, yang terpengaruh oleh besar arus, dapat diaproksimasikan sebagai persamaan linier berikut (6) untuk transistors, dan (7) untuk dioda. Rugi-rugi konduksi adalah perkalian dari tegangan ON dengan arus yang mengalir. Persamaannya menjadi 2 PT = VT I S + RT I Srms
PD = V D I S + R D I untuk dioda, dimana
RT / RD = Resistansi dalam saklar VT / VD = Tegangan jatuh pada kondisi ON Is = Arus yang mengalir melalui saklar
1
(11)
(12) D merupakan rasio tegangan keluaran dengan tegangan masukan pada konverter dc-dc topologi baru. Untuk dua-fasa, (13) Dan untuk tiga-level, (14) Sedangkan persamaan rugi-rugi konduksi didapatkan sebagai berikut: Untuk topologi baru, 1 1
1
1
(15)
Untuk dua-fasa, 1
1 (16)
Dan untuk tiga-level, 2 2
2
1
2
1 (17)
Untuk persamaan rugi-rugi total topologi baru, dua-fasa, dan tiga-level dapat diperoleh seperti persamaan (18), (19), dan (20). 1 1 2 1 1 1 1 (18)
1
1
(19) 2
2 (9)
1
dimana,
(8)
untuk transistor, dan 2 Srms
2
1
2
1
2 (20)
Agar lebih mudah dibandingkan, maka Gambar 7 memperlihatkan rugi-rugi yang dihasilkan masing-masing konverter dc-dc dan perubahannya akibat perubahan duty cycle. Yang dimaksud dengan duty cycle di sini adalah rasio tegangan, bukan perbandingan antara waktu ON dan waktu total pada saklar. Walaupun duty cycle saklar merupakan
Rugi Total (W)
25 20
Io = 5 A
Rugi‐Rugi (W)
rasio tegangan pada konverter dc-dc multifasa dan multilevel, hal ini tidak berlaku pada konverter dc-dc topologi baru.
15 10 5 0
14 12 10 8 6 4 2 0
Simulasi Perhitungan 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
Topologi Baru
Dua‐Fasa
Duty Cycle
Tiga‐Level 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1
Gambar 8. Hasil perhitungan dan simulasi rugi-rugi konduksi pada konverter dc-dc topologi baru.
Duty Cycle
Secara keseluruhan, Gambar 7 menunjukkan rugi-rugi total yang memperlihatkan bahwa yang menghasilkan rugirugi terbesar adalah konverter dc-dc topologi baru dibandingkan konverter dc-dc dua-fasa dan tiga-level. Dengan demikian, dapat disimpulkan bahwa kinerja konverter dc-dc topologi baru tidak lebih unggul bila dibandingkan dengan konverter dc-dc dua-fasa dan tiga level dalam hal rugi-rugi yang dihasilkannya.
Rugi‐Rugi (W)
Gambar 7. Perbandingan rugi-rugi total konverter dc-dc.
3,6 3,55 3,5 3,45 3,4 3,35 3,3 3,25
Simulasi
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Duty Cycle
A. Simulasi Simulasi hanya dapat dilakukan untuk menguji kevalidan persamaan rugi-rugi konduksi. Simulasi rugi-rugi penyaklaran belum dimungkinkan dengan software PSIM® yang digunakan. Simulasi dilakukan untuk memverifikasi sejauh mana asumsi-asumsi dalam perhitungan masih berlaku. Adapun parameter umum yang digunakan dalam pengujian validasi ini, baik simulasi maupun perhitungan adalah Ed = 100 VDC Fs = 5 kHz Io = 5 A vT = 0,264iT vD = 0,66 + 0,02iD Nilai vT dan vD diperoleh melalui eksperimen yang akan dijelaskan kemudian. Pengujian kevalidan persamaan rugi-rugi konduksi diuji dengan menggunakan kurva rugi-rugi konduksi terhadap duty cycle. Kevalidan atau ketidakvalidan persamaan yang diturunkan dapat dengan mudah diamati melalui kurva yang dihasilkan. Perbandingan antara hasil perhitungan dan simulasi diperlihatkan pada Gambar 4.6 untuk konverter dc-dc topologi baru, Gambar 4.7 untuk konverter dc-dc dua-fasa, dan Gambar 4.8 untuk konverter dc-dc tiga-level. Terlihat dari ketiga gambar tersebut terlihat bahwa hasil simulasi menunjukkan hasil yang relatif sama dengan hasil perhitungan.
Gambar 9. Hasil perhitungan dan simulasi rugi-rugi konduksi pada konverter dc-dc dua-fasa.
Rugi‐Rugi (W)
IV. HASIL SIMULASI DAN EKSPERIMEN
14 12 10 8 6 4 2 0
Simulasi Perhitungan 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Duty Cycle
Gambar 10. Hasil perhitungan dan simulasi rugi-rugi konduksi pada konverter dc-dc tiga-level.
Untuk ketiga konverter dc-dc tersebut, pada duty cycle 0, tidak arus yang mengalir, sehingga tidak ada rugi-rugi yang terjadi. Berbeda dengan hasil perhitungan, dimana terdapat rugi-rugi daya ketika duty cycle bernilai 0. Hal ini terjadi karena pada perhitungan, beban diasumsikan sebagai sumber arus, sehingga arus terus mengalir pada sisi beban walaupun arus tidak dapat mengalir dari sumber tegangan. Sedangkan pada simulasi, beban yang digunakan adalah resistor dengan induktor. Sehingga, tidak ada arus yang dapat mengalir, jika induktor tidak pernah dalam kondisi charging.
B. Eksperimen Eksperimen hanya dilakukan pada konverter dc-dc topologi baru. Jika persamaan rugi-rugi konverter dc-dc topologi baru dinyatakan valid oleh eksperimen ini, maka persamaan rugi-rugi konverter dc-dc dua-fasa dan tiga-level juga dapat dianggap valid. Eksperimen dilakukan dengan mengukur daya pada sisi masukan dan sisi keluaran konverter dc-dc. Rugi-rugi yang terjadi pada konverter dc-dc didapatkan dari selisih antara daya masukan dan daya keluaran. Sebelum melakukan eksperimen untuk menguji analisis, dilakukan eksperimen untuk memperoleh parameterparameter pada saklar. Parameter saklar yang diperoleh dengan eksperimen adalah
•
Parameter konduksi: vT = 0,264iT o vD = 0,66 + 0,02iD o
V. KESIMPULAN DAN SARAN A. Kesimpulan Konverter dc-dc topologi baru mampu menghasilkan tegangan keluaran dengan rasio tinggi dari tegangan masukannya tanpa memiliki masalah dengan adanya keterbatasan kemampuan saklar. Pada rasio-tegangan tinggi (duty cycle 0,1), konverter dc-dc topologi baru menghasilkan rugi-rugi penyaklaran yang paling besar dibandingkan konverter dc-dc dua-fasa dan tiga-level. Rugi-rugi konduksi yang dihasilkan konverter dc-dc topologi baru juga paling besar pada arus lebih besar dari 3 A bila dibandingkan dengan konverter dc-
Rugi‐Rugi (W)
y = 1,268x + 12,44
20 15
Rugi-rugi penyaklaran
10 5
Rugi-rugi konduksi
0
2,5
5
7,5
10
Frekuensi (kHz) Eksperimen
Perhitungan
Linear (Eksperimen) Gambar 11. Metode untuk memperoleh rugi-rugi penyaklaran dan konduksi secara terpisah.
Parameter penyaklaran: o C0 = 8,788 x 10-7 o C1 = 2,5328 x 10-6 o C2 = 4,896 x 10-7
Gambar 11 menunjukkan hasil eksperimen dari perubahan rugi-rugi ketika frekuensi penyaklaran berubah dan garis regresi liniernya. Perpotongan garis tersebut dengan sumbu tegak merupakan nilai dari rugi-rugi konduksi. Dengan metode ini, rugi-rugi penyaklaran dan konduksi dapat diperoleh secara terpisah. Gambar 12 menunjukkan hasil perhitungan dan eksperimen rugi-rugi konverter dc-dc topologi baru. Dengan menggunakan metode yang telah dijelaskan sebelumnya untuk masing-masing besar arus keluaran, maka perubahan rugi-rugi konduksi dan rugi-rugi penyaklaran dapat terlihat pada gambar tersebut. Rugi-rugi penyaklaran merupakan selisih dari rugi-rugi total dengan rugi-rugi konduksinya. Kurva tersebut menunjukkan hasil perhitungan dan eksperimen yang memiliki trend sama. Perbedaan yang terjadi diakibatkan nilai-nilai parameter yang kurang akurat dan tidak diperhitungkannya rugi-rugi pada kabel dan koneksi-koneksinya, sehingga terjadi perbedaan walaupun sedikit. Dari kurva ini dapat disimpulkan bahwa persamaan rugi-rugi penyaklaran dan rugi-rugi konduksi konverter dcdc topologi baru adalah valid. Karena persamaan rugi-rugi konverter dc-dc topologi telah dinyatakan valid, maka persamaan rugi-rugi konverter dc-dc dua-fasa dan tiga-level juga dapat dinyatakan valid.
Io = 5A
25
0
Rugi‐Rugi (W)
•
30
45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
Rugi-rugi penyaklaran
Fs = 5 kHz
Rugi-rugi konduksi
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Arus keluaran (A) Rugi Konduksi (Perhitungan) Rugi Total (Perhitungan) Rugi Konduksi (Eksperimen) Rugi Total (Eksperimen) Gambar 12. Hasil perhitungan dan eksperimen rugi-rugi pada konverter dc-dc topologi baru.
dc dua-fasa dan tiga-level. Sehingga, secara keseluruhan, rugi-rugi total yang dihasilkan konverter dc-dc topologi baru paling besar dibandingkan rugi-rugi total konverter dc-dc dua-fasa dan tiga-level. Hal ini menunjukkan kinerja konverter dc-dc topologi baru lebih buruk daripada kinerja konverter dc-dc dua-fasa dan tiga-level dilihat dari aspek rugi-rugi yang dihasilkannya. Hasil simulasi menunjukkan persamaan rugi-rugi konduksi yang telah diturunkan untuk ketiga jenis konverter dc-dc adalah valid. Hasil eksperimen juga menunjukkan bahwa persamaan rugi-rugi penyaklaran dan juga rugi-rugi konduksi konverter dc-dc topologi baru yang telah diturunkan adalah valid. Dengan demikian, persamaan konverter dc-dc dua-fasa dan tiga-level juga dinyatakan valid.
Rugi
B. Saran Setelah melaksanakan penelitian ini, saran untuk penelitian selanjutnya adalah menemukan metode untuk menyimulasikan rugi-rugi penyaklaran pada saklar dan konverter. Selanjutnya adalah menemukan metode untuk meminimalisasi rugi-rugi yang terjadi pada konverter dc-dc.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Mohan, N., T. M. Undeland, and W P. Robbins, “Power electronics converters, applications and design, 2nd ed.”, John Wiley & Sons, New York, 1995. [2] Dahono, P. A., Y. Sato, and T. Kataoka, “Analysis of Switching and Conduction Losses in Hysteresis Current-Controlled Inventers”, IEE Trans. of Japan, vol. 113-D, No. 10, October 1993. [3] Skvarenina, T. L., “The power electronics handbook, industrial electronics series”, CRC Press LLC, Boca Raton, 2002. [4] Dahono, P. A., et al., “Output Ripple Analysis of Multiphase DC-DC Converters”, Conf. Proc. IEEE, PEDS’99, Hongkong, July 1999, pp. 626-631 . [5] Dahono, P. A., “A New Multi Level DC-DC Converter”, International Conference on Electrical Engineering, Sapporo, 2004. [6] Dahono, P. A. and A. Rizqiawan, “A New Approach to Synthesis of Static Power Converters”, Electrical Power, Electronics, Communications, Controls and Informatics Seminar (EECCIS) Proc., A-23 – A-28, Malang, June 2008.
[7] J. H. Rockot, “Losses in High-Power Bipolar Transistors”, IEEE Trans. Power Electronics, PE-2, No. 1, 72,1987. [8] Dahono, P. A., “A New Approach to Analysis of Inverter Currents”, Proc. ITB, Vol. 30, No. 2, 1998, Suplemen, 1998. [9] Dahono, P. A., Y. Sato, and T. Kataoka, “Analysis of Conduction Losses in Inventers”, IEE Proc.-Electr. Power Appl., Vol. 142, No. 4, July 1995. [10] A. Husnan Arofat dan P.A. Dahono, “Analisis Riak Arus Keluaran Chopper Multifasa”, Seminar Mesin Elektrik dan Elektronika Daya (SMED) 2005, Malang, Des. 2005. [11] Martina, F. A., “Analisis Riak pada Sisi Keluaran Konverter DC-DC Jembatan Penuh Tipe Buck dengan Skala Perbandingan Tinggi”, Laporan Tugas Akhir, Program Studi Teknik Elektro ITB, 2007. [12] Dahono, P. A., K. Adi Nugroho, and A. Rizqiawan, ”A Loss Evaluation of DC-DC Converters”, Electrical Power, Electronics, Communications, Controls and Informatics Seminar (EECCIS) Proc., A-29 – A-34, Malang, June 2008. [13] Dahono, P. A., K. F. Sutrisna, dan A. Rizqiawan, “Analisis Riak Konverter DC-DC Rasio-Tegangan Tinggi”, Electrical Power, Electronics, Communications, Controls and Informatics Seminar (EECCIS) Proc., A-40 – A-45, Malang, Juni 2008. [14] Dahono, P. A., F. Sasongko, dan A. Rizqiawan, “Teknik Kendali Konverter DC-DC Topologi Baru”, Electrical Power, Electronics, Communications, Controls and Informatics Seminar (EECCIS) Proc., A35 – A-39, Malang, Juni 2008.
