ANALISIS RUGI-RUGI TOPOLOGI BARU KONVERTER DC-DC RASIO TINGGI 4

50

ANALISIS RUGI-RUGI TOPOLOGI BARU KONVERTER DC-DC RASIO TINGGI

4.1

4

Pendahuluan

Pada aplikasi sebenarnya saklar yang digunakan pada konverter dc-dc rasio tinggi bukanlah saklar ideal, melainkan saklar non-ideal yang memiliki beberapa keterbatasan. Akibat digunakannya saklar non-ideal maka akan timbul rugi-rugi pada saklar akibat adanya pensaklaran di masing-masing saklar. Pada bab ini dianalisis rugi-rugi pensaklaran yang muncul pada konverter dc-dc rasio tinggi yang diusulkan. Analisis rugi-rugi pada saklar diperlukan untuk menganalisis efisiensi dari konverter yang sedang diamati. Selain itu, terutama untuk aplikasi yang berdaya besar, analisis rugi-rugi pada saklar juga bisa digunakan untuk mementukan besarnya system pendingin yang harus dipasang supaya divais saklar tetap bekerja pada suhu yang telah ditentukan[13]. Rugi-rugi pada saklar yang dianalisis pada bab ini terdiri dari dua jenis yaitu rugi-rugi pensaklaran dan rugi-rugi konduksi. Seperti halnya pada analisis riak, evaluasi perbandingan dari sisi rugi-rugi konverter dc-dc rasio tinggi yang diusulkan dibandingkan dengan rugi-rugi pada konverter dc-dc

Suatu Pendekatan Baru Untuk Sintesis Topologi Konverter Daya Arwindra Rizqiawan - 23206305

Bab 4 Analisis Rugi-rugi Topologi Baru Konverter dc-dc Rasio Tinggi

51

dua fasa dan konverter dc-dc tiga level. Beberapa hasil eksperimen ditampilkan untuk memverifikasi analisis yang dilakukan.

4.2

Rugi-Rugi Pada Saklar

Rugi-rugi yang disebabkan oleh saklar yang dibahas pada analisis rugirugi ini terdiri dari dua jenis, yaitu rugi-rugi pensaklaran dan rugi-rugi konduksi. Gambar 4.1[13] menunjukkan gelombang tegangan dan arus pada saklar saat terjadi pensaklaran pada rangkaian dengan beban yang bersifat induktif. Rugi-rugi pensaklaran pada suatu saklar terjadi baik pada saat penyalaan maupun pada saat pemadaman. IC

VCE

VCE

3

+ −

ID

VC

IC

I2C

1

VCE ( sat ) tr

trr

tcf

Gambar 4.1. Bentuk gelombang penyaklaran.

Pada Gambar 4.1, daerah 1 adalah rugi-rugi akibat kenaikan arus kolektor ketika saklar mulai dinyalakan. Daerah 2 adalah rugi-rugi yang terjadi akibat dioda tidak langsung mati ketika arus dioda sudah bernilai nol. Daerah 3 adalah rugi-rugi akibat muatan yang harus dikembalikan pada dioda. Rugi-rugi yang pada ketiga daerah tadi yang menyebabkan total rugi-rugi pensaklaran pada waktu saklar menyala. Rugi-rugi pada waktu saklar menyala dinyatakan dengan [13], [14].

pS _ ON =

1 Ed I otr f s + Ed I otrr f s + Ed f s qrr 2


(4.1)


52

Sedangkan rugi-rugi pada saat saklar mati dinyatakan dengan [13], [14].

pS _ OFF =

1 Ed f s I otcf 2

(4.2)

Dimana Ed adalah tegangan sumber, fs adalah frekuensi penyaklaran, Io adalah arus sumber ketika saklar dinyalakan, qrr adalah muatan pada dioda yang dikembalikan. Rugi-rugi pada saat saklar dimatikan biasanya memiliki kontribusi yang jauh lebih kecil jika dibandingkan dengan rugirugi pada saat penyalaan. Pada arus beban tertentu, biasanya waktu penyalaan dan pemadaman suatu saklar diasumsikan sebagai suatu nilai konstanta ditambah satu suku yang bergantung linier dengan arus beban, begitu juga dengan waktu pemulihan dan muatan dioda [14].

tr = Tr + Ctr I o

(4.3)

tcf = Tcf + Ccf I o

(4.4)

trr = Trr + Crr I o

(4.5)

qrr = Qrr + Cqr I o

(4.6)

Sehingga rugi-rugi penyaklaran dapat dituliskan sebagai

pS = pS _ ON + pS _ OFF pS =

(4.7)

1 Ed f s ( C0 + C1 I o + C 2 I o2 ) 2

(4.8)

Dimana

C0 = 2Qrr

(4.9)

C1 = Tr + Tcf + 2Trr + 2Cqr (4.10) C2 = Ctr + Ccf + 2Crr

(4.11)



53

Rugi-rugi konduksi adalah rugi-rugi yang terjadi pada saklar akibat adanya tegangan jatuh pada saklar saat konduksi. Tegangan jatuh pada saklar merupakan fungsi dari arus yang mengalir pada saklar, sehingga dapat dinyatakan dengan

vT = VT + RT I S

(4.12)

Dimana VT adalah tegangan pada saklar ketika menyala, RT adalah resistansi pada saklar dan IS adalah arus yang mengalir pada saklar. Rugirugi konduksi pada saklar dapat dinyatakan sebagai 2 pT = VT I S + RI S rms (4.13)

4.3

Analisis Rugi-Rugi Konverter dc-dc Rasio Tinggi

Seperti telah dibahas pada bagian sebelumnya, rugi-rugi yang terjadi pada saklar sangat bergantung dengan arus yang mengalir pada saklar. Sehingga sebelum mencari rugi-rugi pada saklar, besarnya arus rata-rata dan efektif yang mengalir pada tiap-tiap saklar harus ditentukan terlebih dahulu. Berdasarkan Gambar 4.2, arus beban Io akan mengalir melalui S1 dan S4 ketika S1 dan S4 menyala. Ketika saklar S4 dimatikan maka arus beban akan mengalir melalui S1 dan S3.

S1

io

S3 a L

vab

Ed

Load

vo

b

S2

S4

n Gambar 4.2. Konverter dc-dc rasio tinggi.

Berdasarkan kondisi tersebut maka arus rata-rata yang mengalir pada masing-masing saklar dapat dinyatakan dengan



I S1 =

TonS 1 I o = D1 I o TsS 1

IS 2 =

ToffS 1

IS3 =

TonS 3 I o = D2 I o TsS 3

IS 4 =

ToffS 3

(4.14)

I o = (1 − D1 ) I o (4.15)

TsS 1

TsS 3

54

(4.16)

I o = (1 − D2 ) I o (4.17)

Dimana TonS1 dan TonS3 adalah waktu nyala S1 dan S3; ToffS1 dan ToffS3 adalah waktu padam S1 dan S3; TsS1 dan TsS3 adalah perioda pensaklaran S1 dan S3; D1 dan D2 adalah duty cycle untuk masing-masing S1 dan S3. Arus efektif yang mengalir pada saklar dapat dinyatakan dengan:

I S 1, rms

1 = TsS 1

TonS 1

∫

I o2 dt = D1 I o

(4.18)

0

Dengan menggunakan cara yang sama diperoleh arus rms yang melewati saklar-saklar lainnya I S 2,rms =

(1 − D1 ) I o

I S 3,rms = D2 I o I S 4,rms =

(1 − D2 ) I o

(4.19) (4.20) (4.21)

Rugi-rugi penyaklaran terjadi pada transistor namun dioda yang berpasangan juga dimasukkan dalam perhitungan rugi-rugi penyaklaran, sesuai dengan pers.(4.8). Untuk mendapatkan rugi-rugi penyaklaran yang terjadi pada saklar transistor S1, maka pers.(4.14) dan pers.(4.18) disubstitusikan ke dalam pers.(4.8) menghasilkan persamaan:

PsS 1 =

1 Ed f s ( C0 + C1 D1 I o + C2 D1 I o2 ) 2


(4.22)


55

Dimana PsS1 adalah rugi-rugi penyaklaran pada saklar S1. Substitusi pers.(4.17) dan (4.21) ke dalam pers.(4.8) menghasilkan rugi-rugi penyaklaran yang terjadi pada saklar transistor S4 adalah

PsS 4 =

1 Ed f s ( C0 + C1 (1 − D2 ) I o + C2 (1 − D2 ) I o2 ) (4.23) 2

Rugi-rugi penyaklaran total pada konverter dc-dc rasio tinggi yang diusulkan merupakan total dari rugi-rugi penyaklaran yang terjadi pada transistor S1 dan S2.

Ps = PsS 1 + PsS 4 Ps =

(4.24)

1 Ed f s ( 2C0 + C1 (1 + D1 − D2 ) I o + C2 (1 + D1 − D2 ) I o2 ) 2

(4.25)

Dengan mengingat kembali pers.(3.11) maka pers.(4.25) dapat dituliskan kembali menjadi:

Ps =

1 Ed f s ( 2C0 + C1 (1 + α ) I o + C2 (1 + α ) I o2 ) 2

(4.26)

Untuk rugi-rugi konduksi, terjadi pada semua saklar baik transistor S1 dan S4 maupun dioda S2 dan S3. Rugi-rugi konduksi untuk masing-masing saklar didapat dengan cara memasukkan arus yang melewati saklar yang didapat sebelumnya ke pers.(4.13) sehingga diperoleh

PcS 1 = VT D1 I o + RT D1 I o2

(4.27)

PcS 2 = VD (1 − D1 ) I o + RD (1 − D1 ) I o2

(4.28)

PcS 3 = VD D2 I o + RD D2 I o2

(4.29)

PcS 4 = VT (1 − D2 ) I o + RT (1 − D2 ) I o2

(4.30)

Dimana PcS1-PcS4 adalah rugi-rugi konduksi pada saklar, VT adalah tegangan pada transistor saat konduksi, RT adalah resistansi pada transistor, VD adalah tegangan pada dioda saat konduksi, dan RD adalah Suatu Pendekatan Baru Untuk Sintesis Topologi Konverter Daya Arwindra Rizqiawan - 23206305


56

resistansi pada dioda. Rugi-rugi konduksi total didapat dari penjumlahan semua rugi-rugi konduksi pada setiap saklar, yaitu

Pc = PcS 1 + PcS 2 + PcS 3 + PcS 4 (4.31) Dimana Pc adalah rugi-rugi konduksi total pada konverter dc-dc rasio tinggi yang diusulkan. Substitusi pers.(4.27)-(4.30) dan pers.(3.11) ke dalam pers.(4.31) menghasilkan Pc = VT (1 + α ) I o + RT (1 + α ) I o2 + VD (1 − α ) I o + RD (1 − α ) I o2

(4.32)

Secara keseluruhan rugi-rugi yang terjadi pada saklar merupakan penjumlahan rugi-rugi penyaklaran dan rugi-rugi konduksi yang terjadi, dapat dituliskan

PS = Ps + Pc

(4.33)

Dimana PS adalah rugi-rugi total yang terjadi pada saklar. Substitusi pers.(4.26) dan (4.32) ke pers.(4.33) akan menghasilkan rugi-rugi total yang terjadi pada saklar di konverter dc-dc rasio tinggi yang diusulkan

⎛1 ⎞ Ed f s ( 2C0 + C1 (1 + α ) I o + C2 (1 + α ) I o2 ) + ⎜ ⎟ (4.34) PS = 2 ⎜ ⎟ ⎜ V (1 + α ) I + R (1 + α ) I 2 + V (1 − α ) I + R (1 − α ) I 2 ⎟ o T o D o D o ⎠ ⎝ T

4.4

Evaluasi Perbandingan

Seperti pada analisis riak pada bab sebelumnya, evaluasi perbandingan rugi-rugi pada saklar konverter dc-dc rasio tinggi dibandingkan dengan rugi-rugi pada saklar konverter dc-dc dua fasa dan konverter dc-dc tiga level karena jumlah saklar yang digunakan sama banyak. Persamaan analitik rugi-rugi pada saklar untuk ketiga konverter tersebut ditampilkan pada Tabel L.2 pada Lampiran. Kurva rugi-rugi total untuk ketiga konverter ditunjukkan pada Gambar 4.3. Kurva tersebut diperoleh dari persamaan analitik yang diperoleh dengan parameter yang sama untuk



57

ketiga konverter yang diperbandingkan. Dari Gambar 4.3 dapat diketahui bahwa rugi-rugi total yang terjadi pada saklar lebih besar daripada rugirugi total yang terdapat pada konverter dc-dc dua fasa dan tiga level. Hal ini bisa dikarenakan pada konverter dc-dc rasio tinggi yang diusulkan arus beban mengalir pada dua buah saklar pada setiap saat.

60 rasiotinggi duafasa tigalevel

50

Rugi-rugi total (W)

40

30

20

10

0

0

1

2

3

4 5 6 Arus Keluaran (A)

7

8

9

10

Gambar 4.3. Evaluasi perbandingan rugi-rugi total pada saklar

4.5

Hasil Eksperimen

Untuk memverifikasi analisis yang dilakukan, set eksperimen untuk mengetahui rugi-rugi pada saklar di konverter dc-dc rasio tinggi dibuat. Rangkaian yang dibuat sama dengan rangkaian yang ditunjukkan pada Gambar 4.2 dengan MOSFET dipilih sebagai divais saklarnya. Tegangan kerja dipilih 150V dan tapis induktor 10 mH dipasang pada sisi keluaran. Konverter dc-dc rasio tinggi ini dioperasikan pada duty cycle 0.1 dengan frekuensi penyaklaran sebesar 5 kHz.



58

Untuk mendapatkan besarnya rugi-rugi konduksi maka pada nilai frekuensi yang berubah-ubah diambil besarnya data rugi-rugi total pada arus beban yang tetap. Ekstrapolasi pada titik frekuensi pensaklaran nol merupakan rugi-rugi yang tidak tergantung dari besarnya frekuensi pensaklaran yaitu rugi-rugi konduksi tadi. Gambar 4.4 menunjukkan penentuan besar rugi-rugi konduksi untuk arus beban dijaga tetap sebesar 5A.

25

rugi-rugi total (eksperimen) grafik esktrapolasi

Rugi-rugi pada Saklar (W)

20

15

10

Rugi-rugi konduksi 5

0

0

1

2

3 4 5 6 7 Frekuensi Penyaklaran (kHz)

8

9

10

Gambar 4.4. Penentuan besar rugi-rugi konduksi dari hasil eksperimen

Gambar 4.5 menunjukkan kurva hasil eksperimen terhadap hasil perhitungan. Terlihat bahwa hasil eksperimen yang diperoleh mendekati hasil analisis yang telah dilakukan. Penentuan konstanta yang diperlukan masih belum tepat dilakukan pada eksperimen ini.



59

40 perhitungan rugi perhitungan rugi eksperimen rugi eksperimen rugi

35 30

total konduksi total konduksi

Rugi-rugi (W)

25 20 15 10 5 0

0

1

2

3 4 5 Arus Keluaran (A)

6

7

8

Gambar 4.5. Kurva hasil eksperimen rugi-rugi total konverter dc-dc rasio tinggi

4.6

Penutup

Pada bab ini telah dianalisis rugi-rugi pada saklar yang terjadi pada konverter dc-dc rasio tinggi yang diusulkan. Persamaan analitik rugi-rugi penyaklaran dan rugi-rugi konduksi dari konverter dc-dc rasio tinggi telah diturunkan. Evaluasi perbandingan rugi-rugi pada saklar pada konverter dc-dc rasio tinggi menunjukkan nilai yang rugi-rugi yang lebih besar daripada rugi-rugi pada saklar yang terdapat pada konverter dc-dc dua fasa dan tiga level[18]. Hasil eksperimen telah ditunjukkan untuk memverifikasi analisis rugi-rugi pada saklar yang dilakukan.


ANALISIS RUGI-RUGI TOPOLOGI BARU KONVERTER DC-DC RASIO TINGGI 4

Recommend Documents