Perancangan dan Implementasi Konverter Boost Rasio Tinggi dengan Transformator Hybrid untuk Aplikasi Photovoltaic

Proseding Seminar Tugas Akhir Teknik Elektro FTI-ITS, Juni 2014

1

Perancangan dan Implementasi Konverter Boost Rasio Tinggi dengan Transformator Hybrid untuk Aplikasi Photovoltaic Edi Wibowo, Heri Suryoatmojo dan Dedet Candra Riawan Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: [email protected] ; [email protected] Abstrak— Photovoltaic merupakan salah satu sumber energi yang potensial untuk dikembangkan di Indonesia. Daya output sumber energi ini berubah-ubah seiring dengan perubahan intensitas cahaya. Sumber energi yang menghasilkan tegangan DC rendah, memerlukan step-up konverter untuk menaikkan tegangan sebelum dikonversikan menjadi tegangan AC. Untuk mengoptimalkan sistem ini, step-up konverter harus memiliki rasio tegangan yang tinggi dan juga memiliki efisiensi yang tinggi pada semua level pembebanan dan rentang tegangan input yang lebar. Dalam tugas akhir ini akan diimplementasikan konverter boost rasio tegangan tinggi dengan memanfaatkan mode operasi hybrid, yang merupakan kombinasi dari pulsewidth modulation (PWM) dan mode resonansi. Konverter ini hanya membutuhkan satu buah saklar sehingga lebih mudah dalam pengontrolannya. Stress tegangan pada saklar dan dioda relatif rendah dan tidak terpengaruh oleh perubahan tegangan input ketika tegangan output dijaga tetap Hasil Implementasi menunjukkan konverter yang diajukan dapat bekerja pada rentang tegangan input yang lebar dan memiliki effisiensi yang tinggi pada semua level pembebanan yaitu sebesar ±78%. Jadi konverter ini dapat diaplikasikan pada sumber energi alternatif yang menghasilkan tegangan DC yang rendah seperti photovoltaic. Kata Kunci — Photovoltaic, Konverter boost rasio tegangan tinggi, efisiensi tinggi, transformator hybrid, mode resonansi.

P

I. PENDAHULUAN

HOTOVOLTAIC merupakan salah satu sumber energi alternatif yang dapat mengurangi ketergantungan terhadap energi fosil. Photovoltaic memiliki potensi yang tinggi untuk dikembangkan di Indonesia mengingat letak geografisnya yang berada di garis katulistiwa. Phtovoltaic memiliki tegangan output DC yang rendah dan berubah-ubah seiring dengan perubahan intensitas cahaya. Daya yang dihasilkan pun juga berubah-ubah. Sumber energi dengan tegangan DC rendah, memerlukan step-up konverter untuk menaikkan tegangan sebelum dikonversikan menjadi tegangan AC. Untuk mengoptimalkan sistem ini, maka step-up konverter harus memiliki rasio tegangan yang tinggi, dapat bekerja pada rentang tegangan input yang lebar serta memiliki efisiensi yang tinggi baik pada beban tinggi maupun beban rendah. Pada penelitian sebelumnya dihasilkan clamp-mode coupledinductor pada konverter buck-boost [1]. Energi leakage konverter yang berasal dari coupled-induktor diproses kembali yang menyebabkan berkurangnya rugi-rugi dari konverter. Akan tetapi stress pada dioda sama seperti pada konverter flyback yakni lebih besar daripada tegangan output DC. Pada

konverter ini juga memiliki arus ripple yang tinggi pada sisi input. Pengembangan dilakukan dengan menggabungkan konverter boost, konverter flyback dan ditambah dengan switched-capacitor yang diseri dengan jalur energi dari transformator [2]. Dengan pengembangan ini didapatkan rasio dari konverter boost meningkat dan stress tegangan pada dioda output juga berkurang. Namun komponen magnetik dari topologi ini tidak digunakan secara sepenuhnya karena fungsi dari transformator lebih sebagai induktor. Efisiensi untuk beban rendah akan berkurang karena rugi-rugi penyaklaran akan lebih dominan pada saat beban rendah. Untuk aplikasi pada phtovoltaic, konverter harus memiliki rasio tegangan tinggi serta memiliki efisiensi tinggi untuk rentang beban dan tegangan input yang lebar. Berdasarkan hal tersebut, maka diajukan sebuah topologi konverter boost rasio tegangan tinggi dengan memanfaatkan mode operasi hybrid [4], [5]. Mode operasi hybrid merupakan kombinasi dari pulsewidth modulation (PWM) dan mode resonansi. Topologi konverter ini merupakan gabungan dari konverter boost dan konverter flyback, kemudian ditambah switched capacitor dan induktor resonansi. Perbedaan topologi ini dari topologi sebelumnya yaitu adanya induktor resonansi dan mengurangi kapasitansi dari switched capacitor pada jalur transfer energi. Dengan digunakan transformator hybrid, transfer energi dilakukan melalui dua keadaan transformator yaitu sebagai transformator biasa dan sebagai coupled-inductor sehingga komponen magnetik dapat digunakan lebih efektif. Arus input konverter yang kontinyu menyebabkan ripple arus yang lebih kecil daripada topologi yang menggunakan coupled-inductor. Rugi-rugi konduksi pada transformator semakin kecil karena berkurangnya nilai RMS arus input yang melewati sisi primer transformator. Stress tegangan pada saklar selalu pada level tegangan rendah dan tidak terpengaruh oleh perubahan tegangan input ketika tegangan output dijaga tetap. Arus turnoff pada saklar berkurang karena adanya bagian resonansi. Dengan berkurangnya nilai RMS arus input dan berkurangnya arus turn-off pada saklar, maka konverter ini juga memiliki efisiensi yang tinggi pada saat beban rendah. Kapasitor resonansi membuat stress tegangan pada dioda dibawah tegangan output dan tidak terpengaruh oleh perubahan tegangan input ketika tegangan output dijaga tetap [3]. Dengan topologi ini didapat rasio tegangan yang tinggi, dapat bekerja pada rentang tegangan input yang lebar dan memiliki efisiensi yang tinggi pada semua level pembebanan.


Gambar. 1. Topologi Konverter.

II. URAIAN PENELITIAN A. Topologi Konverter Boost dengan Transformator Hybrid Rangkaian konverter boost dengan transformator hybrid merupakan rankaian penaik tegangan dengan rasio perbandingan tegangan input dan output cukup tinggi. Topologi konverter ini menggunakan sebuah transformator hybrid, induktor resonansi dan tiga buah dioda masing-masing sebagai dioda clamping, dioda resonansi dan dioda output, sebuah saklar, empat buah kapasitor masing-masing sebagai kapasitor input, kapasitor clamping, kapasitor resonansi dan kapasitor output [1]. Topologi rangkaian konverter ini seperti ditunjukkan pada gambar 1. Kapasitor input (Cin) digunakan untuk meratakan tegangan input. Transformator hybrid (HT) dimodelkan dengan menggunakan transformator ideal dengan menyertakan induktansi magnetisasi (Lm) dan induktansi bocor (Lk) pada sisi primer transformator. Rasio belitan transformator hybrid yaitu 1 : n. Saklar (S1) merupakan metal oxide semiconductor field effect transistor (MOSFET). Dioda clamping (D1) merupakan clamping diode yang berfungsi sebagai lintasan energi dari induktansi bocor yang berasal dari transformator hybrid ketika saklar tidak aktif. Dioda resonansi (Dr) digunakan agar arus mengalir satu arah ketika rangkaian berada pada mode resonansi, yaitu ketika proses pengisian energi pada kapasitor resonansi (Cr). Do merupakan dioda output yang memberikan jalur untuk transfer energi menuju sisi output. Kapsitor output (Co) sebagai perata tegangan pada sisi output. Ro merupakan resistansi output yang merepresentasikan beban resistif. Dalam satu periode penyaklaran, konverter ini memiliki lima mode operasi [3]. Mode operasi menjelaskan prinsip kerja dari topologi konverter. Dalam usaha penyederhanaan untuk memudahkan pemahaman, diasumsikan bahwa tegangan input DC pada topologi ini merupakan sumber DC yang nilainya tetap, beban berupa resistor serta semua dioda dan saklar berada pada kondisi yang ideal. Pada saat t0-t1, saklar S1 aktif, induktansi magnetisasi (Lm) charging oleh tegangan input (Vin). Arus magnetisasi meningkat berangsur-angsur secara linier. Pada mode ini rangkaian resonansi bekerja. Rangkaian resonansi dibentuk oleh sisi sekunder transformator hybrid, Cc, Lr, Dr dan Cr. Pada mode ini kapasitor clamping (Cc) diasumsikan terlebih dahulu sudah terisi penuh. Tegangan sisi sekunder transformator sebesar n.VLm. Kapasitor resonansi (Cr) charging oleh

2

tegangan sekunder transformator dan tegangan pada kapasitor clamping (Cc) melalui saklar, dioda resonansi dan induktor resonansi. Pada saat t1-t2, saklar S1 tidak aktif. Arus pada sisi primer dan sisi sekunder transformator mulai men-charge parasitic capacitor yang terdapat pada saklar. Ketika tegangan pada saklar lebih tinggi daripada tegangan kapasitor clamping (Cc) maka Dioda clamping (D1) aktif. Energi dari induktansi bocor (Lk) ditransmisikan menuju kapasitor clamping (Cc) melalui dioda clamping (D1). Pada saat t2-t3, pada periode ini dioda output (Do) aktif. Pada saat ini terbentuk rangkaian seri antara Vin, Vlk, VLm, VL2, Vcr dan Vco. Energi yang tersimpan pada induktansi magnetisasi (Lm) dan kapasitor resonansi (Cr) diteruskan menuju beban. Dioda clamping (D1) tetap aktif selama kapasitor clamping (Cc) charging. Pada saat t3-t4, D1 tidak aktif. Arus mengalir menuju sisi output selama periode ini, tetapi magnitudonya berkurang secara berangsur-angsur. Energi yang tersimpan pada induktansi magnetisasi dan kapasitor resonansi (Cr) diteruskans secara serempak menuju beban. Pada saat t4-t0, saklar S1 aktif kembali. Karena adanya efek leakage dari transformator hybrid, arus output (Io) tetap mengalir untuk waktu yang singkat, kemudian dioda output tidak aktif pada saat t0 dan periode penyaklaran berikutnya dimulai kembali. Besarnya rasio konversi ditentukan dengan menggunakan persamaan (2.1). M=

(

)

=(

(2.1)

)

Stress tegangan pada saklar dan Dioda clamping (D1) dapat dilihat pada mode operasi 1 (t0-t1) dan pada mode operasi 2 (t1-t2). Sedangkan besarnya stress tegangan pada dioda output (Do) dan dioda resonansi (Dr) dapat dilihat pada mode operasi 1 (t0-t1) dan pada mode operasi 3 (t2-t3). VDS = VD1 = VCc = (2.2) (

VDo = Vdr = Vo – VCc =

) (

) (

)

(2.3)

Periode resonansi dan frekuensi resonansi dari konverter ditentukan oleh persamaan (2.4) dan (2.5). Tr = 2π √ (2.4) fr =

(2.5)

Dalam implementasi nilai dari induktansi bocor (Lk) dari transformator harus diperhitungkan. Lkp adalah induktansi bocor pada sisi primer dan Lks adalah induktansi bocor pada sisi sekunder. Lr_tot = Lr + (Lks + n2Lkp) (2.6) ΔvCr = Ilm_sec =

(2.7) =

(2.8)

ΔvCr menunjukkan besarnya ripple tegangan pada kapasitor resonansi. Ilm_sec adalah arus magnetisasi rata-rata yang direferensikan atau dilihat dari sisi sekunder transformator. ΔiLr = π.fr.Ts.Io (2.9) ΔiLr menunjukkan besarnya magnitudo arus yang mengalir pada induktor resonansi.


3

B. Perancangan Rangkaian Konverter Boost dengan Transformator Hybrid Perancangan rangkaian konverter ini bertujuan untuk menyesuaikan parameter rangkaian dengan peralatan yang terdapat dilaboratorium dan komponen yang ada dipasaran, sehingga memudahkan dalam proses implementasi alat. Perancangan dilakukan dengan menentukan beberapa variabel terlebih dahulu seperti:  Frekuensi penyaklaran : 62,5 kHz  Daya output (Po) : 40 W  Tegangan output : 150 V  Tegangan input (MIN) : 20 V Gambar. 2. Simulasi Sistem Keseluruhan  Tegangan input (MAX) : 30 V  Perbandingan belitan (n) :1  Ripple tegangan Cr (ΔvCr) : 1,42 % Berdasarkan persamaan rasio konversi (2.1), dengan rentang tegangan input antara 20V hingga 30V maka rentang duty cycle yaitu 0,4-0,6. Ketika daya output dirancang 40 W maka arus output (Io) sebesar 0,2667 A dan resistansi output (Ro) sebesar 562,5. Arus yang mengalir pada sisi input dipengaruhi oleh perubahan beban dan tegangan input. Dalam perancangan diasumsikan efisiensi konverter 100%, maka rentang arus yang mengalir pada sisi input antara 1,34 A hingga 2 A. Arus magnetisasi rata-rata yang dilihat dari sisi sekunder dapat ditentukan melalui persamaan (2.8). ILm_sec = = = 0,5334 A ΔvCr = 1,422 % . 150 V = 2,133 V Dari persamaan (2.7) nilai kapasitor Cr dapat ditentukan Cr =

=

= 1 μF

Agar stress tegangan pada saklar dapat menyamai atau Gambar. 3. Bentuk Gelombang Tegangan Hasil Simulasi hampir sama dengan tegangan kapasitor clamping (Cc), maka III. SIMULASI SISTEM nilai kapasitor resonansi (Cr) harus jauh lebih kecil daripada nilai kapasitor clamping (Cc). Dengan asumsi ini maka nilai Perancangan simulasi rangkaian konverter boost dengan kapasitor clamping (Cc) ditentukan sebesar 22 μF. transformator hybrid untuk mengetahui performa dari Periode resonansi dapat dicari dari persamaan (2.5) konverter. Pengujian dilakukan untuk tegangan input 25 V, duty cycle 0,5 dan menghasilkan tegangan output 150 V. Tr = = = 16 μs Parameter dari simulasi ini disesuaikan dengan parameter Nilai dari Lr_tot dapat dicari dari persamaan (2.4) yang telah didapat pada bagian sebelumnya. Perancangan ( ) simulasi rangkaian konverter secara keseluruhan ditunjukkan ( ) Lr_tot = = = 6,4846 μH pada gambar 2. Simulasi dilakukan dengan menggunakan Diasumsikan pada perancangan transformator didapatkan bantuan software PSIM 9.0.3 Gambar 3 menunjukkan bentuk gelombang tegangan hasil nilai induktansi bocor (Lk) sebesar 1,7 μH, maka besarnya nilai induktor resonansi dapat ditentukan dengan simulasi dengan menggunakan software. Dari gambar 3 dapat dilihat ketika sinyal PWM high maka saklar aktif sehingga menggunakan persamaan (2.6). tegangan pada saklar sama dengan nol. Ketika PWM low Lr = 6,4846 – (1,7) = 4,7846 μH maka saklar tidak aktif dan menyebabkan saklar membuka Dari persamaan (2.9) nilai dari ΔiLr dapat diketahui sehingga timbul tegangan pada saklar. Hal ini didapat karena -6 ΔiLr = π . 62500 . 16 10 . 0,2667 = 0,84 A pada simulasi ini saklar dan dioda berada pada kondisi yang Stress tegangan pada saklar dan dioda clamping (D1) ideal. Nilai tegangan pada saklar sebesar 50 V. Tegangan pada dihitung melalui persamaan (2.2) Dioda D1 sama dengan tegangan pada saklar. Sesuai dengan = 50 V VDS = VD1 = perhitungan dalam perancangan, tegangan pada dioda output ( ) Stress tegangan pada dioda output (Do) dan dioda resonansi sebesar 100 V. Tegangan pada kapasitor Cr ±75 V dengan ΔvCr sebesar 2.13 V. Rangkaian konverter diberikan supply (Dr) dihitung melalui persamaan (2.3) tegangan input sebesar 25 V dan duty cycle sebesar 0,5, maka ( ) VDo = VDr = = 100 V akan mengahasilkan tegangan output sebesar 150 V. ( )


4

Gambar. 5. Implementasi Sistem Keseluruhan Tabel 1. Komponen Implementasi Alat Parameter

Transformator Saklar MOSFET Dioda (D1, Dr, dan Do) Kapasitor Input (Cin) Kapasitor Resonansi (Cr) Kapasitor Clamping (Cc) Kapasitor Output (Co) Induktor Resonansi (Lr) Driver MOSFET

Nilai*

Inti ferrite ETD 34 Np:Ns = 12:12 Lm = 152 μH IRF540N MUR 1560 47μF / 100V 1μF / 600V 22μF / 100V 3x1μF / 400V 3,3μH IC TLP 250

IV. IMPLEMENTASI DAN PENGUJIAN SISTEM Gambar. 4. Bentuk Gelombang Arus Hasil Simulasi

Bentuk gelombang arus pada gambar 4 sudah seuai dengan mode operasi dan perancangan seperti yang telah dijelaskan pada pembahasan sebelumnya. Dari gambar 4 terlihat bahwa terdapat arus mengalir pada saklar saat sinyal PWM high. Pada saat ini saklar dikatakan aktif. Jika disesuaikan dengan mode operasi, maka pada saat saklar aktif konverter bekerja pada mode operasi 1. Pada mode ini rangkaian resonansi bekerja. Rangkaian resonansi dibentuk oleh sisi sekunder transformator hybrid, Cc, Lr, Dr dan Cr. Pada saat mode resonansi ini Induktor resonansi teraliri arus dan pada saat ini kapasitor resonansi (Cr) charging. Arus pada dioda resonansi (IDr) sama dengan arus yang mengalir pada resonan induktor (ILr). Arus magnetisasi meningkat secara berangsur-angsur ketika sinyal PWM high dan berkurang secara berangsur-angsur ketika sinyal PWM low. Arus yang mengalir pada dioda clamping (ID1) merepresentasikan periode charging dari kapasitor clamping (Cc). Dioda clamping (D1) aktif pada saat tegangan pada saklar lebih besar daripada tegangan kapasitor clamping (VCc). Besarnya arus input selalu lebih dari nol, sehingga konverter ini dapat dikatakan bekerja pada mode CCM (Continuous Conduction Mode). Arus dioda output merepresentasikan arus yang mengalir pada sisi output. Arus mengalir menuju sisi ouput pada saat sinyal PWM low atau dengan kata lain saat saklar tidak aktif. Setelah melewati kapasitor output, arus output menjadi rata dan memiliki nilai yang hamir tetap.

Hasil Implementasi alat secara keseluruhan seperti ditunjukkan pada gambar 5. Sistem terdiri dari sumber tegangan input DC, rangkaian konverter boost dengan transformator hybrid, rangkaian power supply, rangkaian pembangkit pulsewidth modulation (PWM), rangkaian driver MOSFET dan beban resistif. Sistem pada gambar 5, rangkaian power supply memiliki 2 output tegangan, yaitu tegangan output 5 V dan 18 V. Tegangan output 5 V digunakan untuk supply PWM sedangkan output 18 V digunakan untuk supply driver MOSFET. Rangkaian PWM membangkitkan sinyal PWM dengan frekuensi 62,5 kHz. dengan duty cycle yang dapat diubah-ubah. Sinyal PWM menjadi masukan driver MOSFET. Sinyal PWM perlu dilewatkan driver MOSFET agar magnitudonya sesuai dengan karakteristik VGS MOSFET. Driver MOSFET menghasilkan sinyal dengan frekuensi dan duty cycle yang sama dengan rangkaian PWM akan tetapi magnitudonya sesuai dengan supply untuk driver MOSFET yaitu 18 V. Sinyal dari driver MOSFET digunakan untuk triger pada gate MOSFET, sehingga MOSFET aktif dan tidak aktif sesuai dengan sinyal yang keluar dari driver MOSFET. Rangkaian konverter boost dengan transformator hybrid menerima masukan berupa sumber tegangan DC, kemudian oleh rangkaian konverter boost dengan transformator hybrid tegangan input 20-30 V diubah menjadi tegangan output DC 150 V. Pengaturan duty cycle dilakukan agar tegangan output sesuai dengan persamaan rasio konversi. Parameter komponen yang digunakan dalam implementasi alat seperti ditunjukkan pada tabel 1. Terdapat sedikit perbedaan pada nilai komponen Lr, karena menyesuaikan dengan ketersediaan komponen yang ada dipasaran.


5

Gambar. 7. Kurva D-Vo

Gambar. 6. Bentuk Gelombang Implementasi Alat

A. Pengujian Bentuk Gelombang Pengujian bentuk gelombang dilakukan untuk membuktikan implementasi alat yang telah dibuat sama dengan perancangan simulasi. Pengujian dilakukan dengan membandingkan bentuk gelombang hasil simulasi dan bentuk gelombang dari implementasi alat. Pada gambar 6, Vgate merupakan tegangan pada gate MOSFET (VGS). Tegangan gate MOSFET bentuknya sama dengan tegangan keluaran TLP 250 dan juga sama dengan tegangan keluaran mikrokontroller (sinyal PWM). Dari gambar terlihat bahwa ketika Vgate high maka MOSFET aktif sehingga tidak ada tegangan pada MOSFET. Pada saat Vgate low maka MOSFET tidak aktif sehingga pada MOSFET muncul stress tegangan. Dari gambar diatas terlihat terdapat perpotongan antara tegangan MOSFET dan arus MOSFET. Perpotongan ini merepresentasikan rugi-rugi yang terdapat pada MOSFET. Arus Icr menunjukkan periode charging dan discharging dari kapasitor resonansi (Cr). Saat MOSFET aktif maka kapasitor resonansi (Cr) charging dan pada saat MOSFET tidak aktif maka kapasitor resonansi discharging. Pada gambar diatas kapasitor resonansi charging ditunjukkan dengan gelombang positif, sedangkan gelombang negatif menunjukkan kapasitor resonansi discharging. Pada saat mode resonansi maka akan mengalir arus pada induktor resonansi. Dioda resonansi juga aktif sehingga dioda berada pada kondisi forward bias. Bentuk gelombang arus yang mengalir pada induktor resonansi sama dengan bentuk gelombang yang mengalir pada dioda resonansi. Dari gambar 6, terlihat gelombang arus input sudah sama dengan simulasi yaitu nilainya selalu lebih besar dari nol. Arus yang mengalir melalui dioda output (IDO) merepresentasikan arus yang mengalir pada sisi output. Arus yang mengalir pada dioda output masih dalam bentuk pulsating-pulsating. Arus output lebih rata karena telah melalui filter kapasitor, yaitu kapasitor output (Co).

Gambar. 8. Grafik Efisiensi untuk Tegangan Input 25 V

Gambar. 9. Grafik Efisiensi Implementasi Alat pada tegangan input berbeda

B. Pengujian Rasio Konversi Pengujian rasio konversi dilakukan untuk mengetahui ketepatan rasio konversi dari implementasi alat untuk nilai duty cycle yang berbeda-beda. Gambar 7 menunjukkan grafik perbandingan tegangan output hasil perhitugan dan hasil pengukuran dengan diberikan tegangan input 25 V dan duty cycle dinaikkan dari 0,1 hingga dengan 0,5. Duty cycle hanya dinaikkan dari 0,1 sampai dengan 0,5, karena berdasarkan hasil perancangan saat tegangan input 25 V dan duty cycle 0,5 maka tegangan output sudah mencapai 150 V. C. Pengujian Efisiensi Pengujian efisiensi dilakukan untuk mengetahui performa dari implementasi alat yang telah dibuat. Pengujian efisiensi dilakukan dengan mengubah-ubah pembebanan dari konverter, sedangkan tegangan input dan tegangan output dijaga tetap. Pada Implementasi alat, konverter dirancang untuk daya output 40W. Pengujian efisiensi dilakukan pada 10 pembebanan yang berbeda. Beban 40 W merupakan beban 100% dari implementasi alat. Tegangan output dijaga tetap pada tegangan 150 ± 1 V. Gambar 8 menunjukkan grafik efisiensi implementasi alat untuk tegangan input 25 V dengan beban yang berubah-ubah.


(a) (b) Gambar. 10. Stress Tegangan pada VDS dan VD1 untuk beban yang berbeda (a) Beban 12 W (b) Beban 40 W

(a) (b) Gambar. 11. Stress Tegangan pada Perubahan Tegangan Input (a) Vin 20 V (b) Vin 30 V

Efisiensi ditunjukkan oleh garis putus-putus berwarna merah yang merupakan grafik regresi polynomial dari titik-titik dengan warna merah yang terdapat pada gambar. Titik-titik dengan warna merah menunjukkan efisiensi pada masingmasing pembebanan saat tegangan input 25 V. Efisiensi terbesar dicapai pada saat pembebanan 90% dengan daya output ± 36 W yaitu 81,03%. Efisiensi rata-rata pada saat tegangan input 25 V dan tegangan output 150 V yaitu sebesar 78,24%. Sebagai pembanding dalam pengujian efisiensi ini, diambil data efisiensi untuk tegangan input 20 V dan 30 V sedangkan tegangan output tetap dijaga pada tegangan 150 V. Grafik efisiensi dari implementasi alat untuk tegangan input 20 V, 25 V dan 30 V ditunjukkan pada gambar 9. Efisiensi konverter ditunjukkan oleh garis putus-putus yang merupakan regresi polynomial pada tegangan input 20 V, 25 V dan 30 V pada masing-masing pembebanan. Pengambilan data efisiensi implementasi alat pada tegangan input yang berbeda (20 V, 25 V dan 30 V) dilakukan untuk mengetahui efisiensi dari konverter pada rentang tegangan input yang lebar, sedangkan pengambilan data pada pembebanan yang berbeda dilakukan untuk mengetahui efisiensi konverter untuk rentang beban yang lebar. Pengujian Stress Tegangan Tetap pada MOSFET dan Dioda Salah satu hal yang menarik dari topologi konverter ini yaitu, stress tegangan pada MOSFET dan dioda dibawah rating tegagan output. Dari persamaan (2.2) dan (2.3), ketika tegangan tegangan output dijaga tetap maka stress tegangan pada saklar dan dioda nilainya tetap meskipun terjadi perubahan tegangan input atau pun terjadi perubahan beban. Gambar 10 adalah bentuk gelombang tegangan pada MOSFET (VDS), gelombang tegangan pada Dioda clamping (D1), gelombang Arus Input serta gelombang tegangan output. Gambar 10.a dan 10.b menunjukkan adanya perubahan beban pada sisi output. Perubahan beban diwakili dengan perbedaan besarnya nilai arus output. Dari gambar 10 dapat dilihat bahwa pada saat terjadi perubahan beban maka stress tegangan pada

6

MOSFET dan pada dioda clamping (D1) besarnya relatif tidak ada perubahan. Ketika tegangan output dijaga tetap, walaupun dengan tegangan input yang berbeda-beda, stress tegangan pada MOSFET dan dioda besarnya sama. Gambar 11 menunjukkan stress tegangan pada MOSFET dan dioda besarnya sama meskipun dengan tegangan input yang berbeda-beda. Pada gambar 11 dari atas kebawah merupakan bentuk gelombang tegangan pada MOSFET (VMOSFET), gelombang tegangan pada Dioda resonansi (Dr), gelombang tegangan Input serta gelombang tegangan output. Stress tegangan pada MOSFET (VMOSFET) sama dengan besarnya stress tegangan pada dioda clamping (VD1) yang besarnya relatif sama ± 50 V. Sedangkan stress tegangan pada Dioda resonansi (VDr) sama dengan besarnya stress tegangan pada dioda output (VDo) yang besarnya relatif sama ± 100 V. Pada gambar 11 nilai rata-rata dari tegangan MOSFET (VMOSFET) maupun nilai rata-rata dari tegangan dioda resonansi (VDr) besarnya berbeda, hal ini dikarenakan agar tegangan output nilainya tetap maka ketika tegangan input berbeda duty cycle juga berbeda sehingga nilai rata-rata juga berbeda akan tetapi besar magnitudonya sama. V. KESIMPULAN 1. Rangkaian konverter boost dengan transformator hybrid pada tugas akhir ini memiliki rasio konversi yang tinggi. Rasio konnversi dapat dinaikkan dengan mudah yaitu dengan menaikkan nilai rasio perbandingan belitan transformator (n). 2. Konverter ini dapat bekerja pada rentang tegangan input yang lebar. 3. Efisiensi tertinggi dicapai pada pembebanan 90% dari beban maksimum. Efisiensi tertinggi dari implementasi alat yaitu sebesar ± 81% 4. Efisiensi pada beban rendah tidak jauh berbeda dengan efisiensi pada beban tinggi. Efisiensi rata-rata pada implementasi alat yaitu sebesar ± 78%. 5. Stress tegangan pada MOSFET dan dioda nilainya tetap untuk berbagai level pembebanan dan perubahan tegangan input, ketika tegangan output dijaga tetap. DAFTAR PUSTAKA [1]

Q. Zhao and F.C. Lee, “High efficiency, high step-up dcdc converter”, IEEE trans. Power Electron., vol. 18, no. 1, pp. 65-73, Jan. 2003.

[2]

R.J. Wai and R.Y. Duan, „High step-up converter with coupled-inductor”, IEEE Trans. Power Electron., vol. 20, no. 5, pp. 1025-1035, Sep. 2005.

[3]

Bin Gu, J. Dominic, J. S. Lai, Z. Zao and C. Liu, “High Boost Ratio Hybrid Transformer DC-DC Converter for Photovoltaic Module Applications”, IEEE Transactions On Power Electronics, Vol. 28, No. 4, April 2013.

[4]

S. Cuk, “Step-down converter having a resonant inductor, a resonant capacitor and a hybrid transformer”, U.S. Patent 7 915 874, Mar.2011.

[5]

S. Cuk and Z.Zhang, “Voltage step-up switching dc-to-dc converter field of the invention”, U.S. Patent 7 778 046, Aug.2010.

D.

Perancangan dan Implementasi Konverter Boost Rasio Tinggi dengan Transformator Hybrid untuk Aplikasi Photovoltaic

Recommend Documents