RANCANG BANGUN BUCK CONVERTER 12 VOLT 60 AMPERE MENGGUNAKAN P-CHANNEL MOSFET DAN IGBT TIPE N

Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Vol. 11 No.1 Juni 2012 : 53 - 66

ISSN 1978-2365

RANCANG BANGUN BUCK CONVERTER 12 VOLT 60 AMPERE MENGGUNAKAN P-CHANNEL MOSFET DAN IGBT TIPE N DESIGN OF 12 VOLT 60 AMPERE BUCK CONVERTER USING PCHANNEL MOSFET AND IGBT TYPE N

Khalif Ahadi Pusat Penelitian dan Pengembangan Teknologi Ketenagalistrikan, Energi Baru Terbarukan dan Konservasi Energi Jl. Ciledug Raya Kav. 109 Cipulir, Kebayoran Lama, Jakarta Selatan [email protected]

ABSTRAK

Pada tulisan ini akan dibahas proses perancangan dan pembuatan buck converter dengan tegangan keluaran 12 volt dan arus sebesar 60 ampere. Telah dibuat dua buah buck converter yang dilakukan dengan menggunakan P-Channel MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) dan IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) tipe N sebagai switch. Pengujian dilakukan untuk melihat kinerja dan efisiensi daya dari kedua buck converter tersebut. Dari hasil pengujian, kedua buck converter dapat menghasilkan arus sebesar 60 ampere pada seting tegangan 12,6 volt, namun tegangan keluaran yang dihasilkan tersebut masih ikut berubah mengikuti perubahan tegangan masukan dan beban yang terpasang. Efisiensi daya yang dihasilkan berfluktuasi namun berada diatas 60% pada beban penuh. Kata kunci: buck converter, penurun tegangan dc ABSTRACT This paper explains designing and developing process of a 12 volt 60 ampere buck converter. Two units of buck converter using P-Channel MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) and N-type IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) as a switch are already built. Test and measurement are done to see performances and power efficiencies of the buck converters. Experimental results show both buck converters are able to flow a current as high as 60 amperes on adjusted voltage of 12.6 volt, but this output voltage is still fluctuating influenced by input voltage and load. The efficiencies are also fluctuated but they can reach above 60% under maximum load. Keywords: buck converter, step down dc voltage

PENDAHULUAN

Pembangkit Listrik Tenaga Bayu (PLTB),

Latar Belakang

perubahan intensitas cahaya matahari pada

Salah satu kendala dalam pembangkitan

Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS) atau

listrik dari energi terbarukan adalah adanya

karakteristik proses kimia yang terjadi pada

fluktuasi tegangan akibat perubahan dari

fuel

sumber energi terbarukan tersebut. Sebagai

menghasilkan tegangan DC, fluktuasi tegangan

contoh adalah perubahan kecepatan angin pada

dapat

cell.

Pada

diatasi

Diterima redaksi : 1 Mei 2012, dinyatakan layak muat: 7 Juni 2012

pembangkit menggunakan

listrik dc

yang votage

53

Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Vol. 11 No. 1 Juni 2012 : 53 - 66

regulator. Hal ini dimaksudkan agar listrik

semikonduktor

yang dihasilkan dapat disimpan pada batere

freewheeling atau catch

atau

AC

pemotong tegangan DC menjadi gelombang

biasanya

kotak yang biasa disebut sebagai DC chopper[1]

diubah

menjadi

menggunakan

tegangan

inverter

yang

dan

diode [1]

flywheel

atau

bekerja sebagai

sedangkan induktor dan kapasitor membentuk

mempunyai tegangan kerja 12 V. Terdapat 2 jenis dc voltage regulator yaitu tipe linier dan switching. Untuk tipe

low pass filter

[3]

akan membuat gelombang

kotak ini menjadi tegangan DC.

switching dikelompokkan menjadi pulse-width modulated

(PWM)

DC–DC

converters,

resonant DC–DC converters dan switchedcapacitor atau dikenal juga sebagai chargepump voltage regulators[1]. Secara umum,

Gambar 1. Rangkaian buck converter [1,3]

terdapat tiga topologi dasar PWM DC-DC converter,

yaitu

buck

converter,

Sebagai penggerak semikonduktor agar

boost

bekerja sebagai switch, digunakan pengendali

converter dan buck-boost converter [2].

yang berfungsi mengkalkulasi sinyal error antara tegangan keluaran DC dengan set point

Tujuan Tulisan ini bertujuan untuk memaparkan

dan bagian pulse width modulator yang

proses perancangan dan pembuatan 2 buah

mengubah sinyal kendali analog menjadi pulsa

buck converter sederhana dengan arus keluaran

digital dengan duty cycle tertentu. Untuk

mencapai 60 ampere pada tegangan 12 volt

kondisi ideal, membuka dan menutupnya

menggunakan P-Channel MOSFET dan IGBT

switch akan membuat induktor L mengalami

tipe N serta hasil uji kinerjanya. Perancangan

pengisian dan pelepasan muatan.

ini

dititikberatkan pada

pencapaian daya

Penentuan besarnya nilai induktansi L

keluaran sekitar 700 watt pada tegangan di

dilakukan dengan memperhatikan arus pada

bawah 13 volt dengan mempertimbangkan

induktor dimana agar buck converter bekerja

biaya yang murah dan komponen yang mudah

pada

didapatkan.

induktansi harus memenuhi [1] :

Teori Buck converter merupakan salah satu

L

mode

>

kontinyu

sehingga

(1 − D)R 2f

(1)

dimana: D = duty cycle = tON/TS [3]

jenis switching converter yang berfungsi

R = resistansi beban

menurunkan

f = frekuensi switching

tegangan

masukan

sehingga

besarnya

tegangan keluaran akan bernilai lebih rendah.

Sedangkan untuk menentukan nilai kapasitansi

Seperti yang tampak pada Gambar 1, buck

pada kapasitor C, dapat dilakukan dengan

converter terdiri atas bagian switching dan

memperhatikan

filter. 54

Bagian

switching

berupa

switch

ripple

yang

terjadi

pada

Rancang Bangun Buck Converter 12 Volt 60 Ampere Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan Menggunakan P-Channel Mosfet Dan IGBT Tipe N Vol. 11 No.1 Juni 2012 : 53 - 66

tegangan keluaran. Dari hubungan definisi

besarnya arus rata-rata keluaran atau arus

kapasitansi, didapatkan hubungan faktor ripple

beban yaitu [3]:

yaitu [1] : ∆

=

(

)

(2)

I =I =

V R

(7)

dimana: IL = arus pada induktor

Dengan demikian besarnya nilai kapasitor

IR = arus pada beban

dapat dihitung yaitu:

R = resistansi beban

C=

(1 − D)V 8Lf ∆V

Vo = tegangan keluaran

(3)

Toroid merupakan induktor berbentuk

dimana: Vo = tegangan keluaran

donat. Pada induktor toroid, medan magnet

∆Vo = tegangan ripple

ditahan pada inti sehingga menyebabkan lebih

D = duty cycle

sedikit radiasi magnetik yang terpancar ke luar

L = nilai induktansi induktor

dan juga lebih tahan terhadap gangguan medan

f = frekuensi switching

magnet eksternal. Pada suatu induktor dapat

C = nilai kapasitansi dari kapasitor

Dari persamaan (3) dapat diturunkan menjadi [3]:

terjadi pemborosan daya akibat resistansi kawat. Pemborosan daya juga terjadi di dalam inti akibat efek histeresis. Pada arus tinggi,

∆V (1 − D) π f = = (1 − D) V 8LCf 2 f

(4)

induktor juga dapat mengalami nonlinearitas

dimana fc adalah frekuensi cut-off dari low pass

karena

filter yang didefinisikan sebagai [3]:

induktansi induktor toroid dapat digunakan

f =

1

(5)

2π√LC

yang berarti bahwa tegangan ripple dapat diminimalisasi dengan memilih frekuensi cutoff dari low pass filter sehinggga fc << frekuensi switching converter

ideal

[3]

. Selain itu, pada buck

juga

berlaku

persamaan

jenuh.

Untuk

menghitung

persamaan berikut [4]: L=

μN A N r =μ μ 2πR D

(8)

dimana:

L = nilai induktansi dari induktor toroid μ0 = permeabilitas vakum = 4π ×10

μ = permeabilitas = μr . μ0

masukan yang dinyatakan sebagai [3]:

N = jumlah lilitan

(6)

dimana: Vo = tegangan output

D = diameter toroid R = jari-jari toroid

D = duty cycle

A= luas penampang iris toroid

pada kondisi tunak adalah 0, maka besarnya arus rata-rata pada induktor sama dengan

H/m

r = jari-jari gulungan kawat

Vi = tegangan input

Karena besarnya arus rata-rata pada kapasitor

−7

μr = permeabilitas relatif bahan inti

hubungan tegangan keluaran terhadap tegangan V = V.D

nilai

Pada terdapat

regulator rangkaian

switching snubber.

biasanya

Gambar

2

55



menunjukkan

rangkaian

snubber

IL tf Cs = 2Vf

yang

terpasang pada switch semikonduktor.

(9)

dimana: IL = arus saat switching tf = waktu yang diperlukan saat tegangan mulai mencapai VS hingga arus yang lewat mencapai nilai 0 Vf = tegangan yang diinginkan ketika

arus mencapai nilai 0

Gambar 2. Rangkaian snubber pada rangkaian switch MOSFET [1]

Resistor

Rangkaian snubber berfungsi sebagai pengaman

suatu

switch

semikonduktor

pada

rangkaian

snubber

digunakan untuk membuang muatan pada kapasitor. Nilai resistansinya dapat dihitung

terhadap stress saat terjadi transisi dari kondisi

dengan asumsi 3 atau 5 kali time constant

ON ke OFF ataupun sebaliknya. Stress tersebut

agar

terjadi akibat belum sempurnanya arus terputus

Persamaannya adalah [1]:

kapasitor

kerusakan

pada

yang

ditimbulkan

saat

2Cs

switch

semikonduktor. Disamping itu, kenaikan arus switching

ter-discharge.

Rs < ton Rs

saat tegangan mulai naik dan hal ini dapat menyebabkan

benar-benar

[1]

(10)

dimana: RS = nilai resistansi dari resistor CS = nilai kapasitansi dari kapasitor

dengan

frekuensi tinggi dapat menyebabkan EMI

tON = waktu saat switch ON

(Electromagnetic Interference) yang dapat

Besarnya energi yang tersimpan pada kapasitor

mengganggu peralatan lain.

dapat dihitung dengan persamaan berikut [1]: W =1 Cs Vs2

Dioda Ds untuk rangkaian snubber harus

2

mampu dilalui arus saat switch bertransisi dari ON ke OFF dan mampu menahan lonjakan tegangan yang terjadi. Selain itu, dioda harus

dimana: W = energi yang tersimpan pada kapasitor

dipilih agar mempunyai recovery time yang

CS = nilai kapasitansi dari kapasitor

sangat cepat sehingga dapat ON dan OFF lebih

VS = tegangan masukan

cepat dari frekuensi switching pada switch. Dioda

yang

digunakan

sebaiknya

menggunakan jenis fast switching diode dengan tegangan rating yang sama dengan kapasitor

Energi tersebut akan dipindahkan hampir seluruhnya ke resistor, sehingga besarnya daya yang diserap oleh resistor [1] adalah: PR = 1/2CSV2 = 1/2CSV32f T

snubber dan rating arus yang sama dengan arus keluaran

maksimum

buck

converter

[5]

.

Sedangkan untuk kapasitor snubber Cs dapat dihitung dengan persamaan berikut [1] : 56

(11)

(12)

dimana: PR = daya yang diserap resistor CS = nilai kapasitansi dari kapasitor VS = tegangan masukan f

= frekuensi switching


tegangan sebagai feedback tegangan keluaran

METODOLOGI Penelitian dilakukan di laboratorium

yang

bernilai

1200Ω.

demikian

dapat

dihitung

Teknik Elektro Universitas Indonesia. Tahapan

induktansi

penelitian secara garis besar meliputi studi

menggunakan persamaan (1) sebagai berikut:

literatur,

L

perancangan,

pembuatan

dan

pengujian dua buah buck converter dengan menggunakan P-Channel MOSFET dan IGBT tipe N sebagai switch. Kedua jenis switch dipilih agar dapat dibandingkan baik dari segi kinerja, kemudahan dalam pembuatan dan juga efisiensinya.

=

minimal

Dengan

(1 − D)R (1 − 0,167)1200 = = 25 mH 2f 2 X 20000

Pembuatan induktor dilakukan dengan

memilih inti induktor berbentuk toroid agar radiasi magnetik yang terpancar lebih sedikit. Karena tidak tersedianya data sheet inti toroid yang

ada

di

pasaran,

maka

dilakukan

pengukuran dan perhitungan agar didapatkan nilai permeabilitas relatifnya.

Spesifikasi Desain Penentuan

spesifikasi

desain

awal

dilakukan berdasarkan ketersediaan komponen yang

mudah

didapatkan

di

Indonesia.

Spesifikasi desain buck converter yang dibuat adalah sebagai berikut: ·

Tegangan input: 18 – 72 volt

·

Tegangan output: 12 volt

·

Arus output maksimum: 60 ampere

·

Tegangan ripple maksimum 120 mV

·

Frekuensi switching: 20 kHz

Gambar 3. Inti toroid yang dihitung permeabilitasnya Dari 5 buah inti toroid yang didapat dari pasaran, masing-masing diukur dimensinya dan

Pembuatan Induktor Agar buck converter bekerja pada mode

diberi nama seperti pada Gambar 3. Masing-

dihitung

masing inti toroid dililit sebuah kawat email

menggunakan persamaan (1). Nilai duty cycle

tembaga dengan jumlah lilitan dipilih secara

D dicari menggunakan persamaan (6) dan

acak

ditentukan pada nilai tegangan input maksimal

menggunakan LCR meter dan dihitung nilai

yaitu 72 volt sehingga nilai duty cycle adalah:

permeabilitas relatif dari inti toroid tersebut

kontinyu,

D=

V

V

nilai

=

induktansi

12 = 0,167 72

Nilai R ditentukan agar saat tanpa beban,

buck converter masih bekerja pada mode kontinyu. Pada rangkaian yang dibuat, nilai R adalah besarnya

nilai resistansi pembagi

lalu

diukur

nilai

induktansinya

menggunakan persamaan (13) yang diturunkan dari persamaan (8) yaitu: L=

μ

μ =

π

=μ μ

L .D μN r

(13)

57



Nilai permeabilitas relatif ditetapkan saat nilai

‘A’, ‘B’ dan ‘E’ karena dimensinya yang lebih

induktansi

perhitungan

besar. Toroid ‘A’ mempunyai dimensi dan nilai

induktansi

pengukuran.

mendekati Hasil

nilai

pengukuran

permeabilitas

yang

paling

memungkinkan

dimensi, jumlah lilitan, hasil pengukuran

untuk digunakan, namun pada saat akan dibuat,

induktansi dan nilai permeabilitas relatif dari

toroid ‘A’ tersebut sulit ditemukan kembali

masing-masing inti toroid yang didapat dari

dipasaran. Dengan demikian dipilihlah toroid

hasil perhitungan dapat dilihat pada Tabel 1.

‘E’ karena mempunyai permeabilitas yang

Dari beberapa inti toroid tersebut, yang

lebih besar dibandingkan dengan toroid ‘B’.

memungkinkan untuk digunakan adalah toroid Tabel 1. Hasil perhitungan dan pengukuran untuk mendapatkan nilai permeabilitas relatif inti toroid sebagai dasar pembuatan induktor L hitung

1KHz

Permeabilitas Relatif

1.39m

1.27m

4725

1.392287

132u

132u

127u

675

0.135406

0.041

1.05m

1.05m

0.9m

5520

1.050446

0.034

167u

167u

165u

1200

0.176624

0.075

2.02m

2.02m

1.92m

3350

2.027375

0.075

13.1m

13.13m

11.8m

3350

13.06397

Dimensi Toroid (m)

L ukur (H)

Nama Toroid

Jumlah Lilitan

r coil

d1

d2

tinggi

tebal

keliling

100Hz

120Hz

A

12

0.009549

0.056

0.036

0.02

0.01

0.06

1.38m

B

11

0.007958

0.048

0.028

0.015

0.01

0.05

C

10.5

0.006525

0.031

0.02

0.015

0.0055

D

10

0.005411

0.025

0.015

0.012

0.005

E

13

0.011937

0.05

0.035

0.03

0.0075

E

33

0.011937

0.05

0.035

0.03

0.0075

Perhitungan dan pengukuran ulang pada

menghantarkan arus

mH

hingga 11 ampere

[6]

inti toroid ‘E’ lain dengan jumlah lilitan 33 lilit

sehingga agar dapat dilalui arus sebesar 60

dilakukan untuk memastikan bahwa nilai

ampere tanpa menimbulkan panas, lilitan kawat

permeabititas relatif inti toroid tersebut sama.

berdiameter 0,8 mm tersebut dirangkap hingga

kawat

6 rangkap. Namun ternyata penambahan kawat

email didasarkan atas frekuensi maksimum

tersebut masih kurang karena saat dilalui arus

yang dapat dilalui kawat tersebut agar tidak

sekitar 40 A, kawat lilitan pada induktor masih

menimbulkan panas akibat skin depth efect

menimbulkan panas hingga kisaran 60oC.

yaitu arus hanya melewati bagian luar dari

Selain itu ada dugaan bahwa luas penampang

suatu kawat akibat frekuensi yang terlalu

iris inti toroid juga kurang sehingga ikut

tinggi. Untuk itu, dipilih kawat berukuran

menambah panasnya induktor saat dilalui arus

diameter 0,8 mm yang mempunyai spesifikasi

besar.

Pemilihan

besarnya

diameter

[6]

karena

Pembuatan induktor dilakukan dengan 2

frekuensi switching yang akan digunakan

buah inti toroid ‘E’ disusun bertumpuk untuk

dalam pembuatan buck converter ini adalah 20

mendapatkan luas penampang iris yang lebih

kHz. Ukuran kawat dengan diameter 0,8 mm

besar serta merangkap kawat untuk dililit

tersebut berdasarkan standar AWG dapat

sebanyak 16 rangkap. Kemudian dilakukan

frekuensi

58

maksimum

27kHz


perhitungan ulang untuk mendapatkan jumlah

Penentuan Nilai Kapasitor Penentuan

lilitan yang diperlukan agar didapatkan nilai induktansi sebesar 25mH sebagai berikut: L=

μ π

N = N = =

=μ μ

L. D μ .μ .r

25. 10 . 50. 10 2.7,5 . 10 + 2.60. 10 4π. 10 . 3350. ( ) 2π 1250. 10 = 643,03 4π . 3350 . 462

N = 25,36

Dari hasil perhitungan tersebut, dibuatlah

nilai

kapasitor

dengan menggunakan persamaan (3) dimana nilai tegangan ripple ∆VO ditentukan pada spesifikasi

awal

yaitu

sebesar

120

mV

sedangkan nilai duty cycle D, seperti halnya dalam penghitungan nilai induktor, dicari menggunakan persamaan (6) dan ditentukan pada nilai tegangan input maksimal yaitu 72 volt sehingga nilai kapasitor adalah sebagai berikut: =

(1 − 0,167)(12) (8)(1,25X10 )(20000 )(120X10 )

lilit. Konstruksi pembuatan induktor tersebut

C

dapat dilihat pada Gambar 4.

Pengendali dan Pembangkit PWM

induktor dengan jumlah lilitan sebanyak 26

dihitung

= 20,83 μF

TL494 merupakan rangkaian terintegrasi yang berfungsi sebagai rangkaian pembangkit PWM. Didalamnya sudah terdapat komparator yang dapat digunakan untuk membandingkan nilai tegangan keluaran dengan set point yang Gambar 4. Konstruksi pembuatan induktor

diinginkan

[5]

.

Pada

perancangan

dan

pembuatan buck converter ini, hasil komparasi nilai tegangan keluaran dengan set point berupa nilai kesalahan (error) dikuatkan dengan gain 100 kali membentuk pengendali proporsional. Pengendali proporsional dipilih karena sangat sederhana, sekalipun mempunyai steady state error (kesalahan tunak). Gambar 5. Induktor yang dibuat dan contoh inti toroid yang digunakan Pada Gambar 5 dapat dilihat induktor yang telah dibuat dan disandingkan dengan contoh inti toroid yang digunakan. Setelah dibuat, induktor diukur menggunakan LCR meter dan nilai induktansinya 25,1 mH.

Gambar 6. Rangkaian IC TL494 sebagai pembangkit PWM untuk buck converter yang menggunakan IGBT tipe N [9] Gambar 6 memperlihatkan rangkaian pengendali

dan

pembangkit

PWM 59



menggunakan IC TL494 untuk buck converter

akan ON dan membuat VGD = 0 volt sehingga

yang menggunakan IGBT tipe N. Sedangkan

MOSFET akan OFF. Sedangkan saat kondisi

untuk buck converter yang menggunakan P-

PULSE bernilai rendah, T4 akan OFF, T3 akan

Channel MOSFET, transistor QPS dihilangkan

ON sehingga T2 dan T1 akan OFF dan

dan jalur PULSE langsung terhubung ke kaki 8

membuat VGD= -18 volt sehingga MOSFET

dan 11 dari IC tersebut.

akan ON.

Pada Gambar 6, tegangan VO yang

Jalur PULSE akan langsung terhubung

masuk ke kaki 1 sebelumnya telah melewati

pada kaki 8 dan 11 IC TL494 yang merupakan

rangkaian pembagi tegangan yang dapat diatur

kolektor dari transistor internal sehingga saat

menggunakan resistor variabel sehingga untuk

terjadi ‘duty cycle positif’, transistor tersebut

tegangan keluaran 12 volt akan dihasilkan

akan ON dan tegangan keluaran kolektor akan

tegangan

Untuk

menjadi 0 volt. Sedangkan rangkaian driver

pembandingnya diambil dari tegangan referensi

untuk IGBT tipe N menggunakan IC bootstrap

internal sebesar 5 volt yang dilewatkan pada

IR2110 seperti pada Gambar 8.

sekitar

0,8

volt.

resistor pembagi tegangan Ra dan Rb sehingga didapatkan tegangan sekitar 0,8 volt.

Rangkaian Snubber Pengukuran

Untuk pembatas arus, tegangan yang

awal

dilakukan

untuk

dihasilkan oleh sensor arus akan langsung

melihat bentuk gelombang tegangan VCE saat

dibandingkan dengan tegangan yang diatur

pengaturan frekuensi switching. Gambar 9

oleh resistor variabel RI sehingga jika terjadi

merupakan data pengukuran tegangan AC oleh

arus berlebih, duty cycle PWM akan bernilai 0.

osiloskop digital Tetronic dimana channel 1

Rangkaian Driver MOSFET / IGBT Untuk

rangkaian

driver

P-Channel

MOSFET yang akan ON jika tegangan VGD bernilai -10 volt hingga -20 volt, digunakan

merupakan tegangan VCE dengan penguatan probe 10 kali, sedangkan channel 2 merupakan tegangan yang dihasilkan oleh sensor arus ACS706ELC-20A

dengan

sensitifitas

100

mV/A.

rangkaian seperti tampak pada Gambar 7.

Hasil pengukuran menunjukkan bahwa pada

frekuensi 20 kHz untuk tegangan

masukan Vs sebesar 44 volt dan arus beban sekitar 15 ampere, terjadi spike pada tegangan VCE yang mencapai sekitar 140 volt pada saat IGBT transisi dari ON ke OFF. Agar IGBT Gambar 7. Rangkaian driver P-channel MOSFET Saat kondisi PULSE bernilai tinggi, T4 akan ON, T3 akan OFF sehingga T2 dan T1 60

yang

hanya

mempunyai

rating

tegangan

maksimum 600 volt tidak rusak saat diberi beban penuh, maka ditambahkan rangkaian snubber.

Rancang Bangun Buck Converter 12 Volt 60 Ampere Ketenagalistrikan Dan Energi Terbarukan P-Channel Mosfet Dan IGBT Tipe N Menggunakan Vol. 11 No.1 Juni 2012 : 53 - 66

Gambar 9. Bentuk gelombang tegangan VCE

Gambar 10. Bentuk gelombang tegangan VCE (CH1) dan arus IE (CH2) pada IGBT saat switching menggunakan snubber dengan nilai Cs 330nF dan Rs 100Ω. Uji coba awal dilakukan untuk melihat pengaruh

penambahan

rangkaian

snubber

dimana nilai kapasitor dan resistor dipilih acak. Hasilnya tampak pada Gambar 10 yang menunjukkan bahwa rangkaian snubber yang akan digunakan dapat mengurangi spike yang terjadi.

+15V Pin 3 2 1

In_H C1 10uF

Pout

U1 9 10 11 12 13 8

VDD HIN SD LIN VSS NC

HO VB VS NC VCC COM LO

7 6 5 14 3 2 1

G_H E_H C2 3.3uF

Dz 18V

IR2110-1 C3

D1 1N4007

1 2 3 4

+18V

3.3uF GND

Gambar 8. Rangkaian driver untuk IGBT tipe N [8]

61



Untuk mendapatkan nilai kapasitor yang

mendisipasi daya antara 300 watt hingga 500

tepat, digunakan persamaan (9) dimana nilai tf

watt yang dipengaruhi oleh temperatur larutan

ditentukan berdasarkan Gambar 9 yaitu sekitar

dan banyaknya katalis (KOH) yang terlarut.

10µS. Penghitungan untuk nilai Vf =300 volt

Kedua jenis beban ini dikombinasikan dalam

adalah sebagai berikut:

pengujian yang dilakukan.

C =

=

(

)

(

)

= 1μF

Sehingga nilai resistansi maksimal untuk resistor snubber adalah: R =

8,33. 10 = 2,78Ω 3(10 )

Daya yang harus dapat diserap oleh resistor dapat dihitung sebagai berikut: P = 0,5(10 )(72 )(20000) = 51,84 W

Gambar 11. Foto pengujian 2 buah buck converter yang dibuat

Rangkaian snubber direalisasikan dengan

Pengambilan data dilakukan secara real-

nilai kapasitor 1µF dan 4 buah resistor 10Ω/20W

time menggunakan data acquisition system

yang dipasang paralel sehingga menghasilkan

National Instrument PCI-6024E/CB-68LP yang

nilai resistansi 2,5Ω dan daya yang dapat diserap

dapat terintegrasi dengan program Simulink dari

mencapai 80 W.

MATLAB sehingga hasil pengujian ditampilkan

HASIL DAN PEMBAHASAN

dalam bentuk grafik seperti yang dapat dilihat

Pengujian dilakukan dengan menggunakan 3 buah power supply switching yang disusun seri

pada Gambar 12 sampai Gambar 15. Untuk

melihat

pengaruh

perubahan

agar didapatkan tegangan masukan yang tinggi.

tegangan masukan saat buck converter dibebani,

Power supply yang digunakan terdiri dari 2 buah

dilakukan pengujian dengan memberi beban

power supply 700 watt dengan tegangan

tetap berupa lampu dengan nominal 100 dan 90

keluaran 8,5 volt – 14,5 volt dan 1 buah power

watt yang disusun paralel sehingga menjadi 190

supply 700 watt dengan tegangan keluaran 15

watt dan merubah tegangan masukan.

volt seperti yang tampak pada Gambar 11. Pada pengujian ini, tegangan keluaran buck converter saat tanpa beban di-set pada 12,6 volt yang diukur menggunakan multimeter. Sebagai beban digunakan 4 buah lampu head mobil dengan tegangan kerja 12 volt dan masing-masing mempunyai 2 filamen yang dapat mendisipasi daya sebesar 90 watt dan 100 watt. Disamping itu juga digunakan larutan elektrolit dengan elektroda tembaga yang dapat 62

Gambar 12. Hasil pengujian terhadap buck converter yang menggunakan P-Channel MOSFET dengan beban tetap saat tegangan masukan diubah


Untuk buck converter dengan P-Channel MOSFET hasil percobaan tampak pada Gambar

demikian, terdapat noise yang terjadi baik pada arus masukan maupun pada arus keluaran.

12. Pada detik ke-10, tegangan masukan diubah dari 28 volt menjadi 44 volt dan tegangan keluaran berubah sekitar 0,3 volt. Sedangkan pada detik ke-30, tegangan diturunkan hingga dibawah 18 volt yaitu 14 volt, sehingga MOSFET bekerja pada daerah linier sebagai emitter follower sehingga keluaran dari buck konverter sama dengan tegangan masukan dikurangi drop pada filter. Sedangkan Gambar

Gambar 14. Hasil pengujian buck converter dengan P-Channel MOSFET saat pemberian beban hingga arus keluaran dapat mencapai spesifikasi desain

13 memperlihatkan hasil percobaan pada buck converter yang menggunakan IGBT tipe N.

Gambar 13. Hasil pengujian terhadap buck converter yang menggunakan IGBT tipe N dengan beban tetap saat tegangan masukan diubah-ubah

Gambar 15. Hasil pengujian buck converter dengan IGBT tipe N saat pembebanan hingga arus keluaran mencapai spesifikasi desain Dengan keterbatasan power supply yang ada, rentang tegangan masukan yang dapat teruji

Untuk melihat kemampuan buck converter

pada beban penuh hanya berkisar dari 28 V

menghasilkan arus sesuai spesifikasi desain,

hingga 44 V. Saat beban diberikan, dimana arus

diberikan beban berupa lampu dan larutan

keluaran mencapai 60 A pada tegangan 28 V,

elektrolit. Hasil percobaan untuk buck converter

tegangan yang dihasilkan power supply turun

yang menggunakan P-Channel MOSFET dapat

seperti yang terlihat pada Gambar 16.

dilihat pada Gambar 14 yang menunjukkan arus telah dapat mencapai di atas 60 ampere. Tegangan

keluaran

relatif

tetap

sekalipun

tegangan masukan turun menjadi sekitar 42 volt. Sedangkan untuk buck converter yang menggunakan IGBT tipe N, hasilnya dapat dilihat pada Gambar 15 dimana nilai arus juga sudah dapat mencapai di atas 60 ampere dan

Gambar 16. Perubahan tegangan masukan pada saat arus keluaran mencapai 60 ampere

tegangan keluaran yang relatif konstan. Namun 63



Untuk menguji rentang tegangan masukan yang lebih lebar, digunakan fuel cell sebagai

(detik ke-30 sampai detik ke-50), efisiensinya mencapai sekitar 65%.

penyedia daya. Hasilnya dapat dilihat pada Gambar 17. Pada arus beban mencapai 40 A, tegangan keluaran fuel cell turun hingga 16 V dan menyebabkan tegangan keluaran buck converter ikut turun hingga 11,2 V. Untuk arus beban yang sama, pada tegangan masukan mencapai 20 volt, tegangan keluaran buck converter 12 V. Pada tegangan masukan 18 V, tegangan keluaran 11,6 volt. Namun pada tegangan masukan 25 volt, tegangan keluaran buck converter masih 12,6 V. Gambar 18. Daya dan efisiensi buck converter yang menggunakan P-Channel MOSFET

Gambar 17. Perubahan tegangan keluaran buck converter saat terjadi perubahan tegangan masukan akibat pembebanan pada fuel cell sebagai penyedia daya Efisiensi Daya Daya dan efisiensi untuk buck converter yang menggunakan P-Channel MOSFET dapat dilihat pada Gambar 18. Pada saat pemberian beban hingga arus mencapai spesifikasi desain (detik ke-20 sampai detik ke-45), efisiensi buck converter

yang

menggunakan

P-Channel

MOSFET dapat mencapai sekitar 75%. Sedangkan daya dan efisiensi untuk buck converter yang menggunakan IGBT tipe N dapat dilihat pada Gambar 19. Pada saat pemberian beban hingga arus mencapai spesifikasi desain

64

Gambar 19. Daya dan efisiensi buck converter yang menggunakan IGBT tipe N Hasil pengujian menunjukkan bahwa pada setting tegangan keluaran 12,6 volt dan frekuensi switching sekitar 20 kHz, kedua buck converter menghasilkan tegangan keluaran yang masih ikut berubah sekitar 0,3 volt saat terjadi perubahan tegangan masukan dan pembebanan.


Hal ini kemungkinan akibat tipe pengendali

DAFTAR PUSTAKA

proporsional

[1]

Hart, Daniel W., 1997. Introduction to Power Electronics International Edition. Upper Saddle River, NJ: Prentice-Hall Inc.

[2]

Dahono, Pekik Argo., Topologi Konverter DC-DC, [online].http://konversi. wordpress.com/ 2009/01/07/topologikonverter-dc-dc [23 Desember 2011].

[3]

Mohan, Ned., Undeland, Tore M. & Robbins, William P., 2003. Power Electronics: Converters, Applications, and Design Third Edition. John Wiley &Sons.

[4]

Nave, Carl R., Approximate Inductance of a Toroid, Hyper Physic, Department of Physics and Astronomy - Georgia State University, [online]. http://hyperphysics. phy-astr.gsu.edu/hbase/magnetic/ indtor.html#c1 [3 November 2011].

[5]

Kazimierczuk, Marian K., 2008. Pulsewidth Modulated DC–DC Power Converters. West Sussex: John Wiley & Sons, Ltd.

[6]

PowerStream Technology, Inc., Wire Gauge and Current Limits, [online]. www.powerstream.com/Wire_Size.htm [10 Juni 2011].

[7]

Boylestad, R. & Nashelsky, L., 1999. Electronic Devices And Circuit Theory 7th Edition. New Jersey: Prentice-Hall

[8]

International Rectifier., IR2110/IR2113(s) High and Low Side Driver Datasheet, 2003.

[9]

Griffith, Patrick., Designing Switching Voltage Regulators with the TL494, Application Report, Texas Instruments Incorporated, Dallas, 2005

yang

digunakan

sehingga

menyisakan steady state error. Pada arus beban 40 ampere, range tegangan masukan buck converter adalah 25-63 volt agar keluarannya tetap pada tegangan 12,6 volt. Sedangkan untuk arus beban 60 ampere, range tegangan masukan yang teruji berada pada kisaran 28-44 volt.

KESIMPULAN DAN SARAN Kesimpulan ·

Perancangan dan pembuatan dua buah buck converter dengan menggunakan P-Channel MOSFET dan IGBT tipe N sebagai swicth telah dapat dilakukan.

·

Pada tegangan masukan 44 volt dengan tegangan keluaran 12,6 volt, kedua buck converter dapat mensuplai arus beban hingga 60 ampere.

·

Efisiensi daya untuk buck converter yang menggunakan P-Channel MOSFET dapat mencapai 75%, sedangkan untuk buck converter yang menggunakan IGBT tipe N dapat mencapai 65%.

Saran ·

Perlu

penelitian

lebih

lanjut

untuk

mengurangi noise yang terjadi serta untuk mengetahui adanya EMI yang ditimbulkan, maupun

perancangan

filter

untuk

lanjut

untuk

mengatasinya. ·

Perlu

penelitian

lebih

meningkatkan efisiensi daya pada kedua buck converter tersebut. Hal ini dapat dilakukan mulai dari pemilihan komponen, perancangan driver yang lebih baik, juga rangkaian snubber yang lebih efisien. 65


HALAMAN INI SENGAJA DIKOSONGKAN

RANCANG BANGUN BUCK CONVERTER 12 VOLT 60 AMPERE MENGGUNAKAN P-CHANNEL MOSFET DAN IGBT TIPE N

Recommend Documents