Perancangan dan Implementasi DC-DC Interleaved Buck Converter dengan Kapasitor Kopling

Transkripsi

1 Proseding Seminar Tugas Akhir Teknik Elektro FTI-ITS, Juni Perancangan dan Implementasi DC-DC Interleaved Buck Converter dengan Singgih Supramono, Dedet C. Riawan 1), dan Arif Musthofa 2). Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya dedet@ee.its.ac.id 1), arif@ee.its.ac.id 2) Abstrak --- Konverter DC ke DC merupakan peralatan yang berfungsi untuk menaikkan atau menurunkan tegangan atau arus DC. Konverter DC ke DC memiliki banyak jenis salah satunya adalah rangkaian DC-DC Interleaved Buck Converter (IBC) dengan. Pada Tugas Akhir ini akan dirancang dan diimplementasikan rangkaian DC-DC IBC dengan. Rangkaian DC-DC IBC dengan yang dirancang dan diimplementasikan memiliki fungsi yang sama dengan rangkaian DC-DC Interleaved Buck Converter (IBC) Konvensional. Akan tetapi, memiliki rasio konversi penurunan tegangan DC yang tinggi serta rugi-rugi pensaklaran yang rendah, sehingga efisiensinya tinggi. Hasil implementasi menunjukkan bahwa rangkaian DC-DC IBC dengan memiliki efisiensi sebesar 88.31% pada tegangan masukan 60 V dan tegangan keluaran 12 V. Selain itu, konversi penurunan tegangan DC-nya dua kali lebih rendah, dimana untuk tegangan masukan 60 V dan duty cycle 40% diperoleh tegangan keluaran sebesar 11.5 V. Kata kunci Interleaved Buck Converter (IBC), rasio konversi, kapasitor kopling, duty cycle. D I. PENDAHULUAN I era modern seperti sekarang ini, penggunaan catu daya DC semakin banyak. Oleh sebab itu, diperlukan suatu sistem yang dapat mengkonversi tegangan DC dari suatu tingkat tegangan ke tingkat tegangan lain. Salah satu sistem yang dapat mengkonversikan tegangan DC ke tegangan DC yang lebih rendah adalah rangkaian DC-DC Interleaved Buck Converter (IBC) Konvensional. Akan tetapi, rangkaian DC- DC IBC Konvensional memiliki banyak kekurangan dalam menurunkan tegangan DC antara lain, memiliki rugi-rugi daya yang besar akibat beroperasi dengan hard switching. Rugi daya ini akan semakin bertambah besar apabila frekuensi switching juga bertambah besar[1]. Nilai frekuensi switching yang digunakan pada konverter berkisar antara 10 Hz sampai 5 MHz tergantung dengan penggunaan[2]. Selain itu, rangkaian DC-DC IBC Konvensional harus menggunakan komponen dengan rating tegangan diatas tegangan masukan. Hal ini disebabkan karena semua tegangan pada komponen rangkaian DC-DC IBC Konvensional sama dengan tegangan masukan. Untuk mengatasi kekurangan dari rangkaian DC-DC Interleaved Buck Converter Konvensional dilakukan pengembangan. Salah satu pengembangannya adalah rangkaian DC-DC Interleaved Buck Converter (IBC) dengan [3]. Rangkaian DC-DC IBC dengan memiliki fungsi yang sama dengan rangkaian DC-DC IBC Konvensional. Akan tetapi, memiliki banyak kelebihan dalam menurunkan tegangan DC. Gambar 1 menunjukkan skema dasar rangkaian DC-DC IBC Konvensional sebagai berikut. Gambar 1. Skema dasar rangkaian DC-DC IBC Konvensional II. INTERLEAVED BUCK CONVERTER DENGAN KAPASITOR KOPLING DAN STRATEGI SWITCH Rangkaian DC-DC Interleaved Buck Converter (IBC) dengan merupakan gabungan dari dua buah buck converter yang dihubungkan dengan kapasitor kopling. Skema dasar dari rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling hampir sama dengan rangkaian DC-DC IBC Konvensional. Akan tetapi, dua buah switch atau saklar aktifnya dihubungkan secara seri. Dua buah switch atau saklar aktif, penyalaannya memiliki pergeseran sudut sebesar 180 o. Tegangan keluaran dari rangkaian DC-DC IBC dengan ditentukan dengan mengatur duty cycle pada frekuensi switching. Gambar 2 merupakan skema dasar rangkaian DC-DC IBC dengan. Gambar 2. Skema dasar rangkaian DC-DC IBC dengan A. Analisis Kondisi Tunak Mode operasi rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling dengan duty cycle 50% ada empat sebagai berikut. Mode operasi 1 Mode operasi 1 dimulai ketika switch 1 (Q 1 ) tertutup sedangkan switch 2 (Q 2 ) terbuka sebagaimana ditunjukkan pada gambar 3 sebagai berikut. Gambar 3. Mode operasi 1 rangkaian DC-DC IBC dengan

2 Proseding Seminar Tugas Akhir Teknik Elektro FTI-ITS, Juni Pada mode operasi ini induktor 1 (L 1 ) mengalami charge sedangkan induktor 2 (L 2 ) mengalami discharge. Persamaan matematis induktor 1 (L 1 ) sebagai berikut. Persamaan matematis induktor 2 (L 2 ) sebagai berikut. ( ) Mode operasi 2 Mode operasi 2 dimulai ketika switch 1(Q 1 ) terbuka dan switch 2(Q 2 ) masih tetap terbuka sebagaimana ditunjukkan pada gambar 4 sebagai berikut. Tabel 1. Parameter rangkaian IBC dengan Parameter Nilai Tegangan Masukan 60 V Tegangan Keluaran 12 V Resistansi 6 Ω Frekuensi Switching 20 khz Ripple Arus Induktor 35 % Ripple 0.75 % Ripple Kapasitor Keluaran 0.1 % A. Penentuan Rasio Konversi Penurunan (M) dan Duty Cycle Nilai duty cycle (D) ditentukan dengan menggunakan persamaan sebagai berikut. Sedangkan nilai rasio konversi penurunan (M) sebagai berikut. Gambar 4. Mode operasi 2 rangkaian DC-DC IBC dengan Pada mode operasi ini induktor 1 (L 1 ) dan induktor 2 (L 2 ) mengalami discharge. Persamaan matematis sebagai berikut. ( ) = ( ) = V o Mode operasi 3 Mode operasi 3 dimulai ketika switch 2 (Q 2 ) tertutup sedangkan switch 1(Q 1 ) masih tetap terbuka sebagaimana ditunjukkan pada gambar 5 sebagai berikut. B. Penentuan Nilai ( Nilai kapasitansi dari kapasitor kopling ditentukan dengan menggunakan persamaan sebagai berikut. C. Penentuan Nilai Induktor (L) Nilai induktansi dari induktor 1 ( ) dan induktor 2 ( ) dapat ditentukkan dengan persamaan sebagai berikut. D. Penentuan Nilai Kapasitor Keluaran (C o ) Nilai kapasitansi kapasitor keluaran dapat ditentukan dengan persamaan sebagai berikut. Gambar 5. Mode operasi 3 rangkaian DC-DC IBC dengan Pada mode ini induktor 2 (L 2 ) mengalami charge sedangkan induktor 1 (L 1 ) mengalami discharge. Persamaan matematis induktor 2 (L 2 ) sebagai berikut. Persamaan matematis induktor 1 (L 1 ) sebagai berikut. ( ) Mode operasi 4 Mode operasi 4 dimulai ketika switch 2 (Q 2 ) terbuka dan switch 1 (Q 1 ) masih tetap terbuka. Mode operasi 4 ini memiliki prinsip kerja sama dengan mode operasi 2 yang telah dijelaskan sebelumnya. III. PERANCANGAN RANGKAIAN DC-DC INTERLEAVED BUCK CONVERTER DENGAN KAPASITOR KOPLING. Parameter-parameter perancangan rangkaian DC-DC IBC dengan ditentukan seperti yang terdapat pada tabel 1 berikut ini. Berdasarkan hasil perhitungan dari persamaan masingmasing komponen dengan menggunakan parameter yang ada pada tabel 1 didapatkan nilai dari seluruh komponen sebagaimana ditunjukkan pada tabel 2. Selain itu, pada tabel 2 juga ditunjukkan nilai komponen pada kondisi real-nya. Tabel 2. Nilai komponen rangkaian DC-DC IBC dengan hasil perhitungan dan real-nya Komponen Perhitungan Real Induktor 1 Induktor 2 Kapasitor Keluaran Resistansi 6 Ω 6 Ω Mosfet 1 & V, 20 A Dioda 1 & 2 600V, 10A E. Implementasi Rangkaian DC-DC Interleaved Buck Converter dengan dan Rangkaian DC- DC Interleaved Buck Converter Konvensional secara keseluruhan Implementasi dari rangkaian DC-DC IBC dengan dan rangkaian DC-DC IBC Konvensional secara keseluruhan ditunjukkan pada gambar 6 berikut.

3 Proseding Seminar Tugas Akhir Teknik Elektro FTI-ITS, Juni INPUT POWER SUPPLY 60V POWER SUPPLY 18 VOLT IBC dengan KAPASITOR KOPLING BEBAN RESISTANSI I L I L I CB V CB OPTOCOUPLER & TRANSISTOR GATE DRIVER LCD & KEYPAD Gambar 6. Prototype rangkaian DC-DC IBC dengan dan prototype rangkaian DC- DC IBC Konvensional secara keseluruhan. F. Rangkaian DC-DC Interleaved Buck Converter dengan pada Simulasi Rangkaian DC-DC IBC dengan pada simulasi ditunjukkan pada gambar 7 sebagai berikut. Gambar 7. Rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling pada simulasi. G. Pengujian Desain dan Simulasi Rangkaian DC-DC Interleaved Buck Converter dengan Pengujian desain dan simulasi rangkaian DC-DC IBC dengan bertujuan untuk menguji kesesuaian bentuk gelombang semua komponen dari rangkaian yang didesain dan disimulasikan. Pengujian desain dan simulasi rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling ini dilakukan dengan parameter antara lain duty cycle 40 %, tegangan masukan 60 V dan beban resistansi 6 Ω. Gambar 8 menunjukkan hasil pengujian desain dan simulasi rangkaian DC-DC IBC dengan. V Q I Q (a) I Q V Q MIKROKONTROLER IBC KONVENSIONAL I D V D I D (b) V D RANGKAIAN SNUBBER (c) (d) Gambar 8. Gelombang tegangan dan arus hasil pengujian simulasi, (a) saklar 1 & 2, (b) dioda 1 & 2, (c) arus induktor 1 & 2, (d) kapasitor Kopling. H. Pengujian Simulasi Rangkaian DC-DC Interleaved Buck Converter dengan terhadap Perubahan Pengujian simulasi rangkaian DC-DC IBC dengan terhadap perubahan beban dilakukan dengan parameter antara lain, tegangan masukan dan tegangan keluaran dibuat konstan 60 V dan 12 V. Hasil pengujian simulasi rangkaian DC-DC IBC dengan terhadap perubahan beban ditunjukkan pada tabel 3 berikut. Tabel 3. Hasil pengujian simulasi IBC dengan Kapasitor Kopling terhadap perubahan beban (ma) (A) (Watt) (Watt) (Ω) Data hasil simulasi yang ditunjukkan pada tabel 3 ternyata tidak dapat digunakan untuk menentukan nilai efisiensi karena semua komponen didalam simulasi berada pada kondisi ideal atau tanpa rugi-rugi. Gambar 9 merupakan hasil simulasi rangkaian DC-DC IBC dengan saat daya keluaran 100 %.. V out I out Gambar 9. Hasil simulasi saat daya keluaran 100 % I. Pengujian Simulasi Rangkaian DC-DC Interleaved Buck Converter dengan terhadap Perubahan Duty Cycle Pengujian simulasi rangkaian DC-DC IBC dengan terhadap perubahan duty cycle digunakan untuk mengetahui besarnya perubahan tegangan yang bisa dihasilkan oleh konverter tersebut. Pengujian ini dilakukan dengan parameter antara lain, perubahan duty cycle mulai dari 10 % sampai 50 %, beban resistansi 6 Ω dan tegangan masukan 60 V. Hasil pengujian simulasi rangkaian DC-DC IBC dengan terhadap perubahan duty cycle ditunjukkan pada tabel 4 sebagai berikut.

4 Proseding Seminar Tugas Akhir Teknik Elektro FTI-ITS, Juni Tabel 4. Hasil pengujian simulasi IBC dengan kapasitor kopling terhadap perubahan duty cycle. Duty Cycle (ma) (A) Teori Error Pada tabel 4, dapat dilihat bahwa saat duty cycle dinaikkan maka tegangan keluaran juga akan naik. Gambar 10 merupakan hasil simulasi rangkaian DC-DC IBC dengan kapasitor kopling pada saat duty cycle 40 %. Gambar 11. Gelombang tegangan dan arus hasil pengujian prototype, (a) saklar 1 & 2, (b) dioda 1 & 2, (c) arus induktor 1 & 2, (d) kapasitor Kopling. Gambar 12 menunjukkan hasil pengujian desain dan implementasi prototype rangkaian DC-DC IBC Konvensional. (a) (b) V out I out Gambar 10. Hasil simulasi saat duty cycle 40 %. IV. HASIL PENGUJIAN DAN ANALISIS DATA A. Pengujian Desain dan Implementasi Prototype Rangkaian DC-DC Interleaved Buck Converter dengan Kapasitor Kopling dan Prototype Pembanding Pengujian desain dan implementasi pada prototype rangkaian DC-DC IBC dengan memiliki tujuan untuk menguji kesesuaian bentuk gelombang tegangan dan arus dari semua komponen yang ada pada prototype yang diimplementasikan. Pengujian ini dilakukan dengan parameter yang sama dengan pengujian simulasi. Akan tetapi, untuk prototype pembanding parameter duty cycle-nya 20%. Gambar 11 menunjukkan hasil pengujian desain dan implementasi prototype rangkaian DC-DC IBC dengan. (a) (c) (b) (d) (c) Gambar 12. Gelombang tegangan dan arus hasil pengujian prototype, (a) saklar 1 & 2, (b) dioda 1 & 2, (c) arus induktor 1 & 2. Pada gambar 11 dapat dilihat bahwa tegangan pada semua komponen sama dengan tegangan pada kapasitor kopling, kecuali tegangan pada saklar atau switch 2( ). Akan tetapi, tegangan pada saklar atau switch 2 dapat bernilai sama dengan tegangan pada kapasitor kopling saat saklar atau switch 2 belum di on -kan dan setelah di off - kan. Sedangkan pada gambar 12 dapat dilihat bahwa tegangan pada semua komponen sama dengan tegangan masukan. Selain itu, pada gambar 11 (c) dan gambar 12 (c) dapat dilihat bahwa nilai ripple arus induktor dari prototype rangkaian DC- DC IBC dengan lebih kecil daripada prototype rangkaian DC-DC IBC Konvensional. B. Pengujian Prototype Rangkaian DC-DC Interleaved Buck Converter dengan dan Prototype Pembanding terhadap Perubahan Pengujian prototype rangkaian DC-DC IBC dengan terhadap perubahan beban digunakan untuk mengetahui besarnya nilai efisiensi dari konverter yang diimplementasikan. Pengujian prototype terhadap perubahan beban dilakukan dengan parameter yang sama dengan pengujian rangkaian simulasi. Hasil pengujian prototype rangkaian DC-DC IBC dengan terhadap perubahan beban ditunjukkan pada tabel 5 sebagai berikut. Tabel 5. Hasil pengujian prototype IBC dengan Kapasitor Kopling terhadap perubahan beban. (ma) (A) (Watt) (Watt) (Ω) Eff Pada tabel 5 dapat dilihat bahwa nilai efisiensi dari prototype yang tertinggi adalah 88.31% yang terjadi pada daya

5 Proseding Seminar Tugas Akhir Teknik Elektro FTI-ITS, Juni keluaran 40 %. Sedangkan nilai efisiensi yang terendah adalah % yang terjadi pada daya keluaran 20 %. Gambar 13 menunjukan grafik daya keluaran terhadap efisiensi dari prototype rangkaian DC-DC IBC dengan terhadap perubahan beban. Efisiensi Gambar 13. Grafik daya keluaran terhadap efisiensi dari prototype. Gambar 14 menunjukkan salah satu hasil pengujian prototype rangkaian DC-DC IBC dengan saat daya keluaran 100 % IBC dengan Poly. (IBC dengan ) Daya Keluaran (Watt) sebagaimana direpresentasikan oleh grafik pada gambar 15 sebagai berikut. Efisiensi Gambar 15. Grafik daya keluaran terhadap efisiensi dari kedua prototype. Gambar 16 menunjukkan hasil pengujian prototype rangkaian DC-DC IBC Konvensional saat daya keluaran 60 %. IBC dengan IBC Konvensional Poly. (IBC dengan ) Poly. (IBC Konvensional) Daya Keluaran Gambar 14. Hasil pengujian prototype IBC dengan Kapasitor Kopling saat daya keluaran 100 % Sebagai pembanding dilakukan juga pengujian terhadap prototype rangkaian DC-DC IBC Konvensional dengan parameter yang sama. Hasil pengujian prototype rangkaian DC-DC IBC Konvensional terhadap perubahan beban ditunjukkan pada tabel 6 sebagai berikut. Tabel 6. Hasil pengujian prototype IBC Konvensional terhadap perubahan beban (ma) (A) (Watt) (Watt) (Ω) Eff Pada tabel 6, dapat dilihat nilai efisiensi dari prototype rangkaian DC-DC IBC Konvensional yang tertinggi adalah % yang terjadi pada daya keluaran 60 %. Sedangkan nilai efisiensi yang terendah adalah % yang terjadi pada daya keluaran 20 %. Berdasarkan data efisiensi yang terdapat pada tabel 5 dan 6 dapat disimpulkan bahwa nilai efisiensi dari prototype rangkaian DC-DC IBC Konvensional lebih rendah daripada nilai efisiensi dari prototype rangkaian DC-DC IBC dengan Gambar 16. Hasil pengujian prototype IBC Konvensional saat daya keluaran 60 % C. Pengujian Prototype Rangkaian DC-DC Interleaved Buck Converter dengan dan Prototype Pembanding terhadap Perubahan Duty Cycle Pengujian prototype rangkaian DC-DC IBC dengan terhadap perubahan duty cycle digunakan untuk mengetahui besarnya perubahan tegangan yang bisa dihasilkan oleh konverter tersebut. Pengujian ini dilakukan dengan parameter yang sama dengan parameter pengujian rangkaian simulasi. Hasil pengujian prototype rangkaian DC- DC IBC dengan terhadap perubahan duty cycle ditunjukkan pada tabel 7 sebagai berikut. Tabel 7. Hasil pengujian prototype IBC dengan Kapasitor Kopling terhadap perubahan duty cycle Duty Cycle put put (ma) I output (A) Teori/Simulasi Error Pada tabel 7, dapat dilihat bahwa saat duty cycle dinaikkan maka tegangan keluaran juga akan naik sebagaimana direpresentasikan oleh grafik pada gambar 17 sebagai berikut.

6 Proseding Seminar Tugas Akhir Teknik Elektro FTI-ITS, Juni Tegangan Keluaran Duty Cycle Tegangan Keluaran Prototype Tegangan Keluaran Teori / Simulasi Gambar 17. Grafik duty cycle terhadap tegangan keluaran hasil pengujian simulasi dan prototype Gambar 18 menunjukkan hasil pengujian prototype rangkaian DC-DC IBC dengan saat duty cycle 40 %. Tegangan Keluaran Duty Cycle Gambar 19. Grafik duty cycle terhadap tegangan keluaran dari kedua prototype.. Gambar 20 menunjukkan hasil pengujian prototype rangkaian DC-DC IBC Konvensional saat duty cycle 25 %. Tegangan Keluaran Prototype IBC dengan Tegangan Keluaran Prototype IBC Konvensional Gambar 18. Hasil pengujian prototype IBC dengan Kapasitor Kopling saat duty cycle 40 %. Sebagai pembanding dilakukan juga pengujian terhadap prototype rangkaian DC-DC Interleaved Buck Converter Konvensional terhadap perubahan duty cycle dengan parameter yang sama. Hasil pengujian prototype rangkaian DC-DC IBC Konvensional terhadap perubahan duty cycle ditunjukkan pada tabel 8 sebagai berikut. Tabel 8. Hasil pengujian prototype IBC Konvensional terhadap perubahan duty cycle Duty Cycle put put (A) I output (A) Teori Error Pada tabel 8 dapat dilihat bahwa nilai tegangan keluaran dari prototype rangkaian DC-DC IBC Konvensional dua kali lebih besar daripada nilai tegangan keluaran dari prototype rangkaiandc-dc IBC dengan sebagaimana direpresentasikan oleh grafik pada gambar 19 sebagai berikut. Gambar 20. Hasil pengujian prototype IBC Konvensional saat duty cycle 25 %. V. KESIMPULAN Berdasarkan analisis data hasil pengujian serta pembahasan yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa nilai tegangan pada semua komponen dari rangkaian DC-DC IBC dengan bernilai setengah dari tegangan masukan saat saklar atau switch 2 belum di on -kan dan setelah di off -kan ketika beroperasi dengan duty cycle 50%. Sehingga, rugi-rugi pada rangkaian DC-DC IBC dengan dapat direduksi. Disamping itu, rangkaian DC-DC IBC dengan memiliki efisiensi yang lebih tinggi serta nilai ripple arus induktor yang lebih kecil daripada rangkaian DC-DC IBC Konvensional. Rasio konversi penurunan tegangan DC dari rangkaian DC-DC IBC dengan jugalebih tinggi daripada rangkaian DC-DC IBC Konvensional pada duty cycle yang sama. DAFTAR PUSTAKA [1] Y. M. Chen, S. Y. Teseng, C. T. Tsai, and T. F. Wu, Interleaved buck converters with a single-capacitor turn-off snubber, IEEE Trans. Aerosp Electronic Syst., vol. 40, no. 3, pp , Jul [2] Rashid M.H, Power Electronics Handbook, Academic Press, USA, [3] Oun Lee. I, Young Cho.S, and Woo Moon.G, Interleaved Buck Converter Having Low Switching Losses and Improved Step-Down Conversion Ratio, IEEE Trans. Power Electron., vol. 27, no. 8, Augst 2012