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

Transkripsi

1 50 ANALISIS RUGI-RUGI TOPOLOGI BARU KONVERTER DC-DC RASIO TINGGI 4 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[3]. 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 Arwindra Rizqiawan

2 5 dua fasa dan konverter dc-dc tiga level. Beberapa hasil eksperimen ditampilkan untuk memverifikasi analisis yang dilakukan. 4. 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.[3] 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. I C V CE I D + V C V CE 3 I C I C V CE ( sat ) tr trr Gambar 4.. Bentuk gelombang penyaklaran. Pada Gambar 4., daerah adalah rugi-rugi akibat kenaikan arus kolektor ketika saklar mulai dinyalakan. Daerah 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 [3], [4]. tcf ps_ ON= EItf d o r s+ EIt d o rrfs+ Edfq s rr (4.) Arwindra Rizqiawan

3 5 Sedangkan rugi-rugi pada saat saklar mati dinyatakan dengan [3], [4]. p = E f I t (4.) S_ OFF d s o cf Dimana E d adalah tegangan sumber, f s adalah frekuensi penyaklaran, I o adalah arus sumber ketika saklar dinyalakan, q rr 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 [4]. tr = Tr + CtrIo (4.3) tcf = Tcf + Ccf Io (4.4) trr = Trr + CrrIo (4.5) qrr = Qrr + CqrIo (4.6) Sehingga rugi-rugi penyaklaran dapat dituliskan sebagai p = p + p (4.7) S S_ ON S_ OFF ps = Ed fs( C0 + CIo + CIo ) (4.8) Dimana C = Q (4.9) 0 rr C = Tr + Tcf + Trr + Cqr (4.0) C = C + C + C (4.) tr cf rr Arwindra Rizqiawan

4 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 + RTIS (4.) Dimana V T adalah tegangan pada saklar ketika menyala, R T adalah resistansi pada saklar dan I S adalah arus yang mengalir pada saklar. Rugirugi konduksi pada saklar dapat dinyatakan sebagai p = VI + RI (4.3) T T S Srms 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., arus beban I o akan mengalir melalui S dan S 4 ketika S dan S 4 menyala. Ketika saklar S 4 dimatikan maka arus beban akan mengalir melalui S dan S 3. E d S a vab S 3 b L i o Load vo n S S 4 Gambar 4.. Konverter dc-dc rasio tinggi. Berdasarkan kondisi tersebut maka arus rata-rata yang mengalir pada masing-masing saklar dapat dinyatakan dengan Arwindra Rizqiawan

5 54 T I = I = DI (4.4) ons S o o TsS T I = I = D I (4.5) ( ) offs S o o TsS T I = I = D I (4.6) ons 3 S3 o o TsS 3 T I = I = D I (4.7) ( ) offs 3 S4 o o TsS 3 Dimana T ons dan T ons3 adalah waktu nyala S dan S 3 ; T offs dan T offs3 adalah waktu padam S dan S 3 ; T ss dan T ss3 adalah perioda pensaklaran S dan S 3 ; D dan D adalah duty cycle untuk masing-masing S dan S 3. Arus efektif yang mengalir pada saklar dapat dinyatakan dengan: T ons S, rms= o = o TsS 0 I Idt DI (4.8) Dengan menggunakan cara yang sama diperoleh arus rms yang melewati saklar-saklar lainnya I ( ) = D I (4.9) S, rms o I = DI (4.0) S3, rms o ( ) I = D I (4.) S4, rms o 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 S, maka pers.(4.4) dan pers.(4.8) disubstitusikan ke dalam pers.(4.8) menghasilkan persamaan: PsS = Ed fs( C0 + CDI o + CDI o ) (4.) Arwindra Rizqiawan

6 55 Dimana P ss adalah rugi-rugi penyaklaran pada saklar S. Substitusi pers.(4.7) dan (4.) ke dalam pers.(4.8) menghasilkan rugi-rugi penyaklaran yang terjadi pada saklar transistor S 4 adalah PsS4 = Ed fs( C0 + C( D) Io + C( D) Io ) (4.3) Rugi-rugi penyaklaran total pada konverter dc-dc rasio tinggi yang diusulkan merupakan total dari rugi-rugi penyaklaran yang terjadi pada transistor S dan S. P = P + P (4.4) s ss ss 4 Ps = Ed fs( C0 + C( + D D) Io + C( + D D) Io ) (4.5) Dengan mengingat kembali pers.(3.) maka pers.(4.5) dapat dituliskan kembali menjadi: Ps = Ed fs( C0 + C( + α) Io + C( + α) Io ) (4.6) Untuk rugi-rugi konduksi, terjadi pada semua saklar baik transistor S dan S 4 maupun dioda S dan S 3. Rugi-rugi konduksi untuk masing-masing saklar didapat dengan cara memasukkan arus yang melewati saklar yang didapat sebelumnya ke pers.(4.3) sehingga diperoleh P = V DI + R DI (4.7) cs T o T o ( ) ( ) P = V D I + R D I (4.8) cs D o D o P = V D I + R D I (4.9) cs3 D o D o ( ) ( ) P = V D I + R D I (4.30) cs4 T o T o Dimana P cs -P cs4 adalah rugi-rugi konduksi pada saklar, V T adalah tegangan pada transistor saat konduksi, R T adalah resistansi pada transistor, V D adalah tegangan pada dioda saat konduksi, dan R D adalah Arwindra Rizqiawan

7 56 resistansi pada dioda. Rugi-rugi konduksi total didapat dari penjumlahan semua rugi-rugi konduksi pada setiap saklar, yaitu P = P + P + P + P (4.3) c cs cs cs3 cs4 Dimana P c adalah rugi-rugi konduksi total pada konverter dc-dc rasio tinggi yang diusulkan. Substitusi pers.(4.7)-(4.30) dan pers.(3.) ke dalam pers.(4.3) menghasilkan ( α) ( α) ( α) ( α) P = V + I + R + I + V I + R I (4.3) c T o T o D o D o 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 P S adalah rugi-rugi total yang terjadi pada saklar. Substitusi pers.(4.6) dan (4.3) ke pers.(4.33) akan menghasilkan rugi-rugi total yang terjadi pada saklar di konverter dc-dc rasio tinggi yang diusulkan P S Ed fs( C0 + C( + α) Io + C( + α) Io ) + = VT ( α) Io RT ( α) Io VD( α) Io RD( α) I o (4.34) 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. 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 Arwindra Rizqiawan

8 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 rasiotinggi duafasa tigalevel Rugi-rugi total (W) Arus Keluaran (A) 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. dengan MOSFET dipilih sebagai divais saklarnya. Tegangan kerja dipilih 50V dan tapis induktor 0 mh dipasang pada sisi keluaran. Konverter dc-dc rasio tinggi ini dioperasikan pada duty cycle 0. dengan frekuensi penyaklaran sebesar 5 khz. Arwindra Rizqiawan

9 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. 5 rugi-rugi total (eksperimen) grafik esktrapolasi 0 Rugi-rugi pada Saklar (W) Rugi-rugi konduksi Frekuensi Penyaklaran (khz) 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. Arwindra Rizqiawan

10 perhitungan rugi total perhitungan rugi konduksi eksperimen rugi total eksperimen rugi konduksi Rugi-rugi (W) Arus Keluaran (A) 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[8]. Hasil eksperimen telah ditunjukkan untuk memverifikasi analisis rugi-rugi pada saklar yang dilakukan. Arwindra Rizqiawan