PENDEKATAN BARU UNTUK SINTESIS KONVERTER DAYA

Transkripsi

1 5 PENDEKATAN BARU UNTUK 2 SINTESIS KONVERTER DAYA 2.1 Pendahuluan Beberapa teknik sintesis konverter sudah dipakai untuk mendapatkan suatu konverter baru yang memenuhi kriteria yang diinginkan [1]-[10]. Pada [4] telah ditunjukkan bahwa topologi dasar konverter bisa diturunkan dari sebuah sel saklar kanonik. Beberapa peneliti telah membangun suatu teknik membangun konverter daya secara analitik [2]- [3]. Sifat dual dari suatu rangkaian elektrik juga telah terbukti merupakan salah satu alat untuk menghasilkan suatu topologi konverter daya yang baru yang merupakan pasangan dual dari konverter daya tertentu [10]. Konverter daya dengan konfigurasi bertingkat telah diajukan pada [9] untuk menghasilkan suatu konverter daya yang memiliki rasio tegangan tinggi antara masukan dengan keluarannya. Salah satu teknik sintesis konverter adalah dengan mengkombinasikan lebih dari satu konverter daya, baik secara kaskade [6], paralel [2],

2 6 maupun kombinasi konverter. Teknik yang disebutkan belakangan belum terlalu dimanfaatkan dengan baik untuk mensintesis suatu konverter daya. Pendekatan yang dilakukan berdasarkan kombinasi hubungan dari suatu two-port networks tanpa mengabaikan kaidah topologi dasar dari suatu konverter daya. Pendekatan ini dapat diaplikasikan untuk berbagai macam konverter daya tergantung dari keperluan yang kita butuhkan serta dari ketersediaan sumber yang ada. Dengan menggunakan teknik sintesis yang diusulkan, kita dapat mengekstrak keuntungan-keuntungan khusus dari masing-masing konverter untuk menghasilkan suatu konverter yang sesuai dengan kebutuhan tertentu. Sebagai contoh, konverter boost diinginkan untuk beberapa aplikasi karena sifat arus masukannya yang kontinyu. Namun sayangnya konverter boost hanya bisa mengubah tegangan masukan dc menjadi tegangan keluaran dc yang lebih tinggi. Dapatkah kita menghasilkan tegangan dc keluaran yang lebih kecil namun tetap memiliki sifat arus masukan yang kontinyu seperti halnya pada konverter boost? Sama juga pada konverter buck diinginkan pada aplikasi tertentu karena arus keluaran yang kontinyu, namun konverter buck hanya mampu mengubah tegangan dc masukan menjadi tegangan keluaran yang lebih rendah. Dapatkah kita menghasilkan tegangan keluaran yang lebih tinggi namun arus keluaran bersifat kontinyu? Permasalahan lain menggunakan konverter boost atau buck adalah ketika kita menginginkan untuk mengghasilkan tegangan keluaran yang memiliki rasio tinggi apabila dibandingkan dengan tegangan masukannya. Rasio tegangan maksimum yang bisa dihasilkan dibatasi oleh waktu ON dan OFF dari divais pensaklaran yang digunakan. Pada bab ini suatu pendekatan baru untuk sintesis konverter daya diusulkan. Dengan menggunakan teknik sintesis yang diusulkan dapat dihasilkan suatu konverter daya yang mampu menghasilkan tegangan keluaran yang memiliki rasio tinggi dibandingkan dengan tegangan

3 7 masukannya. Beberapa hasil percobaan ditampilkan untuk menunjukkan konverter dc-dc rasio tinggi yang diperoleh. 2.2 Batasan-Batasan Dasar Suatu Topologi Pada proses mensintesis suatu konverter daya batasan-batasan dasar suatu topologi konverter harus tetap dipatuhi. Pada [1] seluruh batasan yang ada telah dijelaskan dengan baik. Beberapa batasan yang dirasa paling utama ditunjukkan pada Gambar 2.1. Ditunjukkan pada Gambar 2.1(a), hanya ada dua konfigurasi yang valid untuk menghubungkan sumber masukan dengan suatu divais saklar. Sumber tegangan hanya boleh dihubungkan seri dengan suatu saklar, sementara hubungan paralel antara sumber tegangan dengan saklar tidak diperbolehkan karena mengakibatkan sumber tegangan terhubung singkat apabila saklar dinyalakan. Sebaliknya, sumber arus tidak boleh dihubungkan seri dengan saklar karena sumber arus tidak boleh terhubung terbuka. Pada kasus menghubungkan dua buah sumber melalui sebuah saklar, hanya terdapat dua buah konfigurasi yang valid, yaitu sumber arus terhubung dengan sumber tegangan melalui saklar secara seri dan sumber tegangan terhubung seri dengan sumber arus melalui saklar yang diletakkan paralel dengan sumber arus. Selain kedua konfigurasi tersebut, maka dapat mengakibatkan hubung singkat apabila saklar dinyalakan, atau mengakibatkan arus tidak dapat mengalir karena potensial yang sama. Batasan-batasan lain yang harus diperhatikan adalah apabila kita memiliki lebih dari satu sumber di sisi masukan konverter, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.1(b). Sumber tegangan hanya boleh dihubungkan secara paralel apabila tegangan pada masing-masing sumber tegangan dijamin sama, sebaliknya sumber arus hanya boleh dihubungkan seri apabila dijamin besarnya arus pada masing-masing sumber arus

4 8 sama. Selain kedua hubungan yang disebutkan sebelumnya merupakan hubungan yang akan berubah menjadi satu sumber saja. Dalam melakukan sintesis konverter dengan pendekatan yang diusulkan, batasan-batasan yang dikemukakan diatas akan tetap dipatuhi, baik untuk hubungan suatu sumber dengan saklar maupun hubungan sumber dengan sumber lainnya. V 1 I 1 V 1 V 1 I 1 I 1 ( a) I 2 V 1 V 2 I 1 V = V 1 2 I = I 1 2 V 1 V 2 I1 I2 ( b) Gambar 2.1. Batasan topologi yang valid. (a) Konfigurasi untuk hubungan sumber dengan saklar. (b) Konfigurasi untuk hubungan sumber dengan sumber. 2.3 Sintesa Konverter Daya Konverter daya satu fasa, baik yang terisolasi maupun tidak, dapat direpresentasikan sebagai two-port networks karena memiliki dua pasang terminal masing-masing di sisi masukan dan sisi keluaran. Sehingga kita memiliki dua buah tegangan dan dua buah arus sebagai variabel rangkaian. Dengan menggunakan representasi two-port networks dari suatu konverter daya ini, kita dapat mengkombinasikan dua buah two-port

5 9 networks tersebut menjadi berbagai kemungkinan kombinasi hubungan. Terdapat empat kemungkinan bentuk hubungan kombinasi dari two-port networks, yaitu 1. Masukan-paralel, keluaran-paralel 2. Masukan-paralel, keluaran-seri 3. Masukan-seri, keluaran-paralel 4. Masukan-seri, keluaran-seri Sehingga dengan memilih konverter daya yang sesuai untuk dihubungkan dengan konverter daya yang lain menggunakan hubungan yang sesuai diantara empat kemungkinan hubungan yang ada, kita akan mendapatkan konverter daya yang memiliki karakteristik yang sesuai dengan keinginan kita. Karakteristik untuk setiap hubungan dijelaskan pada bagian berikutnya Masukan-paralel, keluaran-paralel Hubungan masukan-paralel, keluaran paralel dari dua buah konverter ditunjukkan pada Gambar 2.2. Pada hubungan ini berlaku v = v = v (2.1) i i1 i2 v = v = v (2.2) o o1 o2 i = i i (2.3) i i1 i2 i = i i (2.4) o o1 o2 Berdasarkan pers.(2.1)-(2.4) kita dapat menyimpulkan bahwa hubungan masukan-paralel, keluaran-paralel sesuai untuk keperluan apabila kita menginginkan arus keluaran yang lebih besar sementara kita hanya memiliki satu buah sumber di sisi masukan.

6 10 ii i i 1 i o1 i o v i v i1 Converter 1 v o1 v o i i2 i o2 v i2 Converter 2 v o2 Gambar 2.2. Hubungan masukan-paralel, keluaran-paralel. Kita ambil suatu contoh mensintesis konverter daya dengan menggunakan konfigurasi ini. Misalkan dua buah konverter yang ingin kita hubungkan adalah konverter dc-dc buck seperti ditunjukkan pada Gambar 2.3(a). Gambar 2.3(b) merupakan Gambar 2.3(a) yang disusun ulang untuk alasan kesederhanaan saja untuk mempermudah memparalel dua konverter tersebut. Dengan konfigurasi paralel baik sisi masukan maupun sisi keluaran, maka kedua buah konverter dc-dc buck menjadi konverter yang ditunjukkan pada Gambar 2.3(c). Sesuai dengan batasan topologi konverter yang telah dipaparkan sebelumnya, maka kita boleh memparalel dua sumber tegangan jika kita menjamin tegangannya sama. Untuk menjamin sama maka sumber tegangan di sisi masukan bisa dijadikan satu saja seperti ditunjukkan pada Gambar 2.3(d). Di sisi keluaran, sumber arus yang ditunjukkan pada Gambar 2.3(d) merupakan penjumlahan dari dua sumber arus yang terhubung paralel pada Gambar 2.3(c). Sehingga kita memperoleh suatu konverter yang sesuai untuk arus yang tinggi di sisi keluaran.

7 11 E d1 2 o 1 E d 2 4 o 2 ( a) E d1 2 o 1 E d 2 4 o 2 ( b) E d1 2 o 1 E d 2 4 o 2 () c E d S2 Io ( d) L I o E d L Load () e Gambar 2.3. Detil penurunan konverter dari konfigurasi masukan-paralel, keluaran paralel.

8 12 Konverter yang dihasilkan pada Gambar 2.3(d) sering disebut dengan konverter dc-dc dua fasa. Apabila divais saklar yang dipilih adalah transistor dan dioda maka konverter dc-dc dua fasa menjadi yang ditunjukkan pada Gambar 2.3(e). Kendali yang diberikan untuk saklarsaklar konverter dc-dc dua fasa berbeda fasa, artinya sinyal untuk merupakan sinyal yang diberikan untuk namun bergeser sudut Dengan kendali seperti ini konverter dc-dc dua fasa ini memiliki keunggulan pada duty cycle 0.5 riak arus keluarannya bernilai nol. Hal ini dikarenakan adanya efek saling menghilangkan dari riak arus pada masing-masing induktor ketika duty cycle 0.5. Selain itu frekuensi riak keluaran juga lebih tinggi. Apabila jumlah konverter dc-dc buck yang disusun dengan konfigurasi masukan-paralel, keluaran-paralel lebih dari dua buah maka akan dihasilkan konverter dc-dc multifasa. Tidak ada permasalahan dalam menghubungkan secara paralel untuk jenis konverter apa saja Masukan-paralel, keluaran-seri Hubungan masukan-paralel, keluaran-seri ditunjukkan pada Gambar 2.3. Karakteristik keluaran dari hubungan ini ditunjukkan oleh v = v v (2.5) o o1 o2 i = i = i (2.6) o o1 o2 Sementara karakteristik bagian masukan dari hubungan ini sama dengan yang ditunjukkan pada pers.(2.1) dan (2.3). Konverter yang dihasilkan dari hubungan ini sesuai untuk keperluan tegangan keluaran yang lebih tinggi atau rendah, tergantung dari polaritas tegangan keluaran dari masing-masing konverter. Sehingga kita dapat mengatur besar dan polaritas dari tegangan keluaran masing-masing

9 13 konverter untuk mendapatkan tegangan keluaran yang sesuai dengan kebutuhan beban. ii i i 1 i o1 i o v i v i1 Converter 1 v o1 v o i i2 v i2 Converter 2 i o2 v o2 Gambar 2.4. Hubungan masukan-paralel, keluaran-seri. Pada aplikasi seperti untuk panel surya, penggunaan konverter dc-dc boost sangat diminati karena memiliki keunggulan arus di sisi masukan bersifat kontinyu, namun sifat boost yang hanya bisa menaikkan bisa menjadi kendala apabila ternyata diinginkan tegangan yang lebih kecil. Bagaimana kita bisa memperoleh suatu konverter yang memiliki sifat arus kontinyu seperti pada konverter boost, namun konverter tersebut bersifat menurunkan tegangan? Dengan menggunakan pendekatan sintesis yang diusulkan, kita ambil satu konfigurasi masukan-paralel, keluaran-seri (Gambar 2.4) dari dua buah konverter dc-dc menggunakan dua buah konverter dc-dc tipe boost. Gambar 2.5(a) menunjukkan dua buah konverter dc-dc yang akan dihubungkan sesuai dengan hubungan pada Gambar 2.4. Dengan menghubungkan sisi masukan dari dua buah konverter dc-dc secara paralel akan menghasilkan rangkaian yang ditunjukkan pada Gambar 2.5(b). Disini kita memiliki suatu konverter dengan sebuah sumber masukan dengan dua buah keluaran. Untuk mendapatkan tegangan beban, kita bisa memperolehnya dari perbedaan potensial dua titik. Sehingga apabila beban kita hubungkan seri melalui dua konverter, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.5(c). Sehingga dengan mengatur besar tegangan di masing-masing boost konverter maka tegangan beban

10 14 dapat kita tentukan besarnya dari selisih kedua tegangan tersebut. Hal inilah yang menjadi keunggulan dari konverter yang diturunkan dari pendekatan yang diusulkan. Arus di sisi masukan tetap kontinyu sedangkan tegangan keluaran lebih rendah daripada tegangan masukan. Apabila implementasi saklar pada Gambar 2.5(c) menggunakan transistor, maka rangkaian konverter yang kita maksudkan dapat dinyatakan pada Gambar 2.5(d). Rangkaian yang telah diperoleh ini tidak hanya bisa menjadi konverter penurun tegangan saja, apabila masing-masing boost konverter dikendalikan dengan modulasi sinusoidal yang bergeser maka tegangan pada beban menjadi tegangan bolak-balik. Dengan kata lain konverter ini juga bisa bekerja sebagai inverter. Inverter ini pernah ditunjukkan oleh [9] dari pendekatan yang lain Masukan-seri, keluaran-paralel Hubungan masukan-seri, keluaran-paralel ditunjukkan pada Gambar 2.4. Pada konfigurasi ini diinginkan arus keluaran yang lebih besar dari arus keluaran masing-masing konverter sesuai dengan karakteristik hubungan jenis ini v = v v (2.7) i i1 i2 v = v = v (2.8) o o1 o2 i = i = i (2.9) i i1 i2 i = i i (2.10) o o1 o2 Apabila konverter yang dihasilkan didesain untuk dapat mengalirkan daya dalam dua arah, maka konverter jenis ini merupakan kebalikan dari konverter hubungan masukan-paralel, keluaran-seri.

11 15 a E S o1 1 L1 L2 E E S E d1 d 2 3 o 2 b a E S o1 1 ( a) L1 L2 b E o2 E d ( b) Load a L1 L2 b E S o1 1 E o2 E d () c Load a v o L1 L2 C v 1 S s C2 1 b ( d) Gambar 2.5. Detil penurunan konverter menggunakan konfigurasi masukan-paralel, keluaran seri. i i i i i i1 o1 o v i1 Converter 1 v o1 v o v i i i2 v i2 Converter 2 i o2 v o2 Gambar 2.6. Hubungan masukan-seri, keluaran-paralel

12 16 Dengan menggunakan konfigurasi ini, kita dapat mensintesis suatu konverter dc-dc rasio tinggi. Misalkan kita pilih konverter dc-dc boost sebagai penyusun dengan konfigurasi masukan-seri, keluaran-paralel seperti ditunjukkan pada Gambar 2.7(a). Pada Gambar 2.7(b) saklar pada konverter boost yang kedua ditukar letaknya tanpa mengurangi fungsi dari konverter boost untuk mempermudah dalam menghubungkan kedua konverter. Dengan menghubungkan sisi masukan secara seri dan sisi keluaran secara paralel maka kita peroleh topologi yang ditunjukkan pada Gambar 2.7(c). Gambar 2.7(c) diatur ulang susunannya menjadi Gambar 2.7(d). Konverter yang ditunjukkan pada Gambar 2.7(d) bisa bekerja dalam dua arah aliran daya, tergantung dari implementasi divais saklar yang dipilih. Apabila dikehendaki hanya mengalirkan satu arah daya saja, maka apabila sumber arus berperan menjadi sisi sumber maka konverter bekerja sebagai penaik tegangan. Sebaliknya apabila sumber tegangan berperan sebagai sisi sumber, maka konverter bekerja sebagai penurun tegangan. Gambar 2.8 menunjukkan implementasi saklar apabila diinginkan hanya mengalirkan daya dalam satu arah saja. Topologi konverter dc-dc rasio tinggi yang akan diusulkan pada bagian selanjutnya menggunakan konverter ini sebagai dasar pembentukannya Masukan-seri, keluaran-seri Konfigurasi masukan-seri, keluaran-seri ditunjukkan pada Gambar 2.5. Karakteristik sisi masukan dan keluaran untuk konverter jenis ini ditunjukkan sebagai v = v v (2.11) i i1 i2 v = v v (2.12) o o1 o2 i = i = i (2.13) o o1 o2 i = i = i (2.14) i i1 i2

13 Bab 2 Pendekatan Baru Untuk Sintesis Konverter Daya 17 Hubungan konverter jenis ini sesuai apabila kita menginginkan tegangan keluaran yang lebih tinggi atau rendah sementara sumber masukan memiliki rating tegangan yang lebih tinggi daripada rating masing-masing konverter. I S d1 1 E o1 I d 2 E o 2 ( a) I d1 E o1 I d 2 E o2 ( b) I d1 E o I d 2 () c c I d a b E o d ( d) Gambar 2.7. Detil penurunan konverter dari konfigurasi masukan-seri, keluaran-paralel.

14 18 a L L S3 S4 a E d b C Load E d b C Load n ( a) ( b) n Gambar 2.8. Implementasi saklar pada konverter yang diturunkan di Gambar 2.7. ii i i1 i o1 i o v i1 Converter 1 v o1 v i i i2 i o2 v o v i2 Converter 2 v o2 Gambar 2.9. Hubungan masukan-seri, keluaran-seri Konfigurasi masukan-seri, keluaran-seri, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.9, dapat dijadikan contoh apabila konverter yang akan disusun masing-masing merupakan konverter dc-dc dasar tipe buck, ditunjukkan pada Gambar 2.10(a). Supaya dapat disusun dalam hubungan seri, maka konverter dc-dc yang kedua susunan saklarnya ditukar tanpa mempengaruhi kerja dari konverter tersebut, ditunjukkan pada Gambar 2.10(b). Karena konfigurasi dasar yang dipilih adalah seri baik di sisi masukan maupun di sisi keluaran maka dua buah konverter pada Gambar 2.10(b) dapat disusun seri menjadi konverter yang ditunjukkan pada Gambar 2.10(c). Pada awal bab telah disinggung tentang batasan-batasan sumber arus yang terhubung seri, karena arus yang mengalir pada hubungan seri sumber arus maka tidak akan pernah ada arus yang mengalir ke cabang diantara dua sumber arus tersebut sehingga topologi pada Gambar 2.10(c) dapat disederhanakan menjadi topologi yang

15 19 E d1 2 o 1 E d 2 4 o 2 ( a) E d1 2 o 1 E d 2 S4 I o 2 ( b) E d1 2 o 1 E d 2 S4 I o 2 () c E d1 2 o 1 E d 2 S4 I o 2 ( d) L E d E d1 E o E d 2 () e Gambar Detil penurunan konverter dari konfigurasi masukan-seri, keluaran-seri.

16 20 ditunjukkan pada Gambar 2.10(d). Topologi yang diperoleh pada Gambar 2.10(d) ini merupakan topologi yang sama dengan topologi yang diperoleh pada [12] dengan menggunakan konsep dual rangkaian. Implementasi saklar untuk topologi pada Gambar 2.10(d) sangat tergantung dengan kebutuhan. Sebagai contoh apabila diinginkan konverter ditunjukkan pada Gambar 2.10(d) bisa bekerja pada dua arah daya yang berkebalikan maka implementasi rangkaiannya menjadi konverter yang ditunjukkan pada Gambar 2.10(e). Konverter dc-dc multilevel yang diperoleh pada Gambar 2.10(d) merupakan salah satu topologi konverter dc-dc multilevel dengan jumlah level yang paling sedikit, yaitu tiga level yang terbentuk dari dua buah konverter dc-dc. Sekarang bagaimana apabila diinginkan konverter dc-dc dengan jumlah level yang lebih banyak? Dengan menghubungkan lebih banyak konverter dc-dc secara seri maka kita akan memperoleh konverter dc-dc multilevel dengan jumlah level yang lebih banyak. Akan dibahas pembentukan konverter dengan lebih dari dua konverter pada bagian selanjutnya mengenai batasan-batasan yang harus diperhatikan dalam menghubungkan lebih dari dua konverter. Secara ringkas, dengan menggunakan dua buah konverter dc-dc tipe buck menggunakan konfigurasi-konfigurasi yang disebutkan diatas dihasilkan topologi-topologi konverter yang ditunjukkan pada Gambar 2.11.

17 21 Converter 1 Converter 1 Converter 1 Converter 1 Converter 2 Converter 2 Converter 2 Converter 2 Gambar Beberapa topologi konverter yang bisa diturunkan dari berbagai hubungan masukan keluaran menggunakan sintesis konverter yang diusulkan. 2.4 Sintesis Konverter Untuk Lebih dari Dua Konverter Konverter yang dapat dikombinasikan bisa jenis konverter apa saja, seperti penyearah, inverter, konverter dc-dc, dsb. Jumlah konverter yang bisa dikombinasikan juga tidak terbatas hanya dua konverter saja, melainkan dapat dikembangkan untuk jumlah konverter yang lebih dari dua. Namun untuk menghubungkan konverter yang tidak terisolasi lebih dari dua diperlukan trik khusus untuk melakukannya karena kita tidak bisa melakukannya dengan mudah seperti halnya pada kasus untuk menghubungkan lebih dari dua konverter yang terisolasi. Untuk kasus konfigurasi masukan-paralel, keluaran-paralel, tidak menjadi masalah untuk menghubungkan lebih dari dua konverter yang tidak terisolasi. Namun untuk hubungan seri lebih dari dua konverter tidak terisolasi tidak semudah menghubungkannya secara paralel, diperlukan trik tertentu untuk dapat melakukannya. Kita tidak bisa menghubungkan secara langsung lebih dari dua konverter secara seri, supaya kita tetap bisa menghubungkan secara seri maka yang harus kita lakukan adalah menghubungkan dahulu dua buah konverter menjadi satu buah konverter baru. Kemudian konverter ketiga dihubungkan ke konverter baru yang

18 22 berasal dari hubungan dua buah konverter tersebut. Apabila kita ingin menghubungkan empat konverter maka yang bisa kita lakukan adalah menghubungkan masing-masing dua buah konverter kemudian menghubungkan secara dua buah hubungan dua konverter yang telah kita peroleh menjadi hubungan empat konverter. Dengan kata lain kita bisa menghubungkan lebih dari dua konverter dalam bentuk hubungan masing-masing dua buah konverter. Bagaimana batasan tadi terlihat dalam mensintesis konverter, kita ambil contoh konverter yang kita peroleh dari konfigurasi masukan-seri, keluaran-seri sebelumnya yang ditunjukkan pada Gambar 2.10(d). Seperti terlihat pada Gambar 2.10(d) sebelumnya, terdapat saklar pada setiap terminal sumber tegangan artinya kita tidak akan pernah bisa langsung menempelkan konverter dc-dc ketiga seperti halnya ketika membentuk dari dua konverter saja (Gambar 2.10(b)-(c)). Untuk mengatasi permasalahan ini diperlukan trik khusus supaya hubungan seri masih bisa terbentuk. Yang harus kita lakukan adalah menghubungkan konverter ketiga ke hubungan dua konverter yang telah berhasil diperoleh sebelumnya, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.10(b), dengan hubungan ini maka secara rangkaian ketiga konverter tetap terhubung seri. Gambar 2.12(c) menunjukkan konverter dc-dc multilevel yang terbentuk dari hubungan tiga buah konverter. Untuk kasus konverter dc-dc multilevel ini maka apabila kita ingin mendapatkan dari, misalnya, empat buah konverter maka topologi konverter yang dihasilkan ditunjukkan pada Gambar Terlihat bahwa konverter yang dihasilkan merupakan hubungan seri dari dua buah konverter yang dihasilkan pada Gambar 2.10(d).

19 23 E d 3 S 5 6 o 3 E d1 2 o 1 E d 2 S4 I o 2 ( a) E d 3 S 5 6 o 3 E d1 2 o 1 E d 2 S4 I o 2 ( b) E d 3 S 5 S 6 E d1 S2 Io E d 2 () c Gambar Trik menghubungkan lebih dari dua konverter untuk hubungan seri.

20 24 E d1 E d 2 I o E d 3 S 5 S 6 E d 4 S 7 S 8 Gambar Konverter dc-dc multilevel disusun dari empat buah konverter dc-dc dasar. Selain batasan yang telah disebutkan tadi, dalam mensintesis konverter dengan menggunakan pendekatan yang diusulkan maka batasan-batasan topologi dasar yang telah dipaparkan di bagian awal bab ini harus selalu dipatuhi. Karakteristik dari konverter yang akan kita hubungkan harus diketahui dengan pasti, apakah konverter tersebut merupakan sumber arus atau sumber tegangan. sebelum menghubungkan dengan konfigurasi yang sesuai. 2.5 Konverter dc-dc Rasio Tinggi Pada konverter dc-dc konvensional yang tidak terisolasi, rasio yang tinggi antara tegangan masukan terhadap tegangan keluaran dapat menimbulkan masalah karena keterbatasan dari divais pensaklaran yang digunakan. Rasio tinggi antara masukan dengan keluaran akan membuat saklar beroperasi pada duty cycle yang sangat kecil atau sangat besar sedangkan pada saklar yang tidak ideal diperlukan waktu untuk menyalakan atau mematikan saklar. Untuk mengatasi permasalahan ini

21 25 suatu topologi baru konverter dc-dc rasio tinggi dapat diperoleh dengan menggunakan pendekatan sintesis konverter yang telah diusulkan pada bagian sebelumnya. Menggunakan pendekatan sintesis ini membuat kita bisa memperoleh rasio tinggi antara masukan terhadap keluaran dari perbedaan potensial diantara masing-masing konverter. Sehingga kita tidak lagi menghadapi permasalahan duty cycle yang ekstrim karena kita tetap bisa mengoperasikan saklar pada duty cycle yang menengah. Apabila kita ingin memperoleh konverter dc-dc rasio tinggi seperti yang telah disebutkan sebelumnya maka konfigurasi yang dipilih adalah hubungan masukan-paralel, keluaran-seri (Gambar 2.4), atau hubungan masukan-seri, keluaran-paralel (Gambar 2.6) dari dua buah konverter dcdc. Dengan menghubungkan sisi masukan dari dua buah konverter dc-dc secara paralel akan menghasilkan rangkaian yang ditunjukkan pada Gambar 2.14(b). Disini kita memiliki suatu konverter dengan sebuah sumber masukan dengan dua buah keluaran. Kemudian kita harus menghubungkan dua buah keluaran dc-dc konverter secara seri, Gambar 2.14(c) menunjukkan hasil rangkaian konverter yang sisi keluaran telah terbubung secara seri. Sesuai dengan batasan topologi dasar, dua sumber arus yang terhubung seri akan menjadi satu buah sumber arus saja, ditunjukkan pada Gambar 2.14(d). Rangkaian konverter dc-dc rasio tinggi yang dihasilkan pada Gambar 2.14(d) bisa beroperasi pada dua arah aliran daya, apabila sumber tegangan merepresentasikan masukan dan sumber arus merepresentasikan beban maka rangkaian konverter dc-dc rasio tinggi beroperasi sebagai penurun tegangan. Sebaliknya jika sumber arus merepresentasikan masukan maka rangkaian ini bekerja sebagai penaik tegangan. Implementasi divais saklar yang akan digunakan pada rangkaian yang ditunjukkan pada Gambar 2.14(d) tergantung keperluan

22 26 dan arah daya konverter dc-dc rasio tinggi yang diinginkan. Apabila kita menginginkan satu arah daya saja dan divais saklar yang dipilih adalah transistor dan dioda maka diperoleh rangkaian yang ditunjukkan pada Gambar 2.11(e)-(f) E d1 2 o1 E d 2 4 o 2 ( a) I o1 E d 4 o 2 ( b) I o1 E d 4 o 2 () c I o E d ( d) a L L S3 S4 a E d b C Load E d b C Load n () e ( f ) n Gambar Detil penurunan konverter dc-dc rasio tinggi.

23 27 Seperti telah disebutkan sebelumnya, rasio tinggi antara tegangan sisi masukan terhadap tegangan keluaran dari konverter dc-dc rasio tinggi yang diusulkan didapatkan tanpa harus mengoperasikan saklar pada duty cycle yang ekstrim. Hal ini dapat diperoleh karena pada konverter dc-dc rasio tinggi yang diusulkan kita dapat mengendalikan masing-masing konverter secara independen. Untuk menunjukkan bahwa kendali dilakukan secara terpisah untuk masing-masing konverter, tinjau kembali Gambar 2.14(e) sekali lagi. Tegangan diantara titik a dan n adalah tegangan keluaran dari konverter dc-dc yang pertama, dapat dinyatakan dengan v an 0 apabila S mati 1 = (2.15) E d apabila S 1 nyala Jika durasi waktu mati disebut dengan T off1, durasi nyala disebut dengan T on1, serta waktu satu T off1 dan T on1 berurutan disebut dengan T s, maka nilai rata-rata dari v an pada satu periode penyaklaran dapat dinyatakan dengan v T = 0. T E T (2.16) AN s off 1 d on1 Sehingga T v = E = E D (2.17) on1 AN d d Ts 1 Dimana v AN adalah nilai rata-rata dari v an, dan D 1 = T on1 /T off1 = v AN /E d adalah duty cycle dari saklar pada konverter dc-dc yang pertama. Dengan menggunakan cara yang sama, tegangan rata-rata untuk v bn adalah T v = E = E D (2.18) on2 BN d d Ts 2 Dimana v BN adalah nilai rata-rata dari v bn, dan D 2 = T on2 /T off2 = v BN /E d adalah duty cycle dari saklar pada konverter dc-dc yang kedua. Karena

24 28 beban terhubung diantara titik a dan b, maka tegangan beban dapat dinyatakan sebagai vload = van vbn (2.19) v = E D E D (2.20) load d 1 d 2 load d ( ) v = E D D (2.21) 1 2 Dari pers.(2.21) jelas terlihat bahwa kita dapat memperoleh nilai tegangan beban yang kecil jika bagian (D 1 -D 2 ) dibuat kecil. Untuk mendapatkan (D 1 -D 2 ) yang kecil kita tidak perlu membuat D 1 dan D 2 masing-masing juga bernilai kecil, tetapi kita dapat memilih nilai-nilai yang besarnya menengah sepanjang hasil pengurangannya bernilai kecil. Sehingga kita akan memperoleh rasio yang tinggi antara sisi masukan terhadap sisi keluaran konverter dc-dc rasio tinggi sementara divais saklarnya tetap beroperasi pada duty cycle yang moderat. Pada operasi sebagai konverter dc-dc rasio tinggi tipe boost, seperti ditunjukkan pada Gambar 2.14(f), tegangan pada beban disebut dengan v c sehingga dipenuhi kondisi sebagai berikut: v = E v v v (2.22) C d L S3 S2 Dimana v L, v S3, v S2 adalah tegangan induktor, tegangan pada, dan tegangan pada secara berurutan. v S2 sendiri dapat dinyatakan sebagai: v S2 0 apabila S mati 1 = (2.23) v C apabila S 1 nyala Nilai rata-rata v S2 selama satu periode penyaklaran adalah v = kv (2.24), av 1 c

25 29 Dimana v S2,av adalah nilai rata-rata dari v S2 dan k 1 adalah duty cycle dari saklar. Dengan menggunakan cara yang sama, nilai rata-rata tegangan pada dapat dinyatakan dengan: v = k v (2.25), av 2 c v S3,av adalah nilai rata-rata dari v S3 dan k 2 merupakan duty cycle dari saklar. Karena tegangan rata-rata pada induktor adalah nol, maka pers.(2.22) dapat dinyatakan kembali sebagai: v = E kv k v (2.26) C d 1 C 2 C v c = 1 Ed 1 ( k k ) (2.27) 1 2 Jelas terlihat dari pers.(2.27), apabila kita menginginkan tegangan keluaran yang sangat tinggi jika dibandingkan dengan tegangan masukannya maka kita harus membuat bagian (k 1 k 2 ) bernilai mendekati satu. Kita tidak perlu membuat masing-masing k 1 dan k 2 untuk bernilai mendekati satu selama penjumlahannya bernilai mendekati satu. Hal ini merupakan salah satu hal yang menarik lainnya dari konverter dc-dc rasio tinggi yang diusulkan, yaitu kita dapat memperoleh tegangan keluaran yang tinggi tanpa mengoperasikan saklar pada duty cycle yang ekstrim. 2.6 Hasil Eksperimen Untuk memverifikasi topologi yang diusulkan, suatu rangkaian konverter dc-dc rasio tinggi yang diusulkan dibangun di laboratorium sesuai dengan Gambar 2.14(e). Pada eksperimen ini tegangan masukan dc dibuat sebesar 50V. Tapis LC sebesar 4.3 mh dan 3300 μf diletakkan diantara konverter dengan beban resistif sebesar 5Ω. Sebagai divais pensaklaran dipilih transistor dan dioperasikan pada frekuensi penyaklaran 5 khz. Gambar 2.15 menunjukkan gelombang hasil eksperimen, Gambar 2.15 (atas) dan (tengah) menunjukkan tegangan keluaran masing-masing

26 30 konverter dc-dc, sedangkan Gambar 2.15(bawah) menunjukkan tegangan keluaran dari konverter dc-dc rasio tinggi yang diusulkan. Dapat terlihat bahwa tegangan keluaran merupakan selisih antara tegangan keluaran masing-masing konverter. Sehingga kita bisa memperoleh tegangan keluaran yang kecil tanpa harus mengoperasikan masing-masing saklar pada duty cycle yang sangat kecil. Gambar Bentuk gelombang yang diperoleh (50V/div, 50μs) (atas) tegangan pada konverter dc-dc yang pertama (tengah) tegangan pada konverter dc-dc yang kedua (bawah) tegangan keluaran dari konverter dc-dc rasio tinggi yang diusulkan. 2.7 Penutup Suatu pendekatan baru untuk mensintesis konverter daya telah diusulkan. Pendekatan untuk mensintesis konverter daya ini berdasarkan hubungan kombinasi dari dua buah two-ports networks. Dengan menggunakan teknik ini, suatu topologi baru konverter dc-dc rasio tinggi dapat diturunkan[16]. Konverter dc-dc rasio tinggi yang diusulkan dapat mengkonversi tegangan masukan menjadi tegangan keluaran dengan rasio yang tinggi tanpa harus mengoperasikan saklar-saklar pada duty cycle yang ekstrim. Hasil eksperimen telah ditunjukkan untuk memverifikasi topologi yang diusulkan.