BAB I 1. BAB I PENDAHULUAN

Transkripsi

1 BAB I 1. BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Kebutuhan akan konverter daya yang efisien dan berukuran kecil terus berkembang di berbagai bidang. Mulai dari charger baterai, catu daya komputer, hingga konverter untuk energi terbarukan. Konverter daya membutuhkan perangkat semikonduktor untuk melakukan penyaklaran frekuensi tinggi. Penggunaan frekuensi tinggi dikarenakan tuntutan untuk membuat konverter dalam ukuran yang kecil dan ringan. Perangkat semikonduktor daya yang dapat berperan sebagai saklar frekuensi tinggi di antaranya adalah MOSFET dan IGBT. MOSFET memiliki keunggulan pada kemampuan penyaklarannya yang tinggi, namun kapasitas dayanya lebih rendah. Sedangkan IGBT mampu menangani daya yang besar, namun dengan frekuensi penyaklaran yang lebih rendah daripada MOSFET (Mohan, 2012). Untuk aplikasi konverter DC-DC full-bridge phaseshifted PWM ZVS, frekuensi penyaklaran yang digunakan umumnya bernilai beberapa puluh kilohertz hingga orde megahertz. Oleh sebab itu, MOSFET menjadi pilihan yang lebih tepat ketika dibutuhkan frekuensi penyaklaran yang tinggi. MOSFET merupakan perangkat yang dikendalikan tegangan. Pengaturan switching pada MOSFET ditentukan melalui tegangan gate-source. Di sisi lain, isyarat kendali yang digunakan untuk proses penyaklaran MOSFET berasal dari mikrokontroler. Mikrokontroler umumnya memiliki tegangan suplai maksimum 1

2 2 5 V, sedangkan MOSFET membutuhkan tegangan positif pada terminal gatesource berkisar 10 V hingga 20 V (International Rectifier, 2007). Kebutuhan akan level tegangan yang lebih tinggi, namun tetap menjaga informasi yang dimiliki isyarat kendali menjadi alasan diperlukannya rangkaian MOSFET gate drive. Rangkaian MOSFET gate drive berperan menjembatani rangkaian mikrokontroler dengan rangkaian inverter atau konverter lainnya. Tugas utama gate driver yaitu menaikkan level tegangan isyarat mikrokontroler, sehingga isyarat tersebut dapat digunakan untuk menggerakkan (driving) MOSFET. Namun, informasi berupa waktu on-off, frekuensi penyaklaran dan duty cycle isyarat keluaran mikrokontroler harus tetap tersampaikan dengan baik. Hal ini membuat perancangan rangkaian MOSFET gate drive perlu mendapat perhatian khusus. Rangkaian MOSFET gate drive terhubung dengan inverter full-bridge pada terminal gate dan source. Topologi full-bridge tersusun atas empat buah MOSFET yang membentuk dua kaki. Dua buah MOSFET di kaki leading dan dua buah lainnya di kaki lagging. MOSFET yang berada pada kaki yang sama memiliki isyarat PWM yang berkebalikan atau berbeda fase 180 o. Untuk mencegah kedua MOSFET menyala secara bersamaan, maka dead time perlu diberikan antara transisi on dan off kedua saklar ini. Selain itu, konfigurasi inverter full-bridge memerlukan floating supply untuk saklar sisi atas. Ada beberapa metode penyediaan floating supply, salah satu metode yang populer karena alasan ekonomis adalah metode bootstrap. Metode bootstrap memanfaatkan operasi konverter untuk mengisi kapasitor bootstrap.

3 3 Konverter yang dirancang dengan tunda waktu yang tetap akan mengalami rugi konduksi body diode ketika delay terjadi lebih lama dari idealnya, atau rugi kapasitif ketika delay terjadi lebih pendek dari idealnya. Rugi-rugi ini, yang mana terjadi setiap siklus penyaklaran, merupakan hal yang tidak dapat dihindari karena dead time yang tetap tidak dapat dioptimisasi untuk kondisi semua beban (Trescases et. al., 2004). Berdasarkan alasan ini, gate driver harus mampu menjaga dead time yang dihasilkan mikrokontroler pada nilai idealnya. Di samping masalah dead time, lama transisi on dan off pada proses penyaklaran akan mempengaruhi rugi-rugi penyaklaran. Rise time dan fall time arus dan tegangan drain-source yang terlalu lama akan mengakibatkan perpotongan tegangan dan arus saat turn on maupun turn off semakin besar. Perpotongan antara kurva arus dan kurva tegangan drain-source ini yang disebut rugi-rugi penyaklaran. Rugi-rugi penyaklaran terjadi setiap siklus sehingga dapat mengurangi efisiensi konverter jika dibiarkan begitu saja. Akan tetapi, jika transisi on dan off terlalu cepat, maka timbul dv/dt dan di/dt yang besar sehingga mengakibatkan munculnya spike tegangan. Kedua permasalahan ini menjadi pertimbangan tersendiri dalam perancangan rangkaian gate driver. Gate driver di era saat ini dengan mudah dapat ditemui dalam bentuk integrated circuit (IC). Salah satu contohnya adalah IR2110 yang menerapkan metode bootstrap dalam proses gate driving. Rangkaian IR2110 membutuhkan komponen tambahan untuk menjalankan fungsinya. Komponen tambahan itu di antaranya adalah kapasitor dan dioda bootstrap. Selain itu, pada setiap rangkaian gate driver, biasanya dipasang resistor gate untuk membatasi arus pengisian dan

4 4 pengosongan kapasitans parasitic selama proses turn on dan turn off. Nilai resistor gate ini dapat dihitung menggunakan rumus, akan tetapi nilai optimum dari resistor ini sulit ditentukan melalui perhitungan. Oleh karena itu, perlu dilakukan pengujian terhadap pengaruh pemilihan nilai komponen resistor gate pada rangkaian gate driver terhadap sinyal gating yang dihasilkan. Pada penelitian ini, pengaruh perubahan nilai komponen resistor gate terhadap sinyal gating keluaran gate driver akan diamati. Variabel yang diperhatikan pada penelitian ini adalah turn on rise time, turn off fall time, dan spike tegangan. 1.2 Rumusan Masalah Berdasarkan latar belakang permasalahan, rumusan masalah yang dapat diangkat pada skripsi ini adalah: 1. Bagaimana pengaruh perubahan nilai komponen resistor gate terhadap turn on rise time dan turn off fall time gelombang keluaran MOSFET gate drive? 2. Bagaimana pengaruh perubahan nilai komponen resistor gate terhadap spike tegangan keluaran MOSFET gate drive? 3. Bagaimana pengaruh perubahan nilai komponen resistor gate terhadap spike tegangan keluaran inverter full-bridge? 1.3 Batasan Masalah Berdasarkan rumusan masalah di atas, penulisan skripsi ini akan dibatasi pada permasalahan berikut:

5 5 1. Rangkaian MOSFET gate drive akan digunakan untuk mengatur proses penyaklaran pada inverter full-bridge yang menjadi bagian dari konverter DC-DC full-bridge phase-shifted PWM ZVS 311/100 V. 2. Isyarat pengendali gate berupa gelombang kotak dengan duty cycle 50% yang digeser fasenya, dengan frekuensi penyaklaran 25 khz. Isyarat ini dibangkitkan oleh mikrokontroler dspic33fj256mc Rangkaian gate driver IR2110 digunakan untuk menaikkan tegangan keluaran mikrokontroler dan memberikan sinyal gating pada MOSFET. 4. Saklar elektronis pada inverter full-bridge yang digunakan adalah MOSFET kanal-n tipe IRF Pengujian dilakukan terhadap rangkaian gate driver sisi atas. 6. Resistor gate yang dipakai pada pengujian memiliki rentang nilai 27 Ω hingga 100 Ω. 7. Pada proses pengujian, tegangan DC-link pada inverter full-bridge dibatasi pada 70,7 V. Tegangan DC ini merupakan hasil penyearahan tegangan AC 50 V (rms). 1.4 Tujuan Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui pengaruh pemilihan nilai komponen pada rangkaian gate driver terhadap sinyal gating yang digunakan untuk mengaktifkan MOSFET pada inverter full-bridge. Beberapa tujuan lain yang diharapkan dari penelitian ini adalah:

6 6 1. Merancang dan membuat rangkaian MOSFET gate drive yang mampu memberikan sinyal gating yang tepat untuk penyaklaran MOSFET pada inverter full-bridge. 2. Mengetahui pengaruh perubahan nilai resistor gate terhadap bentuk dan karakteristik sinyal gating yang dihasilkan pada keluaran rangkaian gate driver. 1.5 Sistematika Penelitian Skripsi ini merupakan karya tulis ilmiah yang disusun dalam lima bab. Bab pertama merupakan bagian pendahuluan yang memaparkan latar belakang permasalahan munculnya ide penelitian ini. Selain itu, rumusan dan batasan masalah juga dibahas pada bab ini, diikuti dengan penjabaran tujuan dan sistematika penelitian. Bab kedua berisi dasar teori yang berhubungan dengan sistem yang akan diteliti. Dasar teori dimulai dengan penjabaran teori MOSFET, proses penyaklarannya, dan sinyal gating yang diperlukan untuk penyaklaran. Selain itu, teori inverter full-bridge secara singkat akan dijabarkan untuk mendukung pengaplikasian rangkaian MOSFET gate drive tersebut. Bab ketiga berisi tentang perancangan sistem yang akan diteliti. Bab ini dimulai dengan pemaparan alat dan bahan yang digunakan untuk penelitian. Kemudian dilanjutkan dengan penjelasan proses jalannya penelitian. Bagian berikutnya memaparkan rancangan sistem MOSFET gate drive yang akan diteliti

7 7 diikuti penjelasan singkat tentang rancangan mikrokontroler dan inverter fullbridge yang terkait dengan sistem yang diteliti. Bab keempat berisi hasil dan pembahasan penelitian yang dilakukan. Pembahasan diawali dengan pengamatan bentuk gelombang keluaran mikrokontroler, gate driver, dan inverter. Selain itu, pengamatan terhadap dead time juga akan dilakukan untuk memastikan MOSFET dapat melakukan penyaklaran secara aman. Pembahasan utama skripsi ini berkaitan dengan pengaruh perubahan nilai komponen resistor gate pada rangkaian gate driver terhadap sinyal gating yang dihasilkan. Bab kelima berisi kesimpulan dan saran dari penelitian ini. Kesimpulan merangkum hal-hal penting dari hasil penelitian. Kesimpulan juga menjawab rumusan masalah dan tujuan penelitian. Bagian saran berisi masukan dari penulis terkait topik-topik baru yang dapat diangkat dan dikembangkan dari penelitian ini.