KONVERTER ARUS SEARAH KE ARUS SEARAH TIPE PENAIK TEGANGAN DENGAN DAN TANPA MOSFET SINKRONISASI

Transkripsi

1 KONVERTER ARUS SEARAH KE ARUS SEARAH TIE ENAIK TEGANGAN ENGAN AN TANA MOSFET SINKRONISASI Trias Andromeda *, Mohamad Isnaeni Romadhon, Mochammad Facta epartemen Teknik Elektro, Universitas iponegoro Semarang Jl. rof. Sudharto, SH, Kampus UNI Tembalang, Semarang 50275, Indonesia *) Abstrak Efisiensi merupakan salah satu ciri khas pada sistem elekronika modern. Konverter arus searah ke arus searah (konverter C) sebagai sumber daya sistem elektronika dapat ditingkatkan efisiensinya dengan cara mengganti dioda pada konverter C dengan MOSFET. MOSFET dapat mengurangi rugi konduksi pada konverter C sinkron karena rugi daya konduksi MOSFET yang lebih rendah dari rugi daya konduksi dioda. ada perancangan ini menggunakan konverter C tipe penaik tegangan dan rangkaian pembangkit pulsa WM (pemicuan) menggunakan IC TL 494. erancangan alat pada penelitian ini akan mengaplikasikan metode MOSFET dengan mengganti dioda pada rangkaian konverter C tipe penaik tegangan biasa dengan MOSFET yang memiliki Rds(on) rendah. Kemudian akan dibandingkan efisiensi antara konverter C tipe penaik tegangan dengan MOSFET dan konverter C tipe penaik tegangan tanpa MOSFET. ada konverter C tipe penaik tegangan dengan MOSFET semakin tinggi duty cycle maka akan semakin tinggi nilai efisiensinya. ada konverter C tipe penaik tegangan tanpa MOSFET nilai efisiensi cenderung stabil pada duty cycle berapapun. ada konverter C dengan MOSFET efisiensi akan terus meningkat dan saat duty cycle diatas 40% melebihi nilai efisiensi konverter C tanpa MOSFET. Kata kunci: Konverter C, MOSFET, efisiensi 1. endahuluan Efisiensi merupakan salah satu ciri khas pada sistem elekronika modern [1]. Konverter C sebagai sumber daya peralatan elektronika dapat ditingkatkan efisiensinya dengan cara mengganti dioda pada konverter C dengan MOSFET [2]. 2. Metode 2.1. Konverter C enaik Tegangan Tanpa MOSFET Konverter C yang telah menggunakan MOSFET sebagai pengganti dioda disebut sebagai konverter C sinkron. Kedua MOSFET pada konverter C sinkron harus memiliki frekuensi yang sama serta tidak aktif secara bersamaan sehingga MOSFET pengganti dioda disebut MOSFET. MOSFET dapat mengurangi rugi konduksi pada konverter C sinkron karena rugi daya konduksi MOSFET yang lebih rendah dari rugi daya konduksi dioda [3]. penelitian ini akan menghitung dan membandingkan nilai rugi konduksi yang terjadi pada konverter C dengan MOSFET dan konverter C tanpa MOSFET serta membandingkan dan menganalisa efisiensi antara konverter C dengan MOSFET dan konverter C tanpa MOSFET dengan nilai beban dan tegangan masukan yang sama[4, 5]. Gambar 1 rinsip Kerja Konverter C tipe penaik tegangan tanpa MOSFET (a) Rangkaian ekuivalen saat Q aktif dan dioda tidak aktif (b) Rangkaian ekuivalen saat Q tidak aktif dan dioda aktif

2 roceedings Seminar Nasional Teknik Elektro (FORTEI 2016). Hal.59 epartemen Teknik Elektro Undip, 19 Oktober 2016 Ketika MOSFET ( Q) aktif konverter C bekerja dalam durasi, tegangan sumber hanya akan mensuplay induktor ( L) sehingga tegangan induktor ( V L) sama tegangan masukan ( V in), seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1a, dan arus induktor ( I L) naik secara linear sedikit demi sedikit sampai meningkatkan energi pada L (Gambar 2). Nilai I L yang berubah linear meningkat dalam waktu disebut sebagai I L Konverter C enaik Tegangan dengan MOSFET Sinkronisasi Gambar 2 Gelombang arus induktor dan arus keluaran ideal konverter C tipe penaik tegangan tanpa MOSFET Ketika Q tidak aktif konverter C bekerja dalam durasi (1-), I L mengalir melalui dioda seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1b, energi yang tersimpan pada L saat Q aktif dialirkan ke kapasitor dan beban melalui dioda sehingga ( I L) turun secara linear sedikit demi sedikit sampai menurunkan energi pada L. Nilai I L yang berubah linear menurun dalam waktu (1-) disebut - I L (Gambar 2). ada konverter C tipe penaik tegangan arus yang mengalir pada induktor akan sama dengan arus masukan, sehingga arus induktor dan arus masukan dapat dihitung dengan menggunakan bantuan persamaan daya masukan dan daya keluaran seperti ersamaan 1 berikut: Vin Iin V I (1) ersamaan 2.1 dapat diubah menjadi ersamaan 2 berikut: Ii n V V in I I ( 1 ) (2) Gambar 3 rinsip Kerja Konverter C tipe penaik tegangan dengan MOSFET (a) Saat Q1 aktif dan Q2 tidak aktif (b) Saat Q1 tidak aktif dan Q2 tidak aktif (c) Saat Q1 tidak aktif dan Q2 aktif Kemudian konverter C bekerja dalam durasi deadtime ( t), pada kondisi ini Q1 tidak aktif. I L mengalir melalui dioda MOSFET high-side (2) karena MOSFET highside (Q2) belum aktif. Energi yang tersimpan pada L dialirkan ke kapasitor dan beban melalui 2 (Gambar 3b), sehingga I L turun linear sedikit demi sedikit (Gambar 4). Selanjutnya konverter C bekerja dalam durasi lagi tetapi pada kondisi ini Q2 aktif dan Q1 masih tidak aktif (Gambar 3c), energi yang tersimpan pada L dialirkan ke

3 roceedings Seminar Nasional Teknik Elektro (FORTEI 2016). Hal.60 epartemen Teknik Elektro Undip, 19 Oktober 2016 kapasitor dan beban melalui Q2, I L terus turun linear sedikit demi sedikit menurunkan energi pada L seperti pada Gambar 4. Ketika MOSFET pada sisi low-side (Q1) aktif konverter C bekerja dalam durasi, tegangan masukan ( V in) hanya akan mensuplay induktor ( L), sehingga tegangan induktor ( V L) sama dengan V in (Gambar 3a). Arus induktor ( I L) naik linear sedikit demi sedikit sampai meningkatkan energi pada L (Gambar 4). an arus keluaran ideal pada konverter C tipe penaik tegangan dengan MOSFET 3. Hasil dan Analisa aya yang hilang akibat proses konduksi saat MOSFET aktif merupakan peyumbang rugi daya yang paling besar dari semua kerugian daya yang terjadi pada konverter C[5]. Kerugian daya pada MOSFET terjadi akibat adanya tahanan dalam pada MOSFET ketika MOSFET pada daerah saturasi. Semakin tinggi arus pada konverter maka akan semakin besar daya yang hilang akibat proses konduksi. ada dasarnya nilai I 2 R ds(on) akan lebih kecil dari IV f pada beban yang sama. Hal tersebut terjadi karena nilai R ds(on) MOSFET yang rendah. Efisiensi pada suatu sistem secara umum dapat dihitung dengan ersamaan 3 berikut: in (3) = daya keluaran = daya masukan in ada konverter C, in adalah daya masukan yang tersusun atas daya keluaran ( ), rugi daya yang terdiri atas rugi daya rectifier ( Rec) dan rugi daya diluar rectifier ( loss). Seperti yang ditunjukkan pada ersamaan 4 berikut[5-7]: in loss Re c (4) in = daya masukan loss = daya yang hilang akibat proses lain selain proses rectifier = daya keluaran = daya yang hilang akibat proses rectifier Rec loss merupakan rugi daya diluar proses rectifier seperti rugi pada induktor dan kapasitor, sehingga persamaan 4 dapat disederhanakan dengan menganggap nilai loss dapat diabaikan. ersamaan 4 akan menjadi ersamaan 5 berikut[5-7]: Re c (5) = daya keluaran Rec = daya yang hilang akibat proses rectifier Rec adalah rugi daya akibat proses rectifier. Rec pada konverter C tanpa MOSFET ( Rec) merupakan akumulasi dari semua rugi-rugi yang terjadi pada Q dan dioda sehinga Rec dapat dihitung dengan ersamaan 6 berikut[5]: Re c conq gateq r recq, swq con (6) Rec = rugi daya akibat proses pensaklaran conq = rugi daya konduksi Q con = rugi konduksi dioda gateq = rugi daya gate pada Q rrecq, = rugi daya reverse-recovery pada Q dan dioda swq = rugi daya pensaklaran Q gateq dan rrecq, merupakan rugi-rugi yang berhubungan dengan frekuensi. ada konverter C yang bekerja pada frekuensi rendah yakni dibawah 300kHz, gateq dan rrecq, dapat diabaikan karena gateq dan rrecq, sangat kecil jika dibandingkan dengan daya keluaran sehingga dianggap gateq dan rrec tidak ada[5]. Efisiensi pada konverter C tanpa MOSFET pada ersamaan 5 akan menjadi ersamaan 7 berikut[5-7]: conq swq con (7) = daya keluaran conq = rugi daya konduksi Q con = rugi konduksi dioda swq = rugi pensaklaran pada Q Rugi daya konduksi Q ( conq) adalah rugi konduksi saat Q aktif. Q aktif saat konverter C bekerja pada durasi, sehingga conq dihitung dengan kuadrat I L yang dikalikan dengan parameter dan R ds(on)q. conq diberikan oleh ersamaan 8[2]: conq R ds( on) Q 1 (8) conq = rugi daya konduksi Q R ds(on)q = tahanan dalam Q = duty cycle Rugi konduksi dioda ( con) adalah rugi konduksi yang terjadi pada dioda saat Q tidak aktif. Q tidak aktif saat konverter C bekerja pada durasi ( 1-) seperti terlihat pada Gambar 5, sehingga con dihitung dengan I L yang

4 roceedings Seminar Nasional Teknik Elektro (FORTEI 2016). Hal.61 epartemen Teknik Elektro Undip, 19 Oktober 2016 dikalikan dengan parameter (1-) dan tegangan maju dioda (V f). con diberikan oleh ersamaan 9[2]: con Vfd (9) con = rugi daya konduksi dioda V f = tegangan maju dioda = arus put I o Gambar 5 aerah rugi konduksi dioda ideal pada konverter C tipe penaik tegangan tanpa MOSFET erhitungan conq maupun con menggunakan arus induktor ( I L) karena pada konverter C tipe penaik tegangan arus keluaran ( I o) hanya ada saat Q tidak aktif seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1 dan Gambar 2. Rec pada konverter C dengan MOSFET ( RecSM) merupakan akumulasi dari semua rugi-rugi yang terjadi pada Q1 dan Q2, sehingga RecSM dapat dihitung dengan ersamaan 10 berikut[5]: Re csm conq1 swq1 conq2 con2 gateq1, Q2 r recq1, 2 (10) RecSM = rugi daya akibat proses pensaklaran pada konverter C dengan MOSFET conq1 = rugi daya konduksi Q1 swq1 = rugi daya pensaklaran Q1 conq2 = rugi daya konduksi Q2 con2 = rugi daya konduksi 2 gateq1,q2= rugi daya gate pada Q1 dan Q2 rrecq1,2 = rugi daya reverse-recovery pada Q1 dan 2 gateq1,q2 dan rrecq1,2 merupakan rugi-rugi yang berhubungan dengan frekuensi. ada konverter C yang bekerja pada frekuensi rendah yakni dibawah 300kHz, gateq1,q2 dan rrecq1,2 dapat diabaikan karena gateq1,q2 dan rrecq1,2 sangat kecil jika dibandingkan dengan daya keluaran sehingga dianggap gateq1,q2 dan rrecq1,2 tidak ada[5]. Efisiensi pada konverter C dengan MOSFET dapat dihitung dengan ersamaan 11 berikut[5]: conq1 swq1 conq2 con2 (11) = daya keluaran conq1 = rugi daya konduksi Q1 conq2 = rugi daya konduksi Q2 con2 = rugi daya konduksi 2 = rugi daya pensaklaran Q1 swq1 Rugi daya konduksi Q1 ( conq1) merupakan rugi konduksi pada Q1 saat Q1 aktif. Q1 aktif saat konverter C bekerja pada durasi, sehingga conq1 dihitung dengan kuadrat I L (ersamaan 2) yang dikalikan dengan parameter dan R ds(on)q1. Rugi konduksi saat Q1 aktif diberikan oleh ersamaan 12[2]. conq1 R ds( on) Q1 1 conq1 = rugi daya konduksi Q1 R ds(on)q1 = tahanan dalam Q1 = duty cycle (12) Gambar 6 aerah rugi konduksi dioda ideal pada konverter C tipe penaik tegangan dengan MOSFET Rugi daya konduksi 2 ( con2) merupakan rugi konduksi pada 2 yang terjadi ketika Q1 tidak aktif dan Q2 belum aktif. ada kondisi Q1 tidak aktif dan Q2 belum aktif konverter C bekerja pada durasi t (Gambar 6), sehingga con2 dihitung dengan I L (ersamaan 2) yang dikalikan dengan parameter t dan tegangan maju 2 (V f2). con2 diberikan oleh ersamaan 13 berikut[2,5]: con2 2 t Vf2 1 con2 = rugi daya konduksi 2 t = deadtime saat Q2 belum aktif V f2 = tegangan maju 2 = duty cycle (13)

5 roceedings Seminar Nasional Teknik Elektro (FORTEI 2016). Hal.62 epartemen Teknik Elektro Undip, 19 Oktober 2016 Rugi daya konduksi Q2 ( conq2) merupakan rugi konduksi pada Q2 yang terjadi ketika Q1 tidak aktif dan Q2 aktif. ada kondisi Q1 tidak aktif dan Q2 aktif konverter C bekerja pada durasi (Gambar 7), sehingga conq2 dihitung dengan kuadrat I L (ersamaan 2) yang dikalikan dengan parameter dan R ds(on)q2. conq2 diberikan oleh ersamaan 14[2]. conq2 R ds( on) Q2 1 conq2 = rugi daya konduksi Q2 R ds(on)q2 = tahanan dalam Q2 = duty cycle (14) Karakteristik keluaran IC TL494 yang bekerja pada mode pushpull adalah ketika duty cycle diperbesar deadtime akan semakin kecil dan sebaliknya ketika duty cycle diperkecil deadtime akan semakin besar. Saat duty cycle diperkecil dan deadtime semakin besar, arus tiap satuan waktu yang melewati body dioda MOSFET pada konverter C dengan MOSFET akan semakin besar. Body dioda MOSFET memiliki tegangan maju ( V f) sebesar 1,6V sedangkan dioda MUR460 memiliki tegangan maju ( V f) sebesar 1,05V, sehingga rugi daya konduksi konverter C dengan MOSFET akan semakin besar ketika duty cycle diperkecil. Berdasarkan data pada Tabel 1 dapat diperoleh perbandingan efisiensi antara konverter C tipe penaik tegangan dengan MOSFET dan konverter C tipe penaik tegangan tanpa MOSFET dengan perhitungan menggunakan ersamaan 5. erbandingan nilai efisiensi disajikan pada Gambar 6 seperti berikut: erbandingan efisiensi konverter C dengan dan tanpa MOSFET Gambar 7 aerah rugi konduksi ideal pada konverter C tipe penaik tegangan dengan MOSFET saat MOSFET aktif Hasil perbandingan nilai rugi daya akibat proses rectifier pada konverter C dengan MOSFET dan konverter C tanpa MOSFET dapat dilihat pada Tabel 1: Tabel 1 erhitungan perbandingan rugi konduksi konverter C dengan dan tanpa MOSFET. uty cycle (%) Rugi daya konduksi konverter C dengan MOSFET (W) 6,8 1, , , , , , , , , , , , , , , , ,5 0, , Rugi daya konduksi konverter C tanpa MOSFET (W) Tabel 1 memperlihatkan perbandingan rugi daya konduksi antara konverter C dengan MOSFET dan konverter C tanpa MOSFET. Rugi daya konduksi konverter C dengan MOSFET akan semakin besar ketika duty cycle diperkecil. Rugi daya konduksi konverter C tanpa MOSFET akan semakin besar ketika duty cycle diperbesar. Ƞ 1 0,95 0,9 0,85 0,8 6, ,5 uty cycle MOSFET ioda Gambar 8 Grafik erbandingan Efisiensi antara konverter C tipe penaik tegangan dengan dan tanpa MOSFET ada Gambar 8 terlihat bahwa semakin tinggi duty cycle maka akan semakin tinggi nilai efisiensi dari konverter C tipe penaik tegangan dengan MOSFET. ada konverter C tipe penaik tegangan tanpa MOSFET nilai efisiensi cenderung stabil pada duty cycle berapapun. ada konverter C dengan MOSFET efisiensi akan terus meningkat dan saat duty cycle diatas 40% melebihi nilai efisiensi konverter C tanpa MOSFET. Hal tersebut disebabkan akibat dari nilai rugi konduksi pada body dioda MOSFET akan semakin kecil ketika duty cycle diperbesar.

6 roceedings Seminar Nasional Teknik Elektro (FORTEI 2016). Hal.63 epartemen Teknik Elektro Undip, 19 Oktober Kesimpulan ada konverter C tipe penaik tegangan dengan MOSFET yang menggunakan TL494 sebagai WM semakin tinggi duty cycle maka akan semakin tinggi nilai efisiensinya. ada konverter C tipe penaik tegangan tanpa MOSFET nilai efisiensi cenderung stabil pada duty cycle berapapun. ada konverter C dengan MOSFET efisiensi akan terus meningkat dan saat duty cycle diatas 40% melebihi nilai efisiensi konverter C tanpa MOSFET. Hal tersebut disebabkan akibat dari nilai rugi konduksi pada MOSFET akan semakin kecil ketika duty cycle diperbesar. Jika duty cycle diperbesar maka deadtime akan semakin kecil sehingga rugi konduksi pada body dioda MOSFET akan semakin kecil. emilihan komponen yang tepat pada rangkaian konverter C dengan MOSFET sangat penting untuk efisiensi yang lebih tinggi Referensi [1] Rashid, Muhammad H., ower Electronics Handbook, University of Florida, Florida, [2] Jaunay, Serge and Brown, Jess, C to C esign Guide, Vishay Siliconix, AN607, [3] Hart, aniel W., ower Electronics C-C Converter, Valparaiso University, Valparaiso, Indiana, [4] Mohan, Ned, ower Electronic A First Course, John Wiley & Sons, Inc., University of Minnesota, Minneapolis, [5] Zhang et al., "esign Considerations and erformance Evaluations of Synchronous Rectification in Flyback Converters", IEEE Transactions on ower Electronics, vol. 13, No. 3 (May 1998). [6] ittmer, Greg Synchronous Boost Converter rovide High Voltage With The Heat, Linear Technology Magazine, January [7] Juarsah, Marco A., erancangan C Chopper Tipe Buck- Boost Converter enguatan Umpan Balik IC TL494, TRANSIENT, VOL.4, NO. 3( SETEMBER 2015)