Desain Konverter DC/DC Zero Voltage Switching dengan Perbaikan Faktor Daya sebagai Charger Baterai untuk Kendaraan Listrik

Transkripsi

1 Desain Konverter DC/DC Zero Voltage Switching dengan Perbaikan Faktor Daya sebagai Charger Baterai untuk Kendaraan Listrik BAGUS PRAHORO TRISTANTIO, MOCHAMAD ASHARI, SOEDIBJO JURUSAN TEKNIK ELEKTRO, FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI, INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER (ITS) JL. ARIEF RAHMAN HAKIM, SURABAYA

2 LATAR BELAKANG GRID Charger baterai dengan efisiensi yang tinggi sangat dibutuhkan terutama untuk kendaraan listrik. Charger yang umum digunakan terdiri dari sebuah rangkaian AC ke DC (penyearah) untuk memperbaiki DC/DC KONVERTER faktor daya dan sebuah konverter DC PFC ke DC yang berfungsi DIDESAIN DENGAN mengubah EFISIENSI tegangan DC sesuai TINGGI MENGGUNAKAN ZVS. dengan DIGUNAKAN tegangan UNTUK pengisian yang sesuai dengan rating tegangan baterai. MENJAMIN BAHWA POWER FACTOR DARI SISTEM MENDEKATI UNITY POWER FACTOR = 1 DIGUNAKAN UNTUK MEMBUAT TEGANGAN DC SESUAI DENGAN TEGANGAN PENGISIAN PADA BATERAI DAN DAPAT DIGUNAKAN SEBAGAI CONTACTLESS CHARGER

3 PERUMUSAN Perumusan masalah : Desain perbaikan faktor daya Besarnya Total Harmonics Distortion (THD) sebelum dan setelah pemasangan perbaikan faktor daya Analisa gelombang sebelum dan setelah penggunaan soft switching. Total rugi daya yang mungkin terjadi akibat pensakelaran Efisiensi dengan dan tanpa menggunakan soft switching.

4 BATASAN MASALAH Batasan masalah dalam tugas akhir ini adalah sebagai berikut : 1. Pada tugas akhir ini tidak membahas tentang contactless charger 2. Analisa efisiensi dan soft switching tidak melibatkan perbaikan faktor daya, efisiensi ditujukan hanya untuk converter DC/DC tipe full bridge. 3. Pada desain perbaikan faktor daya menggunakan penyearah VIENNA dengan Hysteresis Curreny Control.

5 PENYEARAH 3 FASA VIENNA Penyearah VIENNA merupakan penyearah tipe boost yang berfungsi menaikkan tegangan pada output penyearah. Terdiri dari 6 buah dioda dimana pada titik tengah masing-masing dioda tiap fasanya dihubungkan dengan switch dua arah ke titik tengah dari kapasitor output. Rangkaian VIENNA rectifier merupakan modifikasi dari penyearah 6 pulsa dengan menggunakan dioda. Sehingga analisanya dapat menggunakan analisa penyearah 6 pulsa dengan menggunakan dioda. 3 Phase Sin S1 S2 S3

6 TEGANGAN DAN ARUS PFC (VIENNA) Tegangan dan arus rms minimum : 2π 3 V DD rrr = 9 (VV sss ωω)2 ddd π V DD rrr = 1,655 VV VV I DD rrr = R Tegangan dan arus rata-rata minimum : V DD aaa = 6 2π π 3 2π 3 π 3 3VV sss ωω ddd V DD aaa = VV VV I DD aaa = R

7 Hysteresis current control (kontrol arus histeresis) Metode arus histeresis menggunakan arus referensi (I ref ) dan arus aktual (I fasa ) dari konverter 3 fasa yang digunakan. Sinyal error hasil pengurangan dari arus referensi dengan arus fasa digunakan untuk membuat pola pensakelaran dari masing-masing sakelar Iref1 S1 Ifasa Iref2 S2 Ifasa Iref3 S3 Ifasa

8 FULL BRIDGE DC/DC KONVERTER M1 M3 SEBELUM PENAMBAHAN SOFT SWITCHING (LLC RESONAT) VDC TRAFO Ro M2 M4 M1 M3 SETELAH PENAMBAHAN SOFT SWITCHING (LLC RESONAT) VDC Lr Cr Lm TRAFO Ro M2 M4

9 Hard Switching Vs Soft Switching Hard Switching Soft Switching V DS I DS TIDAK ADA RUGI-RUGI AKIBAT PENSAKELARAN EFISIENSI MAKSIMAL

10 DIAGRAM BLOK SISTEM SUMBER 3 FASA Penyearah 3 fasa tipe vienna DC/DC Konverter dengan ZVS BEBAN PWM GENERATOR PWM GERNERATOR Ifasa Hysteresis current control Iref

11 PERBAIKAN FAKTOR DAYA 3 Phase Sin S1 S2 S3

12 RANGKAIAN SISTEM M1 M3 S1 S2 S3 VDC Lr Cr Lm TRAFO Ro M2 M4 S1 S2 S3 3 Phase Sin Iref Hysteresis Current Control PWM GERNERATOR Iphase

13 Arus Referensi Arus referensi merupakan arus sinus rms pada sisi input AC. Arus referensi didapatkan dengan mengalikan magnitud arus rms ac dengan sinyal sinus referensi. Sinyal sinus referensi tersebut merupakan sinyal sinus referensi dari tegangan. P DD = P AA = 3. V AA rrr. I AA rrr P DD rrr = V DD rrr. I DD rrr I AA rrr = V DD rrr.i DD rrr 3. V AA rrr I rrr = I AA rrr 2(sin ωω) I rrr = I m (sin ωω)

14 Blok Kalkulasi Arus Sinus Referensi

15 Perancangan Hysteresis current control Hysteresis current control didapatkan dengan mengurangi arus referensi dengan arus fasa input dari penyearah. Gelombang arus input akan dikontrol sehingga mengikuti gelombang arus referensi tersebut.

16 Hysteresis Current Control dengan Pita Hysteresis

17 DC/DC Zero Voltage Switching M1 M3 SETELAH PENAMBAHAN SOFT SWITCHING (LLC RESONAT) VDC Lr Cr Lm TRAFO Ro M2 M4

18 Hold up time Dikarenakan adanya kebutuhan hold-up time pada DC/DC konverter dimana kapasitor pada sisi DC mensuplay energi ke beban melalui konverter selama 20 ms pada saat sumber seolah-olah hilang. Maka dibutuhkan V DC minimum selama hold-up time yang didefenisikan sebagai : V DDDDD = C DD bbb(c DD bbb.v DD nnn 2 2.P o.t hu ) C DD bbb Dimana : C DC-bus V DC-nor P o T hu = Kapasitansi dari DC-bus kapasitor = Tegangan input normal = Daya output DC/DC konverter = Hold-up time

19 Frekuensi kerja dan impedansi resonan Frekuensi kerja dari system haruslah diantara dua frekuensi berikut yaitu : dan, f 2 = 1 f 1 = 2π L r C r 1 2π (L r +L m )C r AC Cr Lr Lm Req Vout Impedansi equivalen dari sistem pada sisi jembatan H dapet dirumuskan sebagai berikut. Z = jjl r + 1 jjc r + jjl m R = R 1 ω2 L m +L r C r +jjl m (1 ω 2 L r C r ) jjc r (R+jjL m )

20 Rasio Induktansi (k L ) dari LLC resonan Efek dari resonansi didapatkan dengan nilai L m yang tetap. Dimana nilai L m didefenisikan sebagai : L m = R ee ω r f r = 2.π. k L = L m L r 1 dengan ω r = 2. π. f r L r C r

21 Penguatan dari LLC resonan Dari gambar fungsi transfer dari penguatan tegangan pada LLC resonan dapat dirumuskan : GGGG LLL = Dimana : f n = f s f r Q = Lr C r R ee 1 1+ L r Lm L r fn 2.Lm = 2.π.f r.l r R ee +j.q. f n 1 fn Dengan mengkombinasikan persamaan maka penguatan tegangan pada LLC resonan dapat ditulis sebagai berikut : GGGG LLL = k L + 1 fn 2 k L k L 2. f n 1 fn 2

22 Kurva Gain LLC terhadap frekuensi natural

23 Spesifikasi Dari LLC resonan Spesifikasi dan parameter Tegangan DC bus Tegangan converter keluaran Daya keluaran konverter DC/DC Req L r C r frekuensi resonan (f r ) Nilai Volt Volt 4 kw Ω 100 khz Rasio transformer 1.6 : 1 Penguatan tegangan maksimum 1.44 Parameter Induktor resonansi paralel (L m ) Nilai 39.8 µh Induktor resonansi seri (L r ) 9.95 µh Kapasitansi resonansi seri (C r ) 254 nf Rasio transformer 1.6 : 1 MOSFET IPB60R160C6

24 Hasil Simulasi dan Analisa Pengukuran system terdiri dari : PFC (penyearah VIENNA) 1. Tegangan dan arus pada sisi output (DC) 2. THD arus input 3. Faktor daya (PF) pada sisi input DC/DC converter 1. Tegangan dan arus output (beban) 2. Rugi-rugi pada MOSFET sebelum dan setelah pemasangan LLC resonan 3. Efisiensi sebelum dan setelah pemasangan LLC resonan.

25 Pengujian THD 1. Dengan Histeresis minimum Parameter Nilai Boost Inductor (L) 7.45 mh Kapasitor (C) 1000 µf Daya output 5 kw THD : I R I S 6.73% 6.73% 6.73% I T 3. Dengan Perubahan Beban Beban (watt) THD(%) Dengan pengaturan lebar pita histeresis Lebar Pita THD I R I S I T % 7.46% 7.46% 1 9.8% 9.8% 9.8% % 11.2% 11.2% 2 17,8% 17,8% 17,8% ,79% 18,79% 18,79%

26 Bentuk Arus Input PFC dengn HCC a. Arus Input dengan beban 1 kw b. Arus Input dengan pita hysteresis 0,5 C. FFT Arus Input dengan pita hysteresis 0,5

27 PENGUJIAN FAKTOR DAYA a. Faktor daya dengan hysteresis minimum Fasa R Fasa S Fasa T b. Faktor daya dengan pengaturan lebar pita histeresis Lebar Pita Faktor Daya Histeresis c. Faktor daya dengan beban berubahubah Beban Faktor daya (watt)

28 Bentuk arus input dan tegangan input

29 Pengujian converter DC/DC tanpa soft switching a. Tegangan Drain-Source dan arus Drain-source tanpa ZVS b. Disipasi daya pensakelaran tanpa soft switching

30 Total disipasi daya dan energy yang hilang selama pensakelaran Frekuensi Switching Lama waktu Psw (watt) Esw (mj) ms 5ms 5ms

31 DC/DC converter dengan soft switching F = 104 khz F = 125kHz F = 150 khz

32 Total disipasi daya dan energy yang hilang selama pensakelaran dengan soft switching Frekuensi Switching Lama waktu 5ms 5ms 5ms Psw (watt) Esw (mj)

33 Perbandingan efisiensi Frek (khz) P SW (Watt) Total P SW (Watt) V O (V) Eff (%) Tanpa ZVS Dengan ZVS Efisiensi Perbandingan efisiensi dengan dan tanpa soft switching Daya Output tanpa LLC Dengan LLC

34 KESIMPULAN Telah didapatkan system charging baterai dengan efisiensi tinggi dan faktor daya yang baik. Charger baterai ini terdiri atas dua komponen utama yaitu penyearah VIENNA sebagai perbaikan faktor daya yang menjamin faktor daya system mendekati unity power factor serta full bridge DC/DC converter untuk mendapatkan tegangan pengisisn yang sesuai, menghasilkan isolasi elektris, serta mampu digunakan sebagai contactless battery charger dengan efisiensi yang tinggi. Sistem yang disimulasikan memiliki tegangan DChasil penyearahan sebesar 500 Volt dengan output tegangan pada beban bervariasi dari Volt. Hasilhasil simulasi dapat disimpulkan sebagai berikut : Penyearah VIENNA dengan HCC dapat memperbaiki faktor daya dari penyearah. Faktor daya 0.99 didapatkan dengan lebar pita histeresis minimum. Semakin lebar pita histeresis, maka semakin besar pula THD arus input. Frekuensi switching akan semakin rendah. Namun faktor daya tetap bernilai LLC resonan yang diterapkan pada rangkaian full bridge DC/DC konverter dapat menciptakan zero voltage switching. Efisiensi dari konverter sebesar 94% atau lebih besar 7% tanpa menggunakan soft switching.

35 TERIMA KASIH