HALAMAN JUDUL SUATU PENDEKATAN BARU UNTUK SINTESIS TOPOLOGI KONVERTER DAYA TESIS MAGISTER ARWINDRA RIZQIAWAN 23206305 SEKOLAH TEKNIK ELEKTRO DAN INFORMATIKA INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2008
ii MAN PENGESAHAN SUATU PENDEKATAN BARU UNTUK SINTESIS TOPOLOGI KONVERTER DAYA ARWINDRA RIZQIAWAN 23206305 Pembimbing Dr. Ir. Pekik Argo Dahono NIP. 131 661 119
iii ABSTRAK Pada tesis ini diusulkan suatu metoda baru untuk sintesis topologi konverter daya. Pendekatan yang diusulkan berdasarkan pada kombinasi dari two-ports networks yang merepresentasikan konverter daya. Kombinasi yang diusulkan adalah seri-seri, seri-paralel, paralel-seri, dan paralel-paralel. Berdasarkan pendekatan ini, bermacam topologi konverter daya bisa diturunkan. Sebagai kasus khusus, suatu konverter dc-dc yang dapat beroperasi pada rasio tegangan yang ekstrim diusulkan. Analisis riak dan rugi-rugi daya dari konverter yang diusulkan diberikan dalam tesis ini. Teknik kendali dari konverter daya yang bekerja sebagai penaik maupun penurun tegangan diusulkan dalam tesis ini. Beberapa hasil eksperimen ditunjukkan untuk memverifikasi analisis.
iv ABSTRACT A new approach to synthesis of power converter topology is proposed. The proposed approach is based on combinational form of two-port networks which represent power converter. Proposed combinational forms are series-series, series-parallel, parallel-series, and parallel-parallel. Based on this approach, many converter topologies can be derived. As a special case, a new topology dc-dc converter which able to operate in extreme ratio between its input and output voltage is proposed. Ripple and losses analysis of the proposed converter are shown. Control method of the proposed converter, either as buck or boost converter, is also shown here. Several experimental results are included to verify the analysis.
v KATA PENGANTAR Perkembangan yang pesat di bidang elektronika daya memunculkan berbagai jenis konverter daya yang didesain untuk keperluan-keperluan yang spesifik dengan berbagai teknik sintesis konverter telah dikembangkan oleh para ahli. Semakin banyaknya konverter daya yang muncul kadang kala menimbulkan pertanyaan dari mana asal didapatnya konverter-konverter tersebut? Pada tulisan ini diusulkan suatu pendekatan baru sintesis topologi konverter daya. Dengan menggunakan pendekatan sintesis ini maka bisa diperoleh topologi-topologi baru konverter daya yang ditujukan untuk keperluan yang spesifik. Topologi konverter daya yang sudah dikenal pun dapat dijelaskan penurunannya dengan menggunakan pendekatan yang diusulkan. Diharapkan dengan menggunakan pendekatan ini maka sintesis topologi konverter daya dapat mudah dipahami, terutama bagi para pemula. Berdasarkan pendekatan sintesis yang diusulkan, suatu topologi baru konverter dc-dc rasio tinggi bisa diperoleh. Topologi baru yang diusulkan diharapkan dapat mengatasi permasalahan yang muncul pada konverter dc-dc konvensional pada operasi rasio tinggi, yakni keterbatasan duty cycle karena penggunaan saklar yang non-ideal. Beberapa aspek pada konverter yang diusulkan dibahas, yakni aspek riak di sisi masukan dan keluaran, aspek rugi-rugi daya, serta aspek metode kendali yang bisa digunakan. Penulis ingin mengucapkan terima kasih kepada pihak-pihak yang mendukung hingga terselesaikannya ini. Secara khusus penulis
vi berterimakasih kepada Dr. Ir. Pekik Argo Dahono sebagai pembimbing, guru, dan mentor atas saran-saran dan pengalaman yang sangat berguna. Kepada Prof. Dr. Ir. Yanuarsyah Haroen atas diskusi-diskusi selama ini; untuk tim penelitian konverter dc-dc: Fransiska, Kadek, Kus, dan Firman; Deni dan Bp. Nana Heryana untuk semua bantuan dan dukungannya yang sangat membantu; semua rekan-rekan di PADRG LPKEE ITB; dan semua staff di LPKEE ITB serta STEI ITB. Terakhir penulis ingin berterima kasih kepada orang tua dan keluarga atas dukungan yang diberikan, maaf atas semua waktu yang tidak bisa saya penuhi. Semoga penelitian ini menjadi awal bagi penelitian lebih lanjut sehingga menghasilkan sesuatu yang berguna bagi kehidupan. Bandung, Juni 2008 Penulis windra@konversi.ee.itb.ac.id ar.windra@yahoo.com
vii DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL... I HALAMAN PENGESAHAN... II ABSTRAK... III ABSTRACT... IV KATA PENGANTAR... V DAFTAR ISI... VII DAFTAR GAMBAR... IX BAB 1 PENDAHULUAN... 1 1.1 LATAR BELAKANG... 1 1.2 TUJUAN PENELITIAN... 3 1.3 BATASAN PERMASALAHAN... 3 1.4 SISTEMATIKA PENULISAN... 3 BAB 2 PENDEKATAN BARU UNTUK SINTESIS KONVERTER DAYA... 5 2.1 PENDAHULUAN... 5 2.2 BATASAN-BATASAN DASAR SUATU TOPOLOGI... 7 2.3 SINTESA KONVERTER DAYA... 8 2.3.1 Masukan-paralel, keluaran-paralel... 9 2.3.2 Masukan-paralel, keluaran-seri... 12 2.3.3 Masukan-seri, keluaran-paralel... 14 2.3.4 Masukan-seri, keluaran-seri... 16 2.4 SINTESIS KONVERTER UNTUK LEBIH DARI DUA KONVERTER... 21 2.5 KONVERTER DC-DC RASIO TINGGI... 24 2.6 HASIL EKSPERIMEN... 29 2.7 PENUTUP... 30 BAB 3 ANALISIS RIAK TOPOLOGI BARU KONVERTER DC-DC RASIO TINGGI... 31 3.1 PENDAHULUAN... 31 3.2 ANALISIS RIAK SISI KELUARAN... 32 3.3 ANALISIS RIAK SISI MASUKAN... 37 3.4 EVALUASI PERBANDINGAN... 43 3.5 HASIL EKSPERIMEN... 47 3.6 PENUTUP... 48 BAB 4 ANALISIS RUGI-RUGI TOPOLOGI BARU KONVERTER DC-DC RASIO TINGGI... 50 4.1 PENDAHULUAN... 50
viii 4.2 RUGI-RUGI PADA SAKLAR... 51 4.3 ANALISIS RUGI-RUGI KONVERTER DC-DC RASIO TINGGI... 53 4.4 EVALUASI PERBANDINGAN... 56 4.5 HASIL EKSPERIMEN... 57 4.6 PENUTUP... 59 BAB 5 TEKNIK KENDALI KONVERTER DC-DC... 60 5.1 PENDAHULUAN... 60 5.2 METODE KENDALI KONVERTER DC-DC RASIO TINGGI TIPE BUCK... 61 5.3 METODE KENDALI KONVERTER DC-DC RASIO TINGGI TIPE BOOST... 68 5.4 HASIL EKSPERIMEN... 74 5.5 PENUTUP... 75 BAB 6 KESIMPULAN DAN SARAN... 76 6.1 KESIMPULAN... 76 6.2 SARAN... 77 REFERENSI... 78 LAMPIRAN... 80
ix DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1. Batasan topologi yang valid. (a) Konfigurasi untuk hubungan sumber dengan saklar. (b) Konfigurasi untuk hubungan sumber dengan sumber.8 Gambar 2.2. Hubungan masukan-paralel, keluaran-paralel.... 10 Gambar 2.3. Detil penurunan konverter dari konfigurasi masukan-paralel, keluaran paralel.... 11 Gambar 2.4. Hubungan masukan-paralel, keluaran-seri.... 13 Gambar 2.5. Detil penurunan konverter menggunakan konfigurasi masukan-paralel, keluaran seri.... 15 Gambar 2.6. Hubungan masukan-seri, keluaran-paralel... 15 Gambar 2.7. Detil penurunan konverter dari konfigurasi masukan-seri, keluaranparalel.... 17 Gambar 2.8. Implementasi saklar pada konverter yang diturunkan di Gambar 2.7.... 18 Gambar 2.9. Hubungan masukan-seri, keluaran-seri... 18 Gambar 2.10. Detil penurunan konverter dari konfigurasi masukan-seri, keluaran-seri.... 19 Gambar 2.11. Beberapa topologi konverter yang bisa diturunkan dari berbagai hubungan masukan keluaran menggunakan sintesis konverter yang diusulkan.... 21 Gambar 2.12. Trik menghubungkan lebih dari dua konverter untuk hubungan seri.... 23 Gambar 2.13. Konverter dc-dc multilevel disusun dari empat buah konverter dc-dc dasar.... 24 Gambar 2.14. Detil penurunan konverter dc-dc rasio tinggi.... 26 Gambar 2.15. 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.... 30 Gambar 3.1. Rangkaian konverter dc-dc rasio tinggi tipe buck.... 32 Gambar 3.2. Detil gelombang sisi keluaran.... 33 Gambar 3.3. Konverter dc-dc rasio tinggi dengan tapis LC di sisi masukan.... 38 Gambar 3.4. Detil gelombang sisi masukan... 39 Gambar 3.5. Konverter dc-dc dua fasa.... 43 Gambar 3.6. Konverter dc-dc tiga level.... 44 Gambar 3.7. Kurva riak arus sumber untuk tiga jenis konverter.... 45 Gambar 3.8. Kurva riak arus sumber untuk rasio tegangan yang ekstrim.... 45 Gambar 3.9. Kurva riak arus keluaran untuk konverter dc-dc rasio tinggi, dua fasa dan, tiga level.... 46 Gambar 3.10. Kurva riak arus keluaran untuk rasio tegangan yang ekstrim.... 46 Gambar 3.11. Kurva hasil eksperimen riak arus keluaran konverter dc-dc rasio tinggi. 48 Gambar 3.12. Kurva eksperimen riak arus sumber konverter dc-dc rasio tinggi... 48 Gambar 4.1. Bentuk gelombang penyaklaran.... 51 Gambar 4.2. Konverter dc-dc rasio tinggi.... 53 Gambar 4.3. Evaluasi perbandingan rugi-rugi total pada saklar... 57 Gambar 4.4. Penentuan besar rugi-rugi konduksi dari hasil eksperimen... 58
Gambar 4.5. Kurva hasil eksperimen rugi-rugi total konverter dc-dc rasio tinggi... 59 Gambar 5.1. Teknik kendali lup ganda pada konverter tipe buck.... 62 Gambar 5.2. Kendali arus dengan menggunakan pita hysteresis... 63 Gambar 5.3. Diagram blok kendali lup ganda konverter dc-dc tipe buck... 65 Gambar 5.4. (a) Diagram blok kendali arus (b) Diagram blok kendali tegangan.... 65 Gambar 5.5. Respon frekuensi tegangan keluaran. (a) Terhadap tegangan acuan. (b) Terhadap arus beban. (K p = 0.4, K i = 25).... 67 Gambar 5.6. Sinyal penyaklaran tipe buck. (atas) Keluaran pengendali arus. (tengah dan bawah) Sinyal untuk saklar hasil dari rangkaian logika tambahan... 68 Gambar 5.7. Teknik kendali lup ganda pada konverter tipe boost.... 68 Gambar 5.8. Diagram blok hubungan tegangan keluaran dengan arus induktor.... 70 Gambar 5.9. Diagram blok setelah dilinierisasi.... 72 Gambar 5.10. Diagram blok menggunakan pengendali tegangan yang sudah dilinierisasi.... 72 Gambar 5.11. Sinyal penyaklaran untuk tipe boost (atas) keluaran pengendali arus (tengah dan bawah) sinyal untuk saklar hasil dari rangkaian logika tambahan.... 73 Gambar 5.12. Gelombang tegangan (atas, 25V/div, 0.5s/div) tegangan acuan; (bawah, 5V/div, 0.5s/div) tegangan keluaran... 74 Gambar 5.13. Gelombang arus (atas, 10A/div, 0.5s/div) arus induktor; (bawah, 10A/div, 0.5s/div) arus acuan.... 75 Gambar 5.14. Gelombang arus beban berubah (atas, 2.5A/div, 0.5s/div); tegangan keluaran (bawah, 20V/div, 0.5s/div)... 75 x