BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Inverter adalah alat yang banyak digunakan dalam aplikasi elektronis. Alat ini sangat berguna untuk mengoperasikan alat elektronis AC ketika tidak ada sumber listrik AC. Sebagai contoh pada aplikasi otomotif seperti mobil listrik yang sumber listriknya adalah baterai. Inverter adalah sebuah alat yang dapat mengubah sumber listrik DC menjadi listrik AC. Bentuk gelombang AC inverter tidak harus gelombang sinusoidal, tetapi dapat berupa gelombang dengan dua arah. Inverter terbentuk dari beberapa saklar semikonduktor yang menyala secara bergantian. Dengan memanipulasi saklar semikonduktor tersebut, inverter dapat memberikan tegangan AC yang sesuai untuk berbagai aplikasi. Dalam operasinya inverter memerlukan rangkaian gate drive. Gate drive merupakan rangkaian yang digunakan untuk menyalakan dan mematikan saklar semikonduktor seperti IGBT atau MOSFET. Saklar pada inverter dibagi menjadi dua bagian yaitu saklar sisi atas dan sisi bawah. Gate drive sisi atas memiliki masalah dalam mengaktifkan IGBT karena emitor IGBT tidak berada pada ground sehingga dibutuhkan catu daya terisolasi. Gate drive memerlukan catu daya terisolasi untuk mengaktifkan IGBT pada sisi atas karena catu daya terisolasi dapat memberikan floating ground (mengambang). [6] Penelitian tentang catu daya terisolasi dilakukan karena hal ini sangat dibutuhkan untuk aplikasi inverter secara umum. Oleh karena itu dalam penelitian 1
2 ini akan dirancang dan dibuat catu daya terisolasi sebagai salah satu komponen pendukung inverter. 1.2 Rumusan Masalah Alat yang akan dibuat adalah catu daya untuk mencatu gate drive IGBT. Inverter yang akan digunakan adalah inverter 3 fase, dengan begitu catu daya harus dapat mencatu enam gate drive IGBT. Tegangan masukan catu daya adalah 24 volt. Tegangan keluaran catu daya adalah +16 volt dan -8 volt serta memiliki ground yang berbeda dengan ground inverter (floating ground). Selain itu catu daya harus dapat mencatu daya sebesar 2 watt tiap IGBT. Catu daya memiliki pengaman arus berlebih (over current protection) dan memiliki isolasi antara terminal masukan dengan terminal keluaran. IGBT membutuhkan tegangan gate emitor diatas tegangan batas (threshold voltage) untuk aktif. Grafik tegangan gate emitor dengan arus kolektor (I C ) sebagai berikut. Gambar 1. 1 Karakteristik Tegangan Gate Emitor dengan Arus Kolektor IGBT.
3 Terlihat pada Gambar 1.1 bahwa catu daya harus dapat mencatu tegangan diatas 13 volt agar IGBT dapat mengalirkan arus I C yang besar dengan tegangan kolektor emitor aktif yang kecil. [8] Tetapi apabila tegangan gate emitor terlalu besar dapat meningkatkan rugi daya pada gate drive. Pada Gambar 1.2 terlihat hubungan antara tegangan gate emitor dengan muatan pada terminal gate. Semakin besar muatan pada terminal gate maka semakin besar rugi daya yang terjadi. Gambar 1. 2 Karakteristik Tegangan Gate Emitor dengan Muatan Gate. Selain itu tegangan gate emitor juga berpengaruh pada waktu transisi aktif IGBT, semakin besar tegangan gate emitor maka waktu transisi aktif semakin cepat. Karena pertimbangan tersebut diambil kesimpulan bahwa tegangan yang paling efektif dan efisien untuk mengaktifkan IGBT adalah sekitar 15 Volt.[8]
4 IGBT akan mati atau off saat tegangan gate emitor diberi 0 Volt, tetapi kelemahan IGBT adalah adanya arus ekor (current tail) pada saat transisi dari on ke off. Current tail menyebabkan IGBT tetap aktif ketika seharusnya sudah mati. Fenomena ini memperlambat transisi pensaklaran IGBT yang berakibat pada meningkatnya dead-time pensaklaran sisi atas dan sisi bawah IGBT. Untuk itu diberikan tegangan negatif antara -5 volt dan -10 volt untuk menghilangkan efek current tail sehingga transisi on ke off lebih cepat. [9] Dalam penelitian ini akan dikembangkan catu daya terisolasi untuk gate drive yang dapat memenuhi spesifikasi tegangan keluaran 16 volt dan -8 volt. 1.3 Batasan Masalah Batasan masalah pada penelitian ini adalah : 1. Spesifikasi IGBT adalah 600 volt dan 400 ampere, 2. Catu daya digunakan untuk gate drive inverter tiga fase, sehingga diperlukan enam keluaran untuk enam gate drive, 3. Tegangan masukan catu daya 24 volt, 4. Tegangan keluaran catu daya +16 volt dan -8 volt serta dapat mencatu daya sesuai kebutuhan gate drive. 1.4 Tujuan Penelitian Penelitian ini bertujuan untuk : 1. Membuat catu daya terisolasi untuk gate drive IGBT inverter tiga fase dengan spesifikasi yang telah disebutkan sebelumnya, 2. Menguji tegangan keluaran catu daya dengan variasi beban dan tegangan masukan konstan,
5 3. Menguji tegangan keluaran catu daya dengan variasi tegangan masukan dan beban konstan, 4. Menguji pengaman arus berlebih (over current protection) catu daya. 1.5 Sistematika Penulisan Laporan tugas akhir ini merupakan karya tulis yang akan dipaparkan dalam lima bab. Bab pertama adalah pendahuluan. Bab ini membahas tentang latar belakang penelitian, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan penelitian dan sistematika penulisan. Bab kedua adalah dasar teori. Bab ini berisi teori yang digunakan dalam merancang, membuat dan menguji catu daya terisolasi antara lain IGBT, inverter 3 fase, gate drive, IC high voltage PWM controller LM5030, MOSFET, rangkaian penyearah, transformer, dan topologi converter push-pull. Bab ketiga membahas tentang metode penelitian. Bab ini berisi tentang jenis penelitian, desain penelitian, alat & bahan, jadwal penelitian, parameter yang diukur, dan alur penelitian (flowchart). Pada bagian desain penelitian terdapat beberapa bagian seperti desain skematik, desain board, dan desain spesifikasi alat. Bab keempat akan merinci hasil pengujian dan pembahasan unjuk kerja catu daya terisolasi yang telah dirancang dan dibuat. Bab ini akan berisi data pengujian meliputi pengujian tegangan keluaran dengan variasi beban dan tegangan masukan konstan, pengujian tegangan keluaran dengan variasi tegangan masukan dan beban konstan, dan pengujian fungsi pengaman arus berlebih. Data akan disajikan dengan gambar grafik dan tabel.
6 Laporan tugas akhir akan diakhiri dengan kesimpulan pada bab kelima. Bab ini akan berisi kesimpulan penulis terhadap pembahasan dan analisis pada bab sebelumnya. Selain kesimpulan tersebut, pada bab ini juga akan ditambahkan saransaran penulis untuk pengembangan purwarupa alat. 1.6 Manfaat Penelitian Manfaat penelitian ini adalah untuk membuat catu daya terisolasi untuk gate drive IGBT yang akan diimplementasikan pada inverter tiga fase.