BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Salah satu bidang ilmu kelistrikan yang sedang berkembang pesat dan berpengaruh dalam perkembangan teknologi masa kini adalah bidang elektronika daya. Perkembangan ini tidak terlepas dari adanya kemajuan dalam bidang teknologi switching dan juga kebutuhan terhadap rangkaian switching yang memiliki efisiensi tinggi. Kelebihan utama dari bidang elektronika daya adalah dapat beroperasi pada arus, tegangan dan daya listrik yang tinggi namun mempunyai ukuran alat yang lebih kecil dan ringan dengan efisiensi yang tinggi. Mengamati keunggulan dari teknologi elektronika daya dan juga perkembangannya yang pesat membuat banyak peneliti tertarik untuk mempelajari dan mengkajinya lebih dalam, salah satunya dalam teknologi konverter dc-dc. Pada teknologi konverter dc-dc, tegangan dan arus DC pada level tertentu dapat diubah menjadi tegangan dan arus DC pada level yang lain. Salah satu aplikasi dari konverter dc-dc adalah untuk sistem battery charger. Pada aplikasi battery charger, tegangan masukan PLN 220 Vac 50 Hz akan dikonversi menjadi tegangan DC melalui rectifier yang kemudian dilewatkan ke inverter menjadi tegangan AC yang dapat dikendalikan dengan frekuensi yang jauh lebih besar dari frekuensi tegangan dasarnya, tegangan AC ini kemudian dilewatkan ke transformator frekuensi tinggi untuk mendapatkan nilai tegangan 100V (step 1
2 down) untuk duty cycle 80%, kemudian tegangan ini akan dikonversikan lagi menjadi tegangan DC melalui rectifier sesuai dengan spesifikasi baterai yang digunakan. Pada aplikasi untuk daya tinggi, topologi konverter dc-dc yang cocok adalah full bridge (Kamil, 2007). Topologi full bridge menggunakan transformator frekuensi tinggi. Transformator frekuensi tinggi memiliki keunggulan yaitu memiliki ukuran yang lebih kecil dan ringan dibandingkan dengan transformator frekuensi rendah. Dilihat dari sisi efisiensinya, transformator frekuensi tinggi memiliki efisiensi yang lebih tinggi dibandingkan dengan transformator frekuensi rendah. Transformator frekuensi tinggi di pasaran hanya tersedia secara terbatas dengan spesifikasi tertentu, sehingga transformator biasanya didesain dan dibuat sendiri untuk aplikasi-aplikasi tertentu (Mohan et al., 2003). Untuk meningkatkan efisiensi dari konverter tersebut maka digunakan metode geser fase (phase shifted) PWM. Metode ini memanfaatkan pengendalian duty cycle keluaran inverter yang dikendalikan dengan cara menggeser fase PWM. Selain itu, komponen switching dioperasikan pada kondisi tidak bertegangan atau saat kondisi Zero Voltage Switching (ZVS), hal ini dilakukan untuk mengurangi rugi-rugi saat switching. Penggunaan transformator pada daya tinggi, level tegangan tinggi dan frekuensi yang tinggi akan menimbulkan beberapa tantangan yang harus dihadapi. Tantangan tersebut berkaitan dengan rugi-rugi arus eddy pada inti magnet, rugi-rugi pada belitan akibat skin effect (Bahmani, 2013) dan parasitic
3 elements seperti induktans bocor dan kapasitansi belitan yang dapat menyebabkan rugi-rugi switching menjadi bertambah (Naayagi, 2012). Kenaikan rugi-rugi tersebut dan juga ukuran dari transformator yang menjadi lebih kecil akan menyebabkan kerapatan losses menjadi tinggi sehingga membutuhkan penanganan masalah suhu yang bagus untuk mendisipasi daya yang besar pada komponen yang kecil (Bahmani, 2014). Pada penelitian sebelumnya sudah banyak dibahas juga mengenai perancangan dan pembuatan transformator frekuensi tinggi. Tetapi kebanyakan dari penelitian sebelumnya hanya fokus terhadap efisiensi, pengaruh pembebanan dan pengaruh duty cycle terhadap gelombang keluaran transformator. Sementara masih jarang penelitian yang yang membahas lebih jauh mengenai efek indukans bocor terhadap frekuensi tinggi dan juga gelombang penyaklaran. Oleh karena itu, dalam penelitian ini penulis akan mencoba membahas pengaruh frekuensi terhadap induktans bocor tranformator dan metode belitan yang dapat menurunkan indukans bocor tersebut. 1.2 Rumusan Masalah Pada penelitian ini akan dilakukan perancangan, pembuatan dan pengujian transformator frekuensi tinggi yang akan diaplikasikan pada konverter dc-dc 311/100 V 1000 W. Penggunaan transformator frekuensi tinggi ini akan membuat ukuran konverter dc-dc menjadi lebih kecil jika dibandingkan dengan penggunaan transformator frekuensi rendah. Namun dalam perancangan dan pembuatan transformator frekuensi tinggi ini diperlukan beberapa pertimbangan
4 dan perhitungan khusus. Pendesainan transformator ini harus memperhatikan rugi-rugi daya yang ditimbulkan, nilai induktansi bocor di sisi primer dan sekunder, temperatur belitan, temperatur pada inti transformator dan beberapa pertimbangan lainnya. Pembahasan yang dilakukan pada pengujian transformator frekuensi tinggi ini adalah pengaruh metode belitan dan penambahan kawat paralel terhadap nilai induktans bocor, resitansi primer, resistansi sekunder, induktans magnetisasi, resistansi inti, serta pengaruh induktans bocor terhadap tegangan primer dan sekunder transformator 1.3 Batasan Masalah Lingkup batasan masalah pada penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Pada perancangan konverter dc-dc full bridge phase shifted ZVS yang menjadi perhatian utama adalah pada bagian perancangan transformator frekuensi tinggi. 2. Transformator yang dirancang adalah untuk aplikasi konverter dc-dc full bridge phase shifted ZVS 311/100 V dengan daya 1000 W dan frekuensi penyaklaran 25 khz. 3. Inti magnetis transformator menggunakan inti ferrite dengan bahan N87 dan ukuran ETD59 yang merupakan produk dari TDK Corporation.
5 4. Aspek yang diuji adalah pada gelombang masukan dan keluaran transformator, serta RLQ transformator yang dirancang untuk sistem konverter dc-dc full bridge phase shifted ZVS 311/100 V. 5. Beban yang digunakan adalah beban resistif murni berupa beberapa lampu pijar yang jumlahnya divariasikan sehingga arus dan daya-nya bervariasi sampai mendekati rating arus dan daya sistem yang dibuat. 1.4 Tujuan Penelitian Tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Merancang dan membuat transformator frekuensi tinggi yang akan digunakan pada konverter dc-dc full bridge phase shifted ZVS 1000 W dengan frekuensi penyaklaran 25 khz yang akan digunakan untuk menurunkan tegangan dari 311 V menjadi 100 V yang memiliki efisiensi diatas 80%. 2. Mengetahui pengaruh penambahan frekuensi terhadap induktans bocor dan variabel RLQ lainnya pada transformator. 3. Menganalisa karakteristik gelombang masukan dan keluaran transformator frekuensi tinggi terhadap induktans bocor. 4. Membandingkan pengaruh penambahan jumlah kawat paralel dan metode belitan pada transformator frekuensi tinggi terhadap skenario pengujian dan pengukuran yang telah dirancang.
6 1.5 Sistematika Penelitian Laporan skripsi ini merupakan sebuah karya tulis yang akan dipaparkan dalam lima bab. Rincian dari tiap bab yang ada adalah sebagai berikut: Bab pertama adalah pendahuluan. Bab ini membahas mengenai latar belakang penelitian, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan penelitian, dan sistematika penulisan. Bab kedua adalah dasar teori. Bab ini berisi tentang landasan teori penelitian yang menjelaskan mengenai konverter dc-dc full bridge phase shifted ZVS beserta bagian-bagian sistem penyusunnya seperti konverter ac-dc (rectifier), konverter dc-ac (inverter), transformator, dan mikrokontroler dspic33f. Bab ketiga adalah bab perancangan sistem. Bab ini menjelaskan tentang sistem konverter dc-dc full bridge phase shifted ZVS 311/100 V dengan daya 1000 W dan frekuensi penyaklaran 25 khz, terutama pada bagian perancangan transformator frekuensi tingginya. Bab keempat adalah bab hasil dan pembahasan. Bab ini berisi data yang diperoleh dari pengujian dan pengukuran yang dilakukan disertai dengan pembahasannya. Bab kelima adalah bab kesimpulan dan saran. Bab ini berisi kesimpulan dari pembahasan yang telah dipaparkan dan juga saran-saran untuk pengembangan sistem ke tahap selanjutnya.