MULTILEVEL DC-DC KONVERTER DENGAN KENDALI PWM PHASE SHIFTED CARRIER TUGAS AKHIR oleh: Rissa Dwi Purnomo 02.50.0017 PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UNIVERSITAS KATOLIK SOEGIJAPRANATA SEMARANG 2007
PENGESAHAN Laporan tugas akhir dengan judul Multilevel DC-DC Konverter dengan Kendali PWM Phase Shifted Carrier diajukan untuk memenuhi sebagian dari persyaratan dalam memperoleh gelar Sarjana Teknik Elektro pada Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknologi Industri Universitas Katolik Soegijapranata Semarang. Laporan Tugas Akhir ini disetujui pada tanggal 18 Juli 2007. Semarang, 18 Juli 2007 Menyutujui, Pembimbing I Pembimbing II ( Leonardus Heru P. ST,MT ) ( T. Brenda C. ST, MT ) NPP. 058.1.2000.234 NPP. 058.1.1995.177 Mengetahui: Dekan FTI (Leonardus Heru P. ST,MT) NPP. 058.1.2000.234 i
ABSTRAK DC-DC konverter seringkali digunakan untuk mendapatkan tegangan keluaran DC variabel dari suatu sumber tegangan DC konstan. Pada tugas akhir ini akan dibahas DC-DC konverter yang di dalamnya menggunakan topologi multilevel. Teknik modulasi yang dipakai adalah PWM dengan dua buah sinyal pembawa segitiga dengan frekuensi yang sama dan saling berkebalikan. Sinyal pembawa tersebut kemudian dibandingkan dengan keluaran dari kendali PI sehingga didapatkan pulsa yang mampu mengkonduksi saklar MOSFET pada frekuensi yang sama sehingga tidak perlu lagi mengendalikan tegangan kapasitor secara keseluruhan. Pada dasarnya pembuatan tugas akhir ini bertujuan untuk mendapatkan metode perbaikan multilevel yang baru. Kata Kunci: DC-DC Konverter 3 level, PWM, teknik kendali ii
KATA PENGANTAR Puji dan syukur kita panjatkan kepada Tuhan Yang Maha Esa, atas rahmat- Nya yang telah diberikan sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan Tugas Akhir dengan judul Multilvel DC-DC Konverter dengan Kendali PWM Phase Shifted Carrier. Pada kesempatan ini tidak lupa penulis juga ingin menyampaikan ucapan terima kasih kepada: 1. Leonardus Heru P., ST.MT., selaku Dekan Fakultas Teknologi Industri dan sekaligus dosen pembimbing I yang telah memberikan inspirasi untuk pembuatan tugas akhir ini. 2. T. Brenda C., ST. MT., selaku Dosen Pembimbing II yang telah membimbing penulis atas kesulitan yang telah dihadapi. 3. Kedua orang tua saya yang telah memberikan kasih sayang, dorongan, semangat, dan pedoman hidup kepada penulis. 4. Kakak NIA dan adik META tercinta yang selalu setia menemani di kala suka dan duka, canda tawa, kesulitan telah kita lewati bersama. 5. Alm. Kakek Wagiman yang telah meninggalkan dunia ini sebelum melihat cucunya sukses, semoga kedamaian surga-nya selalu menyertainya. 6. Keluarga besar FTI angkatan 2000-2005 yang selalu menemani penulis, khususnya angkatan 2002 (Trembelo, Tompel, Mbok Nah, Prof. Albert, Mbah Puguh, Agung, Hendi, Penggo) Thanx bro atas semua bantuannya iii
7. Seluruh dosen FTI, staf laboratorium, dan TU yang telah membantu hingga penulis bisa menyelesaikan pendidikan di Unika Soegijapranata. 8. Teman-temanku SMU 6 Surabaya (Lukman, Dina, Nike, April, Apri, Taufan, Dian), dan SMU 5 Semarang (Ardi, Adit, Taufik) yang telah memberiku mimpi yang sempurna semoga persahabatan kita tetap membatu. 9. Teman-teman Pegawai Perpustakaan dan anak-anak PW (mbak Shanty, Agus, Prita, Shinta, Nando, Tyas, mbak Dayu, Pak Teguh), kalian telah memberikan pengalaman dan kesan yang tak terlupakan. Penulis berharap agar laporan tugas akhir ini dapat memberi manfaat kepada rekan-rekan mahasiswa selanjutnya. Penulis menyadari bahwa laporan tugas akhir ini masih jauh dari kata sempurna karena keterbatasan pengetahuan dan kemampuan penulis. Tetapi berkat bimbingan, nasehat, dukungan, dan dorongan dari berbagai pihak yang tidak bisa disebutkan satu-persatu, hingga akhirnya penulis dapat menyelesaikan laporan tugas akhir ini dengan sebaik-baiknya. Penulis iv
DAFTAR ISI PENGESAHAN... i ABSTRAK... ii KATA PENGANTAR... iii DAFTAR ISI... v DAFTAR GAMBAR... viii DAFTAR TABEL... x DAFTAR LAMPIRAN... xi BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1 Latar Belakang Masalah... 1 1.2 Perumusan Masalah... 2 1.3 Batasan Masalah... 2 1.4 Tujuan dan Manfaat... 3 1.5 Metodologi Penelitian... 3 1.6 Sistematika Penulisan... 4 BAB II LANDASAN TEORI... 6 2.1 Multilevel Konverter... 6 2.2 Chopper Penurun Tegangan... 7 2.2.1 Kondisi Saklar Menutup... 9 2.2.2 Kondisi Saklar Membuka (t on )... 10 2.3 Modulasi Lebar Pulsa... 11 2.4 MOSFET Jenis Pengisian (enhancement MOSFET)... 13 2.5 Penguat operasi (OP-Amp)... 15 v
2.5.1 Penguat Membalik (Inverting Amplifier)... 16 2.5.2 Kontroler PI (Proporsional Integral)... 16 2.6 Rangkaian Driver... 19 BAB III PERANCANGAN ALAT... 20 3.1 Perancangan DC-DC Konverter 3 level... 20 3.2 Pembentukan Sinyal Carrier... 22 3.2.1 XR-2206 sebagai pembangkit gelombang segitiga... 22 3.2.2 Rangkaian Penguat Segitiga... 24 3.3 Pembentukan Sinyal Referensi... 26 3.4 Sistem Kendali Close Loop... 27 3.4.1 Rangkaian Error Amplifier... 28 3.4.2 Rangkaian Proporsional Integral (PI)... 28 3.4.3 Rangkaian komparator... 29 3.5 Rangkaian Driver... 30 BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISA... 32 4.1 Analisa kerja multilevel DC-DC konverter... 32 4.2 Perancangan sistem multilevel DC-DC Konverter... 33 4.3 Pengujian Sinyal Carrier... 34 4.4 Pengujian Io dan Iref... 35 4.5 Pengujian Sistem Proporsional Integral... 36 4.6 Pembentukan Sinyal PWM... 38 4.7 Pengujian Rangkaian Daya multilevel DC-DC konverter... 39 4.8 Pengujian Tegangan Kapasitor... 40 vi
4.9 Simulasi Multilevel dc-dc Konverter... 41 4.10 Analisa Kestabilan sistem multilevel DC-DC konverter... 43 BAB V KESIMPULAN dan SARAN... 55 5.1 Kesimpulan... 55 5.2 Saran... 55 DAFTAR PUSTAKA... 56 vii
DAFTAR GAMBAR Gambar 2. 2 Step Down Chopper... 8 Gambar 2. 5 Modulasi Lebar Pulsa... 12 Gambar 2. 6 Lambang dan struktur Mosfet Jenis Pengisian... 13 Gambar 2. 7 Kurva Tegangan dan Arus Mosfet jenis Pengisian... 14 Gambar 2. 9 Penguat inverting... 16 Gambar 2. 10 Rangkaian Kontroler PI... 16 Gambar 2. 11 Skematik IC TLP 250... 19 Gambar 3. 1 Konverter DC-DC 3 level... 20 Gambar 3. 2 Rangkaian XR-2206 sebagai pembangkit gelombang segitiga... 23 Gambar 3. 3 Gelombang segitiga dari XR-2206... 23 Gambar 3. 4 Pembentuk Gelombang Segitiga Simetris Terhadap Sumbu Nol... 25 Gambar 3. 5 Keluaran Gelombang Segitiga... 26 Gambar 3. 6 Rangkaian pembangkit gelombang Segitiga referensi... 27 Gambar 3. 7 Sistem kendali PI... 27 Gambar 3. 8 Rangkaian kendali PI... 29 Gambar 3. 9 Skematik Rangkaian Komparator... 30 Gambar 3. 10 Rangkaian driver MOSFET... 31 Gambar 4. 1 Blok sistem close loop multilevel DC-DC konverter... 33 Gambar 4. 2 Sinyal Carrier dari XR-2206... 34 viii
Gambar 4. 3 Perbandingan I o dan I ref... 35 Gambar 4. 4 Metode PWM dalam sistem kendali multilevel DC-DC konverter.. 37 Gambar 4. 5 Pulsa hasil PWM sebagai pengendali saklar daya... 38 Gambar 4. 6 Gelombang V d dan V o multi level DC-DC konverter... 39 Gambar 4. 7 Tegangan masukan (atas) dan tegangan kapasitor (bawah)... 40 Gambar 4. 8 Simulasi I ref dan I rangkaian daya... 41 o Gambar 4. 9 Simulasi sinyal carrier dan sinyal PI pada pembentukan PWM... 42 Gambar 4. 10 Simulasi V d dan V o multilevel DC-DC Konverter... 43 Gambar 4. 11 Blok sistem close loop multilevel DC-DC konverter... 44 Gambar 4. 12 Diagram Blok Multilevel DC- DC Converter... 44 Gambar 4. 13 Rangkaian Kendali Proporsional Integral... 45 Gambar 4. 14 Diagram Blok Multilevel DC- DC konverter dengan D(s)=0... 47 Gambar 4. 15 Diagram Blok Multilevel DC- DC konverter dengan Gangguan... 48 Gambar 4. 16 Root locus diagram untuk k=0,4 tanpa gangguan... 51 Gambar 4. 17 Root locus diagram untuk k=0,8 tanpa gangguan... 52 Gambar 4. 18 Root locus diagram untuk k=0,4 dengan gangguan... 53 Gambar 4. 19 Root locus diagram untuk k=0,8 dengan gangguan... 54 ix
DAFTAR TABEL Tabel 3. 1 Mode pensaklaran pada konverter DC-DC 3 level... 21 x
DAFTAR LAMPIRAN Alat Tugas Akhir Data Sheet XR-2206, TLP-250, TL082, IRF-730, IRF(P)-460 xi