UJIAN TUGAS AKHIR JUNI 2014 Perancangan dan Implementasi Konverter Boost Rasio Tinggi dengan Transformator Hybrid untuk Aplikasi Photovoltaic Oleh: Edi Wibowo 2210 100 168 Dosen Pembimbing Heri Suryoatmojo, ST., MT., Ph.D Dr. Dedet Candra Riawan, ST., M.Eng. Teknik Sistem Tenaga Jurusan Teknik Elektro ITS 1
Latar Belakang Listrik Kebutuhan Utama Beban Semakin Meningkat Pembangkit Utama Energi Fosil Energi Fosil Terbatas Renewable Energi Photovoltaic (PV), Fuel Cell, Wind Energi Photovoltaic 2
Latar Belakang Photovoltaic Rumah Inverter DC-AC Keluaran DC Tegangan Rendah Daya Berubah-ubah 220* 2 V DC 220 V AC Sistem AC 220 V 3
Latar Belakang Photovoltaic Rumah Konverter Boost Inverter DC-AC Keluaran DC Tegangan Rendah Daya Berubah-ubah 220* 2 V DC 220 V AC Sistem AC 220 V Konverter Boost Rasio Tegangan Tinggi Rentang tegangan input lebar Efisiensi tinggi untuk semua level pembebanan 4
Topologi Konverter Transformator Hybrid Saklar MOSFET Dioda Clamping (D 1 ), Dioda Resonansi (D r ), Dioda Output (D o ) Kapasitor Resonansi (C r ) dan kapsitor Clamping (C c ) Induktor Resonansi (L r ) 5
Fungsi Komponen Dioda & Resistansi Output Dioda clamping (D 1 ) sebagai lintasan energi dari induktansi bocor yang berasal dari transformator hybrid ketika saklar tidak aktif. Dioda resonansi (D r ) agar arus mengalir satu arah ketika rangkaian berada pada mode resonansi, yaitu ketika proses pengisian energi pada kapasitor resonansi (C r ). Dioda output (D o ) memberikan jalur untuk transfer energi menuju sisi output. Resistansi output (R o ) merepresentasikan beban resistif. 6
Fungsi Komponen Kapasitor & Induktor Kapasitor input (C in ) meratakan tegangan input. kapasitor resonansi (C r ) kapasitor utama untuk transfer energi serta untuk membentuk rangkaian resonansi kapasitor clamping (C c ) menjaga tegangan MOSFET pada level yang rendah membentuk rangkaian resonansi menyimpan energi leakage dari transformator, kemudian saat mode resonansi ditransferkan menuju kapasitor C r Kapsitor output (C o ) meratakan tegangan pada sisi output. 7
Mode Operasi 1 (t 0 -t 1 ) Saklar S 1 aktif, induktansi magnetisasi (L m ) charging, Arus magnetisasi meningkat. Tegangan sisi sekunder transformator sebesar n.v Lm. Pada mode ini rangkaian resonansi bekerja, Kapasitor resonansi (C r ) charging. 8
Mode Operasi 2 (t 1 -t 2 ) Saklar S 1 tidak aktif. Arus pada sisi primer dan sisi sekunder transformator mulai men-charge parasitic capacitor yang terdapat pada saklar. Dioda clamping (D 1 ) aktif. Energi dari induktansi bocor (L k ) ditransmisikan menuju kapasitor clamping (C c ). 9
Mode Operasi 3 (t 2 -t 3 ) Saklar masih tidak aktif. Dioda output (D o ) aktif. Terbentuk rangkaian seri antara V in, V lk, V Lm, V L2, V cr dan V co. Energi pada L m dan C r diteruskan menuju beban. Dioda D 1 tetap aktif selama kapasitor C c charging. 10
Mode Operasi 4 (t 3 -t 4 ) Saklar belum aktif D 1 tidak aktif. Energi pada L m dan C r diteruskan menuju beban melalui dioda output. Arus mengalir menuju sisi output magnitudonya berkurang secara berangsur-angsur. 11
Mode Operasi 5 (t 4 -t 0 ) Saklar S 1 aktif kembali. Ada efek leakage dari transformator, arus output (I o ) tetap mengalir untuk waktu yang singkat Dioda output tidak aktif pada saat t 0 Periode penyaklaran berikutnya dimulai kembali. 12
Persamaan Rasio Konversi M = Vo Vin = 2+n 1 D 13
Perancangan Parameter Konverter Perancangan diawali dengan menentukan beberapa variabel terlebih dahulu seperti: Frekuensi penyaklaran : 62,5 khz Daya output : 40 W Tegangan output : 150 V Tegangan input (MIN) : 20 V Tegangan input (MAX) : 30 V Perbandingan belitan (n) : 1 Ripple tegangan C r (Δv Cr ) : 1,42 % Dari persamaan Rasio Konversi M = Vo = 2+n ; Maka : Vin 1 D Duty Cycle (D) : 0,4 hingga 0,6 Rasio Konversi (M) : 5 hingga 7,5 kali 14
Penentuan Parameter Rangkaian I o = P o V o = 40 150 = 0,2667 A R o = V o 2 P o = Efisiensi 100% 150 2 40 = 562,5 Ω I in = 1,34 A (V in = 30V) hingga 2 A (V in = 30V) # Tegangan Input (V in ) = 25 V; D = 0,5 I Lm_sec = I o = 0,2667 = 0,5334 A 1 D 1 0,5 Δv Cr = 1,422 %. 150 V = 2,133 V 0,5334. 8 10 6 C r = I Lm_secT off = = 1 μf 2Δv Cr 2. 2,133 C c >> C r C c = 22 μf 15
Penentuan Parameter Rangkaian T r = 1 f r = L r _ tot = Tr 2.π 2 C r = # n = 1; L k = 1,7 μh 1 62500 16 10 6 2.π 1.10 = 16 μs 2 6 = 6,4846 μh L r = L r _ tot (L ks + n 2 L kp ) = 6,4846 (1,7) = 4,78 μh Δi Lr = π.f r.t s.i o = π. 62500. 16 10-6. 0,2667 = 0,84 A V DS = V D1 = V Cc = V out (n+2) = 150 (1+2) = 50 V V Do = V dr = V o V Cc = n+1.v o (n+2) = 1+1.150 (1+2) = 100 V 16
Simulasi Sistem Software PSIM 9.0.3 Frekuensi PWM 62,5 khz Transformator N s /N p = 12/12; L m = 155,49 μh; L k = 1,7 μh V in = 25 V; D = 0,5; V o = 150 V MOSFET dan Dioda dalam keadaan ideal 17
Simulasi Sinyal PWM 18
Bentuk Gelombang Tegangan Hasil Simulasi 100 19
Bentuk Gelombang Arus Hasil Simulasi 20
Bentuk Gelombang Arus Hasil Simulasi 21
Stress Tegangan pada MOSFET dan Dioda 22
Perancangan Implementasi Transformator Pembangkit sinyal PWM Driver MOSFET Sumber Input DC Rangkaian Utama Beban Resistif 23
Transformator Inti ferrite ETD 34 N27 Polaritas Inverted N p = 12 belitan; N s = 12 belitan n = 1 L m = 152 μh; L k = 1,7 μh 24
Pembangkit Sinyal PWM Frekuensi 62,5 khz ATMega 16, Kristal eksternal 16 MHz Timer 1, Fast PWM, Skala clock (N) = 1; TOP = 00FFh (255) Push Button mengubah duty cycle LCD 16x2 tampilan nilai duty cycle 25
Driver MOSFET IC TLP 250 Referensi (supply) 18 V Input Sinyal PWM, frekuensi 62,5 khz magnitudo ± 6 V Output Driver MOSFET, frekuensi 62,5 khz magnitudo ± 18 V 26
Driver MOSFET Pin TLP 250 1 : N.C 2 : Anode 3 : Cathode 4 : N.C 5 : GND 6 : V o (output) 7 : V o 8 : V CC Ketika LED aktif maka T r1 aktif dan T r2 tidak aktif sehingga output high sesuai dengan V CC. Ketika LED tidak aktif maka T r1 tidak aktif dan T r2 aktif sehingga output low sesuai dengan GND. Jadi sinyal output driver memiliki frekuensi sama dengan frekuensi PWM dan amplitudo sama dengan V CC ketika high dan amplitudonya sama dengan nol ketika low. 27
Rangkaian Utama Saklar MOSFET IRF540N Dioda (D 1, D r, dan D o ) MUR 1560 Kapasitor Input (C in ) 47 μf / 100V Kapasitor Resonansi (C r ) 1 μf / 600V Kapasitor Clamping (C c ) 22 μf / 100V Kapasitor Output (C o ) 3x1 μf / 400V Induktor Resonansi (L r ) 3,3 μh 28
Sumber Input DC dan Beban Resistif Spesifikasi Sumber Input DC DC POWER SUPPLY VPS-3005LK-3 Output 0-30V, 0-5A Spesifikasi Beban Resistif ECO 1/2 tube; 1000 Ω 0,6 A EEI 1010 Pol 2 CAT III 250 V 29
Hasil Implementasi Keseluruhan 30
Pengujian Bentuk Gelombang 31
Tabel Pengujian Rasio Konversi D Vin = 25 V Perhitungan Drop Pengukuran eror Vout Tegangan Vout M D M (V) (V) (%) (V) 0,1 83,3 3,33 8,7 10,44 0,1 74,6 2,98 0,2 93,75 3,75 3,85 4,11 0,2 89,9 3,60 0,3 107,14 4,29 4,14 3,86 0,3 103 4,12 0,4 125 5,00 5 4,00 0,4 120 4,80 0,5 150 6,00 6 4,00 0,5 144 5,76 32
Pengujian Rasio Konversi Terdapat sedikit perbedaan: Ketepatan saat mengatur duty cycle Rugi-rugi pada komponen 33
Stress Tegangan Tetap Pada MOSFET dan Dioda (a) (b) Stress tegangan pada MOSFET dan Dioda Clamping (D 1 ) pada beban berbeda. (a) 12 W dan (b) 40W V in = 25 V; D = 0,5; V o = 150 V V MOSFET = V D1 = ±50 V 34
Stress Tegangan Tetap Pada MOSFET dan Dioda (a) (b) Stress tegangan pada MOSFET dan Dioda Output (D o ) pada beban berbeda. (a) 12 W dan (b) 40W V in = 25 V; D = 0,5; V o = 150 V V Do = V Dr = ± 100 V 35
Stress Tegangan Tetap Pada MOSFET dan Dioda (a) (b) Stress tegangan pada MOSFET dan Dioda Resonansi (D r ) pada tegangan input berbeda. (a) V in 20 V dan (b) V in 30 V (a) V in = 20 V; D = 0,6; V o = 150 V (b) V in = 30 V; D = 0,4; V o = 150 V V MOSFET = V D1 = ± 50 V V Do = V Dr = ± 100 V 36
Tabel Pengujian Efisiensi Beban Vin = 20 V Vin = 25 V Vin = 30 V Pin Po η Pin Po η Pin Po η (% ) (W) (W) (% ) (W) (W) (% ) (W) (W) (% ) 30 17,28 12,24 70,83 17,50 12,90 73,71 16,83 12,32 73,16 40 20,40 15,45 75,74 19,88 15,00 75,47 17,67 13,29 75,22 50 24,40 18,92 77,55 23,85 18,30 76,75 22,23 17,10 76,92 60 29,60 22,95 77,53 30,38 23,70 78,02 29,76 23,25 78,13 70 35,80 28,20 78,77 34,75 27,45 78,99 34,50 27,15 78,70 75 37,60 29,50 78,46 37,75 30,00 79,47 37,50 29,40 78,40 80 40,60 32,25 79,44 40,34 32,25 79,95 39,90 31,95 80,08 85 43,18 34,42 79,70 42,75 34,20 80,00 41,56 33,75 81,21 90 46,00 37,50 81,52 44,50 36,06 81,03 43,95 35,85 81,58 100 52,20 42,32 81,07 50,50 39,90 79,01 49,06 39,90 81,32 Rata-rata 78,06 Rata-rata 78,24 Rata-rata 78,47 37
Pengujian Efisiensi Max : 81,03 % Mean : 78,24 % V in = 25 ± 0,1 V; V o = 150 ± 1 V Beban 100% = 40 W Titik-titik segitiga berwarna merah merupakan efisiensi pada masing-masing pembebanan Garis putus-putus warna merah merupakan regresi polynomial yang merepresentasikan efisiensi pada saat V in 25 V 38
Pengujian Efisiensi Max : 81,52 % Mean : 78,06 % V in = 20 ± 0,1 V; V o = 150 ± 1 V Beban 100% = 40 W Titik-titik belah ketupat berwarna hijau merupakan efisiensi pada masing-masing pembebanan Garis putus-putus warna hijau merupakan regresi polynomial yang merepresentasikan efisiensi pada saat V in 20 V 39
Pengujian Efisiensi Max : 81,58 % Mean : 78,47 % V in = 30 ± 0,1 V; V o = 150 ± 1 V Beban 100% = 40 W Titik-titik lingkaran berwarna biru merupakan efisiensi pada masing-masing pembebanan Garis putus-putus warna biru merupakan regresi polynomial yang merepresentasikan efisiensi pada saat V in 30 V 40
Pengujian Efisiensi Garis putus-putus warna hijau merupakan regresi polynomial yang merepresentasikan efisiensi pada saat V in 20 V Garis putus-putus warna merah merupakan regresi polynomial yang merepresentasikan efisiensi pada saat V in 25 V Garis putus-putus warna biru merupakan regresi polynomial yang merepresentasikan efisiensi pada saat V in 30 V 41
Kesimpulan Rangkaian konverter boost dengan transformator hybrid pada tugas akhir ini memiliki rasio konversi yang tinggi. Konverter ini dapat bekerja pada rentang tegangan input yang lebar. Efisiensi tertinggi untuk implementasi alat dicapai pada pembebanan 90% dari beban maksimum yaitu sebesar ± 81%. Efisiensi rata-rata pada implementasi alat yaitu sebesar ± 78%. Efisiensi pada beban rendah tidak jauh berbeda dengan efisiensi pada beban tinggi. Stress tegangan pada MOSFET dan dioda nilainya tetap dan relatif rendah untuk berbagai level pembebanan serta perubahan tegangan input, ketika tegangan output dijaga tetap. 42
Saran Proses pembuatan transformator diperbaiki lagi sehingga meningkatkan performa dari implementasi alat yang dibuat. Ditambahkan kontrol close loop dan MPPT pada konverter ini, sehingga konverter ini siap diintegrasikan dengan photovoltaic. Ditambahkan metode soft switching untuk mengurangi rugirugi penyaklaran sehingga efisiensi sistem menjadi lebih baik. 43
Daftar Pustaka 1. Bin Gu, J. Dominic, J. S. Lai, Z. Zao and C. Liu, High Boost Ratio Hybrid Transformer DC-DC Converter for Photovoltaic Module Applications, IEEE Transactions On Power Electronics, Vol. 28, No. 4, April 2013. 2. Q. Zhao and F.C. Lee, High efficiency, high step-up dc-dc converter, IEEE trans. Power Electron., vol. 18, no. 1, pp. 65-73, Jan. 2003. 3. R.J. Wai and R.Y. Duan, High step-up converter with coupled-inductor, IEEE Trans. Power Electron., vol. 20, no. 5, pp. 1025-1035, Sep. 2005. 4. S. Cuk, Step-down converter having a resonant inductor, a resonant capacitor and a hybrid transformer, U.S. Patent 7 915 874, Mar.2011. 5. S. Cuk and Z.Zhang, Voltage step-up switching dc-to-dc converter field of the invention, U.S. Patent 7 778 046, Aug.2010. 6. Masters, Gilbert M, Renewable and Efficient Electric Power System, New Jersey: John Wiley & Sons Inc. 2004. 7. Hart, Daniel W., Power Electronics, McGraw-Hill, 2011. 8. Colonel Wm. T. McLyman, Transformer and Inductor design Handbook, 2nd ed. Marcel Dekker, 1988. 44
Terima Kasih 45