Bab 4
KONVERTER DC-DC
Oleh:
Moh. Moh. Zaenal Efendi Efendi EEPIS-ITS Surabaya Indonesia
KONVERTER DC-DC (CHOPPER)
Defin De finis isii :
Merubah teg tegangan DC input ya yang titidak bisa diatur diatur (unreg (unregula ulated ted volta voltage) ge) menj menjadi adi teg tegang angan an DC yang dapat dikontrol dengan level tegangan sesuai sesuai yang diinginkan diinginkan..
ITC-2009
Diagram Blok: Blok:
Apli Aplika kasi si Konv Konver erte terr DC DC-DC -DC
ITC-2009
Switch mode power supply (SMPS)
Diagram Blok: Blok:
Apli Aplika kasi si Konv Konver erte terr DC DC-DC -DC
ITC-2009
Switch mode power supply (SMPS)
Switch mode power supply (SMPS)
Switch mode power supply (SMPS) Catu da Catu daya ya pe pera ralat latan an elek elektr tron onik ik Ca Catu tu da day ya pe pera rala lata tan n te tekn knol olog ogii info inform rmat atika ika da dan n te tele leko komu muni nika kasi si (ICT (ICT)) Kon onve vert rter er sist sistem em sel sel sury surya a ata tau u an angi gin n
ITC-2009
Aplikasi Konverter DC-DC
Kontrol motor DC
, DC motor control,battery chargers
Kontrol motor DC
ITC-2009
Aplikasi Konverter DC-DC
Battery charger
Dc-dc converter
Tipe Konverter DC-DC
ITC-2009
Non Isolated dc-dc converter : Buck Converter, Boost Converter, Buck-Boost Converter
Isolated dc-dc converter: Flyback Converter, Forward Converter, Bridge Converter
Soft-switching Converter: Resonant Converter
Regulator Linier Selama 2-3 dekade regulator linier menjadi satusatunya metode untuk mengubah besaran dc Masalah terbesar dari sistem regulator linier adalah ukuran dan berat dari komponenkomponenya terutama transformator Efisiensinya rendah kerena besarnya tegangan jatuh pada komponen-komponennya Sekarang metode ini tidak dipakai lagi
Regulator Linier
Model dari regulator linier
V o
ITC-2009
= I L R L
Po
= I L
2
RT
Regulator Switching
Model dari regulator switching
ITC-2009
Regulator Switching • Transistor beroperasi sebagai saklar yang bekerja pada kondisi cutoff dan saturasi • Periode membuka dan menutupnya saklar menghasilkan bentuk pulsa • Rugi daya adalah nol (untuk saklar ideal) • Energi 100% disalurkan dari sumber ke beban. • Regulator switching ini yang menjadi dasar semua konverter DC-DC
Rangkaian ekivalen
ITC-2009
Tegangan output : V o
=
1
T
1
DT
∫ v (t )dt = T ∫ V ⋅ dt =V ⋅ D
T 0
o
s
s
0
D : adalah duty cycle D
=
T on T
= T on ⋅ f
KONVERTER BUCK (step-down converter)
Rangkaian Konverter Buck
Untuk mendapatkan tegangan dc murni, sebuah filter low pass dipasang setelah saklar dari sebuah regulator switching. Dioda menyediakan jalur bagi arus induktor pada saat saklar off (freewheeling diode). Tegangan outputnya lebih kecil dari tegangan inputnya
ITC-2009
Operasi rangkaian ketika saklar ON (tertutup) iL
S
Vs
D
C
RL
Vo
Diode terbias mundur Saklar ON sehingga arus induktor mengalir
Sehingga menghasilkan tegangan induktor positif: V L
= V s − V o = L
di L dt
Pengaturan persamaan, menjadi di L dt
=
V s
− V o
V s-V o
L
Karena turunan dari iL bernilai positif, maka arus induktor naik secara linier
Dengan memodifikasi persamaan sebelumnya, maka perubahan arus induktor selama saklar tertutup adalah: di L dt
=
∆i L ∆ t
=
∆i L
DT
=
V s
− V o
L
V s − V o . DT L
( ∆i L ) closed =
ITC-2009
Operasi ketika saklar OFF (terbuka)
Dioda terbias maju sehingga dapat mengalirkan arus induktor Tegangan induktor adalah :
V L
= −V o = L
di L dt
Analisa saklar terbuka Pengaturan persamaan menjadi, di L dt
=
− V o
V s -V o
L
Karena turunan dari iL bernilai negatif, V maka arus induktor turun secara linier.
o
Perubahan arus induktor selama saklar terbuka adalah: di L dt
=
∆i L ∆ t
=
∆i L
(1 − D )T
=−
V o L
− V o .(1 D )T − L
(∆i L ) opened =
ITC-2009
Operasi keadaan tunak (Steady–state operation) Unstable current
Decaying current
Steady-state current
Operasi Steady-state terjadi jika arus induktor ( iL ) pada akhir siklus switching sama dengan awal siklus switching berikutnya. Berarti perubahan arus i L dalam satu periode sama dengan nol: ( ∆i L ) closed + ( ∆i L ) opened = 0
V s − V o − V . DT + o .(1 − D )T = 0 L L V o
ITC-2009
= DV s
Arus induktor rata-rata, Arus maksimum dan Arus minimum
I L
= I R =
V o R
Arus induktor rata-rata = arus rata-rata pada beban resistor
I L = I R
=
V o R
Arus maksimum : I max
= I L +
I max
= V o
∆i L
2
=
V o R
+
1 V o
(1 − D )T ) 2 L
1 (1 − D) + R 2 Lf
Arus minimum :
I min
ITC-2009
= I L −
∆i L
2
= V o
1 (1 − D) − R 2 Lf
Operasi Arus Kontinyu
Dari persamaan sebelumnya: I min = I L −
∆i L
2
= V o
Untuk operasi kontinyu,
1 (1 − D) − 2 R Lf
I min
>0
1 (1 − D) ≥ 0 ⇒ V o − R 2 Lf ⇒ L ≥ Lmin
Lmin
=
(1 − D ) 2 f
. R
merupakan induktor minimum untuk sistem pada
kondisi kontinyu. Besarnya nilai L yang dipilih biasanya sangat lebih besar dibanding Lmin .
ITC-2009
Ripple Tegangan Output
ic
= i L + i R
Q = CV o
⇒ ∆Q = C ∆V o ⇒ ∆V o
=
∆Q
C
Dari gambar, gunakan rumus luas segitiga, sehingga diperoleh: 1 T ∆i L T ∆i L ∆Q = = 2 2 2 8 ∆V o =
T ∆i L 8C
=
(1 − D) 8 LCf
2
Sehingga, faktor ripplenya:
r =
ITC-2009
∆V o
V o
=
(1 − D) 8 LCf
2
PROSEDUR MERANCANG KONVERTER BUCK
Prosedur merancang Konverter Buck
ITC-2009
Hitung duty cycle ( D ) untuk menentukan tegangan output yang diinginkan. Memilih frekuensi switchingnya: Sebaiknya > 20 kHz, yang memungkinkan untuk mengurangi noise. Device yang digunakan: MOSFET, IGBT dan BJT. Pilih MOSFET yang dapat mencapai frekwensi sampai range MHz. Tentukan Lmin ; lalu pilih induktor ( L ) 10 kali Lmin untuk memastikan operasi kontinyu penuh.
Prosedur merancang buck converter
Hitung nilai C untuk perbaikan ripple faktor. Pertimbangan ukuran kawat Rating normalnya adalah pada kondisi RMS. Nilai RMS untuk I L adalah sebagai berikut:
I L,RMS
=
I 2 L
+
∆i L 2 3
2
PROSEDUR 2 UNTUK MERANCANG KONVERTER BUCK Dari persamaan di atas kita dapatkan:
V s
∆ i L =
−
Vo
L
DT ×
Sehingga nilai induktornya adalah L = (V s L =
ITC-2009
1
f
− V o ) × D ×
× (V s − V o ) ×
1
f V o V s
×
1 ∆i L
×
1 ∆i L
Untuk kondisi tidak ideal:
L =
1
f
× (V s (max) − V o ) ×
V o
+ V f
V s (max)
+ V f
×
1 ∆i L
∆i L ≈ 10% − 40% × I o
Soal-soal 1.
ITC-2009
Sebuah buck converter diberi sumber tegangan dari baterai 50 V. Diketahui L=400 uH, C=100 uF, R=20 ohm, f=20 kHz, dan D=0.4. Hitunglah: a) Tegangan output b) Arus induktor maksimum dan minimum c) Ripple Tegangan output
Sebuah buck converter mempunyai tegangan input 50 V dan output 25 V. Frekuensi switchingnya 10 kHz. Daya output adalah 125 Watt. Tentukan:
2.
a. b. c.
3.
ITC-2009
Duty cycle Nilai L yang menghasilkan arus induktor 6.25 A Nilai C yang menghasilkan tegangan ripple output 0.5 %
Desain sebuah buck converter seperti ketentuan berikut. Tegangan output 28 V saat inputnya 48 V. Bebannya adalah 8 ohm. Desain converter ini berada pada mode continous current. Tegangan output ripple harus tidak lebih dari 0.5 %. Tentukan frekuensi dan nilai setiap komponen (L dan C). Gunakan metode 1 dan 2. Bandingkan
4. Rancang sebuah buck converter untuk mensuplai beban bertegangan 20 volt dengan daya minimum 75 watt dan daya maksimum 100 watt dari sumber tegangan dc 80 volt sd 100 volt. Keluaran ripple harus kurang dari 0.1 % untuk tegangan dan 10 % untuk arus. Jika frekuensi switching sebesar 40kHz, tentukan duty cycle, nilai induktor dan kapasitor
KONVERTER BOOST (step-up converter ) Disebut sebagai konverter boost karena tegangan outputnya lebih besar daripada tegangan inputnya D
L
Vs
C S
Rangkaian Konverter boost
ITC-2009
RL
Vo
Analisa Konverter Boost ketika saklar ON (tertutup)
Jika saklar tertutup, dioda terbias mundur (off), maka output terisolasi dari input. Input mensuplai energi ke induktor.
Tegangan induktor : V L
= V s = L
di L dt
or
di L dt
=
V s L
Perubahan arus induktor: ∆i L ∆t
=
∆i L
DT
=
V s L
Penyelesaian untuk ∆iL pada saat saklar tertutup adalah:
(∆i L ) closed =
ITC-2009
V s DT L
Analisa Boost pada saat saklar OFF (terbuka) L
Vs
S
C
RL
Vo
Jika saklar terbuka, sisi output menerima energi dari dua sumber yaitu dari input dan dari induktor. Maka sisi output menjadi besar.
Tegangan induktor : V L di L dt
= V s − V o = L =
V s
di L dt
− V o
L
Perubahan arus induktor: di L dt
=
∆i L ∆t
=
∆i L
(1 − D)T
=
V s
− V o
L
Penyelesaian untuk ∆iL pada saat saklar terbuka adalah:
(∆i L ) opened =
ITC-2009
(V s −V o )(1− D )T
L
Operasi keadaan tunak (Steady–state operation) ( ∆i L ) closed + (∆i L ) opened
V s DT L V o
=
+
(V s
=
0
− V o )(1 − D )T
L
=0
V s 1 − D
Konverter Boost memproduksi tegangan output yang lebih besar dibanding tegangan inputnya
Arus rata-rata, Arus minimum; Dan Arus maksimum Daya Input = Daya Output V s I s
V s I L
=
=
V o
2
R
V s 1 − D R
2
=
V s (1
Arus induktor rata-rata:
I L
ITC-2009
=
V s 2
(1 − D ) R
−
2
D ) 2 R
Arus maksimum: = I L +
I max
∆i L
=
2
V s 2
(1 − D) R
+
V s DT 2 L
Arus minimum: I min
= I L −
∆i L
2
=
V s 2
(1 − D) R
−
V s DT 2 L
Untuk operasi keadaan kontinyu: I min
≥
0
V s 2
(1 − D ) R
L min
=
−
V s DT 2 L
≥
0
D (1 − D ) 2 TR 2 2
L min
=
D (1 − D ) R 2 f
L
= 10 ×
Lmin
Ripple Tegangan Output Perubahan muatan kapasitor: ∆Q =
V o DT = C ∆V o R
Ripple factor: ∆V o =
r =
ITC-2009
V o DT RC
∆V o
V o
=
=
V o D RCf
D RCf
V s
V s -V o
Metode lain untuk menentukan nilai induktor Dari persamaan sebelumnya: ∆i L =
V s × D × T L
Maka nilai induktor adalah: L =
1
f
× V s × D ×
1 ∆i L
V o − V s 1 × f V o ∆i L V 1 1 L = × (V o − V s ) × s × f V o ∆i L L =
1
× V s ×
Untuk kondisi tidak ideal:
L =
1
f
× (V o
+ V f
∆i L ≈ 10% − 40% × I o
ITC-2009
V s min 1 V o + V f × ∆i L
− V s − min ) ×
−
Soal-soal 1.
Sebuah konverter boost diberi sumber tegangan dari baterai 24 V. Diketahui L=500 uH, C=200 uF, R=100 ohm, f=40 kHz, dan D=30%. Hitunglah: a) b) c)
Tegangan output Arus induktor maksimum dan minimum Ripple Tegangan output
2. Desain sebuah konverter boost seperti ketentuan berikut. Tegangan output 48 V saat inputnya 12 V. Bebannya adalah 25 ohm. Operasi konverter ini berada pada mode arus kontinyu. Ripple tegangan output harus tidak lebih dari 0.2 %. Tentukan frekuensi dan nilai setiap komponen (L dan C). Gunakan metode 1 dan 2. Bandingkan
ITC-2009
3. Rancang sebuah konverter boost untuk mensuplai beban bertegangan 24 volt dengan daya minimum 45 watt dan daya maksimum 60 watt dari sumber tegangan dc 9 volt s.d 15 volt. Keluaran ripple harus kurang dari 0.4 % untuk tegangan dan 15 % untuk arus. Jika frekuensi switching sebesar 50 kHz, tentukan duty cycle, nilai induktor dan kapasitor
RANGKAIAN SNUBBER Rangkaian Snubber adalah rangkaian yang berisikan komponen diode ultra fast recovery, resistor dan kapasitor yang digunakan untuk mengatasi atau meredam tegangan dan arus spike (tegangan dan arus impuls) pada kondisi transisi ON-OFF switching frekwensi tinggi pada komponen switching
ITC-2009
Arus dan tegangan pada komponen switching
Fungsi Rangkaian Snubber : •
Mengurangi rugi daya saat switching pada daerah saturasi
Mengurangi spike voltage / stress voltage / inpulse voltage •
ITC-2009
Rangkaian Snubber pada Konverter Buck
C snubber ≈
Rsnubber 〈
I ON × t fall 2 × V OFF
DT 2 × C snubber
Rangkaian Snubber pada Konverter Buck Contoh: Desain Rangkaian Snubber untuk Konverter Buck dengan parameter sebagai berikut: Vi=24Volt Vo=12 Volt Io=3A fs=40kHz Menggunakan MOSFET IRFP460 dengan tfall=43ns
ITC-2009
Diketahui bahwa: I ON
= I o = 3 A
V off
= V i =
24Volt
Duty cycle : D = Peride :T =
1
f s
12 24
=
= 0.5
1 40 ⋅10
=
3
25 µ s
Kapasitor Snubber :
C snubber ≈ C snubber =
I ON × t fall 2 × V OFF 3 × 43 ⋅10
−9
2 × 24 C snubber = 2.69 nF
C snubber ≈ 2.7 nF
Resistor snubber:
Rsnubber 〈 Rsnubber 〈
DT 2 × C snubber 0.5 × 25 ⋅10 −
2 × 2.7 ⋅10 − Rsnubber 〈 2315 Ω
6
9
Rsnubber ≈ 1100 Ω
Contoh dioda snubber adalah fast recovery diode tipe FR307
ITC-2009
Rangkaian Snubber pada Konverter Boost
C snubber ≈
Rsnubber 〈
I ON × t fall 2 × V OFF
DT 2 × C snubber
Rangkaian Snubber pada Konverter Boost Contoh: Desain Rangkaian Snubber untuk Konverter Boost dengan parameter sebagai berikut: Vi=12Volt Vo=24 Volt Io=2A fs=40kHz Menggunakan MOSFET IRFP460 dengan tfall=43ns
ITC-2009
Diketahui bahwa: I ON
= I i = I o ×
V off
= V o =
V o
=
V i
2×
24 12
=
4 A
24Volt
Duty cycle : D = 1 − Peride :T =
1
f s
=
V i V o
=1−
1 3
40 ⋅10
=
12 24
=
0.5
25 µ s
Kapasitor Snubber :
C snubber ≈ C snubber =
I ON × t fall 2 × V OFF 4 × 43 ⋅10
−9
2 × 24 C snubber = 3.6nF
Resistor snubber:
Rsnubber 〈 Rsnubber 〈
DT 2 × C snubber 0.5 × 25 ⋅10
2 × 3.6 ⋅10 Rsnubber 〈1736 Ω
−6
−9
Rsnubber ≈ 850 Ω Contoh dioda snubber adalah fast recovery diode tipe FR307
ITC-2009
Rangkaian Snubber pada Konverter Buck-Boost
C snubber ≈
Rsnubber 〈
I ON × t fall 2 × V OFF
DT 2 × C snubber
Rangkaian Snubber pada Konverter BuckBoost Contoh: Desain Rangkaian Snubber untuk Konverter Buck-Boost dengan parameter sebagai berikut: Vi=9 Volt Vo=14,5 Volt Io=2A fs=40kHz Menggunakan MOSFET IRFP460 dengan tfall=43ns
ITC-2009
Diketahui bahwa: I ON
= I L =
V off
=
Po V i × D
=
V o × I o V i × D
=
14.5 × 2 9 × 0.5
=
6.444 A
23.5Volt
Duty cycle : D = 1 − Peride : T =
1
f s
=
V i V o
12
=1−
1 40 ⋅ 103
=
24
0.5
=
25 µ s
Kapasitor Snubber :
C snubber ≈ C snubber =
I ON × t fall 2 × V OFF 6.444 × 43 ⋅ 10
−9
2 × 23.5 C snubber = 6nF
Resistor snubber:
Rsnubber 〈 Rsnubber 〈
DT 2 × C snubber 0.5 × 25 ⋅10
2 × 6 ⋅10 Rsnubber 〈1042 Ω
−6
−9
Rsnubber ≈ 500 Ω Contoh dioda snubber adalah fast recovery diode tipe FR307
ITC-2009
Pulsa
69
Parameter Pulsa Amplitudo : Nilai Maksimum atau nilai puncak Periode : jarak satu siklus pengulangan Frekwensi : laju pengulangan (repetition rate), yaitu jumlah siklus per detik (hertz, Hz). MARK (Lebar Pulsa) : Waktu keadaan High dari pulsa SPACE (Jarak Pulsa) : Waktu keadaan Low dari pulsa
Duty Cycle : perbandingan waktu High dengan perioda gelombang
70
ITC-2009
Contoh:
Bangkitkan dan gambarkan pulsa pada osiloskop dengan spesifikasi berikut : Amplitudo = 10 Volt; frekwensi = 50 kHz; Duty cycle = 40 %. Jika digunakan : Volt/div=200 mV; Time/div= 5 µs; Peredaman Probe =10x
71
PWM (PULSE WIDTH MODULATION)
ITC-2009
Disebut PWM karena pulsa dapat dimodulasi lebarnya (diatur lebarnya sehingga duty cyclenya bisa diubahubah) Dibangkitkan dengan membandingkan sinyal segitiga atau ramp (Vcar) dengan tegangan dc (Vcontrol) melalui komparator Dengan amplitudo dan frekwensi tegangan segitiga yang tetap, duty cycle PWM bisa berubah denagan mengatur besarnya tegangan dc
Rangkaian dasar PWM
Pada komparator dengan tegangan dc pada terminal non inverting dan tegangan segitiga pada terminal inverting Jika Vdc > Vtri maka HIGH Jika Vdc < Vtri maka LOW
PWM dengan D = 40 %
ITC-2009
PWM dengan D = 20 %
CONTOH RANGKAIAN PWM Rangkaian PWM ini menggunakan IC NE555. IC ini menghasilkan tegangan ramp yang kemudian dibandingkan dengan tegangan dc yang dapat menghasilkan pulsa dengan duty cycle antara 0 – 100 %.
ITC-2009
