BAB. IV. DASAR CONVERTER DC-DC
Konverter DC-DC ada 2 macam, yaitu: 1. Tipe linier 2. Ti Tipe pe peral peralih ihan an (swi (switc tchi hing ng)) Pengg Pe nggun unaa aan n te tega gang ngan an se sear arah ah (D (DC) C) pa pada da si sist stem em te tena naga ga sa sang ngat at di dibut butuh uhkan kan,, sehingga peralatan yang menghasilkan tegangan searah terus dikembangkan. dikembangkan. Salah satu aplikasi elektronika daya adalah konverter DC-DC atau yang lazim di sebut DC Chopper. [15]
Konver Kon verter ter DCDC-DC DC ber berfun fungsi gsi unt untuk uk men mengkon gkonver versi si teg teganga angan n mas masukan ukan sea searah rah konst kon stan an me menj njad adii te tega gang ngan an kel kelua uara ran n se sear arah ah ya yang ng da dapa patt di divar varia iasi sikan kan be berd rdas asar arka kan n perubahan duty cycle rangkaian kontrol chopper -nya. -nya. Diagram blok konverter
DC-DC
dapat dilihat pada gambar dibawah ini.
DC konstan
Chopper DC
DC variabel
Kontrol PWM DC-DC Gambar 2.13 Diagram Blok Blok Konverter DC-DC DC-DC
Kelebihannya terutama pada pengubah daya secara jauh lebih efisien dan pemakaian komponen yang ukurannya lebih kecil. Pengubah daya DC-DC (DC-DC Converter) tipe peralihan atau dikenal juga dengan sebutan sebutan DC DC Chopper dimanfaatkan terutama untuk penyediaan tegangan keluaran DC yang bervariasi besarannya sesuai dengan deng an permintaan pada beban. Daya Da ya masukan dari proses DC-DC tersebut adalah berasal dari sumber daya DC yang biasa biasanya nya memiliki tegangan tegangan masuka masukan n yang tetap. Tegangan keluaran DC yang ingin dicapai adalah dengan cara pengaturan lamanya waktu penghubungan antara sisi keluaran dan sisi masukan pada rangkaian yang sama. Komponen yang digunakan untuk menjalankan menjal ankan fungsi penghub penghubung ung terse tersebut but tidak lain adalah swit switch ch (sol (solid id stat statee elect electronic ronic switch) seperti misalnya Thyristor, MOSFET, IGBT, GTO.
4.1 Dc Chopper
Salah satu aplikasi elektronika daya adalah konverter DC-DC atau yang lazim di sebut sebut DC Chop Chopper per..[15] Konver Konverter ter DC-DC DC-DC berfun berfungsi gsi untuk untuk mengko mengkonver nversi si tegang tegangan an masuka masukan n searah searah konsta konstan n menjad menjadii teganga tegangan n keluar keluaran an searah searah yang yang dapat dapat divari divariasi asikan kan berdasarkan perubahan duty cycle rangkaian kontrol chopper -nya. -nya. diguna nakan kan untu untuk k mengu menguba bah h sumb sumber er tega teganga ngan n dc yang yang teta tetap p menj menjad adii Dc chopper digu tegangan dc yang variabel dengan mengatur kondisi on-off (duty cycle) cycle) rangkaian dc chopper melalui chopper melalui rangkaian kontrol PWM , komponen yang digunakan untuk menjalankan fungsi penghubung tersebut tidak lain adalah switch (solid state electronic switch) seperti misalnya Thyristor, MOSFET, IGBT, GTO. Sumber tegangan dc dapat diperoleh dari baterai, atau dengan menyearahkan sumber tegangan ac yang kemudian dihaluskan dengan filter dengan filter kapasitor kapasitor untuk mengurangi riak. Kelebihannya terutama pada pengubah daya secara jauh lebih efisien dan pemakaian komponen yang ukurannya lebih kecil. Blok diagram dc chopper dapat chopper dapat dilihat pada gambar 2.1 dibawah ini.
Gambar 2.1 Blok diagram sistem dc chopper [10]
Berdas Berdasark arkan an pada arah arah aliran aliran arus arus dan tegang tegangan. an. Dc chopper diklasifikasikan menjadi 5 kelas, yaitu: [12] 1. Dc chopper kelas chopper kelas A 2. Dc chopper kelas chopper kelas B
4.1 Dc Chopper
Salah satu aplikasi elektronika daya adalah konverter DC-DC atau yang lazim di sebut sebut DC Chop Chopper per..[15] Konver Konverter ter DC-DC DC-DC berfun berfungsi gsi untuk untuk mengko mengkonver nversi si tegang tegangan an masuka masukan n searah searah konsta konstan n menjad menjadii teganga tegangan n keluar keluaran an searah searah yang yang dapat dapat divari divariasi asikan kan berdasarkan perubahan duty cycle rangkaian kontrol chopper -nya. -nya. diguna nakan kan untu untuk k mengu menguba bah h sumb sumber er tega teganga ngan n dc yang yang teta tetap p menj menjad adii Dc chopper digu tegangan dc yang variabel dengan mengatur kondisi on-off (duty cycle) cycle) rangkaian dc chopper melalui chopper melalui rangkaian kontrol PWM , komponen yang digunakan untuk menjalankan fungsi penghubung tersebut tidak lain adalah switch (solid state electronic switch) seperti misalnya Thyristor, MOSFET, IGBT, GTO. Sumber tegangan dc dapat diperoleh dari baterai, atau dengan menyearahkan sumber tegangan ac yang kemudian dihaluskan dengan filter dengan filter kapasitor kapasitor untuk mengurangi riak. Kelebihannya terutama pada pengubah daya secara jauh lebih efisien dan pemakaian komponen yang ukurannya lebih kecil. Blok diagram dc chopper dapat chopper dapat dilihat pada gambar 2.1 dibawah ini.
Gambar 2.1 Blok diagram sistem dc chopper [10]
Berdas Berdasark arkan an pada arah arah aliran aliran arus arus dan tegang tegangan. an. Dc chopper diklasifikasikan menjadi 5 kelas, yaitu: [12] 1. Dc chopper kelas chopper kelas A 2. Dc chopper kelas chopper kelas B
3. Dc chopper kelas chopper kelas C 4. Dc chopper kelas chopper kelas D 5. Dc chopper kelas chopper kelas E Kuadran operasi dari masing-masing kelas dc chopper dapat dilihat pada gambar 2.2 dibawah ini. 4
Gambar 2.2 Klasifikasi dc chopper [12]
2.1.1 Dc chopper Kelas A
Tegangan beban dan arus beban keduanya positif seperti terlihat pada gambar 2.2(a) yang merupakan merupakan dc chopper satu beroperasi seperti seperti chopper satu kuadran dan dapat dikatakan beroperasi penyearah. Dc penyearah. Dc chopper kelas chopper kelas A dilihat pada gambar 2.3 dibawah ini.
L iL
iS
+
S1
R
VS
D1
E
vL
-
a) Gambar rangkaian +
Vo
i1
Tegangan beban
L
Vs
Vs
t1
t2
R 0
t T
E
-
i
Mode 1
+
i2
i2
i1
i2
Arus beban
i1
L
kT Dm
0
(1 - k)T kT
T
t
R c) Bentuk gelombang E
-
Mode 2 b) Rangkaian ekivalen ekivalen
Gambar 2.3 Dc chopper kelas chopper kelas A[12]
Cara kerja dc chopper dapat dibagi menjadi dua mode. Selama mode 1, dc chopper akan on dan arus mengalir dari sumber ke beban. Selama mode 2, dc chopper akan off dan arus beban terus mengalir melewati dioda freewheeling dioda freewheeling Dm karena adanya energi energi yang tersim tersimpan pan dalam dalam indukt induktor. or. Rangkai Rangkaian an ekival ekivalen en untuk untuk mode-m mode-mode ode ini ditunjukkan ditunjukkan pada gambar 2.3(b) sedangkan bentuk gelombang arus beban dan tegangan tegangan keluaran ditunjukkan pada gambar 2.3(c). [12] Dengan mengasumsikan arus induktor naik secara linier dari I dari I 1 ke I ke I 2 pada waktu t 1, maka V L − V O = L
∆ I =
I 2 − I 1 t 1
(V S − V L ) t 1 L
=
= L
∆ I t 1
V O . t 2 L
dimana ∆ I = I 2 – I 1 …………… …………… (2.1) (2.1)
Jika t 1 = kT dan t 2 = (1-k) T maka tegangan keluaran rata-rata(V rata-rata(V L ) adalah V L = V S
t 1 T
= k V S
…………… …………… (2.2) (2.2)
Sedangkan arus masukan rata-rata( I I L ) adalah [12] I S = k I L
…………… …………… (2.3) (2.3)
2.1.2 Dc chopper Kelas B
Aliran Aliran arus beban keluar pada beban. Tegangan beban positif positif tetapi arus beban negatif, negatif, seperti seperti
gambar 2.2(b) 2.2(b),, ini juga juga merupakan merupakan dc chopper satu kuadran, tetapi tetapi
operasinya operasinya pada kuadran kuadran dua dan beroperasi beroperasi seperti inverter. inverter. Dc Dc chopper kelas chopper kelas B dapat dilihat pada gambar 2.4 dimana baterai (E) adalah bagian pada beban dan mungkin emf balik pada motor dc. [12]
Gambar 2.4 Dc 2.4 Dc chopper kelas chopper kelas B [12]
Ketika saklar (S1) on, on, maka tegangan (E) mengalirkan arus melalui induktor (L) dan tegangan beban (VL) menjadi nol dan ketika saklar (S1) off , sejumlah energi yang disimpan dalam induktor dikembalikan ke sumber melalui dioda dan arus menurun. [12] Dengan mengasumsikan arus induktor naik secara linier dari I dari I 1 ke I ke I 2 pada waktu t 1, V L = L t 1 = L
I 2 − I 1 t 1
= L
∆ I t 1
∆ I
…………. …………. (2.4) (2.4)
V S
Sedangkan arus induktor turun secara linier dari I dari I 2 ke I ke I 1 pada waktu t 2, V L − V S = L t 2 = L
I 1 − I 2 t 2
= − L
∆ I t 2
∆ I V L −V S
………… ……… (2.5) 2.5)
Dengan ∆ I = I 2 – I 1 merupakan arus ripple puncak ke puncak induktor maka ∆ I =
V S . t 1 L
=
(V L
− V S
L
) t 2
………… ……… (2.6) 2.6)
Jika t 1 = kT dan t 2 = (1-k) T maka tegangan keluaran rata-rata(V rata-rata(V L ) adalah
V L = V S
T t 2
=
V S
…………… (2.7)
1 − k
Sedangkan arus masukan rata-rata ( I L ) adalah [12] I S =
I L
…………… (2.8)
1 − k
2.1.3 Dc chopper Kelas C
Arus beban dapat positif atau negatif sedangkan tegangan beban selalu positif seperti pada gambar 2.5(c). Hal ini disebut chopper dua kuadran. Dc chopper kelas A dan B dapat dikombinasikan untuk membentuk dc chopper kelas C seperti pada gambar 2.5 dibawah ini.
Gambar 2.5 Dc chopper kelas C [12]
S1 dan D2 beroperasi seperti dc chopper kelas A. S2 dan D1 beroperasi seperti dc chopper kelas B. Tetapi harus dijaga untuk memastikan dua saklar tidak bekerja secara bersamaan, bila hal itu terjadi sumber (Vs) mengalami hubung singkat. Dc chopper kelas C dapat beroperasi sebagai penyearah (rectifier ) maupun pembalik (inverter ). [12] Besarnya tegangan keluaran rata-rata(V L ) untuk dc chopper kelas C adalah V L
=
k V S [10]
…………… (2.9)
2.1.4 Dc chopper Kelas D
Arus beban selalu positif. Tegangan beban dapat positif atau negatif, seperti pada gambar 2.2(d). Dc chopper kelas D dapat juga beroperasi sebagai penyearah atau pembalik, yang ditunjukkan pada gambar 2.6 dibawah ini
Gambar 2.6 Dc chopper kelas D [12]
Ketika saklar (S1 dan S4) on maka arus mengalir melalui beban, vL dan iL menjadi positif dan saat saklar (S1 dan S4) off maka arus beban iL akan akan terus mengalir untuk beban induktif yang tinggi melalui dioda (D2 dan D3) dengan arah tetap tetapi tegangan keluaran (VL) berbalik arah. Besarnya tegangan keluaran rata-rata(V L ) untuk dc chopper kelas D adalah V L
k =
1
−
k
V S
[10]
…………… (2.10)
2.1.5 Dc chopper Kelas E
Arus beban dan tegangan beban dapat positif atau negatif seperti pada gambar 2.2(e). Hal ini dikenal dengan dc chopper empat kuadran. Dua dc chopper kelas C dapat dikombinasikan untuk membentuk chopper kelas E, seperti pada gambar 2.7(a), polaritas tegangan dan arus beban ditunjukkan pada gambar 2.7(b). Peralatan yang beroperasi pada macam-macam kuadran ditunjukkan pada gambar 2.7(c). untuk operasi pada kuadran keempat, arah baterai (E) harus dibalik. [12]
S1
D1 iL
S3
D3
S4
D4
E
L
VS R + S2
vL
-
D2
a) rangkaian vL Inverting vL +ve iL -ve
Rectifying vL +ve iL +ve
vL -ve iL -ve Rectifying
vL -ve iL +ve Inverting
iL
b) polaritas
S2,D4 D4,D1
S1,S4 D2,D4
S3,S2 S2,D4
S4,D2 D2,D3
c) devais penghubung
Gambar 2.7 Dc chopper kelas E [12]
Besarnya tegangan keluaran rata-rata(V L ) untuk dc chopper kelas E adalah V L = V + − V −
= kV S − ( −kV S ) = 2kV S
[10]
…………… (2.11)
4.1 CONVERTER DC-DC NON ISOLATED 4.1.1. BUCK CONVERTER
tegangan keluaran akan lebih rendah atau sama dengan tegangan masukan.
Gambar. (a) Skema buck converter (b) Bentuk gelombang tegangan switching
Gambar. Skema buck power stage
Gambar. State buck.
Gambar. Penambahan umpan balik untuk mengatur tegangan keluaran.
(Vg –Vo).DT = Vo.(1-D)T Vg.DT-VoDT = VoT – VoDT Vg.DT = VoT Vo/Vg = D
Keuntungan pada konfigurasi Buck antara lain adalah efisiensi yang tinggi, rangkaiannya sederhana, tidak memerlukan transformer, tingkatan stress pada komponen switch yang rendah, riak (ripple) pada tegangan keluaran juga rendah sehingga penyaring atau filter yang dibutuhkan pun relatif kecil. Kekurangan yang ditemukan misalnya adalah tidak adanya isolasi antara masukan dan keluaran, hanya satu keluaran yang dihasilkan, dan tingkat ripple yang tinggi pada arus masukan. Metoda Buck sering digunakan pada aplikasi yang membutuhkan sistim yang berukuran kecil.
4.1.2. BOOST CONVERTER
tegangan keluaran yang dinginkan lebih besar dari tegangan masukan
Gambar. (a) Skema boost converter (b) Bentuk gelombang tegangan inductor dan arus kapasitor
Gambar. Grafik tegangan out-put vs duty ratio untuk boost converter tidak ideal
Gambar. Grafik efisiensi vs duty ratio
Boost juga memiliki efisiensi tinggi, rangkaian sederhana, tanpa transformer dan tingkat ripple yang rendah pada arus masukan. Namun juga Boost tidak memiliki isolasi antara masukan dan keluaran, hanya satu keluaran yang dihasilkan, dan tingkatan ripple yang tinggi pada tegangan keluaran. Aplikasi Boost mencakup misalnya untuk perbaikan faktor daya (Power Factor), dan untuk penaikan tegangan pada baterai
4.1.3. BUCK-BOOST CONVERTER
kombinasi antara Buck dan Boost, tegangan keluaran dapat diatur menjadi lebih tinggi atau lebih rendah dari tegangan masukan
tegangan keluaran memiliki tanda berlawanan dengan tegangan masukan. Oleh karena itu metoda ini pun ditemui pada aplikasi yang memerlukan pembalikan tegangan (voltage inversion) tanpa transformer. Walaupun memiliki rangkaian sederhana, metoda BuckBoost memiliki kekurangan seperti tidak adanya isolasi antara sisi masukan dan keluaran, dan juga tingkat ripple yang tinggi pada tegangan keluaran maupun arus keluaran. 4.1.4. H-BRIDGE CONVERTER
4.1.5. SEPIC CONVERTER
Jika kombinasi Buck dan Boost diinginkan tanpa adanya proses pembalikan tegangan, maka salah satu pilihannya adalah dengan konfigurasi SEPIC. Keuntungan pada SEPIC adalah memiliki arus masukan dengan tingkat ripple rendah, tidak memakai transformer, penjagaan kerusakan pada rangkaian melalui kapasitor jika switch gagal berfungsi (capacitive isolation).
Kekurangan yang ditemui misalnya tidak adanya isolasi antara sisi masukan dan keluaran serta tegangan keluaran memiliki riple yang tinggi. SEPIC sering digunakan pada aplikasi perbaikan faktor daya (Power Factor).
4.1.6. CUK CONVERTER
tegangan keluaran yang dihasilkan dapat diatur menjadi lebih tinggi atau lebih rendah dari tegangan masukan. Cuk juga digunakan pada aplikasi yang memerlukan pembalikan
tegangan (voltage inversion) tanpa transformer, namun dengan kelebihan tingkat ripple yang rendah pada arus masukan maupun arus keluaran.
4.2. CONVERTER DC-DC ISOLATED In many DC-DC applications, multiple outputs are required and output isolation may need to be implemented depending on the application. In addition, input to output isolation may be required to meet saftey standards and / or provide impedance matching.
TRAFO PENGISOLASI.
Trafo Pemisah
Operasi dasar trafo dalam konverter daya dapat dimengerti dengan menggantikan trafo dengan sebuah model sederhana seperti tampak pada gambar 2.14
[24]
. Model ini
terdiri dari trafo ideal ditambah dengan sebuah induktor shunt yang dikenal dengan induktansi magnetik L M (magnetizing inductance). Induktor ini memodelkan magnetisasi inti trafo. Keseimbangan volt-second (volt-second
balance)
harus terbentuk dalam
induktansi magnetik. Selanjutnya, karena tegangan dari semua belitan pada trafo ideal adalah sebanding, keseimbangan volt-second harus terbentuk pada masing-masing belitan. Kesalahan dalam pencapaian keseimbangan volt-second mengakibatkan trafo saturasi dan dapat merusakkan konverter. Tercapainya keseimbangan vol-second selanjutnya disebut sebagai mekanisme reset trafo (transformer reset mechanism).
Gambar 2.14 Rangkaian ekivalen suatu trafo dalam konverter dc-dc off-line. Perancangan trafo daya pada regulator pensaklaran meliputi pemilihan inti yang disesuaikan dengan nilai daya yang akan disalurkan. Langkah selanjutnya adalah menentukan jumlah belitan primer hingga memenuhi nilai volt-second ( E-T ) berdasarkan siklus tugas maksimal ( Dmaks) yang direncanakan dan frekuensi pensaklaran pensaklaran ( f s) sebagai berikut: E − T =
1 f ⋅ 10 6
( D maks )(V min )
(2.30)
Persamaan tersebut memberikan jawaban dalam V- µ s. Jumlah belitan sisi primer N p minimal yang diperlukan guna mendukung produk E-T tersebut ditentukan menurut persamaan berikut: [8, 10, 16] N P ≥
E − T ⋅ 10 2
(2.31)
B ⋅ Ae
atau: N p
≥
V DC min ⋅ T on(max) ∆ B ⋅ Ae
⋅ 10
4
(2.32)
Dimana Ae adalah luas inti, dan B adalah nilai fluks yang digunakan seperti diindikasikan dalam kurva histerisis, seperti pada gambar 2.15. Dalam rangkaian forward seperti pada gambar 2.12 dan 2.13, trafo beroperasi dalam kuadran pertama kurva histerisis. Nilai fluks dari inti ferit yang digunakan, ∆ B ( B maks) adalah 2400 gauss atau B yang digunakan untuk persamaan adalah
±
1200 gauss.
Pulsa unipolar diumpankan oleh komponen semikonduktor menyebabkan inti trafo terkemudi dari nilai B R-nya menuju saturasi. Saat pulsa beralih ke nol, inti akan kembali ke nilai B R-nya. Untuk mendapatkan efisiensi tinggi, induktansi primer dijaga tetap tinggi agar mengurangi arus magnetisasi dan mengurangi rugi tembaga. Hal ini berarti inti harus mempunyai celah nol atau seminimal mungkin.
Gambar 2.15 Kurva Histerisis Inti Magnetik dalam konverter forward
4.2.1. FORWARD CONVERTER (BUCK)
Dalam pengubah Forward, transformer digunakan untuk mengisolasi sisi masukan dari keluaran. Seperti Buck, tegangan keluaran yang dihasilkan lebih rendah atau sama dengan tegangan masukan.
Dalam topologinya, pengubah Forward dapat menggunakan satu switch seperti pada Gambar 9 atau dengan dua switch seperti pada Gambar 10. Keduanya memiliki karakteristik tegangan keluaran yang ripplenya rendah, namun ripple arus masukan yang
tinggi. Konfigurasi Forward dapat digunakan pada aplikasi yang membutuhkan keluaran lebih dari satu (multiple outputs).
Gambar. Forward converter dengan transistor (saklar) tunggal
Gambar. Forward converter dengan transistor (saklar ) ganda. 4.2.2. PUSH-PULL CENTER TAP CONVERTER (BUCK)
Pada Push-Pull, persamaan tegangan yang dipakai sama dengan persamaan untuk Full Bridge, namun bila dilihat dari rangkaiannya, hanya dua switch yang digunakan. Dengan demikian Push-Pull merupakan alternatif yang lebih murah dari Full Bridge pada aplikasi tegangan masukan yang rendah. Sama halnya dengan Full Bridge, pengubah Push-Pull memiliki tegangan keluaran yang rendah tingkat ripplenya, namun cukup tinggi ripple pada arus masukannya.
4.2.3. PUSH-PULL BOOST CONVERTER
4.2.4. FLYBACK CONVERTER
Gambar. Buck-boost converter
The flyback converter can be developed as an extension of the Buck-Boost converter. Fig 14a shows tha basic converter; Fig 14b replaces the inductor by a transformer. The buck-boost converter works by storing energy in the inductor during the ON phase and releasing it to the output during the OFF phase. With the transformer the energy storage is in the magnetisation of the transformer core. To increase the stored energy a gapped core is often used.
Jika kombinasi yang diinginkan adalah seperti Buck-Boost namun menggunakan isolasi antara sisi masukan dan keluaran, maka konfigurasi yang dapat dipakai adalah Flyback.
Gambar. Mengganti inductor dengan transformator (single end flyback)
The concept behind the foward converter is that of the ideal transformer converting the input AC voltage to an isolated secondary output voltage. For the circuit in Fig. 15, when the transistor is ON, Vin appears across the primary and then generates
The diode D1 on the secondary ensures that only positive voltages are applied to the output circuit while D2 provides a circulating path for inductor current if the transformer voltage is zero or negative. The problem with the operation of the circuit in Fig 15 is that only positive voltage is applied across the core, thus flux can only increase with the application of the supply. The flux will increase until the core saturates when the magnetising current increases significantly and circuit failure occurs. The transformer can only sustain operation when there is no significant DC component to the input voltage. While the switch is ON there is positive voltage across the core and the flux increases. When the switch turns OFF we need to supply negative voltage to rset the core flux. The circuit in Fig. 16 shows a tertiary winding with a diode connection to permit reverse current. Note that the "dot" convention for the tertiary winding is opposite those of the other windings. When the switch turns OFF current was flowing in a "dot" terminal. The core inductance act to continue current in a dotted terminal, thus
Gambar. Rekonfigurasi flyback konverter.
Gambar. Forward converter dengan kumparan tertiary
Flyback memiliki ripple yang tinggi pada tegangan keluarannya dan sering dijumpai pada aplikasi daya rendah, dan juga pada aplikasi yang membutuhkan keluaran banyak (multiple outputs).
4.2.5. ISOLATED SEPIC CONVERTER
4.2.5. ISOLATED CUK CONVERTER
4.2.6. BUCK CONVERTER JEMBATAN DENGAN PENGISOLASI TRANFORMATOR.
Konfigurasi lain yang fungsinya serupa dengan Buck namun memiliki isolasi antara sisi masukan dan keluaran dikenal dengan Half Bridge dan Full Bridge. Pada dasarnya, rangkaian half bridge menggunakan dua switch sedangkan pada full bridge menggunakan empat switch. Tegangan keluaran yang dihasilkan Full Bridge adalah dua kali dari Half Bridge pada frekuensi peralihan dan Duty ratio yang sama Kedua konfigurasi tersebut sering dimanfaatkan dalam aplikasi tegangan masukan tinggi, tegangan keluaran yang bersih dari ripple dan juga untuk aplikasi daya tinggi (high power). Selain jumlah komponen yang bertambah dibandingkan dengan Buck , kedua konfigurasi ini juga memiliki arus masukan yang tingkat ripplenya tinggi.
4.2.6.1. BUCK CONVERTER JEMBATAN PENUH.
4.2.6.2. BUCK CONVERTER SETENGAH JEMBATAN
4.3. Ringkasan dari beberapa topologi DC-DC converter
4.4. TOPOLOGI PENSAKLARAN POWER SUPLAI. 4.5.
Rangkaian Kontrol Konverter DC-DC
Rangkaian konverter DC-DC digunakan untuk mendapatkan tegangan keluaran searah (DC) yang dapat diatur sesuai dengan yang diinginkan. Konverter mode
pensaklaran
DC-DC
menggunakan
satu
atau
lebih
saklar
untuk
mentransformasikan tegangan searah dari satu level tegangan ke level tegangan yang lain dengan cara mengubah-ubah perioda waktu penyala padaman saklar dengan perioda pensaklaran (Ts = ton + toff ) adalah tetap atau konstan. Metoda ini lebih dikenal dengan istilah modulasi lebar pulsa ( Pulse Width Modulation). [8]
Modulasi lebar pulsa merupakan suatu teknik modulasi dimana nilai sampel dari suatu gelombang digunakan untuk menentukan lebar sinyal pulsa setelah dilewatkan pada komparator. Rangkaian ini mengubah tegangan masukan menjadi pulsa pulsa dengan lebar pulsa sebanding dengan besarnya sinyal masukan. Prinsip dasar modulasi lebar pulsa dapat dilihat pada gambar 2.23. Tegangan Referensi
V CC +
VO Tegangan Input
V EE
Gambar 2.23 Blok Fungsional Modulasi Lebar Pulsa +V CC
V
+ t
V
-
+V CC
t
R1
R2
-V EE
Gambar 2.21 Rangkaian Pembangkit Pulsa Dengan Lebar Pulsa Dapat Diatur
Rangkaian dasar modulasi lebar pulsa ini menggunakan sebuah penguat operasional (Op Amp)
yang
berfungsi
sebagai
komparator
atau
pembanding
membandingkan tegangan referensi dengan tegangan pengendali.
untuk
Tegangan
referensi diperoleh dari oscillator pembangkit gelombang gigi gergaji,
sedangkan tegangan pengendali berasal dari keluaran controller yang nilainya dapat diatur dari minimum sampai maksimum sesuai tegangan input DC yang dihubungkan pada controller . Apabila sebuah gelombang gigi gergaji (Vref ) diumpankan ke masukan inverting (-) dari sebuah komparator dan sinyal modulasi (Vinp) diumpankan ke masukan non inverting -nya (+), maka sinyal on diperoleh apabila tegangan kontrol lebih besar dari tegangan gigi gergaji, sebaliknya sinyal off diperoleh apabila tegangan kontrol lebih kecil dari tegangan gigi gergaji. Siklus kerja (duty cycle,D) didefinisikan sebagai perbandingan antara waktu saklar on terhadap perioda Ts. Perbandingan ini biasanya dinyatakan dalam persentase. Secara matematis definisi tersebut dapat dituliskan sebagai berikut : D
=
t on T s
x100% ………………………………………………………... (2.13)
dimana : D : siklus kerja (duty cycle) ton : waktu saklar on. Ts : perioda pensaklaran. Perioda Ts didefinisikan sebagai selang waktu antara dua titik yang saling berhubungan pada satu gelombang penuh. 4.5.1. MODE KONTROL TEGANGAN
4.3.1. MODE KONTROL ARUS
2.3.1
Topologi Konveter DC-DC
[24]
Rangkaian konverter DC ke DC dapat mengubah besar tegangan dc juga dapat mengubah polaritasnya. Komponen pensaklaran biasa diwujudkan dengan MOSFET daya, namun komponen semikonduktor pensaklaran seperti IGBT, BJT, atau thyristor juga dapat digunakan. Ragam topologi konverter DC ke DC seperti diperlihatkan gambar 2.5 berikut:
Gambar 2.5 Ragam Rangkaian Konverter dc-dc Beserta Rasio Konversinya
1. Konverter Buck . Konverter ini menghasilkan tegangan keluaran V o yang lebih kecil dari tegangan masukan V g . Rasio konversi M(D) = D. Polaritas tegangan keluaran sama dengan tegangan masukan. 2. Konverter Boost . Konverter ini menghasilkan tegangan keluaran yang lebih besar dari tegangan masukan. Rasio konversinya adalah M(D) = 1/(1-D). Konverter ini juga menghasilkan tegangan output dengan polaritas yang sama dengan tegangan masukan. 3. Konverter Buck-Boost , Konverter ini dapat menaikkan atau menurunkan tegangan dengan rasio konversinya M(D) = -D/(1-D). Disamping itu konverter ini membalik polaritas tegangan. 2.3.2
Regulator Buck [15]
Untuk mendapatkan tegangan keluaran dc yang lebih rendah dibanding tegangan DC masukan, digunakan regulator buck. Rangkaian regulator buck dengan menggunakan transistor bipolar diperlihatkan seperti pada gambar 2.6. Operasi rangkaian dapat dibagi dalam dua ragam. Ragam 1 berawal ketika Q1 beralih ON saat t = 0. Arus input yang
meningkat, mengalir melintas induktor filter L, kapasior filter C , dan tahanan beban R. Ragam dua berawal ketika Q1 beralih OFF saat t = t 1. Dioda freewhelling Dm menghantarkan energi yang tersimpan dalam induktor dan arus induktor terus mengalir melintas L, C , beban, dan dioda Dm. Arus induktor turun sampai transistor Q1 beralih on lagi dalam siklus berikutnya. Operasi regulator buck dan bentuk gelombang tegangan dan arus diperlihatkan pada gambar 2.7.
iS, IS
+
L
Q1
+ iC,IC DM
VC
Kendali
VC _
_
iO,I A
+
B e b a n
_
Gambar 2.6 Diagram Rangkaian Regulator Buck
Tegangan yang melintas induktor L dinyatakan dalam persamaan berikut: e L = L
di
(2.9)
dt
dengan anggapan arus induktor meningkat secara liner dari I 1 ke I 2 dalam waktu t 1, V s
− V a = L
I 1
− I 2
t 1
= L
∆ I t 1
(2.10)
atau t 1 =
∆ I ⋅ L V s − V a
(2.11)
dan arus induktor turun secara liner dari I 2 ke I 1 dalam waktu t 2, −V a = − L
∆ I
t 2
(2.12) atau:
t 2 =
∆ I ⋅ L
V a
(2.13)
dimana I adalah aruas riak puncak ke puncak dari induktor L. Nilai I dapat dicari dengan persamaan 2.10 dan 2.12 sehingga menjadi persamaan berikut: ( V s − V a ) ⋅ t 1 V a ⋅ t 2 = ∆ I = (2.14) L L
Dengan mengganti t 1 = kT dan t 2 = (1-k )T , akan menjadikan tegangan output ratarata
V a = kV s .
V s ⋅ I s
= V a ⋅ I a =
Dengan
anggapan
transistor
kV s ⋅ I a dan arus rata-rata input , I s
saklar
tanpa
rugi-rugi,
maka
= kI a .
Periode pensaklaran dapat ditulis sebagai: T =
1 f
=
t 1 + t 2
=
∆ I ⋅ L
V s
−
V a
+
∆ I ⋅ L
V a
∆ I ⋅ L ⋅ V s
=
V a ( V s
−
(2.15)
V a )
menjadikan nilai arus puncak-puncak dalam persamaan berikut:
VD VS
0 kT
T
t
iL I2
Δ I
IL
+
L
is=IL
I1 0
iC
kT
io=Ia Beban
VS
T
iS I2 I1 0 kT
_ Ragam 1
I2 - Ia
T kT
I1 - Ia
L
T
t
iC
0
IL
t
t
VC = V O
IC
Io=Ia
DM
Beban
0 Ia 0
Ragam 2
ΔVC
Va
kT
t
T
Io t
Bentuk Gelombang
G ambar 2.7 Operasi Regulator Buck [14]
∆ I =
atau
∆ I =
V a (V s
− V a
)
f ⋅ L ⋅ V s V s ⋅ k ⋅ ( 1 − k ) f ⋅ L
(2.16)
(2.17)
Dengan menggunakan hukum arus Kirchoff, kita dapat menyatakan arus beban sebagai berikut:
i L
= ic + io
Jika kita menganggap bahwa arus riak beban ∆io, adalah sangat kecil dan dapat diabaikan, ∆i L = ∆ic. Arus kapasitor rata-rata, yang mengalir selama t 1/2 + t 2/2 = T /2, adalah: I c =
∆ I
4
Nilai kapasitor dapat dinyatakan sebagai: vc =
1 C
∫ i c dt + vc ( t = 0 )
dan tegangan riak puncak ke puncak dari kapasitor adalah : ∆V c
= vc − vc ( t = 0 ) =
1 C
T / 2
∫ 0
∆ I
4
dt =
∆ I ⋅ T
8 ⋅ C
=
∆ I
8 ⋅ C ⋅ f
(2.18)
dengan memasukkan nilai ∆ I dari persamaan 2.16 atau 2.17 ke dalam persamaan 2.18, dihasilkan persamaan berikut: ∆ V s
=
∆V s
=
V a ⋅ ( V s
−
V a ) 2
8 ⋅ L ⋅ C ⋅ f ⋅ V s
(2.19)
atau
2.5.1
V s ⋅ k ⋅ ( 1 − k ) 8 ⋅ L ⋅ C ⋅ f 2
(2.20)
Konverter Forward [24]
Terdapat beragam cara untuk menggabungkan trafo pemisah kedalam konverter dc-dc. Ragam konverter buck dengan trafo pemisah antara lain adalah konverter fullbridge, half-bridge, forward, dan push-pull . Rangkaian konverter forward seperti diperlihatkan pada gambar 2.12.
Gambar 2.12 Rangkaian Konverter Forward
Trafo mengalami reset selama transistor Q1 keadaan off. Selama transistor menghantar, tegangan input V g
disalurkan melintasi belitan primer trafo. Hal ini
menyebabkan arus magnetisasi trafo meningkat. Saat transistor Q1 beralih off, arus magnetisasi trafo membias maju dioda D1, dan kemudian tegangan -V g diumpankan ke belitan sekunder. Tegangan negatif ini menyebabkan arus magnetisasi berkurang. Saat arus magnetisasi mencapai nol, dioda D1 beralih off. Keseimbangan volt-second terbentuk pada belitan-belitan trafo jika arus magnetisasi mencapai nol sebelum akhir periode pensaklaran. Hal tersebut membatasi siklus tugas dengan persamaan sebagai berikut: D ≤
1
n 1+ 2 n1
(2.28)
dan untuk n2 = n1 , persamaan menjadi: D ≤
1 2
Sehingga disini siklus tugas maksimal dibatasi. Jika batas ini dilewati, maka waktu off transistor tidak cukup untuk mereset trafo. Tegangan keluaran konverter dapat ditemukan dengan persamaan : V o
2.5.2
=
n3 n1
(2.29)
⋅ D ⋅ V g
Konverter Forward dengan Dua Transistor
[24]
Ragam konverter forward dengan dua transistor seperti tampak pada gambar .2.13.
Gambar 2.13 Konverter Forward dengan Dua Saklar MOSFET
Setelah transistor beralih off, arus magnetisasi trafo membias maju dioda D1 dan D2 dan mengumpankan tegangan –V g melintas belitan primer, sehingga akan mereset trafo. Siklus tugas juga dibatasi hingga D<0,5. Konverter ini mempunyai keuntungan yaitu tegangan bloking puncak dari transistor dibatasi sampai V g . Trafo daya lebih sederhana karena mekanisme reset trafo telah dilakukan oleh dioda D1 dan D2. Rangkaian ini sangat popular pada catu daya dengan tegangan masukan 240 Vac.
Pengendali Lebar Pulsa
Rangkaian pengendali lebar pulsa mengatur lebar pulsa sehingga keluaran regulator tetap stabil walupun terjadi perubahan pada tegangan sumber atau pada beban. Terdapat dua macam pengendali lebar pulsa yaitu pengendali ragam tegangan (voltage mode controller ) dan pengendali ragam arus (current mode controller ).
2.6.1
Pengendali Ragam Tegangan
Dalam kendali ragam tegangan hanya tegangan keluaran yang disensor untuk mendapatkan tingkat tegangan yang diinginkan. Selanjutnya penguat kesalahan membandingkan tegangan keluaran tersebut dengan tegangan acuan internal dan menghasilkan tegangan kesalahan yang diumpankan ke komparator. Komparator membandingkan tegangan kesalahan dengan suatu gelombang ramp yang dibentuk oleh osilator internal dan menghasilkan suatu gelombang termodulasi lebar pulsa (PWM), dan selanjutnya komparator ini disebut komparator PWM. Gelombang PWM kemudian mengemudikan saklar daya untuk bergerak on/off.
Kendali ragam tegangan dengan frekuensi tetap seperti diperlihatkan pada gambar 2.16. Contoh rangkaian terpadau dengan tipe ini adalah MC34060, MC34166, dan TL494. Selain itu juga terdapat kendali mode tegangan dengan frekuensi variabel seperti yang digunakan dalam catu daya pensaklaran quasi-resonant. Pengaturan lebar pulsa dengan waktu on tetap waktu off variabel (ZVS), atau waktu on variabel waktu off tetap (ZCS) Contoh rangkaian terpadu untuk kendali ragam tegangan frekuensi variabel adalah MC3406666P (ZCS) dan MC34067P(ZVS).
OSC
REF
Komparator _ PWM
+
+
_
Q1
Penguat Kesalahan
Tegangan Umpan Balik
Gambar 2.16 Kendali Ragam Tegangan Frekuensi Tetap
2.6.2
Pengendali Ragam Arus
Pengendali ragam arus pada aplikasi regulator forward seperti diperlihatkan pada gambar 2.17. Sinyal detak dengan frekuensi tetap menandai terbentuknya pulsa. Pulsa berakhir ketika arus induktor mencapai suatu threshold yang ditetapkan sinyal eror. Dengan cara ini sinyal eror sebenarnya mengendalikan arus puncak induktor. Hal ini sangat berbeda dengan skema dasar (ragam tegangan) dimana sinyal eror secara langsung mengendalikan lebar pulsa tanpa memperhatikan arus induktor. V
t
VCC
CLOCK
VOUT
Acuan Penguat Kesalahan VERROR VOUT
Komparator PWM
S R
Q LATCH
RSENSE
Gambar 2.17 Kendali Ragam Arus pada Regulator Forward.
Beberapa keuntungan diperoleh dari penggunaan kendali ragam arus [8, 24, 26]. Pertama, meningkatnya karakteristik masukan tegangan umpan maju. Rangkaian kendali dengan seketika mengkoreksi perubahan tegangan masukan tanpa menggunakan jangkah dinamis penguat kesalahan. Sehingga regulasi saluran sangat baik dan penguat kesalahan hanya ditugaskan sepenuhnya untuk mengkoreksi perubahan beban. Dalam suatu konverter dengan arus konduktor kontinyu, mengendalikan arus puncak hampir sama dengan mengendalikan arus rata-rata. Sehingga ketika konverter menerapkan kendali ragam arus, induktor dapat diperlakukan sebagai suatu sumber arus yang dikendalikan tegangan kesalahan. Tanggapan frekuensi kendali ke keluaran dua pole dari konverter ini berkurang menjadi tanggapan satu pole (kapasitor dipararel dengan beban). Hasil yang didapatkan adalah kompensasi penguat kesalahan dapat dirancang untuk menghasilkan tanggapan ikal tertutup dengan lebarpita penguatan yang lebih besar. Pengaruh pada catu daya adalah tanggapan terhadap perubahan beban semakin cepat. Kompensasi kesalahan menjadi sederhana, seperti diperlihatkan pada gambar
2.18. Kapasitor C i dan resistor Riz pada gambar 2.18(a) menambah zero frekuensi rendah yang membatalkan satu dari dua pole kendali ke keluaran dari konverter ragam tegangan. Untuk perubahan beban yang besar, dimana tanggapan konverter dibatasi oleh kecepatan induktor, penguat kesalahan akan saturasi selama induktor menyesuaikan beban. Selama waktu tersebut, C i akan termuati.. Ketika arus induktor mencapai level yang diperlukan, tegangan pada C i akan menyebabkan kesalahan yang berpengaruh pada tegangan keluaran. Waktu pemulihan adalah Riz Ci yang cukup panjang. Kendali ragam arus menggantikan pole induktor sehingga jaringan kompensasi menjadi sederhana seperti pada gambar 2.18(b). Pole yang terbentuk dari R f dan C f digunakan untuk menggagalkan zero yang terbentuk dari kapasitor tapis keluaran dan tahanan seri ekivalen kapasitor tersebut.
Rf Cf
Ci VO
R f
Rip +
Riz
Rd
-
Vref
E/A
Cf VC
VO
R1
+ Rd
-
Vref (a)
(b)
Gambar 2.18 Rangkaian Kompensasi Kesalahan
E/A
VC
