perancangan dan implementasi...
TRANSCRIPT
PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI DC-DC
INTERLEAVED BUCK CONVERTER DENGAN
KAPASITOR KOPLING
Singgih Supramono
2210100157
Dosen Pembimbing
Dedet Candra Riawan, ST.,M.Eng., Ph.D.
Ir. Arif Musthofa, MT.
Latar Belakang 1
Rasio Konversi Penurunan Tegangan DC Rendah
Interleaved Buck Converter
Konvensional
Ripple Arus Keluaran Besar Tegangan Masukan Rendah
Rugi-Rugi Daya Besar Akibat Pensaklaran atau Switching
Interleaved Buck Converter dengan Kapasitor Kopling
Tujuan 2
Mengetahui hal-hal yang berkaitan dengan rangkaian DC-DC Interleaved Buck Converter dengan Kapasitor Kopling
Merancang dan mengimplementasikan rangkaian DC-DC Interleaved Buck Converter dengan Kapasitor Kopling
Membandingkan dan menganalisis unjuk kerja rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling dengan rangkaian DC-DC IBC Konvensional
Rangkaian DC-DC Interleaved Buck
Converter Konvensional
3
Gabungan dua buck converter secara paralel, dimana tegangan masukan serta tegangan keluarannya satu
Rangkaian DC-DC Interleaved Buck
Converter dengan Kapasitor Kopling
4
Gabungan dua buck converter secara paralel, dimana tegangan masukan serta tegangan keluarannya satu. Akan tetapi, dua switch atau saklar aktifnya dihubungkan seri dan kapasitor kopling ditambahkan pada rangkaian. Dua switch atau saklar aktif penyalaannya memiliki pergeseran 180𝑜
Mode Operasi 1 5
Analisis Kondisi Tunak
Induktor 1 (L1) mengalami charge Persamaan matematis induktor 1 (L1)
𝑉𝐿1𝑡𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 = VS
- VCB - Vo
∆𝑖𝐿1𝑡𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 =
𝑉𝑆 − 𝑉𝐶𝐵
− 𝑉𝑜
𝐿1𝐷𝑇
Induktor 2 (L2) mengalami discharge
Persamaan matematis induktor 2 (L2)
𝑉𝐿2𝑡𝑑𝑖𝑠𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 = −Vo
∆𝑖𝐿2𝑡𝑑𝑖𝑠𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 = −
𝑉𝑜
𝐿21 − 𝐷 𝑇
6 Analisis Kondisi Tunak
Mode Operasi 2
Induktor 1 (L1) mengalami discharge
Persamaan matematis induktor 1 (L1)
𝑉𝐿1𝑡𝑑𝑖𝑠𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 = −Vo
∆𝑖𝐿1𝑡𝑑𝑖𝑠𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 = −
𝑉𝑜
𝐿11 − 𝐷 𝑇
Induktor 2 (L2) mengalami discharge
Persamaan matematis induktor 2 (L2)
𝑉𝐿2𝑡𝑑𝑖𝑠𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 = −Vo
∆𝑖𝐿2𝑡𝑑𝑖𝑠𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 = −
𝑉𝑜
𝐿21 − 𝐷 𝑇
7 Analisis Kondisi Tunak
Mode Operasi 3
Induktor 2 (L2) mengalami charge
Persamaan matematis induktor 2 (L2)
𝑉𝐿2𝑡𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 = VCB −Vo
∆𝑖𝐿2(𝑡𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒) =
(𝑉𝐶𝐵 −𝑉𝑜)
𝐿2𝐷𝑇
Induktor 1 (L1) mengalami discharge
Persamaan matematis induktor 1 (L1)
𝑉𝐿1𝑡𝑑𝑖𝑠𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 = −Vo
∆𝑖𝐿1𝑡𝑑𝑖𝑠𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 = −
𝑉𝑜
𝐿11 − 𝐷 𝑇
Persamaan matematis induktor 1 (L1)
𝑉𝐿1𝑡𝑑𝑖𝑠𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 = −Vo
∆𝑖𝐿1𝑡𝑑𝑖𝑠𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 = −
𝑉𝑜
𝐿11 − 𝐷 𝑇
8 Analisis Kondisi Tunak
Mode Operasi 4
Mode operasi 4 ini memiliki prinsip kerja yang sama dengan
mode operasi 2 yang telah dijelaskan sebelumnya
Mode operasi 4 ini memiliki prinsip kerja yang sama dengan mode operasi 2 yang telah dijelaskan
sebelumnya
Bentuk Gelombang Operasi 9
Berdasarkan 4 mode operasi yang telah
dijelaskan sebelumnya didapatkan bentuk
gelombang tegangan dan arus seluruh komponen
selama satu periode
Parameter Rangkaian DC-DC IBC
dengan Kapasitor Kopling
11
Parameter Nilai
Daya Keluaran 24 Watt
Tegangan Masukan 60 V
Tegangan Keluaran 12 V
Beban Resistansi 6 Ω
Frekuensi Switching 20 kHz
Ripple Arus Induktor 35 %
Ripple Kapasitor Kopling 0.75 %
Ripple Kapasitor Keluaran 0.1 %
Parameter Perancangan
Penentuan Nilai Duty Cycle (D)
12 Rasio Konversi DC
𝐷 = 2 ×𝑉𝑜
𝑉𝑠= 2 ×
12
60= 0.4
Penentuan Nilai Rasio Konversi Penurunan (M)
𝑀 =𝐷
2=
0.4
2= 0.2
13
Penentuan Nilai Induktor 1 (𝐿1) dan Induktor 2 (𝐿2)
Parameter LC filter
𝐿2 = 𝐿1 =(𝑉𝑠2 −
𝑉𝑜) × 𝐷
∆𝑖𝐿 × 𝑓 =
(602 − 12) × 0.4
0.7 × 20000= 514.29 𝜇𝐻
𝐼𝐿 =𝐼𝑜
2=
2
2= 1 A
∆𝐼𝐿= 𝑃𝑟𝑜𝑠𝑒𝑛𝑡𝑎𝑠𝑒 𝑟𝑖𝑝𝑝𝑙𝑒 (%) × 𝐼𝐿 × 2 = 0.35 × 1 × 2 = 0.7 A
Penentuan Nilai Kapasitor Keluaran (𝐶𝑜) 14
Parameter LC filter
𝑉𝐶𝑂
= 𝑉𝑂 = 12 𝑉
∆𝑉𝐶𝑂= 𝑃𝑟𝑜𝑠𝑒𝑛𝑡𝑎𝑠𝑒 𝑟𝑖𝑝𝑝𝑙𝑒 % × 𝑉𝐶𝑂
× 2 = 0.1% × 12 × 2 = 0.024 V
𝐶𝑜 =𝐷 0.5𝑉𝑠 − 𝑉𝑜
4∆𝑉𝐶𝑜𝐿𝑓2 =
0.4 0.5 × 60 − 12
4 × 0.024 × 514.29 × 10−6 × 20000 2 = 364.58 𝜇𝐹
Penentuan Nilai Kapasitor Kopling (𝐶𝐵) 15
𝑉𝐶𝐵=
𝑉𝑆
2=
60
2= 30 V
∆𝑉𝐶𝐵= 𝑃𝑟𝑜𝑠𝑒𝑛𝑡𝑎𝑠𝑒 𝑟𝑖𝑝𝑝𝑙𝑒(%) × 𝑉𝐶𝐵
× 2 =0.75
100× 30 × 2 = 0.45 V
𝐶𝐵 = 𝐼𝑜 × 𝐷
2 × ∆𝑉𝐶𝐵× 𝑓
= 2 × 0.4
2 × 0.45 × 20000 = 44.44 𝜇𝐹
Nilai Komponen Rangkaian DC-DC IBC
dengan Kapasitor Kopling
16 Nilai Komponen
Komponen Perhitungan Real
Kapasitor Kopling 44.44 𝜇𝐹 47 𝜇𝐹
Induktor 1 514.29 𝜇𝐻 598.1 𝜇𝐻
Induktor 2 514.29 𝜇𝐻 605.5 𝜇𝐻
Kapasitor Keluaran 364.58 𝜇𝐹 400 𝜇𝐹
Beban Resistansi 6 Ω 6 Ω
Mosfet 1 & 2
500 V, 20 A
Dioda 1 & 2 600V, 10A
Implementasi Rangkaian DC-DC IBC
dengan Kapasitor Kopling
18 Gambar Implementasi Rangkaian
Kapasitor Keluaran
Induktor 1
Induktor 2
Dioda 1
Kapasitor Kopling
Dioda 2
Mosfet 1
Mosfet 2
Implementasi Rangkaian DC-DC IBC dengan
Kapasitor Kopling Secara Keseluruhan
19 Gambar Implementasi Rangkaian
POWER SUPPLY 18 VOLT
OPTOCOUPLER &
TRANSISTOR GATE DRIVER
LCD & KEYPAD
MIKROKONTROLER IBC
KONVENSIONAL
INPUT POWER SUPPLY 60V
IBC dengan KAPASITOR
KOPLING
BEBAN RESISTANSI
RANGKAIAN SNUBBER
Gambar Gelombang Tegangan dan Arus dari Komponen Hasil Pengujian
Desain dan Simulasi Rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling
20 Pengujian Desain dan Simulasi
(Saklar 1 & 2) (Dioda 1 & 2)
(Arus Induktor 1 & 2)
(Kapasitor Kopling )
Parameter pengujian :
Tegangan Masukan 60V, Beban Resistansi 6Ω, Duty Cycle 40%
𝐼𝑄1
𝑉𝑄1
𝐼𝑄2
𝑉𝑄2 𝑉𝐷2
𝐼𝐷2
𝑉𝐷1
𝐼𝐷1
𝐼𝐿2 𝐼𝐿1
𝐼𝐶𝐵
𝑉𝐶𝐵
Tabel Hasil Pengujian Simulasi Rangkaian DC-DC IBC
dengan Kapasitor Kopling terhadap Perubahan Beban
21
Pengujian Simulasi terhadap Perubahan Beban
𝑽𝒊𝒏 (V)
𝑰𝒊𝒏 (mA)
𝑽𝒐𝒖𝒕 (V)
𝑰𝒐𝒖𝒕 (A)
𝑷𝒊𝒏 (Watt)
𝑷𝒐𝒖𝒕 (Watt)
Beban (Ω)
𝑷𝒐𝒖𝒕 (%)
60 401 12.01 2.002 24.06 24.044 6 100
60 323 12.01 1.601 19.38 19.23 7.5 80
60 243 12.01 1.201 14.58 14.42 10 60
60 162 12.01 0.801 9.72 9.62 15 40
60 80.4 12.01 0.400 4.824 4.804 30 20
Data hasil simulasi ternyata tidak dapat digunakan untuk menentukan nilai efisiensi karena semua komponen didalam simulasi berada pada kondisi ideal
22
Gambar hasil Pengujian Simulasi Rangkaian DC-DC IBC
dengan Kapasitor Kopling terhadap Perubahan Beban
Pengujian Simulasi terhadap Perubahan Beban
Pada kondisi daya keluaran 100 % atau beban resistansi 6 Ω
𝑉𝑜𝑢𝑡
𝐼𝑜𝑢𝑡
𝐼𝑖𝑛
23
Tabel Hasil Pengujian Simulasi Rangkaian DC-DC IBC
dengan Kapasitor Kopling terhadap Perubahan Duty Cycle
Duty Cycle (%)
𝑽𝒊𝒏 (V)
𝑰𝒊𝒏 (mA)
𝑽𝒐𝒖𝒕 (V)
𝑰𝒐𝒖𝒕 (A)
𝑽𝒐𝒖𝒕 Teori
(V)
Error (%)
10 60 24.99 3 0.5 3 0
15 60 55.9 4.5 0.75 4.5 0
20 60 100 6 1 6 0
25 60 156 7.5 1.25 7.5 0
30 60 225 9 1.5 9 0
35 60 306 10.5 1.75 10.5 0
40 60 405 12 2 12 0
45 60 506 13.5 2.25 13.5 0
50 60 626 15 2.5 15 0 Duty cycle dinaikkan maka tegangan keluaran akan semakin besar. Selain itu, error tegangan keluaran bernilai nol pada semua duty cycle
Pengujian Simulasi terhadap Perubahan Duty Cycle
24
Gambar hasil Pengujian Simulasi Rangkaian DC-DC IBC
dengan Kapasitor Kopling terhadap Perubahan Duty Cycle
Pada saat duty cycle 40 %
Pengujian Simulasi terhadap Perubahan Duty Cycle
𝑉𝑜𝑢𝑡
𝐼𝑜𝑢𝑡
𝐼𝑖𝑛
Gambar Gelombang Tegangan dan Arus dari Komponen Hasil
Pengujian Desain dan Implementasi Prototype Rangkaian DC-DC
IBC dengan Kapasitor Kopling
25 Pengujian Desain dan Implementasi
(Saklar 1 & 2) (Arus Induktor 1 & 2)
(Dioda 1 & 2)
(Kapasitor Kopling)
Parameter pengujian :
Tegangan Masukan 60V, Beban Resistansi 6Ω, Duty Cycle 40%
26
Gambar Gelombang Tegangan dan Arus dari Komponen Hasil
Pengujian Desain dan Implementasi Prototype
Rangkaian DC-DC IBC Konvensional
Pengujian Desain dan Implementasi
Parameter pengujian :
Tegangan Masukan 60V, Beban Resistansi 6 Ω, Duty Cycle 20 %
(Saklar 1 & 2) (Dioda 1 & 2)
(Arus Induktor 1 & 2 )
27 Analisis Rugi-Rugi Pensaklaran
Gambar Gelombang Tegangan dan Arus Saklar atau Switch 1 dan 2
Prototype Rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling
𝐼𝑄1
𝑉𝑄1
𝑉𝑄2
𝐼𝑄1
0.5𝑉𝑠
𝑉𝑠
0.5𝑉𝑠 Sebelum di “ ON ” Setelah di “ OFF ”
Analisis Rugi-Rugi Pensaklaran
Gambar Gelombang Tegangan dan Arus Saklar atau Switch 1 dan 2
Prototype Rangkaian DC-DC IBC Konvensional
28
𝑉𝑄1
𝑉𝑄2
𝐼𝑄1
𝐼𝑄2
𝑉𝑠
𝑉𝑠
29
Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Beban
Tabel Hasil Pengujian Prototype Rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling terhadap Perubahan Beban
𝑽𝒊𝒏 (V)
𝑰𝒊𝒏 (mA)
𝑽𝒐𝒖𝒕 (V)
𝑰𝒐𝒖𝒕 (A)
𝑷𝒊𝒏 (Watt)
𝑷𝒐𝒖𝒕 (Watt)
Beban (Ω)
𝑷𝒐𝒖𝒕 (%)
Eff (%)
60 495 12.2 2.1 29.7 25.62 6 100 86.26
60 386 12 1.67 23.16 20.04 7.5 80 86.53
60 292 12.1 1.27 17.52 15.37 10 60 87.71
60 190 11.9 0.846 11.4 10.07 15 40 88.31
60 101 12 0.434 6.06 5.21 30 20 85.94
Nilai efisiensi dari prototype yang tertinggi adalah 88.31 % yang terjadi pada daya keluaran 40 %. Sedangkan nilai efisiensi yang terendah adalah 85.94 % yang terjadi pada daya keluaran 20 %.
30 Grafik Daya Keluaran terhadap Efisiensi dari Prototype Rangkaian
DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling
Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Beban
Grafik efisiensi merupakan grafik hasil regresi
Gambar Hasil Pengujian Prototype Rangkaian DC-DC IBC
dengan Kapasitor Kopling saat Daya Keluaran 100 %
31
Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Beban
𝑉𝑖𝑛
𝐼𝑖𝑛
𝐼𝑂𝑢𝑡
𝑉𝑂𝑢𝑡
Tabel Hasil Pengujian Prototype Rangkaian DC-DC
IBC Konvensional terhadap Perubahan Beban
𝑽𝒊𝒏 (V)
𝑰𝒊𝒏 (mA)
𝑽𝒐𝒖𝒕 (V)
𝑰𝒐𝒖𝒕 (A)
𝑷𝒊𝒏 (Watt)
𝑷𝒐𝒖𝒕 (Watt)
Beban (Ω)
𝑷𝒐𝒖𝒕 (%)
Eff (%)
60.1 540 12 2.19 32.45 26.28 6 100 80.98
59.9 426 12 1.73 25.52 20.76 7.5 80 81.36
60 328 12 1.35 19.68 16.2 10 60 82.32
60 251 12 0.97 15.06 11.64 15 40 77.29
59.9 149 12 0.561 8.93 6.73 30 20 75.43
32
Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Beban
Nilai efisiensi yang tertinggi adalah 82.32 % yang terjadi pada daya keluaran 60 %. Sedangkan nilai efisiensi yang terendah adalah 75.43 % yang terjadi pada daya keluaran 20 %
Grafik Daya Keluaran terhadap Efisiensi dari Prototype IBC
dengan Kapasitor Kopling dan Prototype IBC Konvensional
33
Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Beban
Nilai efisiensi dari prototype rangkaian DC-DC IBC Konvensional lebih rendah daripada nilai efisiensi dari prototype rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling pada daya keluaran yang sama
Gambar Hasil Pengujian Prototype Rangkaian DC-DC
IBC Konvensional saat Daya Keluaran 60 %
34
Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Beban
𝐼𝑖𝑛
𝑉𝑖𝑛
𝑉𝑜𝑢𝑡
𝐼𝑜𝑢𝑡
Tabel Hasil Pengujian Prototype Rangkaian DC-DC IBC
dengan Kapasitor Kopling terhadap Perubahan Duty Cycle
35
Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Duty Cycle
Duty Cycle (%)
Vin (V)
Iin (mA)
Vout (V)
Iout (A)
Vout Teori/Simulasi
(V)
Error (%)
10 60 82.3 1.37 0.237 3 54.33
15 60 116 3.45 0.592 4.5 23.33
20 60 172 5.41 0.922 6 9.83
25 60 259 7.06 1.2 7.5 5.87
30 60 266 8.41 1.43 9 6.55
35 60 328 10 1.67 10.5 4.76
40 60 386 11.5 1.97 12 4.17
45 60 562 13 2.17 13.5 3.7
50 60 698 14.7 2.45 15 2 Duty cycle dinaikkan maka tegangan keluaran semakin besar. Akan tetapi, error tegangan keluaran semakin kecil
Grafik Duty Cycle terhadap Tegangan Keluaran Hasil Pengujian Simulasi dan Prototype Rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling
36
Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Duty Cycle
37
Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Duty Cycle
Gambar Hasil Pengujian Prototype Rangkaian DC-DC IBC
dengan Kapasitor Kopling saat Duty Cycle 40 %
𝑉𝑖𝑛
𝐼𝑜𝑢𝑡
𝑉𝑜𝑢𝑡
𝐼𝑖𝑛
38
Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Duty Cycle
Tabel Hasil Pengujian Prototype Rangkaian DC-DC IBC
Konvensional terhadap Perubahan Duty Cycle
Duty Cycle (%)
Vin (V)
Iin (A)
Vout (V)
Iout (A)
Vout Teori
(V)
Error (%)
10 60 0.150 5.12 0.953 6 14.67
15 60 288 8.37 1.57 9 7
20 60 0.534 11.8 2.07 12 1.67
25 60 0.800 14.9 2.59 15 0.67
30 60 1.10 17.6 3.15 18 2.22
35 60 1.49 20.5 3.69 21 2.38
40 60 1.91 23.7 4.20 24 1.25
45 60 2.34 26.7 4.72 27 1.11
50 60 2.89 29.7 5.27 30 1
Nilai error tegangan keluaran sangat kecil. Hal ini disebabkan karena prototype rangkaian DC-DC IBC Konvensional dilengkapi dengan rangkaian snubber
39
Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Duty Cycle
Nilai tegangan keluaran dari prototype rangkaian DC-DC IBC Konvensional dua kali lebih besar daripada nilai tegangan keluaran dari prototype rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling pada duty cycle yang sama
Grafik Duty Cycle terhadap Tegangan Keluaran Hasil Pengujian Prototype IBC dengan Kapasitor Kopling dan Prototype IBC Konvensional
40
Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Duty Cycle
Gambar Hasil Pengujian Prototype Rangkaian DC-DC
IBC Konvensional saat Duty Cycle 25 %
𝑉𝑜𝑢𝑡
𝑉𝑖𝑛
𝐼𝑜𝑢𝑡
𝐼𝑖𝑛
Kesimpulan Nilai tegangan pada semua komponen dari rangkaian DC-DC IBC
dengan Kapasitor Kopling bernilai setengah dari tegangan masukan saat saklar atau switch 2 belum di “on”-kan dan setelah di “off “-kan ketika beroperasi dengan duty cycle ≤ 50%. Akibatnya, rugi-rugi dari rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling dapat direduksi.
Rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling memiliki efisiensi yang lebih tinggi daripada rangkaian DC-DC IBC Konvensional. Hasil pengujian didapatkan efisiensi dari prototype rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling yang tertinggi sebesar 88.31 %. Sedangkan efisiensi dari prototype rangkaian DC-DC IBC Konvensional yang tertinggi sebesar 82.32 %.
Rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling memiliki rasio konversi penurunan tegangan DC lebih tinggi daripada rasio konversi penurunan tegangan DC dari rangkaian DC-DC IBC Konvensional pada duty cycle yang sama. Hasil pengujian pada duty cycle 40 % dan tegangan masukan 60 V, didapatkan nilai tegangan keluaran dari prototype rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling sebesar 11.5V. Sedangkan tegangan keluaran dari prototype rangkaian DC-DC IBC Konvensional sebesar 23.7 V.
41