switch mode power supply menggunakan boost converter sebagai

SWITCH MODE POWER SUPPLY MENGGUNAKAN BOOST
CONVERTER SEBAGAI PFC CONVERTER
1
Surya Indrajati 1,Ir.Moh.Zaenal Effendi,MT.2
Mahasiswa Jurusan Teknik Elektro Industri, 2 Dosen PENS-ITS
Politeknik Elektronika Negeri Surabaya
Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
Kampus ITS Sukolilo Surabaya 60111
Telp (+62) 031-59447280 .Fax (+62) 031-5946114
e-mail: [email protected]
ABSTRAK
Switch mode power supply (SMPS) adalah suatu peralatan untuk memberikan sumber
DC dengan cara metode switching. Salah satu masalah yang terjadi pada switch mode power
supply (SMPS) tidak menggunakan power factor correction dan memerlukan penambahan nilai
Capasitor yang besar sebagai filter DC. Untuk mengatasi masalah tersebut perlu penambahan
power factor correction (PFC) pada switch mode power supply (SMPS).
Pada SMPS ini, power factor correction diletakkan pada bagian output dari rectifier
dengan menggunakan Boost converter. Boost converter bekerja pada kondisi tidak kontinyu,
karena dalam kondisi tidak kontinyu tidak muncul arus balik (IRR) pada komponen diode dari
boost converter, sehinga diode yang lebih murah dapat digunakan. Selain itu pada kondisi tidak
kontinyu mengakibatkan rugi I2R rendah dan ripple arus yang rendah mengakibatkan rugi inti di
inductor rendah.
Boost converter ini dihubungkan seri dengan buck conveter untuk supply beban 24 V/ 60
W. Boost converter sebagai power factor correction (PFC) di desain menghasilkan tegangan
output sebesar 50 V dan arus 3 A. Sedangkan buck converter di desain menghasilkan tegangan
keluran 24 V dengan arus 2,5 A.
Kata Kunci: boost converter, buck converter, power factor correction.
1.
PENDAHULUAN
Peralatan elektronik modern tidak
selalu menghadirkan beban-beban pasif
kepada sisi sumber atau power line. Pada
awalnya, beban-beban wajar mempunyai
salah satu karakteristik resistif seperti
misalnya lampu atau arus input yang
sinusoidal dan mengalami pergerseran fase
seperti misalnya motor AC. Saat ini,
kebanyakan sistem elektronik menggunakan
satu atau lebih konverter-konverter daya
yang menyebabkan arus di sisi sumber atau
power line menjadi tidak sinusoidal.
Karakteristik arus input ini menyebabkan
arus dan kemungkinan tegangan terdistorsi
yang dapat menimbulkan masalah pada
peralatan elektronik lain yang terhubung
dengan
sumber
dan
menurunkan
kemampuan dari sistem tersebut. Masalah
ini mengharuskan menciptakan desain
standart dengan tujuan membatasi distorsi
harmonik pada sisi sumber atau power line.
Solusi dari masalah ini dikenalan sebagai
power factor correction (PFC).
Switch mode power supply (SMPS)
adalah peralatan listrik yang berfungsi
untuk memberi sumber DC dengan
menggunakan metode switching. Energi
ini berasal dari sumber jala-jala (PLN)
yang disearahkan dengan rangkaian
rectifier. Kelemahan dari SMPS ini
adalah tidak menggunakan rangkaian
power factor correction dan memerlukan
nilai Capasitor yang besar. Dengan kata
lain energi yang di transfer ke beban
menjadi tidak efisien. Untuk mengatasi
hal ini maka di tambah power factor
correction pada perlatan Switch mode
power
supply (SMPS). Penambahan
power factor correction pada SMPS ini
dilakukan dengan memodifikasi pada
rangkaian
keluaran rectifier. Dengan
menambah rangkaian diharapkan dapat
mengatasi masalah harmonisa yang timbul
dan power factor yang rendah pada sisi
sumber (input).
2.
yang bekerja pada kondisi tidak kontinyu
yang terdiri dari beberapa komponen utama,
yaitu mosfet sebagai switch, induktor,
kapasitor, diode, dan beban. Gambar
rangkaian boost converter terlihat seperti
gambar 3.
DESAIN DAN PERENCANAAN
Dalam membangun switch mode power
supply
dengan
menggunakan
boost
converter sebagi PFC converter dibutuhkan
komponen seperti gambar 1 blok diagram
dibawah ini.
Supply jala-jala
220 Vac
Trafo step down
+
rectifier
BOOST
CONVERTER
Sebagai PFC
PWM
BUCK
CONVERTER
Sebagai Regulator
LOAD
24 V, 60 W
Sensor
tegangan
Mikrokontroler
Vref
PI
controler
PWM
Gambar 1. blok diagram
2.1 perencanaan pembuatan rectifier
Rangkaian penyearah digunakan sebagai
input sumber DC dari boost converter.
Rangkaian penyearah ini diturunkan terlebih
dahulu melalui trafo kemudian disearahkan
tanpa penambahan bulk capasitor. Gamabr
rangkaian dari rangkaian penyearah terlihat
pada gambar 2 berikut.
Gambar 3 Desain boost converter
Untuk mendisain converter perlu ditetapkan
beberapa variable, yaitu:
Vin minimal
: 21,6 V
Vin maximal
: 33,9 V
Arus output
: 3A
Tegangan output
: 50 V
Frekuensi switching : 25 Khz
Dari data yang ditetapkan diatas, dapat
dihitung
nilai-nilai
komponen
yang
digunakan, yaitu:
 Duty cycle
Dimana :
D : duty cycle
Vo : tegangan output
Vin : tegangan input
Perhitungan :
 Nilai inductor
Gambar 2 Rectifier
Dimana : L
Vo
Vin
f
2.2 Boost converter
Perhitungan :
Boost converter pada proyek ini
digunakan sebagai perbaikan factor daya
: induktansi inductor
: tegangan output
: tegangan input
: frekuensi switching
: ripple arus
Dimana L
Imax
Bmax
Ac
Perhitungan:
: nilai induktansi
: arus maksimal
:fluk density maksimum
:luasan core (inti besi)
 Perhitungan rangkaian snubber
Discontinous Modes
Pada discontinuous mode desain L < Lmin
Dimana Csnuber : capasitansi snuber
t_fall
: waktu untuk kembali
dari mosfert
V_off
: tegangan saat off
mosfet
D
: duty cycle
T
: periode
 Nilai capasitor
Dimana: C
D
T
Perhitungan:
: kapasitansi kapasitor
: arus RMS capasitor
: ripple tegangan
: duty cycle
: periode
2.3 Buck converter
Buck converter, pada proyek ini digunakan
sebagai regulator ke beban 24 V yang terdiri
dari beberapa komponen utama, yaitu
mosfet sebagai switch, induktor, kapasitor,
diode, dan beban. Gambar rangkaian buck
converter terlihat seperti gambar 4.
 Jumlah lilitan
Gambar 4. Desain buck converter
Untuk mendisain konverter perlu ditetapkan
beberapa variable, yaitu:
Tegangan input
:
Tegangan output
:
Arus output
:
Frekuensi switching :
50 V
24 V
2,5 A
25 Khz
Dari data yang ditetapkan diatas, dapat
dihitung
nilai-nilai
komponen
yang
digunakan, yaitu:
 Duty cycle
Dimana : D : duty cycle
Vo : tegangan output
Vin :tegangan input
Dimana: C
F
Perhitungan
: kapasitansi kapasitor
: ripple arus
: ripple tegangan
: frekuensi switching
 Jumlah lilitan
Dimana L
: induktansi inductor
Imax : arus maksimal
Ac :luasan core (inti besi)
Bmax :fluxdensity maksimal
Perhitungan
Perhitungan:
 Nilai induktor
Dimana : L : induktansi induktor
Vin : tegangan input
Vo : tegangan output
: ripple arus
Perhitungan:
 Nilai capasitor
 Perhitungan rangkaian snubber
Dimana
Csnuber: capasitansi snuber
t_fall : waktu untuk kembali dari
mosfert
V_off : tegangan saat off mosfet
D
: duty cycle
T
: periode
Perhitungan
2.4 Totempole
Rangkaian totempole digunakan sebagai
kopling antara mikrokontroler dengan
konverter DC-DC karena mikrokontroler
tidak mampu mengendalikan konverter
secara langsung. Rangkaian totempole
terdiri dari transistor NPN dan PNP. Gambar
dari rangkaian totempole seperti pada
gambar 5.
program sistem yang digunakan untuk
mengontrol PWM
START
INISIALISASI
SET POINT
Baca sensor
tegangan
Perhitungan error
dan integral
Perhitungan KP,KI
controler
Gambar 5. Optocoupler dan totempole
Setting duty
cycle PWM
2.5 Sensor tegangan
END
Sensor tegangan yang dipakai adalah pembagi
tegangan dengan resistor dikarenakan tegangan
output DC dan tegangan yang diukur maksimal
24 V, sedangkan tegangan yang diperbolehkan
masuk ke ADC pada mikrokontroler maksimal 5
V. perhitungan sensor tegangan sebagai berikut
R1 ditentukan 3300 ohm, maka:
Gambar dari sensor tegangan seperti gambar
6 berikut.
Gambar 6. Sensor tegangan
2.6 Perencanaan kontrol PWM
Pembangkit pulsa PWM didapatkan dari
mikrokontroler PORTD.4 yang merupakan
timer 1. Selanjutnya digunakan optocoupler
sebagai pemisah dan masuk ke rangkaian
totempole yang berfungsi sebagai penguat
arus. Gambar 7 adalah flowchart main
Gambar 7. Flowchart main program
2.7 Desain kontroler PI
Kontroler digunakan untuk mengontrol
tegangan output buck converter agar
konstan. Dalam membuat kontroler ini yang
diperhatikan adalah mengenai set point dari
output buck yang harus dipertahankan yang
dilihat dari data ADC. Dari data ADC maka
diperoleh error dari set point. Dari error
tersebut akan dikalikan time sampling yang
kemudian menghasilkan integral. Kemudian
didapatkan nilai P
dari konstanta
proporsional dikalikan error. Sedangkan I
diperoleh dari konstanta integral dikalikan
integral. Nilai PI adalah penjumlahan dari
nilai P dan I. Berikut adalah program
lengkapnya:
sp=145;//nilai tegangan 24 volt
kp=10; //konstanta P
ki=0.005; // konstanta I
integral=0;
lasterror=0;
timesampling=0.01;
while (1)
{
// Place your code here
pv=read_adc(0);
//read present value
error = sp - pv;
// calculate error
integral += error * timesampling;
if(pv==0) integral=0;
// calculate PID controller
P = kp * error;
I = ki * integral;
PI = P + I;
if(PID>431)PID=431;
if(PID<0)PID=0;
pwm=PID;
//send++;
OCR1A = (int)pwm;
delay_ms(10);
};
3.PENGUJIAN DAN ANALISIS
3.1 Pengujian Rangkaian Totempole Dan
Optocoupler
Rangkaian totempole dan optocoupler
digunakan sebagai buffer sinyal input yang
dihasilkan
oleh
mikrokontroler
dan
digunakan untuk mengendalikan konverter.
Gambar 8 gelombang tegangan output
rangkaian totempole.
(a)
(b)
Gambar 8
a.bentuk gelombang dengan duty cycle 50%
b.bentuk gelombang dengan duty cycle 60%
3.2 Pengujian sensor tegangan
Pengujian sensor tegangan digunakan untuk
mengetahui respon sensor tersebut terhadap
berbagai masukan tegangan. Pengujian
dilakukan dengan memberikan tegangan
input sebesar 10 V sampai 30 volt,
kemudian diukur tegangan keluaran dari
sensor tersebut. Hasil pengujian sensor
tegangan dapat dilihat pada Tabel 1
Tabel 1. Pengujian sensor tegangan
Vin
Vout
Vout
% Error
teori
2
0,22
0,23
4,34
4
0,46
0,46
0
6
0,69
0,69
0
8
0,93
0,92
1,09
10
1,16
1,15
0,87
12
1,41
1,38
2,17
14
1,63
1,61
1,24
16
1,88
1,84
2,2
18
2,11
2,07
1,93
20
2,34
2,31
1,3
22
2,34
2,31
1,3
24
2,82
2,77
1,81
26
3,05
3
1,67
24
2,82
2,77
1,81
28
3,28
3,23
1,54
30
3,53
3,46
2,02
3.3 Pengujian rangkain rectifier
Rangkaian yang digunakan untuk rectifier
menggunakan diode bride full wave
rangkaian tersebut menggunakan 4 buah
diode. Input tegangan adalah 24 volt yang
berasal dari input 220 volt yang diturunkan
menggunakan trafo step down menjadi 24
volt. Setelah disearahkan diode tersebut
diberi filter capasitor dengan nilai kecil yaitu
47 nanoFarad. Hasil pengujian diperlihatkan
pada tabel 2.
Tabel 2. Pengujian rectifier
No
Vin
Vout
Vout % Error
teori
1
5
3,31
4,51
26,61
2
10
7,83
9,1
13,95
3
15
12,18 13,51
9,84
4
20
17,11 18,01
5
5
25
21,1
22,52
6,3
6
30
25,5
27,02
5,62
3.4 Pengujian boost converter
Pengujian boost converter digunakan untuk
mengetahui respon converter terhadap
perubahan duty cycle inputnya. Hal ini
bertujuan untuk mengetahui perbedaan hasil
output dengan perhitungan secara teoritis.
Hasil pengujian diperlihatkan pada tabel 3.
Tabel 3. Pengujian boost converter
Duty Vin Iin
Vout
Vout
%
cycle
praktek teori Error
20
10 0,23
21
12,5 40,4
30
10 0,54
34
14,28
58
40
10 0,92
66
16,67 74,6
50
10 1,5
88
20
77,2
60
10
2
100
25
75
3.5 Pengujian Rangkaian Buck Konverter
Pengujian buck converter digunakan untuk
mengetahui respon konverter terhadap
perubahan duty cycle inputnya. Hal ini
bertujuan untuk mengetahui perbedaan hasil
output dengan perhitungan secara teoritis.
hasil pengujian diperlihatkan pada tabel 4.
Table 4. pengujian buck converter
Duty Vin Iout
Vout
Vout
%
cycle
praktek teori Error
20
30 0,37
4,2
6
30
40
30 0,54
9,5
12
20,83
50
30 0,64
13,5
15
10
60
30
0,7
16,3
18
9,44
70
30 0,76
20
21
4,76
3.6 Pengujian kontroler
Kontroler disini digunakan untuk menjaga
tegangan output buck converter agar stabil.
Kontroler dikatakan baik apabila bisa
menjaga kestabilan tegangan output yang
dikontrol. pengujian kontroler dilakukan
dengan mengubah tegangan input dari buck
converter dan membandingkan antara
pengujian dengan set point dari kontroler.
Hasil pengujian kontroler diperlihatkan pada
tabel 5.
Tabel 5. pengujian kontroler dengan
perubahan tegangan input
Vin (V)
Vref (V)
26
28
30
32
34
36
24
24
24
24
24
24
Vout
(V)
23,5
23,5
23,6
23,6
23,7
23,7
% error
2,083
2,083
1,67
1,67
1,25
1,25
3.7 Pengujian power factor
Pada pengujian keselurahan sistem ini
dibandingkan nilai power factor dengan
menggunakan rangkaian rectifier gelombang
penuh dengan sistem keseluruhan yaitu
boost converter sebagai power factor
correction (PFC) dan buck converter sebagai
regulator. Hasil pengujian power factor
diperlihatkan pada tabel 6 dan tabel 7
Table 6. Pengujian PF dengan rectifier
Vout (V)
Iout (A)
PF
23,8
0,6
0,84
23,8
1
0,84
24
1,5
0,84
23,87
2
0,85
Table 7. Pengujian PF dengan keseluruhan
sistem
Vout (V)
23,8
23,5
23,4
22,7
21,8
Iout (A)
0,5
1
1,5
2
2,5
PF
0,80
0,92
0,93
0,93
0,94
Current
5.0
2.5
Amps
1Ø 0.0 .
-2.5
-5.0
2.494.997.489.9812.47
14.96
17.46
mSec
Gambar 7. Bentuk gelombang arus input
rectifier
Current
10
5
Amps 0
-5
-10
,
2,5 5, 7,5 10,01
12,51
15,01
17,51
mSec
2.
3.
Gambar 8. Bentuk gelombang arus input
dengan system
4.
5.
Gambar 9. Hasil record data rangkaian rectifier
Gambar 10. Hasil record data dengan sistem
4. Kesimpulan
Setelah
melalui
beberapa
proses
perencanaan, pembuatan dan pengujian alat
serta dari data yang didapat dari
perencanaan dan pembuatan alat, maka
dapat disimpulkan:
1. Pada sistem ini perbaikan factor daya
menggunakan boost converter yang
bekerja pada kondisi tidak kontinyu
dengan desain input tegangan 24 volt
output 50
Volt dengan arus 3 A,
sedangkan buck converter digunakan
sebagai regulator dengan output 24 volt
arus 2,5 ampere.
Efisiensi buck converter semakin besar
saat duty semakin besar atau dapat
dikatakan
efisiensi buck converter
semakin besar saat arus output besar.
Pada pengujian integrasi
diperoleh
perbaikan power factor 0,94 dan
harmonisa 23,83% sedangkan rangkaian
rectifier memiliki power factor 0,84 dan
harmonisa 45,73 %.
Saat pengujian integrasi sistem pada sisi
output tidak mencapai 24 volt karena
pada sisi input terjadi drop tegangan pada
trafo yang menyebabkan sistem tidak
dapat bekerja secara nominal.
Nilai power factor akan meningkat saat
arus output besar atau dapat dikatakan
nilai power factor meningkat saat arus
output mencapai nilai nominal.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Muhammad H
Rasyid,”Rangkaian
Elektronika
Daya,
Devices,dan
Aplikasinya”, Jakarta,1999.
[2]D. Petruzella, Frank ,”Elektronik
Industri”, Andi, Yogyakarta, 2001.
[3] Daniel W. Hart, “Introduction to Power
Electronics,” Prentice-Hall International,
International Edition, 1997.
[4] P.J. Randewijk, “Inductor Design,”
2006.
[5]Datasheet
of
ATmega16
8-bit
Microcontroller with 16K Bytes InSystem
Programmable
Flash
[6] Katsuhiko Ogata. Teknik Kontrol
Automatik. Erlangga 1997
[7] Brian R Copeland. Design PID
controller using Ziegler-nicols tuning. 2008
[8]http://www.alldatasheet.com/datasheetpdf
/ pdf/78532/ATMEL/ ATMEGA16.pdf