optimasi penentuan jenis mosfet pada

OPTIMASI PENENTUAN JENIS MOSFET
PADA PENGENDALI ELEKTRONIKA MOTOR BLDC
Jimmy Linggarjati
Computer Engineering Department, Faculty of Engineering, Binus University
Jl. K.H. Syahdan No. 9, Palmerah, Jakarta Barat 11480
[email protected]
ABSTRACT
Brushless DC is well-known in both the industry and Tamiya-fan, as a type of motor that is lightweight
and efficient in design, yet requires electronic commutation. This article discusses comprehensively the
selection of the right type of mosfet BLDC motor specifications. This is very useful during implementation. For
beginners, this article s quite interesting especially on the application of electronics required to play BLDC
motor. While for professionals, it will be interesting, too because in Indonesia, commonly there are not many
people pursuing this field, so that the knowledge is very useful for practitioners.
Keywords: BLDC, MOSFET, bootstrap
ABSTRAK
BrushLess DC sudah dikenal dikalangan industri hingga penggemar mainan mobil listrik -tamiya,
sebagai salah satu jenis motor penggerak yang ringan dan efesien dalam disainnya, tetapi memerlukan
komutasi elektronik. Artikel ini membahas secara menyeluruh cara pemilihan tipe mosfet yang tepat untuk
spesifikasi motor BLDC yang diberikan. Hal ini sangat berguna pada saat implementasi. Bagi pemula
tentunya artikel ini akan menarik terutama dari sisi penerapan elektronika yang dibutuhkan untuk memutar
motor BLDC ini, sedangkan bagi para profesional, tentunya tetap akan menarik, karena di Indonesia pada
umumnya, tidak banyak orang yang menekuni bidang ini, sehingga pengetahuan ini sangat berguna bagi
kalangan praktisi.
Kata kunci: BLDC, MOSFET, bootstrap
102
Jurnal Teknik Komputer Vol. 20 No.2 Agustus 2012: 102-108
PENDAHULUAN
BLDC adalah Brush-Less DC motor, di mana pergerakan rotor ditentukan oleh perputaran
komutasi elektronik. Hal ini berbeda dengan motor DC brushed, di mana komutasi dilakukan secara
otomatis oleh ring-komutator. Aplikasi dari BLDC adalah sama dengan motor DC Brushed. Dalam
artikel ini, akan dipelajari cara komutator elektronik bekerja pada motor BLDC.
Topik-topik yang akan dikupas tuntas adalah: (1) karakteristik MOSFET; (2) mosfet driver;
(3) algoritma BLDC.
PEMBAHASAN
Karakteristik Mosfet
Sebuah perusahaan komponen elektronika besar, IR (International Rectifier), mengeluarkan
produk HEXFET, yaitu beberapa produk MOSFET yang diperuntukkan untuk melakukan
pensaklaran dengan kapasitas arus (ampere) yang besar. MOSFET adalah singkatan dari Metal
Oxide Semiconductor Field Effect Transistor. MOSFET memiliki empat (4) jenis varian, yaitu
enhancement dan depletion mode, di mana di setiap mode tersebut terdapat N dan P channel.
Berikut adalah simbol dari dua jenis enhancement mode MOSFET, yaitu P-Channel Mosfet
dan N-Channel Mosfet (Gambar 1).
Gambar 1 Gambar P dan N Channel Mosfet
Mosfet P-Channel memiliki panah keluar, hal ini menunjukkan bahwa konduktansi yang
terjadi disebabkan oleh holes, sedangakan Mosfet N-Channel memiliki panah masuk, yang
menunjukkan bahwa konduktansi yang terjadi dikarenakan oleh elektrons.
Lalu, bagaimana MOSFET bekerja, khususnya sebagai saklar? VGS dari N-Mosfet harus
positif, sedangkan untuk P-Mosfet VGS harus negatif. Berikut ini konfigurasi dasar N-Mosfet
sebagai saklar (Gambar 2).
Optimasi Penentuan Jenis… (Jimmy Linggarjati)
103
Gambar 2 Gambar NMosfet Sebagai Saklar
Dan konfigurasi dasar P-Mosfet sebagai saklar sebagai berikut (Gambar 3).
Gambar 3 Gambar PMosfet sebagai saklar
Penggunaan mosfet yang benar tentunya membutuhkan pengertian mendalam pada
karakteristik dari Mosfet tersebut (Mosfet, 2002). Berikut ini adalah penjabaran dari setiap parameter
mosfet yang ada di dalam datasheet (dalam hal ini mosfet IRF540N): (1) on resistance Rds(on) – ini
adalah resistansi yang terjadi di antara drain dan source pada saat IRF540N berada dalam status
sakelar tertutup (atau on). Besarnya resistansi ini akan menentukan daya (V x I) yang akan didisipasi
oleh IRF540N melalui struktur mekaniknya. Semakin kecil nilai Rds(on) tentunya semakin kecil
daya yang akan didisipasi oleh suatu mosfet, karena I kuadrat R berlaku; (2) Maximum drain current
Id(max) – ini adalah arus maksimum yang dapat dilalui kaki drain ke kaki source, dan tentunya
sangat tergantung dari kemasan mosfet tersebut dan juga Rds(on); (3) Power Dissipation (PD) – ini
adalah daya maksimum yang dapat didisipasikan oleh mosfet, tergantung dari kemasannya; (4)
Linear Derating Factor – ini adalah besaran yang menyatakan berapa besar daya maksimum per
derajat celcius yang harus di-disipasikan; (5) Avalanche Energy EA – ini adalah batasan mosfet
dapat menampung energi yang terjadi saat avalanche. Avalanche sendiri adalah kondisi di mana
tegangan Drain-Source maksimum dilewati, dan arus besar melewati mosfet. Hal ini tidak akan
merusak mosfet secara permanen, selama energi avalanche tersebut tidak melewati batas maksimum;
(6) Peak diode recovery, dv/dt – ini adalah parameter yang menyatakan seberapa cepat
dioda-intrinsik mampu berubah keadaan dari status off ke on. Hal ini sangat tergantung dari berapa
besar tegangan sebelum dioda tersebut on. Sehingga waktu yang dibutuhkan adalah t=
tegangan-balik/peak diode recovery; (7) Drain-to-Source Breakdown Voltage – hal ini menyatakan
tegangan maksimum yang diperbolehkan antara kaki drain dan source, ketika mosfet dalam keadaan
off; (8) Gate threshold Voltage, Vgs(th) – tegangan gate-source minimum yang menyebabkan mosfet
mulai on. Perhatikan bahwa untuk penggunaan mosfet sebagai saklar, Vgs butuh tegangan jauh lebih
tinggi dari Vgs(th), yaitu 10volt; (9) Forward transconductance, gfs – ini adalah hubungan linear
104
Jurnal Teknik Komputer Vol. 20 No.2 Agustus 2012: 102-108
antara tegangan Vgs dengan arus Drain (Id/Vgs). Parameter ini penting bila mosfet dipergunakan
sebagai penguat aktif atau amplifier; (10) input Capacitance, Ciss. Ini adalah kapasitansi gabungan
dari terminal gate dengan terminal drain dan source. CGD adalah faktor yang lebih dominan.
Setelah kita mengerti parameter-parameter mosfet tersebut, bisa ditentukan mosfet tipe apa
yang sesuai untuk aplikasi tertentu. Dan hal yang terpenting dalam penentuan tipe mosfet adalah
Daya dan Panas yang dihasilkan oleh mosfet tersebut. Daya yang mampu ditangani oleh suatu
Mosfet, adalah faktor penting dalam memilih mosfet apa yang digunakan. Daya yang di-disipasi
mosfet adalah perkalian tegangan di mosfet dengan arus yang mengalir. Meskipun mosfet ini
melewatkan arus yang besar, namun tegangan jatuh pada drain-source kecil, hal ini dikarenakan
Rds(on) pada mosfet biasanya berada di kisaran 0,02 Ohms. Sedangkan pada saat mosfet off, arus
yang melewati drain-source sangat kecil. Sehingga dapat dijabarkan dengan persamaan daya sebagai
berikut:
2
P = i Rds(on)
Seumpamanya arus sebesar 30 ampere melalui Rds(on) = 0,02 Ohms, daya yang terdisipasi
dari mosfet tersebut adalah sebesar 18 Watt, dan untuk daya sebesar itu, mosfet perlu diberi heatsink.
Sumber lain yang menyebabkan mosfet menjadi panas, adalah pergantian kondisi dari on ke
off atau sebaliknya, di mana terjadi kondisi singkat di mana mosfet berada pada kondisi 1/2 on dan
1/2 off. Berdasarkan contoh sebelumnya, maka arus yang lewat adalah 15 ampere dengan tegangan
antara drain-source misalnya 5 volts, maka daya yang terdisipasi adalah 15 x 5 atau 75 Watts.
Namun karena waktu transisi yang singkat, daya sebenarnya tidak sebesar itu, tapi diambil dari
perbandingan waktu transisi dengan waktu antar transisi, dikali total Watts transisi (dalam hal ini 75
Watts). Atau secara umum, rumus daya terdisipasi rata-rata adalah:
Total watt transisi(VI) (waktu transisi/waktu antar transisi(frekuensi))
Agar persamaan di atas tersebut jelas, kita memerlukan sebuah contoh kasus masalah dan
solusinya. Masalah: Sebuah mosfet digetarkan pada frekuensi 20KHz (di atas frekuensi dengar
manusia) dan memerlukan waktu 1 mikrodetik untuk pergantian on-off. Jika tegangannya adalah 10v
dan arus 30A, daya yang terdisipasi karena transisi ini adalah:
0.04 5v 15A =3Watts.
Nilai 0,04 didapatkan dari 1 mikrodetik / 25 mikrodetik, di mana 25 mikrodetik didapat dari
t/2 = (1/20KHz)/2 = 50/2 mikrodetik = 25 udetik.
Arus Drain
Besar arus pada mosfet Drain seringkali ditulis di datasheet pada angka maksimum. Namun
hal ini perlu dicermati dengan hati-hati, karena pada suhu ruang 25 derajat celcius tidak
memungkinkan arus tersebut tetap maksimum. Sebaiknya melihat grafik penurunan arus sebagai
fungsi dari temperatur agar dapat melihat kapasitas arus yang sebenarnya.
Kecepatan On-Off
Kecepatan transisi mosfet ditentukan oleh parameter turn-on delay, rise time, turn-off delay,
dan fall time. Jika ditotal keseluruhan parameters tersebut, akan didapatkan periode minimum
gelombang kotak pada mosfet tersebut, sebagai contoh IRF540N, memiliki total waktu 142ns.
Artinya frekuensi tertinggi yang dapat diberikan pada mosfet IRF540N adalah mendekati 6MHz,
Optimasi Penentuan Jenis… (Jimmy Linggarjati)
105
namun perlu diperhatikan mosfet tersebut akan menjadi sangat panas, karena sering berada di
kondisi transisi dari on-off!
Penentuan MOSFET Tipe IRF540N
Rancangan desain motor ac (BL Super Sanyo Denki) yang menggunakan BLDC ini
memiliki resistansi 31,5 x 2 (63) ohms. Frekuensi getar harus berada di atas pendengaran manusia,
yaitu 20KHz. Tegangan motor yang akan diberikan adalah sebesar 60Volts. Jika melihat arus saat
motor baru akan dinyalakan (stall/diam), arus yang dibutuhkan adalah 60/63 (0,95 -mendekati 1)
ampere. Jika diasumsikan suhu pada mosfet tersebut 125 derajat celcius, arus maksimum yang dapat
dilewatkan oleh mosfet IRF540N adalah 19 ampere (lihat gambar 4 yang diambil dari datasheet
IRF540N). 19A angka yang lebih dari cukup untuk 1A arus stall, sehingga IRF540N bisa digunakan
untuk kasus ini.
Gambar 4 Gambar maximum drain current vs. temperature
Berapa daya yang akan di-disipasikan oleh IRF540N ini? Untuk menjawabnya, kita perlu
mengetahui besar Rds(on), yaitu 0.052 Ohms. Pada gambar 5 (Normalized On-Resistance Vs.
Temperature), dapat dilihat bahwa nilai Rds(on) bertambah sebesar 1,8 x 0,052 Ohms (0.0936
Ohms). Dengan kondisi arus stall sebesar 1A, maka PD = 1 x 1 x 0,0936 = 0,0936 Watts. Karena PD
dibawah 1 Watt, kesimpulan yang didapat adalah aplikasi ini tidak memerlukan heatsink, bahkan
pada prakteknya kondisi arus stall terjadi kurang lebih 20% dari nilai PD!
Gambar 5 Gambar normalized on-resistance vs. temperature
106
Jurnal Teknik Komputer Vol. 20 No.2 Agustus 2012: 102-108
Sekarang, kita tinggal menghitung daya yang ter-disipasi karena proses switching. Hal ini
terjadi hanya saat rise-time dan fall-time, yaitu 49ns+77ns=126ns. Daya yang ter-disipasi menjadi
126ns x 20KHz = 2,52mWatts. Nilai ini dapat diabaikan karena terlalu kecil.
Mosfet Driver
Mosfet Driver yang akan digunakan adalah IR2184. IC ini mampu menyediakan tegangan
Vgs di atas 10Volts, yang dibutuhkan untuk membuat mosfet berfungsi sebagai saklar. IC ini juga
menyediakan arus yang cukup untuk mengisi kapasitor Ciss pada mosfet, sehingga waktu on pada
mosfet dapat dilakukan secepat mungkin. Mosfet driver ini digunakan untuk sisi High-side dan
Low-side dari tipe N-Mosfet, sehingga di dalam chip IR2184 tersebut terdapat rangkaian bootstrap
(Se-Kyo Chung and Jung-Gyu Lim, 2007), yang berfungsi untuk menaikkan tegangan VGS di sisi
High-side N-Mosfet, agar mosfet tersebut dapat berfungsi sebagai saklar dengan baik.
Algoritma BLDC
BLDC memerlukan algoritma dasar yang akan menggerakkan rotor pada motor BLDC
(Brown, 2011.). Teknik komutator BLDC sendiri dibagi dua cara, yaitu sensored dan sensorless.
Cara sensorless memiliki keunggulan dalam hal realibitas di koneksi kabel sensor yang tidak ada
lagi, tapi kekurangan dari cara sensorless adalah dibutuhkannya algoritma pemrograman yang lebih
kompleks (Jianwen Shao, 2005) Teknik komutasi motor BLDC dengan sensored, menggunakan tiga
buah Hall-sensor, yang mendeteksi posisi sudut rotor untuk kemudian memerintahkan kumparan
stator berikutnya untuk menyala. Secara keseluruhan terdapat 6 langkah untuk melakukan perputaran
sebesar 360 derajat disebut juga sebagai komutasi trapezoidal. Kemudian teknik ke-dua dari
algoritma BLDC adalah komutasi Sinusoidal (Sambada, 2005). Komutasi Sinusoidal menghasilkan
perputaran yang halus (ripple kecil) dibandingkan dengan komutasi trapezoidal (Precision
MicroControl Corporation, n.d).
SIMPULAN
Hasil optimasi penentuan tipe mosfet IRF540N untuk motor BL Super Sanyo Denki
menentukan performa dari rangkaian elektronika BLDC. Hal yang berikutnya perlu dilakukan
adalah menentukan algoritma PID, sehingga tidak hanya kecepatan motor yang dapat diatur,
tetapi juga posisi rotor dapat dikontrol. Ke depan penelitian ini akan dikembangkan menjadi servo
BLDC motor yang kemudian akan diuji coba pada mesin CNC yang telah dibangun menggunakan
motor DC servo.
DAFTAR PUSTAKA
Brown, Ward. (2011). Brushless DC Motor Control Made Easy. Microchip Application Note
AN857. Diakses dari http://ww1.microchip.com/downloads/cn/AppNotes/cn012037.pdf
Jianwen Shao. (2005). An Improved Microcontroller-based Sensorless Brushless DC (BLDC) Motor
Drive for Automotive Applications. Industry Applications Conference. Fourtieth IAS
Annual Meeting. Conference Record of the 2005.
Mosfet.
(2002). Mosfet and Mosfet Drivers. Diakses
http://robots.freehostia.com/SpeedControl/Mosfets.html.
Optimasi Penentuan Jenis… (Jimmy Linggarjati)
dari
107
Precision MicroControl Corporation. (n.d). Brushless AC Motor Commutation: Sinusoidal
Commutation
with
a
PC
based
Motion
Controller.
Diakses
dari
http://www.pmccorp.com/support/appnotes/an1004.pdf.
Sambada, Jorge. (2005). Sinusoidal Control of PMSM Motors with dsPIC30F DSC. Diakses dari
http://ww1.microchip.com/downloads/en/AppNotes/01017A.pdf.
Se-Kyo Chung and Jung-Gyu Lim. (2007). Design of Bootstrap Power Supply for Half-Bridge
Circuits using Snubber Energy Regeneration. Diakses dari http://www.review.jpe.or.kr/On
line/.../JPE%207-4 -4.pdf.
108
Jurnal Teknik Komputer Vol. 20 No.2 Agustus 2012: 102-108