1 bab i pendahuluan

1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang
Salah satu bidang ilmu kelistrikan yang sedang berkembang pesat dan berpengaruh dalam
perkembangan teknologi masa kini adalah bidang elektronika daya. Elektronika daya merupakan
bidang ilmu kelistrikan yang menggabungkan ilmu elektronika dengan ilmu ketenaga-listrikan.
Beberapa kelebihan utama dari bidang elektronika daya adalah dapat beroperasi pada arus,
tegangan dan daya listrik yang tinggi namun mempunyai ukuran komponen yang lebih kecil
dikarenakan elektronika daya beroperasi pada frekuensi sistem yang tinggi. Selain itu, kelebihan
utama dari elektronika daya adalah dapat menghasilkan efisiensi daya yang tinggi yaitu lebih
dari 80%. Salah satu aplikasi dari bidang ilmu elektronika daya adalah konverter DC-DC.
Konverter DC-DC merupakan suatu sistem yang digunakan untuk mengkonversi
tegangan dan arus DC pada level tertentu menjadi tegangan dan arus DC pada level yang lain.
Salah satu aplikasi dari konverter DC-DC adalah untuk battery charger. Konverter DC-DC yang
diaplikasikan sebagai battery charger ini mempunyai beberapa bagian sistem konversi yaitu
konversi AC-DC (penyearah), konversi DC-AC (inverter) yang terkendali, penurunan tegangan
dengan transformator frekuensi tinggi, dan konversi AC-DC (penyearah) frekuensi tinggi. Selain
itu juga terdapat komponen lain seperti induktor dan kapasitor untuk pembatas ripple arus dan
tegangan keluaran sehingga didapat gelombang arus dan tegangan keluaran yang lebih halus.
Dua bagian penting sistem konversi pada konverter DC-DC yang diaplikasikan sebagai
battery charger ini adalah bagian inverter dan transformator frekuensi tinggi. Inverter menjadi
1
2
bagian yang penting karena bagian ini digunakan untuk mengkonversi arus dan tegangan DC
menjadi arus dan tegangan AC sehingga keluaran inverter ini dapat dilewatkan melalui
transformator. Pada bagian ini juga proses pengendalian tegangan dilakukan. Selanjutnya
transformator berfungsi untuk menurunkan tegangan keluaran inverter menjadi tegangan yang
tidak jauh berbeda dengan tegangan keluaran yang diinginkan. Sehingga rentang nilai duty cycle
yang dikendalikan pada konverter ini tidak terlalu lebar. Selain itu transformator juga berfungsi
sebagai komponen pemisah antara bagian sumber dengan keluaran konverter yang dapat
mengisolasi kedua bagian saat adanya gangguan pada konverter.
Pada perkembanganya, teknologi konverter diupayakan untuk meningkatkan efisiensi
setinggi mungkin dengan meminimalkan terjadinya rugi-rugi daya. Salah satu metode yang
sekarang sering dipakai adalah menggunakan metode soft switching dan komponen resonan. Jika
pada metode konvensional komponen switching bekerja pada saat kondisi bertegangan maka
pada metode soft switching, komponen switching diusahakan untuk beroperasi pada kondisi tidak
bertegangan atau saat kondisi zero voltage switching (ZVS) sehingga rugi-rugi akibat adanya
switching dapat diminimalkan. Pada konverter DC-DC ini, metode soft switching diaplikasikan
pada bagian inverter.
Salah satu metode soft switching yang diaplikasikan pada inverter adalah metode geser
fase (phase shifted) PWM. Metode ini memanfaatkan pengendalian duty cycle keluaran inverter
yang dikendalikan dengan cara menggeser fase PWM pengendali saklar inverter. Selain itu
metode ini juga memanfaatkan adanya komponen parasitic dari saklar yang digunakan.
Dengan menggunakan metode pengendalian secara soft switching yaitu dengan geser fase
PWM, frekuensi sistem yang tinggi dan pemilihan komponen yang sesuai diharapkan dapat
3
mendapatkan nilai effisiensi konverter yang tinggi dengan ukuran komponen yang lebih kecil
dan ringan namun dapat melewatkan arus, tegangan dan daya yang tinggi.
1.2
Rumusan Masalah
Pada penelitian ini dilakukan perancangan, pembuatan dan pengujian inverter satu fase
topologi full-bridge dan transformator frekuensi tinggi. Pengendalian inverter dengan metode
geser fase menggunakan mikrokontroler dsPIC30F2020 menjadi rumusan yang akan diteliti.
Metode geser fase (phase shifted method) berarti kendali duty cycle dilakukan dengan teknik
geser fase PWM pengendali saklar yang saling berpasangan untuk mendapatkan zero voltage
switching (ZVS) sehingga rugi-rugi dapat diminimalkan.
Selain itu, bagian transformator frekuensi tinggi juga akan dijadikan rumusan yang akan
dibahas. Penggunaan transformator frekuensi tinggi ini akan membuat ukuran transformator jauh
lebih kecil dan ringan dibandingkan dengan transformator frekuensi rendah. Namun perlu
diperhatikan besarnya nilai induktansi bocor transformator di sisi primer dan juga sekunder.
Induktansi bocor digunakan pada metode geser fase, namun jika terlalu besar dapat menjadi rugirugi daya.
Pembahasan yang dilakukan adalah mengenai gelombang keluaran mikrokontroler, gatedriver, keluaran inverter, keluaran transformator dan effisiensi inverter dengan transformator.
Pengujian dilakukan dengan menggunakan beban resistif berupa lampu pijar dengan daya dan
arus yang bervariasi sampai mendekati rating daya dan arus sistem konverter yang dirancang.
4
1.3
Batasan Masalah
Batasan masalah pada penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Konverter yang dirancang adalah konverter DC – DC dengan topologi full bridge.
2. Bagian yang akan dibahas pada penelitian ini adalah bagian inverter topologi full-bridge dan
transformator frekuensi tinggi.
3. Isyarat PWM dibangkitkan oleh mikrokontroler dsPIC30F2020.
4. Rangkaian penggerak yang digunakan untuk menaikkan gelombang tegangan kendali adalah
IR2110.
5. Saklar elektronik pada inverter full-bridge yang digunakan adalah MOSFET kanal N.
6. Penyaklaran MOSFET menggunakan metode phase-shifted PWM.
7. Transformator dirancang untuk diaplikasikan pada konverter DC-DC full-bridge phase
shifted dengan rasio tegangan 311/100 V dan dengan daya 300W.
8. Inti transformator yang dirancang menggunakan inti ferrite N87 dengan ukuran ETD54.
9. Aspek yang diuji adalah pada gelombang keluaran mikrokontroler, gelombang keluaran gatedriver, gelombang keluaran inverter, arus keluaran, tegangan keluaran, daya keluaran, serta
efisiensi inverter dengan transformator frekuensi tinggi.
10. Beban yang digunakan adalah beban resistif berupa beberapa lampu pijar yang jumlahnya
divariasikan sehingga arus dan daya-nya bervariasi sampai mendekati rating arus dan daya
sistem yang dibuat.
11. Belum memperhatikan hubungan nilai induktan bocor dan komponen parasitic terhadap
rentang ZVS.
5
1.4
Tujuan Penelitian
Dengan adanya penelitian ini diharapkan dapat meningkatkan efektivitas pengisian battery
yaitu dengan menaikkan level tegangan keluaran pada konverter. Dengan tegangan yang lebih
tinggi maka diharapkan dapat melakukan pengisian battery lebih banyak dalam satu waktu
dengan tetap memperhatikan nilai efisiensi daya keluaran konverter seperti konverter yang telah
dibuat sebelumnya.
Tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Merancang dan membuat sebuah inverter dengan topologi full-bridge dan transformator
frekuensi tinggi sebagai bagian dari konverter DC – DC full bridge yang mampu
menurunkan tegangan dari ±311V menjadi ±100 V dengan frekuensi switching yang sesuai
serta effisiensi keluaran yang tinggi yaitu lebih dari 80% .
2. Menerapkan metode switching phase-shifted PWM (PSPWM) untuk mencapai zero voltage
switching (ZVS).
3. Menganalisa karakteristik gelombang keluaran inverter dan transformator frekuensi tinggi
dengan beberapa macam pembebanan.
4. Menguji unjuk kerja dan effisiensi transformator frekuensi tinggi sebagai bagian dari
konverter DC-DC full-bridge phase shifted ZVT dengan beberapa macam pembebanan.
1.5
Sistematika Penelitian
Laporan skripsi ini merupakan sebuah karya tulis yang akan dipaparkan dalam lima bab.
Bab pertama merupakan bab pendahuluan. Bab pertama ini berisi tentang latar belakang
masalah, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan penelitian, dan sistematika penelitian.
Bab kedua merupakan bab dasar teori. Bab kedua ini menjelaskan tentang landasan teori
penelitian ini yaitu teori yang berhubungan dengan konverter DC-DC full-bridge beserta bagian-
6
bagian penyusunnya seperti konverter AC-DC (rectifier), konverter DC-AC(inverter),
transformator, konverter DC-DC, mikrokontroler dsPIC30F2020, rangkaian penggerak, lead acid
battery, proses pengisian battery, dan sensor arus.
Bab ketiga adalah bab perancangan sistem. Bab ketiga ini menjelaskan tentang proses
perancangan sistem pada konverter DC-DC full-bridge phase shifted ZVT 311/100V 300W
dengan frekuensi penyaklaran 25kHz dan juga jalannya penelitian yang dilakukan.
Bab keempat adalah bab hasil dan pembahasan. Bab ini berisi data hasil pengujian disertai
dengan pembahasannya.
Bab kelima adalah bab kesimpulan dan saran. Bab ini berisi kesimpulan dari pembahasan
yang telah dipaparkan dan juga saran-saran untuk pengembangan sistem untuk tahap-tahap
selanjutnya.