Elektronika Daya Lanjut

Diterjemahkan oleh Kunto.W (2015), dari buku:
“Digital Power Electronics and Applications”, Fang Lin Luo, Hong Ye, Muhammad H. Rashid,
Elsevier Academic Press, 2005.
BAB 1.
Intoduksi
Elektronika daya dan teknologi konversi adalah profesi menarik dan menantang bagi siapa saja
yang memiliki minat yang tulus dalam, dan bakat untuk, sains dan matematika terapan. Sebenarnya,
pengetahuan yang ada dalam elektronika daya belum tuntas. Semua switching sirkuit daya listrik
meliputi konverter daya DC/DC dan pensaklaran inverter modulasi-pulsa-lebar (PWM) DC/AC (DC:
arus searah; AC: arus bolak-balik) tampil pada status switching frekuensi tinggi. Pengetahuan
traditional tidak sepenuhnya mempertimbangkan proses pumping-filtering, proses resonansi dan
operasi tegangan-angkat (voltage-lift). Oleh karena itu, pengetahuan yang ada tidak dapat dengan baik
menggambarkan karakteristik switching sirkuit listrik yang meliputi konverter daya DC/DC. Untuk
mengungkapkan kerugian dari pengetahuan yang ada, kita harus meninjau Elektronika Daya (Power
Electronics) analog tradisional dalam Bab ini.
ULASAN SEJARAH
Elektronika daya dan teknologi konversi prihatin dengan sistem yang menghasilkan, transmisi,
kendali dan pengukuran daya listrik dan energi. Untuk menggambarkan karakteristik sistem tenaga,
berbagai parameter pengukuran yang disebut faktor diterapkan. Konsep-konsep penting adalah faktor
daya (PF), efisiensi transfer daya ( ), faktor riak (RF) dan distorsi harmonik total (THD). Untuk
pendidikan jangka-panjang dan praktek rekayasa, kita tahu bahwa sistem daya tradisional telah
berhasil digambarkan menggunakan parameter tersebut.
Konsep-konsep penting akan diperkenalkan di bagian berikut.
Usaha, Energi dan Panas
Usaha, W dan energi, E yang diukur dengan satuan "joule". Biasanya kita sebut energi kinetik
sebagai "usaha", dan yang tersimpan atau energi statik sebagai "energi" potensial. Usaha dan energi
dapat ditransfer menjadi panas, yang diukur dalam "kalori". Berikut adalah hubungan (hukum JouleLenz):
1 joule = 0.24 kalori
atau
1 kalori = 4.18 joule
Dalam mekanisme ini, ada hubungan antara daya, P, dan usaha, W, dan/ atau energi, E:
=∫
;
=∫
dan
=
;
=
Daya P diukur dengan satuan "Watt", dan
1 joule = 1 watt × 1 second
atau
1 watt = 1 joule/ 1 second
1.1.2 Peralatan DC dan AC
Penyedia daya dibagi menjadi dua kelompok utama: DC dan AC. Peralatan yang sesuai dibagi
juga ke dalam jenis DC dan AC, misalnya Generator DC, generator AC, motor DC, motor AC, dll.
Penyedia Daya DC
1
Sebuah penyedia daya DC memiliki parameter: tegangan (amplitudo) Vdc dan faktor riak (riple
factor, RF). Sebuah penyedia daya DC dapat mengantikan sebuah baterai, generator DC atau
konverter DC/DC.
Penyedia Daya AC
Penyedia daya AC memiliki parameter: tegangan (amplitudo, nilai akar-rerata-kuadrat (rootmean-square, rms atau RMS) dan nilai rerata), frekuensi (f atau ω), sudut fase ( atau ) dan distorsi
harmonik total (THD). Penyedia daya AC dapat menjadi sebuah generator AC, transformator atau
inverter DC/ AC. Tegangan AC dapat disajikan sebagai berikut:
=√
=
(1.1)
dengan v (t) adalah ukuran tegangan AC sesaat; Vp, nilai puncak tegangan; Vrms, nilai rms dari
tegangan; ω, frekuensi sudut, ω = 2πf ; f, frekuensi penyedia daya, misalnya f = 50 Hz dan θ, sudut
tunda fase.
1.1.3 Beban
Penyedia daya sumber mentransfer energi ke beban. Jika karakteristik beban dapat
digambarkan menggunakan persamaan diferensial linier, kita sebut beban sebagai beban linier. Jika
tidak, kita sebut beban sebagai beban non-linier (yaitu dioda, relay dan elemen-hysteresis yang tidak
dapat digambarkan menggunakan persamaan diferensial linier). Beban linear umum dibagi menjadi
dua kategori: beban pasif dan dinamis.
Beban Pasif Linier
Beban pasif linier adalah resistans (R), induktans (L) dan kapasitans (C). Semua komponen ini
memenuhi persamaan diferensial linier. Jika arus untai I seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.1,
dari hukum Ohm kita memiliki:
=
+
+
VR = RI
(1.2)
VL = L
(1.3)
VC = 1
(1.4)
=
+
+ ∫
(1.5)
Persamaan (1.2) - (1.5) semua persamaan merupakan diferensial linier.
Beban Dinamik Linier
Beban dinamik linier adalah gaya elektromagnetik balik (EMF) DC dan AC. Semua komponen
ini memenuhi operasi persamaan diferensial. EMF balik dari motor DC adalah EMF balik DC dengan
tegangan DC yang sebanding dengan fluks medan dan kecepatan putar jangkar:
=
(1.6)
di mana k adalah konstanta mesin DC; , fluks medan dan , kecepatan putar mesin dalam rad/ s.
Gambar 1.1 Sebuah untai L–R–C.
2
EMF balik dari motor AC adalah EMF balik AC dengan tegangan AC yang sebanding dengan
fluks medan dan kecepatan putar rotor.
1.1.4 Impedans
Jika rangkaian R-L-C disuplai oleh sumber tegangan dengan mono-frekuensi ( =
) gelombang
sinusoidal seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.1, kita dapat menyederhanakan persamaan
diferensial (1.5) ke dalam persamaan aljabar dengan menggunakan konsep "impedans", Z:
=
(1.7)
Kita definisikan impedansi Z sebagai berikut:
=
+
=
+
=| |∠
(1.8)
dengan
=
| |=√
(
(
=
)
(1.9)
)
(1.10)
dimana adalah sudut fase konjugasi. Bagian nyata dari impedans Z didefinisikan sebagai resistensi
R, dan bagian imajiner dari impedans Z didefinisikan sebagai reaktans X. Reaktans memiliki dua
komponen: bagian positif disebut reaktans induktif
dan bagian negatif disebut reaktansi kapasitif
. Daya pengiriman telah dilengkapi hanya pada resistansi. Reaktansi hanya dapat menyimpan
energi dan pergeseran sudut fase. Tidak ada daya yang dikonsumsi pada reaktansi, yang menghasilkan
daya reaktif dan bersifat mengganggu (spoils) pengiriman daya.
Dari hukum Ohm, kita bisa mendapatkan vektor arus (I) dari vektor tegangan (V) dan impedans
(Z):
=| |∠
= =
(1.11)
Gambar 1.2 Sebuah untai L–R.
Sebagian besar peralatan aplikasi industri berupa beban induktif. Sebagai contoh, untai R-L disuplai
oleh tegangan sinusoidal V, dan ditunjukkan pada Gambar 1.2. Impedans Z yang diperoleh adalah:
=
+
=
+
=| |∠
(1.12)
dengan
| |=√
dan
=
(
)
Pilih tegangan suplai V sebagai vektor referensi dengan fase sudut nol. Vektor arus tertunda dari
tegangan oleh
sudut konjugasi. Sesuai diagram vektor juga ditunjukkan pada Gambar 1.3.
gelombang tegangan dan arus ditunjukkan pada Gambar 1.4.
3
1.1.5 Daya
Ada berbagai daya seperti daya nyata (apparent power) atau daya yang kompleks, S, daya riil (atau
real power), P, dan daya reaktif, Q.
Gambar 1.3 Diagram vektor untuk untai L-R.
Gambar 1.4 Hubungan antara bentuk gelombang tegangan dan arus.
Gambar 1.5 Diagram vektor daya untuk rangkaian L-R.
Daya Nyata S (Apparent Power S)
Kita mendefinisikan daya S sebagai berikut:
=
*=
(1.14)
Daya P
Power atau daya riil P adalah bagian riil dari daya nyata S:
=
=
(1.15)
Daya Reaktif Q
Daya reaktif Q adalah bagian imajiner dari nyata daya S:
=
=
(1.16)
4
Mengacu pada untai R-L pada Gambar 1.2, kita dapat menunjukkan hubungan vektor daya pada
Gambar 1.5.
1.2 PARAMETER TRADITIONAL
Parameter tradisional yang digunakan dalam elektronika daya adalah faktor daya (PF), efisiensi
transfer daya ( ), distorsi harmonik total (THD) dan faktor riak (RF). Menggunakan parameter ini
telah berhasil menggambarkan karakteristik (pembangkitan, transmisi, distribusi, proteksi dan analisis
harmonik) sistem daya dan sebagian besar sistem drive (pen-drive motor AC dan DC).
1.2.1 Power Factor (PF)
Faktor daya didefinisikan sebagai perbandingan daya nyata P terhadap daya nyata S:
= =
=
=
(1.17)
Gambar 1.5 digunakan untuk mengilustarsikan faktor daya (PF)
1.2.2 Efisiensi Transfer-Daya (η)
Efisiensi transfer-daya ( ) didefinisikan oleh perbandingan daya keluaran (output)
masukan (input)
:
=
terhadap daya
(1.18)
Daya keluaran
yang diterima oleh beban sebagai pengguna akhir (end user). Daya input
biasanya dihasilkan oleh sumber listrik. Daya input
dan daya output
keduanya adalah daya
nyata.
1.2.3 Total Harmonic Distortion (THD)
Sebuah bentuk gelombang AC periodik biasanya memiliki berbagai urutan harmonik. Karena nilai
sesaat secara periodik berulang dalam frekuensi dasar (fundamental frequency) (atau
=
),
hubungan spektrum dalam domain frekuensi terdiri dari puncak-puncak diskrit pada frekuensi
(atau
=
), di mana n = 1, 2, 3, ... ∞. Komponen order-pertama (n = 1) bersesuaian dengan
komponen fundamental . Distorsi harmonik total (THD) didefinisikan oleh perbandingan jumlah
semua harmonik orde lebih tinggi terhadap harmonik mendasar :

v
=
dimana semua
n2
2
n
V1
(1.19)
( = 1, 2, 3,…∞) bersesuaian nilai rms-nya.
1.2.4 Faktor Riak (Ripple Factor/ RF)
Sebuah bentuk gelombang DC biasanya memiliki komponen DC yaitu
dan berbagai harmonik
ordo-tinggi. Harmonik ini membuat variasi pada gelombang DC (riak). Karena nilai sesaat secara
periodik berulang dalam frekuensi dasar (atau
=
), spektrum yang sesuai dalam domain
frekuensi terdiri dari puncak diskrit pada frekuensi
(atau
=
), di mana n = 1, 2, 3, ... ∞.
Komponen ordo-ke nol (n = 0) berhubungan dengan komponen DC yaitu
. Faktor riak (RF)
didefinisikan sebagai perbandingan dari jumlah semua harmonik ordo-yang lebih tinggi terhadap
komponen DC pada Vdc:
5

v
n 1
=
2
n
(1.20)
Vdc
(n = 1, 2, 3,…∞) berhubungan nilai rms-nya.
dimana semua
1.2.5 Contoh Aplikasi
Untuk menggambarkan parameter fundamental yang lebih baik kita sediakan beberapa contoh sebagai
penerapan parameter tersebut di bagian ini.
Daya dan Efisiensi (η)
Sebuah beban resistif R murni disuplai oleh sumber tegangan DC V dengan resistansi internal
ditunjukkan pada Gambar 1.6. Arus I diperoleh dengan ekspresi perhitungan:
Tegangan output
yang
=
(1.21)
=
(1.22)
adalah:
Gambar 1.6 Sebuah beban resistif murni disediakan oleh sumber DC
sebagai resistans internal.
Daya output
adalah:
=
R=
=
=
(1.23)
Efisiensi transfer-daya ( ) adalah:
=
(1.24)
Untuk mendapatkan daya output maksimum, kita dapat menentukan kondisi dengan menurunkan
Persamaan (1.23):
*
=
+=0
(1.25)
=0
maka,
(1.26)
Ketika
, diperoleh output daya maksimum:
=
(1.27)
6
dan kaitannya dengan efisiensi:
|
=
= 0.5
(1.28)
Contoh ini menunjukkan bahwa daya dan efisiensi adalah konsep yang berbeda. Ketika beban R
adalah sama dengan resistansi internal
, daya output maksimum diperoleh dengan efisiensi =
50%. Begitu juga sebaliknya, jika kita ingin mendapatkan efisiensi maksimum = 1 atau 100%, itu
memerlukan beban R dengan nilai tak berhingga (jika resistansi internal
tidak bisa sama dengan
nol). Hal ini menyebabkan daya keluaran yang sama dengan nol. Hubungan yang menarik tercantum
di bawah ini:
Maximum output power
= 50%
Output power = 0
= 100%
Kasus kedua bersesuaian dengan untai terbuka. Meskipun perhitungan teoritis menggambarkan
efisiensi = 1 atau 100%, tidak ada daya yang dikirim dari sumber ke beban.
Situasi yang lain adalah = 0 yang menyebabkan arus keluaran yang bernilai maksimum, yaitu
= /
sebagai (1,21) dan:
Output power = 0
= 0%
Kalkulasi Untai R–L
Gambar 1.7 menunjukkan sumber penyedia daya sinusoidal fase-tunggal dengan resistans internal
= 0.2 , menyuplai rangkaian R-L dengan R = 1 dan L = 3 mH. Sumber tegangan adalah gelombang
sinusoidal dengan tegangan 16V (tegangan rms) dan frekuensi f = 50 Hz:
= 16√
V
(1.29)
impedans internal adalah:
=
= 0.2 
(1.30)
impedans beban adalah:
=1+
3
+
=1+
= 1.3724∠
= 1.2 +
(1.31)

= 1.524∠
(1.32)
Arusnya adalah:
=
√
=
A
(1.33)
Tegangan output melalui untai R–L adalah:
=
=
√
A
(1.34)
Apparent power S pada beban adalah:
=
Daya output riil
=
=
VA
(1.35)
pada beban adalah:
=
=
=
=
W
(1.36)
Gambar 1.7 Sebuah rangkaian R-L disuplai oleh
sumber AC dengan resistans internal.
7
Daya input riil
adalah:
=
=
=
W
(1.37)
maka, faktor daya PF pada beban adalah:
=
Hubungan daya reaktif
= cos
=
=
(lagging)
(1.38)
adalah:
=
maka, efisiensi transfer-daya
=
VAR
(1.39)
adalah:
=
Cara lain untuk menghitung efisiensi
=
=
(1.40)
adalah:
=
=
=
Untuk mendapatkan daya output maksimum kita harus memilih kondisi yang sama seperti pada
persamaan (1.26),
=
Daya output maksimum
=

(1.41)
adalah:
=
=
=
W
(1.42)
Dengan efisiensi ( ) adalah:
=
(1.43)
Gambar 1.8 Sebuah sumber tiga-fasa menyuplai dioda penyearah
gelombang-penuh untuk beban R-L.
Kalkulasi Untai Tiga-Fasa
Gambar 1.8 menunjukkan sumber penyedia daya sinusoidal tiga fase seimbang yang menyuplai
penyearah dioda-jembatan gelombang penuh untuk beban R-L. Setiap sumber fase-tunggal adalah
sumber tegangan sinusoidal dengan impedans internal 10 k ditambah 10 mH. Beban adalah untai R-
8
L dengan R = 240  dan L = 50 mH. Tegangan fasa sumber mempunyai amplitudo 16V (nilai rms
nya adalah 16/ √2 = 11.3V) dan frekuensi f = 50 Hz. Hal ini disajikan sebagai:
=
V
(1.44)
Impedans internal adalah:
=
=
(1.45)
Impedans beban adalah:
=
=
=
∠
(1.46)
Tegangan line-to-line AC input jembatan diukur dan diperlihatkan pada Gambar 1.9. Dapat dilihat
bahwa masukan tegangan AC terdistorsi. Setelah analisis fast fourier transform (FFT), spektrum yang
sesuai dapat diperoleh seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1.10 untuk ragam gelombang
(waveform) tegangan saluran AC masukan jembatan.
Nilai fundamental tegangan input line-line dan tegangan puncak harmonik untuk perhitungan
THD tercantum pada Tabel 1.1.
Menggunakan persamaan (1.19) untuk menghitung THD, diperoleh,

 vn
n2
2
=
V1
√
=
(1.47)
Kita mengukur tegangan output DC pada Gambar 1.11. Dapat dilihat bahwa tegangan DC memiliki
riak. Setelah analisis FFT, kita mendapatkan spektrum yang sesuai seperti yang ditunjukkan pada
Gambar 1.12 untuk ragam gelombang tegangan output DC.
Gambar 1.9 Ragam gelombang tegangan AC saluran input.
Gambar 1.10 Spektrum FFT ragam gelombang AC saluran input.
9
Table 1.1
The harmonic peak voltages of the distorted the input line–line voltage
Order no.
Volts
Fundamental
27.62
5
0.737
7
0.464
11
0.566
13
0.422
17
0.426
19
0.34
Order no.
Volts
23
0.297
25
0.245
29
0.196
31
0.164
35
0.143
37
0.119
THD
4.86%
Gambar 1.11 Ragam gelombang tegangan output DC.
Gambar 1.12 Spektrum FFT ragam gelombang output DC.
Tegangan output beban DC dan tegangan puncak harmonik untuk perhitungan RF tercantum pada
Tabel 1.2. Menggunakan rumus (1.20) untuk menghitung RF, kita memiliki,

v o-n

n 1
2
=
Vo-dc
=
√
Dari tegangan dan arus fasa input, faktor daya parsial (
=
= 5.24 %
√
(1.48)
) diperoleh,
=
(1.49)
Table 1.2
The harmonic peak voltages of the DC output voltage with ripple
Order no.
Volts
DC
26.15
6
1.841
12
0.500
18
0.212
24
0.156
30
0.151
36
0.134
RF
5.24%
10
Table 1.3
The harmonic peak voltages of the input phase current
Order no.
Amperes
Order no.
Amperes
Fundamental
0.12024
23
2.3524e–3
5
2.7001e–2
25
1.8161e–3
7
1.2176e–2
29
1.2234e–3
11
9.3972e–3
31
9.7928e–4
13
5.9472e–3
35
7.3822e–4
17
4.5805e–3
37
5.9850e–4
19
3.2942e–3
Total PF
0.959
Table 1.4
The harmonic peak voltages of the output DC current
Order no.
Amperes
DC (0)
0.109
6
7.14e–3
12
1.64e–3
18
5.72e–4
24
3.49e–4
30
2.85e–4
36
2.19e–4
η
0.993
Nilai puncak arus fasa input dan nilai puncak arus harmonik orde-lebih tinggi tercantum dalam Tabel
1.3.
=
=
√
=
 2
 in =
n0
A
A
Faktor daya total
=
=
=
Rerata arus beban output DC dan nilai puncak arus harmonik ordo-lebih tinggi tercantum pada Tabel
1.4.
 2
=
V
 vn =
n0
=
 2
 in =
n0
A
Effisiensi ( ) adalah:
=
=
=
=
%
(1.50)
Dari contoh ini, kita sepenuhnya menunjukkan empat parameter penting: faktor daya (PF), efisiensi
daya transfer ( ), distorsi harmonik total (THD) dan faktor riak (RF). Biasanya, empat parameter ini
cukup untuk menggambarkan karakteristik sistem penyedia daya.
1.3 OPERASI MULTI-KUADRAN DAN CHOPPER
Operasi multi-kuadran (multiple-quadrant operation) diperlukan dalam aplikasi industri. Misalnya,
sebuah motor DC dapat melakukan running maju atau running mundur. Tegangan jangkar dan arus
jangkar motor keduanya positif selama proses asutan maju (forward starting). Kita biasanya
menyebutnya operasi motoring maju (forward motoring operation) atau operasi "Kuadran I".
Tegangan jangkar motor masih positif dan arus jangkar adalah negatif selama proses pengereman
maju. Status ini disebut operasi pengereman regeneratif maju atau operasi "Kuadran II.
Secara analog, tegangan dan arus jangkar motor keduanya negatif selama proses asutan
berbalik arah (reverse starting). Kita biasanya menyebutnya operasi motoring mundur (reverse
motoring) atau operasi "Kuadran III". Tegangan jangkar motor masih negatif dan arus jangkar adalah
positif selama proses pengereman balik. Keadaan ini disebut operasi pengereman regeneratif mundur
(reverse regenerative braking operation) atau operasi "Kuadran IV".
11
Mengacu pada keadaan operasi motor DC, kita dapat mendefinisikan operasi multi-kuadran
sebagai berikut:
Operasi kuadran I: Forward motoring; tegangan dan arus positif;
Operasi kuadran II: Pengereman regeneratif maju; tegangan positif dan arus negatif;
Operasi kuadran III: Reverse motoring; tegangan dan arus negatif;
Operasi kuadran IV: Pengereman regeneratif mundur; tegangan negatif dan arus positif.
Status operasi ditunjukkan dalam Gambar 1.13. Chopper dapat mengkonversi tegangan DC
tetap menjadi berbagai tegangan lainnya. Chopper yang sesuai biasanya disebut sebagai operasi
kuadran chopper, misalnya chopper kuadran-pertama atau chopper-jenis "A". Dalam uraian berikut
ini kita menggunakan simbol
untuk tegangan tetap,
untuk tegangan cacah (chopped) dan
untuk tegangan output.
Figure 1.13 Operasi empat-kuadran.
Chopper kuadran-pertama juga disebut chopper jenis-"A" dan diagram untainya ditunjukkan pada
Gambar 1.14 (a) dan bentuk gelombang yang sesuai ditunjukkan pada Gambar 1.14 (b). Saklar S
dapat berupa beberapa divais semikonduktor seperti BJT, transistor bipolar gerbang terisolasi (IGBT)
dan transistor efek medan MOS (MOSFET) daya. Dengan asumsi semua bagian komponen ideal,
tegangan output dihitung dengan rumus:
=
=
(1.51)
dimana T adalah periode berulang ( =
), di mana f adalah frekuensi chopping;
switch-on dan k adalah duty cycle konduksi ( =
).
(a)
adalah waktu
(b)
Gambar 1.14 Chopper kuadran-pertama.
(a) Diagram untai dan (b) ragam gelombang tegangan.
12
1.3.2 Chopper Kuadran-Kedua
Chopper kuadran-kedua juga disebut chopper tipe-"B" dan diagram untainya diperlihatkan pada
Gambar 1.15 (a) dan bentuk gelombang yang sesuai diperlihatkan pada Gambar 1.15 (b). Tegangan
output dapat dihitung dengan rumus:
=
=
(1.52)
dimana T adalah periode berulang ( =
), di mana f adalah frekuensi potong;
switch-off (
=T) dan k adalah duty cycle konduksi ( =
).
(a)
adalah waktu
(b)
Gambar 1.15 Chopper kuadran-kedua.
(a) Diagram untai dan (b) ragam gelombang tegangan.
1.3.3 Chopper Kuadran-Ketiga
Chopper kuadran-ketiga diperlihatkan pada Gambar 1.16 (a) dan bentuk gelombang yang sesuai
diperlihatkan pada Gambar 1.16 (b). Semua polaritas tegangan didefinisikan dalam gambar. Tegangan
output (nilai absolut) dapat dihitung dengan rumus:
=
Dimana
=
(1.53)
adalah waktu switch-on dan k adalah duty cycle konduksi ( =
(a)
).
(b)
Gambar 1.16 Chopper kuadran-ketiga.
(a) Diagram untai dan (b) ragam gelombang tegangan.
13
1.3.4 Chopper Quadrant-Keempat
Chopper kuadran-keempat diperlihatkan pada Gambar 1.17 (a) dan bentuk gelombang yang sesuai
diperlihatkan pada Gambar 1.17 (b). Semua tegangan polaritas didefinisikan dalam gambar.
(a)
(b)
Gambar 1.17 Chopper kuadran-keempat.
(a) Diagram untai dan (b) ragam gelombang tegangan.
Tegangan output (nilai absolut) dapat dihitung dengan rumus:
=
dimana
adalah waktu switch-off (
=
(1.54)
=T-
) dan k adalah duty cycle konduksi ( =
).
1.3.5 Chopper First–Second-Quadrant
Chopper kuadran-kedua-pertama diperlihatkan pada Gambar 1.18. Operasi dual-kuadran
biasanya dibutuhkan dalam sistem dengan dua sumber tegangan
dan . Asumsikan
kondisi
> , induktor L adalah komponen yang ideal. Selama Kuadran operasi I, S1 dan
D2 bekerja (work), dan S2 dan D1 yang menganggur (idle). Sebaliknya, selama operasi
Kuadran II, S2 dan D1 bekerja, dan S1 dan D2 yang menganggur. Hubungan antara dua
sumber tegangan dapat dihitung dengan rumus:
={
Dimana k adalah duty cycle konduksi ( =
(1.55)
).
Gambar 1.18 Chopper kuadran-kedua-yang pertama.
14
1.3.6 Chopper Third–Fourth-Quadrant
Chopper kuadran keempat-yang ketiga diperlihatkan pada Gambar 1.19. Operasi dual-kuadran
biasanya dibutuhkan dalam sistem dengan dua sumber tegangan
dan . Kedua polaritas tegangan
didefinisikan dalam gambar, kita hanya berkonsentrasi pada nilai absolutnya dalam analisis dan
perhitungan. Asumsikan kondisi
> , induktor L adalah komponen yang ideal. Selama operasi
Quadrant III, S1 dan D2 bekerja, dan S2 dan D1 menganggur. Sebaliknya, selama operasi Quadrant
IV, S2 dan D1 bekerja, dan S1 dan D2 menganggur. Hubungan antara dua sumber tegangan dapat
dihitung dengan rumus:
={
Dimana k adalah duty cycle konduksi ( =
(1.56)
).
Gambar 1.19 Chopper kuadran-keempat-yang ketiga.
1.3.7 Chopper Empat-Kuadran
Chopper empat-kuadran diperlihatkan pada Gambar 1.20. Tegangan input positif, tegangan output
dapat berupa positif atau negatif. Status switch dan dioda untuk operasi diberikan dalam Tabel 1.5.
Tegangan output dapat dihitung dengan rumus:
={
(1.57)
Gambar 1.20 Chopper kuadran-keempat.
Tabel 1-5
Status saklar dan dioda untuk operasi empat-kuadran
Saklar atau dioda
S1
D1
S2
D2
S3
D3
S4
D4
Output
Kuadran I
Kerja
Nganggur
Nganggur
Kerja
Nganggur
Nganggur
ON
Nganggur
,
Kuadran II
Nganggur
Kerja
Kerja
Nganggur
Nganggur
Nganggur
Nganggur
ON
,
Kuadran III
Nganggur
Kerja
Kerja
Nganggur
ON
Nganggur
Nganggur
Nganggur
,
Kuadran IV
Kerja
Nganggur
Nganggur
Kerja
Nganggur
ON
Nganggur
Nganggur
,
15
1.4 ELEKTRONIKA DAYA DIGITAL: UNTAI POMPA DAN TEKNOLOGI KONVERSI
Selain chopper ada lebih banyak untai switching diterapkan dalam aplikasi industri. Untai switching
ini bekerja pada keadaan waktu-diskrit. Sejak untai switching frekuensi tinggi dapat mentransfer
energi dalam kepadatan daya tinggi dan efisiensi yang tinggi, mereka telah diterapkan pada lebih
banyak cabang elektronika daya. Pengiriman energi dan daya dari sumber ke pengguna tidak secara
kontinyu. Oleh karena itu, teori kontrol digital harus diterapkan pada masalah ini.
Gambar 1.21 Pumping circuits: (a) buck pump, (b) boost pump,
(c) buck–boost pump, (d) positive Luo-pump,
(e) negative Luo-pump, (f) positive super Luo-pump and
(g) negative super Luo-pump.
Semua teknologi konversi (seperti untai pemompa (pumping circuits), penyearah AC/DC,
inverter DC/AC, konverter DC/DC dan AC/AC (dan/atau konverter AC/DC/AC) yang secara teoritis
didasarkan pada untai switching. Hal ini mendesak untuk menyelidiki elektronika daya digital
daripada kontrol analog tradisional diterapkan pada elektronika daya analog. Untai yang umum
berikut adalah contoh untai switching yang bekerja dalam mode waktu-diskrit.
1.4.1 Dasar Untai Pompa
Semua konverter daya DC/DC memiliki untai pompa. untai pompa adalah untai switching umum
untuk mengkonversi energi dari sumber energi ke komponen penyimpan-energi dalam keadaan
diskrit. Setiap pompa memiliki saklar S dan komponen penyimpan-energi dapat berupa induktor L.
Saklar S dinyalakan sekali dalam setiap periode =
, dimana f adalah frekuensi switching. Oleh
karena itu, energi yang ditransfer dalam periode adalah nilai tertentu yang dapat disebut kuantum
energi. Gambar 1.21 menunjukkan tujuh untai pompa (buck, boost, buck-boost, Luo positif, Luo
negatif, Luo super positif dan Luo super negatif), yang digunakan dalam kaitan dengan konverter
DC/DC.
Semua untai pemompa adalah untai switching yang mengkonversi energi dari sumber ke beban
atau komponen penyimpanan-energi tertentu dalam keadaan diskrit. Setiap untai pemompa memiliki
setidaknya satu saklar dan satu elemen energi penyipan, misalnya sebuah induktor. Saklar
dikendalikan oleh sinyal PWM dengan periode T ( =
, dimana f adalah frekuensi switching) dan
siklus-aktif (duty cycle) konduksi k. Energi diserap dari sumber energi ke induktor selama periode
switching-on kT. Energi yang tersimpan dalam induktor akan dikirimkan dalam tahap berikutnya
16
selama switching-off period (1-k) T. Oleh karena itu, energi dari sumber ke pengguna ditransfer dalam
mode waktu-diskrit.
1.4.2 Penyearah (Rectifiers) AC/DC
Semua penyearah terkendali AC/DC adalah untai switching. Gambar 1.22 memperlihatkan beberapa
untai penyearah (dinamakan penyearah terkendali setengah-gelombang satu-fasa, gelombang-penuh
fasa-tunggal, setengah-gelombang tiga-fasa, dan setengah-gelombang tiga-fasa), yang digunakan
dalam kaitan dengan konverter AC/DC .
Semua untai penyearah AC/DC adalah untai switching yang mengkonversi energi dari sumber
AC ke beban dalam keadaan diskrit. Setiap penyearah AC/DC yang dikendalikan memiliki setidaknya
satu saklar (switch). Sebagai contoh, sebuah thyristor terkendali setengah gelombang (penyearah
terkendali silikon, SCR) penyearah (rectifier) memiliki satu saklar SCR. Saklar dikendalikan oleh
isyarat pulsa yang disulutkan dengan periode berulang T ( =
, dimana f adalah frekuensi
pensaklaran (switching) untuk penyearah fasa-tunggal) sebagai periode konduksi. Energi disampaikan
dari sumber energi ke beban selama periode switching-on. Energi akan diblokir selama periode
switching-off. Oleh karena itu, energi dari sumber ke beban ditransfer dalam mode waktu-diskrit.
1.4.3 Inverter PWM DC/AC
Semua inverter DC/AC adalah untai switching. Gambar 1.23 menunjukkan tiga (fase tunggal, tiga
fase, tiga-fasa tiga-tingkat) untai inverter PWM DC/AC, yang digunakan dalam inverter DC/AC yang
sesuai.
Semua untai inverter PWM DC/AC adalah untai switching yang mengkonversi energi dari
sumber DC ke baban dalam keadaan diskrit. Setiap inverter DC/AC memiliki beberapa switch. Switch
dikendalikan oleh sinyal PWM dengan periode berulang T ( =
, dimana f adalah frekuensi
switching untuk penyearah fasa-tunggal) dan rasio modulasi m. Energi dialirkan dari sumber energi ke
beban selama periode switching-on. Energi diblokir selama periode switching-off. Oleh karena itu,
energi dari sumber ke beban ditransfer dalam mode diskrit-waktu.
Gambar 1.22 Penyearah terkendali AC/DC:
(a) Penyearah terkendali setengah-gelombang fasa-tunggal dan
(b) Penyearah terkendali gelombang-penuh fasa-tunggal
17
Gambar 1.22 (lanjutan) (c) Penyearah terkendali setengah-gelombang tiga-fasa dan
(d) Penyearah terkendali gelombang-penuh tiga-fasa
1.4.4 Konverter DC/DC
Semua konverter DC/DC adalah untai switching. Gambar 1.24 memperlihatkan tujuh (buck,
boost, buck-boost, Luo output positif, Luo output negatif, konverter Luo super-lift keluaran positif
dan konverter Luo super-lift keluaran negatif) untai konverter DC/DC.
Semua untai konverter DC /DC adalah untai switching yang mengkonversi energi dari sumber
DC ke beban dalam keadaan diskrit. Setiap daya konverter DC/DC memiliki setidaknya satu untai
pompa (pumping circut) dan filter. Saklar dikendalikan oleh sebuah isyarat PWM dengan periode
berulang T ( =
, f adalah frekuensi switching) dan siklus aktif (duty cycle) konduksi k. Energi
disampaikan dari sumber energi ke beban melalui untai pemompa selama periode-switching kT.
Energi dihalangi/ diblokir selama perioda switching-off (1 - k)T. Oleh karena itu, energi dari sumber
ke beban ditransfer dalam mode waktu-diskrit.
1.4.5 Konverter AC/AC
Semua konverter AC/AC adalah untai switching. Gambar 1.25 memperlihatkan tiga (regulasi
amplitudo fase tunggal, fase-tunggal dan tiga-fase) untai konverter AC/AC.
Semua untai konverter AC/AC adalah untai switching yang mengkonversi energi dari sumber AC ke
beban dalam keadaan diskrit. Setiap converter AC/AC memiliki beberapa saklar (switch). Saklar
dikendalikan oleh sinyal PWM dengan periode berulang T ( =
, dimana f adalah frekuensi
switching untuk penyearah fasa tunggal) dan faktor modulasi. Energi disampaikan dari sumber energi
AC ke beban selama periode-switching. Energi diblokir selama periode switching-off. Oleh karena itu,
energi dari sumber ke beban ditransfer dalam mode waktu-diskrit.
18
Figure 1.23 DC/AC PWM inverters: (a) single-phase, (b) three-phase and (c) three-level
three-phase.
19
Gambar 1.24 DC/DC converters: (a) buck converter, (b) boost converter,
(c) buck–boost converter, (d) positive output Luo-converter,
(e) negative output Luo-converter, (f) positive output super-lift
Luo-converter and (g) negative output super-lift Luo-converter.
Gambar 1.25 Konverter AC/AC. (a) Regulasi amplitude fasa-tunggal.
20
Gambar 1.25 (contd.) (b) Konverter cyclo AC/AC fasa tunggal dan
(c) konverter matrix tiga-fasa AC/AC
.
1.5 KEKURANGAN DARI ELEKTRONIKA DAYA ANALOG DAN KONVERSI
TEKNOLOGI
Elektronika daya analog menggunakan parameter tradisional: faktor daya (PF), efisiensi ( ), distorsi
harmonik total (THD) dan faktor riak (RF) untuk menggambarkan karakteristik sistem daya atau
sistem drive. Hal ini berhasil diterapkan selama lebih dari satu abad. Sayangnya, semua faktor ini
tidak tersedia untuk digunakan dalam menggambarkan karakteristik untai switching: konverter daya
DC/DC dan untai switching frekuensi-tinggi lainnya.
Konverter daya DC/DC biasanya telah dilengkapi dengan sumber penyedia daya DC, untai
pompa, filter dan beban. Beban dapat dari jenis apa pun, tetapi kebanyakan investigasi prihatin
terhadap beban resistif R dan EMF balik atau baterai. Ini berarti bahwa tegangan input dan output
hampir murni tegangan DC dengan riak sangat kecil, misalnya rasio variasi tegangan output biasanya
kurang dari 1%. Dalam kasus ini, RF yang berkaitan kurang dari 0.001, yang selalu diabaikan.
Ketika semua daya adalah daya nyata tanpa daya reaktif , kita tidak bisa menggunakan faktor
daya (PF) untuk menggambarkan proses transfer-energi.
21
Karena hanya komponen DC yang ada tanpa harmonik pada tegangan input dan output, THD
tidak tersedia untuk digunakan dalam menggambarkan proses transfer-nergi dan distorsi ragam
gelombang.
Untuk menyederhanakan penelitian dan analisis, kita biasanya mengasumsikan kondisi tanpa
rerugi daya selama proses transfer-daya untuk menyelidiki daya konverter DC/DC. Akibatnya,
efisiensi = 1 atau 100% untuk sebagian besar penyelidikan deskripsi daya DC/DC. Jika tidak,
efisiensi ( ) harus dipertimbangkan untuk investigasi khusus mengenai kerugian daya.
Pada kondisi umum, keempat faktor tidak tersedia untuk diterapkan dalam analisis konverter
daya DC/DC. Situasi ini membuat para disainer konverter daya DC/DC kebingungan untuk waktu
yang sangat lama. Orang ingin menemukan parameter baru yang lain untuk menggambarkan
karakteristik daya konverter DC/DC.
Tidak ada teori yang benar dan parameter yang sesuai untuk digunakan untuk semua untai
switching sampai 2004. Dr. Fang Lin Luo dan Dr. Hong Ye pertama menciptakan teori dan parameter
baru untuk menggambarkan karakteristik dari semua untai switching pada tahun 2004.
Penyimpanan energi dalam konverter daya DC/DC telah diperhatikan lama. Sayangnya, tidak
ada konsep yang jelas untuk menggambarkan fenomena dan mengungkapkan hubungan antara energi
yang tersimpan dan karakteristik konverter daya DC/DC. Kami secara teoritis telah mendefinisikan
konsep baru, faktor energi (EF), dan meneliti hubungan antara EF dan pemodelan matematika
konverter daya DC/DC. EF adalah sebuah konsep baru dalam elektronika daya dan teknologi
konversi, yang benar-benar berbeda dari konsep tradisional seperti faktor daya (PF), efisiensi daya
transfer (η), distorsi harmonik total (THD) dan faktor riak (RF). EF dan parameter subsekuensial
lainnya dapat menggambarkan stabilitas sistem, respon referensi dan pemulihan gangguan
(interference recovery). Investigasi ini sangat membantu untuk meramalkan karakteristik desain
sistem dan konverter DC/DC.
1.6 APLIKASI DIVAIS SEMIKONDUKTOR DAYA PADA ELEKTRONIKA DAYA
DIGITAL
Peralatan switching frekuensi tinggi dapat mengkonversi daya tinggi, dan kepadatan dayanya
sebanding dengan frekuensi penerapan. Misalnya, volume transformator 1-kW yang bekerja pada 50
Hz memiliki ukuran 4 inchi × 3 inchi 2,5 inchi. = 30 inchi3. Volume dari 2,2 kW flat-transformer
pada 50 kHz memiliki ukuran 1,5 inchi × 0,3 inchi × 0,2 inchi = 0,09 inchi3. Perbedaan yang terjadi
sekitar 1000 kali.
Untuk diperlukan oleh aplikasi industri, perangkat semikonduktor daya diterapkan dalam
elektronika daya digital telah meningkat dalam beberapa dekade terakhir. Kemampuan daya, tegangan
dan arus meningkat berkali-kali, frekuensi yang diterapkan sangat diperbesar. Sebagai contoh,
frekuensi kerja dari IGBT meningkat dari 50 sampai menjadi 200 kHz, dan frekuensi kerja dari
MOSFET meningkat dari 5 sampai menjadi 20 MHz.
Perangkat semikonduktor daya yang biasanya diterapkan dalam aplikasi industri adalah sebagai
berikut:
• diodes;
• SCRs (thyristors);
• GTOs (gate turn-off thyristors);
• BTs (power bipolar transistors);
• IGBTs (insulated gate bipolar transistors);
• MOSFETs (power MOS field effected transistors);
• MSCs (MOS controlled thyristors).
Semua divais kecuali dioda bekerja dalam keadaan switching (switching state). Oleh karena itu,
sirkuit yang terdiri dari divais seperti di atas disebut untai switching dan bekerja dalam keadaan
diskrit (discrete state).
22
BACA LEBIH LANJUT
1.
Luo F. L. andYe H., Advanced DC/DC Converters, CRC Press LLC, Boca Raton, Florida, USA,
2004. ISBN: 0-8493-1956-0.
2. Luo F. L., Ye H. and Rashid M. H., DC/DC conversion techniques and nine series luoconverters.
In Power Electronics Handbook, Rashid M. H. and Luo F. L. et al. (Eds), Academic Press, San
Diego, USA, 2001, pp. 335–406.
3. Mohan N., Undeland T. M. and RobbinsW. P., Power Electronics: Converters, Applications and
Design, 3rd edn., JohnWiley & Sons, NewYork, USA, 2003.
4. Rashid, M. H., Power Electronics: Circuits, Devices and Applications, 2nd edn., Prentice- Hall,
USA, 1993.
5. Nilsson J. W. and Riedel S. A., Electric Circuits, 5th edn. Addison-Wesley Publishing Company,
Inc., NewYork, USA, 1996.
6. Irwin J. D. andWu C. H., Basic Engineering Circuit Analysis, 6th edn., JohnWilley & Sons, Inc.,
NewYork, USA, 1999.
7. Carlson A. B., Circuits, Brooks/Cole Thomson Learning, NewYork, USA, 2000.
8. Johnson D. E., Hilburn J. L., Johnson J. R. and Scott P. D., Basic Electric Circuit Analysis, 5th
edn., JohnWilley & Sons, Inc. NewYork, USA, 1999.
9. Grainger J. J. and Stevenson Jr. W. D., Power System Analysis, McGraw-Hill International
Editions, NewYork, USA, 1994.
10. Machowski J., Bialek J. W. and Bumby J. R., Power System Dynamics and Stability, John Wiley
& Sons, NewYork, USA, 1997.
11. Luo F. L. and Ye H., Energy Factor and Mathematical Modelling for Power DC/DC Converters,
IEE-Proceedings on EPA, vol. 152, No. 2, 2005, pp. 233–248.
12. Luo F. L. and Ye H., Mathematical Modeling for Power DC/DC Converters, Proceedings of the
IEEE International Conference POWERCON’2004, Singapore, 21–24/11/2004, pp. 323–328.
13. Padiyar K. R., Power System Dynamics, Stability and Control, John Wiley & Sons, New York,
USA, 1996.
23