meningkatkan efisiensi konverter dc-dc penaik

MENINGKATKAN EFISIENSI KONVERTER DC-DC PENAIK
TEGANGAN DENGAN TEKNIK ZERO VOLTAGE SWITCHING (ZVS)
UNTUK KOREKSI FAKTOR DAYA BEBAN NONLINIER
Oleh : Anung dan Rahmad Hidayat
Abstrak
Efisiensi dari dc-dc konverter idealnya 100%, tapi kenyataanya kurang dari itu. Dengan
rendahnya efisiensi dari konverter maka daya listrik yang dapat dimanfaatkan oleh beban akan
berkurang. Untuk waktu yang lama, energi listrik yang hilang pada saklar semikonduktor tidak
dapat diabaikan, apalagi dalam cakupan wilayah yang luas, misalnya untuk seluruh Indonesia.
Untuk menghasilkan konverter dc-dc dengan kerapatan daya yang tinggi, maka frekuensi
pensaklaran dinaikan. Naiknya frekuensi pensaklaran maka keperluan akan komponen reaktif
menjadi kecil, akan tetapi akibatnya daya yang hilang pada saklar semikonduktor menjadi tinggi,
terutama sewaktu turn-on dan turn-off.
Metode yang digunakan untuk mengatasi permasalahan diatas pada penelitian ini adalah metode
Zero Voltage Switching (ZVS). Metode ZVS ini menerapkan pensaklaran tegangan nol sewaktu
turn-on, dengan bantuan komponen induktor resonansi Lr dan kapasitor resonansi Cr. Untuk
memvalidasi metode yang diusulkan maka dilakukan simulasi dan pengujian subyek penelitian
di Laboratoium Elektronika Daya STT Mandala Bandung. Kegiatan penelitian, mulai dari studi
pustaka sampai pelaporan hasil penelitian dilakukan selama delapan bulan.
Dari data hasil pengujian dan analisa menunjukan bahwa terjadi peningkatan rata-rata efisiensi
konverter dc-dc penaik tegangan yang digunakan sebagai koreksi faktor daya beban nonlinier
dengan penerapan metode Zero Voltage Switching (ZVS) sebesar 4%.
Kata kunci: converter dc-dc, zero voltage switching (ZVS), efisiensi
1. Pendahuluan
Efisiensi dari dc-dc konverter
idealnya 100% sehingga daya keluaran
dan daya masukan sama, atau dengan
kata lain tidak terjadi daya yang hilang
pada
konverter.
Dc-dc
konverter
merupakan
peralatan
yang
dapat
mengkonversikan energi listrik dari
tegangan searah tertentu ke tegangan
searah yang diinginkan atau teregulasi.
Dc-dc konverter dapat dikelompokan
menjadi tiga jenis berdasarkan tegangan
keluaran yang dihasilkan yaitu: penaik
tegangan,
penurun tegangan
dan
penaik/penurun tegangan. Beban yang
dipikul oleh konverter umumnya beban
elektronik. Idealnya setiap
beban
mempunyai faktor daya sama dengan
satu.
Kenyataannya
secara
praktis,
efisiensi dari konverter lebih kecil dari
100%, dan disamping itu beban yang
dipikul oleh konverter menghasilkan
faktor daya (cosϕ) lebih kecil dari satu
pada sisi tegangan arus bolak-balik
(tegangan ac).
Untuk menghasilkan konverter dc ke
dc dengan kerapatan daya yang tinggi,
maka frekuensi pensaklaran dinaikan.
Naiknya frekuensi pensaklaran maka
keperluan akan komponen reaktif menjadi
kecil, akan tetapi akibatnya daya yang
hilang pada saklar semikonduktor
menjadi tinggi, terutama sewaktu turnon dan turn- off, sehingga efisiensi
konverter menjadi turun.
Dengan rendahnya efisiensi dari
ISU TEKNOLOGI STT MANDALA VOL.7 NO.2 JULI 2014
ISSN : 1979-4819
3
konverter maka daya listrik yang dapat
dimanfaatkan oleh beban akan berkurang.
Untuk waktu yang lama, energi listrik
yang hilang pada saklar semikonduktor
tidak dapat diabaikan, apalagi dalam
cakupan wilayah yang luas, misalnya
untuk seluruh Indonesia.
Untuk mengatasi masalah diatas
maka perlu diadakan penelitian secara
eksperimental,
tentang
penggunaan
metode zero voltage switching (ZVS)
pada saklar semikonduktor dalam
meningkatkan efisiensi konverter as-as
yang digunakan sebagai koreksi faktor
daya.
2. Landasan Teori
2.1.
Rugi-rugi Energi Pada Saklar
Semikonduktor
Rugi-rugi
energi
pada
saklar
semikonduktor terdiri dari rugi-rugi
dalam keadaan statis yaitu dalam
keadaan konduksi dan tidak konduksi
dengan rugi-rugi pada waktu komutasi
atau transisi dari keadaan konduksi ke
keadaan tidak konduksi dan sebaliknya.
Rugi-rugi tersebut dapat diekspresikan
dalam bentuk persamaan sebagai berikut:
(1)
pensaklaran sehingga pada frekuensi
tinggi rugi pensaklaran didominasi oleh
rugi transisi.
2.2. Rakaian Snubber
Usaha untuk mereduksi rugi-rugi
pensaklaran, agar konverter dapat
beroperasi pada frekuensi tinggi yaitu
dengan
menggunakan
rangkaian
snubber. Terdapat dua jenis rangkaian
snubber yaitu rangkaian turn-on snubber
dan turn-off snubber. Rangkaian turnon snubber adalah rangkaian yang terdiri
dari induktor yang dipasang seri dengan
komponen saklar semikonduktor yang
difungsikan
untuk
membuat
nol
tegangan pada saklar sewaktu turn-on
dan setelah itu energi yang tersimpan di
induktor dilepaskan ke resistor melalui
dioda snubber. Rangkaian turn-off
snubber adalah rangkaian yang terdiri
dari kapasitor yang dipasang paralel
dengan saklar semikonduktor, dimana
sewaktu turn-off kenaikan tegangan pada
saklar semikonduktor dibatasi oleh
kenaikan tegangan pada kapasitor dan
setelah itu energi yang tersimpan di
kapasitor dilepaskan melalui dioda
snubber ke resistor.
(2)
(3)
Rugi daya rata-rata pada saklar
semikonduktor dapat ditulis dalam bentuk
persamaan sebagai berikut:
(4)
(a)
Jumlah rugi daya yang hilang selama
konduksi dan tidak konduksi dengan rugi
daya selama transisi adalah:
(5)
Dari persamaan (5) terlihat bahwa rugi daya
transisi proporsional dengan frekuensi
ISU TEKNOLOGI STT MANDALA VOL.7 NO.2 JULI 2014
(b)
(c)
ISSN : 1979-4819
4
Gambar 1.
(a) rangkaian turn-on snubber, (b) bentuk
gelombang tegangan dan arus untuk Ls
yang kecil, (c) untuk Ls yang besar
dihubungkan dengan suatu rangkaian
resonansi LC, dimana kondisi resonansi
ini akan dimanfaatkan oleh saklar
semikonduktor
saat turn-on maupun
turn-off sehingga tidak ada penyilangan
antara tegangan dan arus. Pada gambar di
bawah ditunjukan dua jenis saklar
resonansi Zero Voltage Swithing (ZVS).
Komponen LC tidak menyerap daya aktif
sehingga tidak menyebabkan terjadinya
disipasi daya. komponen LC tersebut
hanya berfungsi sebagai penyimpan
energi sementara.
(a)
Gambar 3. dua jenis saklar resonansi Zero
Voltage (ZV)
2.4. Konverter
Dc-Dc
Penaik
Tegangan Untuk Koreksi Faktor
Daya Beban Non Linier Tanpa ZVS
(b)
Gambar 2.
(a) Rangkaian turn-off snubber, (b) bentuk
gelombang arus dan tegangan selama turn-off
Dengan memperhatikan uraian diatas
jelas bahwa rugi transisi dapat
dikurangi akan tetapi tidak dapat
meningkatkan efisiensi konverter secara
keseluruhan, karena daya yang diserap
oleh saklar semikonduktor dialihkan ke
resistor.
2.3. Konsep Dasar Saklar Resonansi
Konsep dasar saklar resonansi
merupakan saklar semikonduktor yang
Perbaikan faktor daya untuk beban
elektronik (beban non linear) dengan
menggunakan boost konverter atau
konverter dc-dc penaik tegangan, dimana
rangkaian
dasar
yang
digunakan
ditunjukan pada gambar 4. Pada gambar
tersebut terlihat bahwa kapasitor filter
masukan ditiadakan sehingga tegangan
keluaran dari penyearah jembatan
berbentuk gelombang penuh dan sefasa
dengan arus masukan, seperti ditunjukkan
pada gambar 5.
Penggunaan
regulator
penaik
tegangan (boost konverter) setelah
penyerah jembatan, memaksa arus
masukan berbentuk sinusoidal sefasa
dengan
tegangan
masukan
dan
menghasilkan pengaturan tegangan dc
yang dapat diatur, nilai pengaturannya
dapat lebih besar dibandingkan dengan
puncak gelombang sinus tegangan
masukan.
ISU TEKNOLOGI STT MANDALA VOL.7 NO.2 JULI 2014
ISSN : 1979-4819
5
penuh pada setengah perioda, dikontrol
dengan chip perbaikan faktor daya, yang
mana tegangan Vo dideteksi dan
dibandingkan dengan internal referensi
dalam sebuah eror amplifier tegangan dc
dengan lup umpan balik negatip,
menyeting Ton untuk menjaga Vo tetap
konstan pada nilai yang ditetapkan.
Gambar 4. Gambar rangkaian
dasar perbaikan faktor
daya
Gambar 5. Gambar gelombang Vin dan
Iac yang sefasa
Tujuan pertama dari rangkaian
perbaikan faktor daya menggunakan
boost konverter untuk merubah tegangan
dc yang berbentuk sinus yang berubahrubah menjadi tegangan dc yang konstan.
Nilai pengaturan tegangan dc dapat
dilakukan, lebih tinggi dibandingkan
dengan puncak gelombang sinus, yang
pengaturannnya menggunakan boost
konverter yang bekerja dalam mode
kontinyu.
Boost konverter ini bekerja dengan
menghidupkan transistor Q1 untuk waktu
Ton dalam perioda T, saat ini terjadi
pengisian energi dalam induktor L1.
Ketika Q1off, polaritas pada L1 terbalik,
dan pada titik akhir L1 terjadi kenaikkan
untuk tegangan keluaran Vo yang lebih
tinggi dibandingkan dengan tegangan
masukan Vin. Energi yang tersimpan
dalam L1 selama waktu on dipindahkan
kedioda D1, ke beban dan Co.
Waktu
on
sepanjang
gelombang
Gambar 6. Gambar perubahan waktu on
pada setengah gelombang
Pada bagian tegangan yang Lr Io
rendah pada gelombang penuh dari Vd
gambar 5, waktu on Q1akan lebih besar C
Ro untuk menaikkan tegangan masukan
yang rendah menjadi nilai tegangan yang
lebih tinggi dibandingkan puncak
tegangan sinus. Ketika Vin naik kearah
puncak tegangan sinus, kontrol chip
perbaikan faktor faktor daya akan secara
otomatis menurunkan waktu onQ1. Deret
atau perubahan waku on sepanjang
setengah gelombang sinus ditunjukkan
pada gambar 6. Tugas kedua
dari
rangkaian perbaikan faktor daya adalah
untuk mendeteksi
arus
jala-jala
masukan dan memaksa arus jala-jala
masukan
mempunyai
bentuk
gelombang sinusoidal yang sefasa dengan
tegangan masukan jala-jala. Tugas ini
dikerjakan dengan mengatur lebar dari
waktu on. Waktu on ditentukan di dalam
suatu lup umpan balik negatif yang
membandingkan suatu contoh arus jalajala aktual dengan amplitudo dari
referensi gelombang arus sinus yang
murni. Perbedaan antara dua gelombang
ISU TEKNOLOGI STT MANDALA VOL.7 NO.2 JULI 2014
ISSN : 1979-4819
6
sinus digunakan untuk mengatur waktu
on untuk memaksa dua gelombang sinus
menjadi sama amplitudonya.
3. Konverter Dc-Dc Penaik Tegangan
Untuk Koreksi Faktor Daya Beban
on Linier dengan ZVS
Untuk satu periode pensaklaran
tegangan hasil penyearahan diasumsikan
tetap,
maka
gambar
4
dapat
disederhanakan menjadi gambar 7 dengan
tambahan komponen Cr dan Lr ,
komponen tersebut difungsikan untuk
membentuk Zero Voltage Switching
(ZVS).
(a) interval 1 (to<t<t1) (b) interval 2
(t1<t<t2)
(c) interval 3 (t2<t<t3) (d) interval 4
(t3<t<t4)
Gambar 9. rangkaian ekivalen untuk macammacam interval operasi dalam satu perioda
pensaklaran
Gambar
7. Konverter penaik tegangan
dengan zero voltage switching
Dengan asumsi seluruh komponen
ideal dan arus mengalir konstan selama
satu perioda pensaklaran, maka operasi
kerja rangkaian diatas dapat dibagi
kedalam empat interpal waktu, yaitu:
Gambar 8 bentuk gelombang arus dan
tegangan dengan metoda pensaklaran
tegangan nol
Kondisi awal interval ini ketika saklar
utama dalam keadaan off, dioda D dalam
keadaan off dan tidak ada arus yang
mengalir ke beban Vo. Saat t0 sakelar (S1)
turn off arus I1 mengalir melalui kapasitor
Cr.Tegangan pada kapasitor (Cr)
mengalir secara linier.
Kondisi awal:
Vc(0) = 0
Persamaan differensial interval ini :
dVc
Cr
= I1
(6)
dt
Saat T1,Vc mencapai Vo dan diode
konduksi lamanya kondisi ini dapat
dilihat dengan persamaan:
Vo
T01 = Cr
(7)
I1
dengan
a. Interval 2 (t1 – t2)
rangkaian ekivalen 2.9b
Interval ini dimulai saat dioda on
saat t1, dimana diode mulai konduksi
dan kapasitor Cr mulai beresonansi
dengan Lr sehingga mencapai
tegangan nol saat t2. Sewaktu Vcr
sama dengan nol arus ilr sama dengan
arus puncak (Ip) dan I1 mulai
mengalir ke Vo.
Kondisi awal interval ini adalah:
ISU TEKNOLOGI STT MANDALA VOL.7 NO.2 JULI 2014
ISSN : 1979-4819
7
IL(0) = 0
Vc(0) = Vo
Persamaan diferensial interval ini
adalah:
di
Lr L = Vc − Vo
dt
(8)
dVc
= I1 - I L
Cr
dt
(9)
Dalam mode setengah gelombang,
ketika Vc mencapai nol saat Ta
tegangan ini diapit oleh diode anti
pararel D1 yang membawa arus balik.
a
T12 =
ω
(10)
dimana:
⎡ Vo ⎤
a = sin –1 ⎢
⎥
⎣ ZnI 1⎦
(11)
arus IL saat T2
IL (T2) = I1 (1 – cos a)
(12)
untuk mode setengah gelombang:
Π
Π <a< 3
2
(13)
c. Interval 3 (t2 – t3) dengan
rangkaian ekivalen 2.9c
Interval ini dimulai ketika
tegangan kapasitor akan berubah
polaritas menjadi negatif tetapi hal ini
tidak terjadi karena dibatasi diode anti
pararel dengan saklar sehingga saklar
dapat di-on-kan saat tegangan nol..
Kondisi awal interval ini adalah:
IL = I1 (1 – cos a)
IL (0) = I1 (1 – cos a)
(14)
dIL
= -Vo
Lr
dt
(15)
Lamanya kondisi ini dapat
ditunjukan dengan persamaan:
1 − cos a
T23 = Lr I1
Vo
(16)
Dalam keadaan normal untuk
operasi setengah gelombang
sakelar Q1 akan turn-on
setelah Vc mencapai nol saat
Ta dan sebelum arus diode
mencapai nol.
d. Interval 4 (t3 – t4) dengan
rangkaian ekivalen 2.9d
Interval ini dimulai saat
T3, seluruh input arus I1
mengalir melalui sakelar Q1
dan saat T4 kembali pada
keadaan semula dimana saklar
dalam keadaan off.
T34 = TS – T01 –T12 – T23
(17)
ISU TEKNOLOGI STT MANDALA VOL.7 NO.2 JULI 2014
ISSN : 1979-4819
8
L1
Do
Vo
18 V ac
D2
8 0 -2 7 0 V a c
D1
Ci
R vi
Q1
Ro
Co
Fvd
Rs
-
+
R ci
Rmo
R vf
R pk2
R cz
C pk
C cz
C cp
C vf
7
15
5
3
4
9
2
R ena
10
2 ,5 V /2 ,2 5 V
7 ,5 V
R b1
EA1
IM = A B
C
B
6
R ff2
8
7u A
X2
RQ
16
A
11
R ff1
VCC
7 ,5 V
REF
Run
1 6 V /1 0 V
R v ac
C3
R pk1
FF1
EA2
R
R
S
R un
C
Ds
18V
Q
1
O sc illa to r
13
U C 3854
14
+
C ss
C ff1
R ff3
C ff2
C1
C2
Gambar 10, Diagram rangkaian UC 3854
untuk perbaikan faktor daya
4.
2.
3.
4.
12
+
Data Hasil Simulasi dan Pengujian di
Tegangan keluaran : 400 V dc
Daya keluaran :150 W
Frekuensi pensaklaran :50 KHz.
Sebelum perakitan dan pengujian objek
penelitian di laboratorium, terlebih dahulu
dilakukan simulasi dengan bantuan software
PSIM. Pengujian yang dilakukan meliputi
pengamatan bentuk gelombang tegangan dan
arus masukan, factor daya dan efisiensi
konverter.
Bentuk gelombang tegangan dan arus pada
jepit saklar semikonduktor yang melakukan
ISU TEKNOLOGI STT MANDALA VOL.7 NO.2 JULI 2014
Ct
R se t
Laboratorium
Konverter yang direalisasikan mempunyai
spesifikasi sebagai berikut:
1. Tegangan masukan ac bervareasi antara :
80 – 270 V
pensaklaran keras ditunjukan pada gambar
13. Dari gambar tersebut terlihat adanya
persilangan antara arus dan tegangan sewaktu
turn-on maupun turn-off yang
akan
mengurangi efisiensi dari konverter. Bentuk
gelombang arus dan tegangan masukan
konverter yang berupa arus bolak-balik
ditunjukan pada gambar 14, dari gambar
tersebut terilihat bahwa tegangan dan arus
hampir tidak ada pergeseran pasa atau
dengan kata lain factor daya cosφ hampir
sama dengan satu.
ISSN : 1979-4819
9
Gambar 12. Rangkaian simulasi konverter dc-dc penaik tegangan dengan pensaklaran keras
Gambar 14. Tegangan dan arus masukan
konverter
Gambar 13. Tegangan dan arus pada saklar
semikonduktor sewaktu pensaklaran keras
ISU TEKNOLOGI STT MANDALA VOL.7 NO.2 JULI 2014
Rangkaian
untuk
konverter
yang
menerapkan ZVS ditunjukan pada gambar
15, sedangkan bentuk gelombang tegangan
dan arus pada konverter yang telah
menerapkan metode ZVS dapat dilihat pada
gambar 16, dari bentuk gelombang tersebut
terlihat
bahwa
saklar
semikonduktor
melakukan pensaklaran tegangan nol, sesuai
dengan yang direncanakan.
ISSN : 1979-4819
10
Gambar 15. Rangkaian simulasi konverter dc-dc penaik tegangan dengan ZVS
keseluruhan.
Gambar 16. Tegangan dan arus pada saklar
semikonduktor sewaktu pensaklaran ZVS
Hasil Pengujian di Laboratorium pada
Kondisi Pensaklaran Keras Bentuk
gelombang tegangan dan arus pada saklar
semikonduktor ditunjukan pada gambar 17
dari gambar tersebut terlihat bahwa
saklar melakukan pensaklaran keras, hal
ini ditandai dengan adanya persilangan
antara arus dan tegangan pada saklar
semikonduktor sewaktu turn-on maupun
turn-off. Persilangan tegangan dan arus
tersebut dapat menyebabkan daya yang
hilang,
yang
selanjutnya
dapat
mengurangi
efisiensi
konverter
ISU TEKNOLOGI STT MANDALA VOL.7 NO.2 JULI 2014
Gambar 17.
bentuk gelombang
tegangan Vds dan arus Id, skala Id =
0.5 A/div, Vds = 50 V/div waktu =
10μs/div. dengan pensaklaran lunak
ISSN : 1979-4819
11
6
150
69
82
Vds
Ids
Gambar 18. bentuk gelombang
tegangan Vds dan arus Id, skala Id =
0.5 A/div, Vds = 50 V/div waktu =
10μs/div. dengan pensaklaran lunak
Dari gambar 18 (dengan pensaklaran
lunak) terlihat dengan jelas sewaktu
turn-on maupun turn-off tegangan Vds
di nol kan terlebih dahulu sehingga rugi
sewaktu turn on dan turn off dapat
dikurangi.
5. Efisiensi Konverter
Untuk membuktikan bahwa dengan
pensaklaran lunak efisiensi dari
konverter bisa ditingkatkan maka
dilakukan pengukuran daya output dan
daya input pada kondisi pensaklaran
lunak dan pensaklaran keras.
Tabel 5.1. Tabel hasil pengukuran efisiensi
konverter
No Poutpu η (efisiensi dalam %)
.
Pensaklar Pensaklar
t
(Wat an keras
an lunak
t)
1
25
65
62
2
50
68
65
3
75
70
73
4
100
72
75
5
125
71
81
Gambar 19. Efisiensi konverter sebagai
fungsi daya Pout pada
kondisi
pensaklaran
tegangan nol (ZVS) dan
pensaklaran keras
6.1. Simpulan
Dari hasil simulasi dan data-data hasil
percobaan yang telah dilakukan, dapat
diambil
kesimpulan bahwa dengan
diterapkannya metode Zero Voltage
Switching
(ZVS)
pada
saklar
semikonduktor untuk konverter dc-dc
penaik tegangan sebagai koreksi faktor
daya
beban nonlinier,
efisiensinya
meningkat dengan rata-rata sebesar 4%.
6.2. Saran
Melihat dari grafik, hubungan antara daya
keluaran dan efisiensi dari konverter,
kecenderungan bahwa efisiensi akan
meningkat terutama untuk daya yang lebih
tinggi. Oleh sebab itu disarankan
pemakaian konverter mendekati daya
nominalnya.
ISU TEKNOLOGI STT MANDALA VOL.7 NO.2 JULI 2014
ISSN : 1979-4819
12
Daftar Pustaka
Abdelhay A.Sallam dan OMP Malik.
(2011). Electric Distribution Systems . John
Wiley & Sons. New Jersey.
Bor-Ren Lin and Chih-Yuan Cheng.
(2011). Implementation of Paralel ZeroVoltage Switching Converter with Seriesconnected
Transformer.
International
Journal
and
Circuit
Theory
and
Application. Department of Electrical
Engineering , National Yunlin University
of Science and Technology . Taiwan.
M.Delshad. (2010). New Zero Voltage
Switching Boost Type DC-DC Converter.
Majlesi Journal of Electrical Engineering.
Volume IV No.1 Maret 2010. Islamic Azad
University, Korasgan Branch .
Anung dan Hamdani. (2009). Perbaikan
Faktor Daya pada Beban Non Linier
dengan Aplikasi Boost Converter. Laporan
Penelitian Dosen Muda dan Kajian Wanita,
2009. Bandung: Kopertis Wilayah IV
Anung.(2006). Metode Perancangan Tapis
LC dengan Kriteria Energi Minimum pada
Konverter
AS-AS
Zeta.
Prosiding
KOPWIL IV, Juli 2006. Bandung: Kopertis
Wilayah IV
Anung, Yanuarsyah Haroen. (2001).
Reduksi Rugi-Rugi Pensaklaran pada
Konverter AS-AS Zeta dengan Pensaklaran
Lunak. Proceeding SMED 2001, 18-19 Juli
2001. Surabaya: ITS/PETRA
Muhammad A.Rashid. (2001). Power
Electronics Handbook. Academic Press.
Boston
Riwayat Penulis
Anung, adalah Dosen Tetap STT Mandala
Bandung
Rahmad Hidayat, Dosen Kopertis
Wilayah IV dpk di STT Mandala Bandung
ISU TEKNOLOGI STT MANDALA VOL.7 NO.2 JULI 2014
ISSN : 1979-4819
13