Simulasi Double Buck Boost Converter DC

Prosiding SENTIA 2015 – Politeknik Negeri Malang
Volume 7 – ISSN: 2085-2347
Simulasi Double Buck Boost Converter DC-DC Bidirectional
Menggunakan PID Controller
Hermansyah 1), Soedibyo 2), Mochamad Ashari 3)
Teknik Elektro, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
Email: [email protected]
Abstrak
Pada paper ini akan dipaparkan sebuah rancangan DoubleBoost dan Double Buck Converter DC-DC
Bidirectional yang mempunyai kemampuan menggandakan tegangan dua kali berturut turut dan dari arah
sebaliknya mampu menurunkan tegangan dua kali berturut turut dimana tegangan pada sisi output dapat
dipertahankan pada nilai tertentu walaupun tegangan baterai pada sisi input mengalami perubahan.Sistem kontrol
yang digunakan adalah PID controller (Proportional, Integrator, Diverative) yang berfungsi mempertahankan
tegangan pada sisi output.Penelitian ini dibagi menjadi dua tahap yaitu tahap double boost dan double buck.
Hasil simulasi menunjukkan bahwa sistem kendali yang diajukan mampu mempertahankan tegangan keluaran
dengan sangat baik dan konsisten. Variasi perubahan yang dilakukan meliputi: pada mode double boost,
tegangan output dipertahankan pada kisaran 99.9 sampai 100 volt DC dengan perubahan tegangan input yang
turun berturut-turut 24 sampai 16 Volt DC. Sedangkan untuk mode double buck, tegangan output dipertahankan
pada kisaran 2,9 sampai 3 volt DC dengan perubahan tegangan input yang mengalami penurunan berturut-turut
100 sampai 60 volt DC.
Kata Kunci: Konverter DC-DC, Double Boost, Double Buck, Bidirectional, PID Controller
Untuk mengatasi permasalahan tersebut maka
pada penelitian ini akan merancang sebuah alat
konversi tegangan DC yaitu Double Buck Boost
Converter DC-DC Bidirectional yang disertai
dengan sistem kontrolnya yang berfungsi untuk
mempertahankan tegangan pada sisi output
(konstan) walaupun tegangan imputnya mengalami
penurunan. Sistem kontrol yang akan diterapkan
pada converter tersebut adalah PID kontroler,
dimana PID kontroler memiliki kemampuan dan
respon yang cepat untuk mengontrol kinerja dari
suatu konverter DC-DC.
A. Latar Belakang
Padaera modern ini hampir semua sistem
perangkat elektronik membutuhkan catu daya
DC.Catu daya DC banyak digunakan pada sistem
elektronika yang bertegangan rendah hingga sistem
kelistrikan bertegangan tinggi, termasuk untuk
kendaraan listrik, penjejak daya maksimum (MPPT),
inverterpada Distributed Generation [1-4]. Oleh
karena itu penggunaan sistem catu daya DC
memerlukan sistem yang mampu mengkonversikan
tegangan DC dari suatu tingkat tegangan DC ke
dalam bentuk tingkat tegangan DC yang lain. Ada
berbagai jenis desain konversi tegangan DC yang
mempunyai kemampuan yang berbeda-beda. Jenisjenis alat konversi energi tersebut meliputi boost
converter, buck converter, buck boost converter atau
pengembangan dari buck boost yaitu double buck
boost converter DC-DC bidirectional dan lain-lain
[5].
Pada hakikatnya, terdapat berbagai macam
sumber tegangan DC yang dapat dikonversikan oleh
berbagai macam konverter DC-DC ke dalam tingkat
tegangan yang lain. Salah satu sumber tegangan
yang dimaksud adalah adalah baterai. Namun dalam
penggunaan baterai sering menemui kendala yang
sangat fatal bila diabaikan. Kendala yang di maksud
adalah bagaimana mempertahankan tegangan pada
sisi output konverter jika tegangan pada baterai
mengalami
penurunan.
Untuk
mendapatkan
tegangan yang konstan dari baterai maka perlu
menggunakan sebuah alat konversi energi yang
mampu mempertahankan tegangan outputnya
walaupun tegangan pada sisi sumbernya mengalami
penurunan tegangan [5]-[6]
B.
Dasar Teori Boost Converter DC-DC
Dalam beberapa tahun terakhir, sistem
penyimpanan energi menggunakan baterai telah
banyak diteliti dan dikembangkan untuk sistem
energi terbarukan. Untuk memaksimalkan energi
yang tersimpan pada baterai tentu harus didukung
dengan sistem transmisi energi dari baterai ke beban.
Rangakain dasar dari boost konverter dapat
dilihat pada gambar 1 berikut ini. Konverter jenis ini
mempunyai kemampuan menghasilkan tegangan
output yang lebih besar daripada tegangan
sumbernya.
Gambar.1 Rangkaian Boost Konverter
Konverter tipe boost mempunyai perisip kerja
sebagai berikut:
B-1
Prosiding SENTIA 2015 – Politeknik Negeri Malang
Volume 7 – ISSN: 2085-2347
(6)
1. Pada saat saklar dalam posisi on induktor
akan terisi arus.
2. Pada saat saklar dalam posisi off, arus pada
induktor akan dikosongkan.
Dari persamaan yang sebelumnya, dapat kita
diketahui bahwa, ton + toff = T dan toff = (1–k)T maka
persamaan (6) bisa diubah menjadi:
Induktor akan terhubung singkat dengan
tegangan sumber jika saklar dalam posisi on. Hal
tersebut disebabkan karena semua arus akan
mengalir ke sisi negative melalu saklar elektronik,
dan oleh sebab itu maka arus yang mengalir menuju
beban R dapat kita abaikan. Persamaan tegangan
pada gambar.1 di atas dapat dituliskan sebagai
berikut.
(7)
Persamaan (7) di atas merupakan persamaan
yang dapat kita gunakan untuk menghitung duty
cycle dan tegangan pada sisi input konverter. Dalam
persamaan tersebut tidak terdapat adanya parameter
frekuensi pensaklaran dan parameter induktor.
Namun dalam hal ini, riak gelombang pada sisi
output sangat dipengaruhi oleh induktor dan
frekuensi pensaklaran. Nilai induktansi sangat
berhubungan dengan riak arus, sedangkan
kapasitansi dapat mempengaruhi riak tegangan.
Berikut ini adalah persamaan hubungan antara
induktor dan riak arus:
(1)
Penyebut dt pada persamaan (1) dapat diganti
menjadi ton seperti persamaan (2) dibawah ini
apabila linier.
(2)
(8)
Berdasarkan persamaan (2) di atas maka dapat di
ubah kedalam bentuk persamaan dalam bentuk lain,
yaitu:
L∆I = Vs
Jika nilai dari riak arus ∆I dapat kita tentukan
terlebih dahulu, maka nilai induktor L dapat kita
peroleh. Perhitungan nilai kapasitor pada rangkaian
boost konverter dapat kita lakukan dengan cara yang
sama dengan konverter jenis buck. Caranya adalah
dengan menggunakan perhitungan penurun tegangan
kapasitor, maka diperoleh hubungan seperti
persamaan dibawah ini: [6]-[8]
(3)
Tegangan input akan menjadi seri dengan induktor L
dan beban R apabila saklar dalam posisi padam atau
off. Pada kondisi ini induktor akan berubah menjadi
mode pengosongan arus yang sebelumnya berada
dalam mode pengisian arus. Dan induktor akan
berubah fungsi menjadi sumber arus atau sumber
tegangan. Sehingga beban dalam hal ini adalah
resistor R akan disuplay dari dua sumber yang
terhubung seri, yaitu sumber tegangan VL dan Vs.
Dengan demikian tegangan output pada konverter
boost akan menjadi lebih tinggi dari tegangan input
dari konverter tersebut. Rentang waktu saat saklar
padam adalah toff
sehingga persamaan t
eganganyang digunakan dapat diubah menjadi:
(9)
C.
Dasar Teori Buck Converter DC-DC
Konverter buck adalah jenis konverter yang
berfungsi untuk menurungkan tegangan pada sisi
output, yakni tegangan output yang dihasilkan lebih
kecil jika dibandingkan dengan tegangan pada sisi
input. Berikut ini adalah gambar rangkaian dasar
dari sebuah buck konverter :
(4)
Jika persamaan (3) disubtitusikan dengan persamaan
(4) maka dapat dihasilkan:
(5)
Gambar.2 Rangkaian Buck Konverter
Prinsip kerja dari konverter jenis buck dapat
dibagi menjadi dua mode, yaitu
B-2
Prosiding SENTIA 2015 – Politeknik Negeri Malang
Mode pada saat saklar dalam keadaan on.
Kondisi ini disebut dengan periode
pengisian arus. Dalam hal ini, arus akan
mengalir dari sumber Vs melewat induktor
L dan menuju ke beban R. Nilai arus akan
naik secara perlahan hingga mencapai titik
maksimalnya.
2. Mode 2 pada saat saklar dalam posisi
padam atau off. Akibat dari adanya aliran
arus pengosongan dari induktor maka diode
akan konduksi. Arus akan mengalir dari
induktor ke beban kemudian dilanjutkan ke
diode dan akan kembali lagi ke induktor.
Arus tersebut akan membentuk kurva linier
yang menurun. Hal tersebut disebabkan
karena arus yang mengalir merupakan arus
pengosongan induktor. Penurunan arus
akan berlanjut sampai saklar dinyalakan
kembali pada siklus berikutnya [5]-[8].
Berikut ini adalah gambar rangkaian dari dua
mode yang dijelaskan di atas.
Volume 7 – ISSN: 2085-2347
1.
(14)
(15)
(16)
Pada saat mode 1 Tegangan sumber adalah
penjumlahan dari seluruh tegangan yang ada pada
sisi beban. Hal tersebut sesuai dengan hukum
kirchoff. Sehingga bisa dituliskan dalam persamaan
berikut ini:
(17)
Bangkitnya tegangan pada induktor V L
diakibatkan oleh arus yang mengalir pada induktor
tersebut. Hal tersebut dapat dituliskan kedalam
bentuk persamaan dibawah ini:
(18)
(19)
Gambar.3 Rangkaian eqivalen saat Q konduksi
Berdasarkan pada Gambar.4 kondisi saklar Q
sedang off. Diode Dm akan konduksi apabila
induktor berubah menjadi sebuah sumber arus atau
sumber tegangan. Dan hal tersebut menyebabkan
tegangan pada sisi sumber Vs akan terpisah dengan
sisi induktor dan beban. Sehingga persamaannya
adalah:
Gambar.4 Saat Q tidak konduksi
(20)
Berikuta ini adalah persamaan ketika saklar Q
konduksi (on) dan ketika saklar Q padam (off) [3].
Saat Q konduksi:
(10)
Dan kondisi pada mode 2 dapat dituliskan seperti
persamaan berikut ini:
(21)
(11)
Persamaan yang ada pada mode 1 dan mode 2 dapat
kita subtitusikan:
Saat Q padam:
Mode 1.
(22)
Mode 2.
(23)
(12)
(13)
Dari kedua persaaan di atas maka dapat kita
peroleh hasil subtitusinya yaitu sebagai berikut:
Pola penyalaannya dapat dituliskan seperti
persamaan berikut ini:
Duty cycle (k) = rasio antara interval waktu (t) saat
Q on dan periode sistem.
B-3
Prosiding SENTIA 2015 – Politeknik Negeri Malang
Volume 7 – ISSN: 2085-2347
(24)
(32)
D. PID Controller
Dalam pengendali PID terdapat beberapa
parameter yang harus diatur untuk mendapatkan
respon keluaran yang lebih baik. Parameterparameter yang dimaksud adalah parameter
proportional (Kp), integral (1/s K1) dan derivative (
SKD, KP , KI dan KD ). Beberapa parameter di atas
memiliki fungsi dan kelebihan masing-masing untuk
mengontrol suatu plant [10].
Parameter proportional (Kp) berfungsi untuk
mengurangi rise time dan steady state error.
Parameter integral berfungsi untuk menghilangkan
steady state error pada suatu plant. Jika kedua
pengendali di atas P dan I digabung maka akan
menghasilkan pengendali PI tetapi memiliki akibat
yaitu respon transient akan bertambah buruk. Untuk
memperbaiki kekurangan dari pengendali PI maka
ditambahkan pengendali diverative (D) yang
berfungsi untuk menyempurnakan kekurangan dari
pengendali PI. Gabungan dari P, I dan D disebut
dengan pengendali PID yang mampu meningkaatkan
kestabilan suatu sistem mengurangi overshoot dan
settling time pada suatu plant [11].
Berikut ini adalah persamaan-persamaan yang
digunakan untuk menentukan nilai dari parameter
proportional, integral dan direvative:
(25)
(26)
Tegangan pada sisi output dari rangkaian buck
converter adalah proporsional terhadap tegangan
pada sisi input dan duty cycle (k) dimana duty sycle
mempunyai nilai 0 s/d 100%.
Apabila kita menginginkan kualitas tegangan
yang lebih baik maka bisa didapatkan dengan cara
memasan kapasitor yang terhubung paralel dengan
beban. Sedangkan untuk mendapatkan nilai induktor
maka bisa dihitung saat kondisi saklar dalam
keadaan konduksi maupun sedang dalam keadaan
padam seperti yang ditunjukkan pada persamaan
berikut ini:
(27)
Dari subtitusi persamaan diatas maka akan
diperoleh nilai induktasi yang diberikan pada
persamaan berikut ini:
(28)

Hubungan Input dan Output
t

1
det  
u t   K p et    et  dt   d

i 0
dt 

Sedangkan untuk menghitung suatu nilai
kapasitor C pada rangkaian buck konverter terlebih
dahulu harus menentukan batas dari besaran riak
tegangan, yaitu tidak lebih besar dari ∆V dimana
riak tegangan keluaran adalah:

(30)
Transformasi Laplace
(29)


1
U s   K p  1 
  d s  E s 

s
i


Berdasarkan pada periode saklar pada saat
kondisi padam, atau pada saat kapasitor dalam
kondisi pengosongan toff maka nilai kapasitor dapat
kita hitung. Dimana toff = (1–k)T maka dapat
diperoleh persamaan riak tegangan keluaran seperti
persamaan berikut ini:

Fungsi Alih


U s 
1
 K p 1
 d s 
E s 
 is


(30)

1
Kp
 1 τ s  τd s
i





Dimana,
Kp : penguatan proporsional,
: waktu integral,
(31)
: waktu differensial
B-4
(32)
Model Matematika Diagram Blok
E(s)
Dari persamaan-persamaan di atas maka dapat
diperoleh nilai sebuah kapasitor dengan riak
tegangan keluaran yang berbeban R dan tidak lebih
dari
diberikan pada persamaan berikut ini [6]-[9]
(31)
U(s)(33)
Prosiding SENTIA 2015 – Politeknik Negeri Malang
Volume 7 – ISSN: 2085-2347
Persamaan diatas merupakan persamaan yang
berfungsi untuk menentukan parameter dari P,I dan
D. Persamaan tersebut akan diubah kedalam bentuk
bahasa pemrograman C yang selanjutnya dituangkan
kedalam C blok yang terdapat pada PSIM.
Parameter PID yang digunakan pada simulasi ini
adalah sebagai berikut:
kp=1,
= 233,3 dan
=0.0000015
E.
Desain dan Hasil Simulasi Double Buck
Boost Converter DC-DC Bidirectional
Pada penelitian ini, penulis akan memaparkan
desain dan hasil simulasi dari suatu modivikasi buck
boost converter menjadi double boost converter DCDC bidirectional yang tegangan outputnya dapat
dipertahankan (konstan) walaupun tegangan pada
batrai atau imput mengalami penurunan (tidak
konstan) dan akan dikendalikan
dengan
menggunakan sistem kendali PID yang berfungsi
untuk mengatur duty cycle mosfet hingga akhirnya
tegangan output bisa dipertahankan. Secara visual,
konverter ini berbeda dengan konverter boost dan
konverter buck pada umumnya. Konverter ini
merupakan dua buah konverter boost dan buck yang
masing-masing terhubung seri dan dapat difungsikan
dari dua arah yang berbeda. Desain double boost dan
double buck converter DC-DC bidirectional dan
hasil simulasinya dapat dilihat pada gambar dibawah
ini:
Gambar 7. Desain Double buck converter DC- DC
bidirectional menggunakan PID Controloler
Gambar 8. Hasil simulasi Double buck
converter DC-DC bidirectional menggunakan PID
Controler
Dengan diterapkannya kontrol PID pada
konverter ini maka dapat menghasilkan gelombang
yang lebih bagus dan stabil dengan overshot yang
lebih rendah, osilasi yang kecil, dan waktu
steadystate yang lebih cepat seperti yang
ditunjukkan pada gambar.6 dan gambar.8. Ketiga
parameter P,I dan D yang diberikan sangat
berpengaruh terhadap gelombang tegangan yang
dihasilkan. Dengan kata lain, jika parameter yang
digunakan tepat, maka respon gelombang yang
dihasilkan akan lebih baik.
Simulasi diatas menunjukkan kinerja dari
double boost dan double buck converter dc-dc yang
dikendalikan oleh sistem kontrol PID. Berikut ini
adalah tabel rincian hasil dari simulasi yang telah
dilakukan:
Gambar.5 Desain Double boost converter DC-DC
bidirectional menggunakan PID Controloler
Tabel 1. Hasil simulasi Double Boost
Converter DC-DC
Tegangan Input
(VDC)
24
22
20
18
16
Gambar 6. Hasil simulasi Double boost converter
DC-DC bidirectional menggunakan PID Controloler
B-5
Tegangan
Output (VDC)
100
100
100
99.9
99.9
Prosiding SENTIA 2015 – Politeknik Negeri Malang
Volume 7 – ISSN: 2085-2347
Gunawan. “Rancang
Bangun
DC-DC
Buck Converter dengan PID Diskrit Sebagai
Pengendali Tegangan Keluaran” UI, 2009
Ashari, Mochamad “Sistem Konverter DC”ITS
Pers, Surabaya 2012
W.E Robert “Fundamentals Power Electronics”
Cluwer Academic Publishers, New York 2001
W. C. Liao, T. J. Liang, H. H. Liang, H. K. Liao, S.
Yang, K.C. Juang,
J. F. Chen “Study and
Implementation of a Novel Bidirectional DCDC Converter with High Conversion
Ratio”IEEE 2011
J.L Tsorng, H.L Hsiu, M.C Shih, FC Jian, SY Lung
“Analysis, Desaign and Implementation of a
bidirectional double-boost DC-DC converter”
IEEEAOTC, GREERC 2014.
Ali Muhammad, “ Pembelajaran Perancangan
Sistem Kontrol PID dengan Software Matlab”
Jurnal Edukasi@Elektro, Vol.1, No.1 Oktober
2004.
Setiawan Iwan, “Konrol PID Untuk Proses
Industri” Elex media Kompotindo” 2008.
Dari tabel di atas dapat dilihat bahwa walaupun
tegangan pada sisi input mengalami perubahan,
tegangan pada sisi output akan tetap dipertahankan
pada kisaran 100 Volt dengan toleransi
0.5 %.
Tabel 2. Hasil simulasi Double Buck
Converter DC-DC
Tegangan Input
Tegangan
(VDC)
Output (VDC)
100
3
90
3
80
3
70
3
60
2.9
Dari tabel di atas dapat dilihat bahwa walaupun
tegangan pada sisi input mengalami perubahan,
tegangan pada sisi output akan tetap dipertahankan
pada kisaran 3 Volt dengan toleransi
0.5 %.
F. Kesimpulan
Berdasarkan hasil simulasi maka dapat
disimpulkan bahwa tegangan keluaran pada sisi
output konverter Double Buck Boost DC-DC
bidirectional dapat dipertahankan relatif konstan
dengan menggunakan sistem kontrol PID meskipun
tegangan pada sisi input (baterai)
mengalami
perubahan. Dengan demikian sistem kontrol PID
sangat cocok untuk diimplementasikan pada plant
yang membutuhkan tegangan yang konstan namun
mempunyai sumber tegangan yang tidak konstan.
Konverter Double Buck Boost DC-DC bidirectional
mempunyai efisiensi yang lebih bagus jika
dibandingkan dengan konverter boost dan buck pada
umumnya.
G. Daftar Pustaka
B Suprianto, MAshari, MHPurnomo, MPujiantara,
HSAtmojo, Uniform current distribution
control using fuzzy logic for parallel connected
non identic DC-DC converters, Innovative
Computing, Information and Control, 2007.
ICICIC'07, Kumamoto - Japan, 2007.
B
Sujanarko,MAshari,MHPurnomo,
Universal
Algorithm Control for Asymmetric Cascaded
Multilevel Inverter, International Journal of
Computer Applications (0975–8887) 8 (15),
2010.
CV Nayar,MAshari, Phase Power Balancing of a
diesel generator using a bidirectional PWM
Inverter IEEE Power Engineering Review 19
(11), 46-46, 1999
R Syahputra,I Robandi,M Ashari, Reconfiguration
of distribution network with DG using fuzzy
multi-objective
method,
Innovation
Management and Technology Research
(ICIMTR), Malaysia, 2012
B-6