BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Inverter

BAB I
PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang
Inverter adalah alat yang banyak digunakan dalam aplikasi elektronis. Alat ini
sangat berguna untuk mengoperasikan alat elektronis AC ketika tidak ada sumber
listrik AC. Sebagai contoh pada aplikasi otomotif seperti mobil listrik yang sumber
listriknya adalah baterai. Inverter adalah sebuah alat yang dapat mengubah sumber
listrik DC menjadi listrik AC. Bentuk gelombang AC inverter tidak harus
gelombang sinusoidal, tetapi dapat berupa gelombang dengan dua arah. Inverter
terbentuk dari beberapa saklar semikonduktor yang menyala secara bergantian.
Dengan memanipulasi saklar semikonduktor tersebut, inverter dapat memberikan
tegangan AC yang sesuai untuk berbagai aplikasi.
Dalam operasinya inverter memerlukan rangkaian gate drive. Gate drive
merupakan rangkaian yang digunakan untuk menyalakan dan mematikan saklar
semikonduktor seperti IGBT atau MOSFET. Saklar pada inverter dibagi menjadi
dua bagian yaitu saklar sisi atas dan sisi bawah. Gate drive sisi atas memiliki
masalah dalam mengaktifkan IGBT karena emitor IGBT tidak berada pada ground
sehingga dibutuhkan catu daya terisolasi. Gate drive memerlukan catu daya
terisolasi untuk mengaktifkan IGBT pada sisi atas karena catu daya terisolasi dapat
memberikan floating ground (mengambang). [6]
Penelitian tentang catu daya terisolasi dilakukan karena hal ini sangat
dibutuhkan untuk aplikasi inverter secara umum. Oleh karena itu dalam penelitian
1
2
ini akan dirancang dan dibuat catu daya terisolasi sebagai salah satu komponen
pendukung inverter.
1.2
Rumusan Masalah
Alat yang akan dibuat adalah catu daya untuk mencatu gate drive IGBT.
Inverter yang akan digunakan adalah inverter 3 fase, dengan begitu catu daya harus
dapat mencatu enam gate drive IGBT. Tegangan masukan catu daya adalah 24 volt.
Tegangan keluaran catu daya adalah +16 volt dan -8 volt serta memiliki ground
yang berbeda dengan ground inverter (floating ground). Selain itu catu daya harus
dapat mencatu daya sebesar 2 watt tiap IGBT. Catu daya memiliki pengaman arus
berlebih (over current protection) dan memiliki isolasi antara terminal masukan
dengan terminal keluaran.
IGBT membutuhkan tegangan gate emitor diatas tegangan batas (threshold
voltage) untuk aktif. Grafik tegangan gate emitor dengan arus kolektor (IC ) sebagai
berikut.
Gambar 1. 1 Karakteristik Tegangan Gate Emitor dengan Arus Kolektor IGBT.
3
Terlihat pada Gambar 1.1 bahwa catu daya harus dapat mencatu tegangan diatas
13 volt agar IGBT dapat mengalirkan arus IC yang besar dengan tegangan kolektor
emitor aktif yang kecil. [8]
Tetapi apabila tegangan gate emitor terlalu besar dapat meningkatkan rugi daya
pada gate drive. Pada Gambar 1.2 terlihat hubungan antara tegangan gate emitor
dengan muatan pada terminal gate. Semakin besar muatan pada terminal gate maka
semakin besar rugi daya yang terjadi.
Gambar 1. 2 Karakteristik Tegangan Gate Emitor dengan Muatan Gate.
Selain itu tegangan gate emitor juga berpengaruh pada waktu transisi aktif
IGBT, semakin besar tegangan gate emitor maka waktu transisi aktif semakin cepat.
Karena pertimbangan tersebut diambil kesimpulan bahwa tegangan yang paling
efektif dan efisien untuk mengaktifkan IGBT adalah sekitar 15 Volt.[8]
4
IGBT akan mati atau off saat tegangan gate emitor diberi 0 Volt, tetapi
kelemahan IGBT adalah adanya arus ekor (current tail) pada saat transisi dari on
ke off. Current tail menyebabkan IGBT tetap aktif ketika seharusnya sudah mati.
Fenomena ini memperlambat transisi pensaklaran IGBT yang berakibat pada
meningkatnya dead-time pensaklaran sisi atas dan sisi bawah IGBT. Untuk itu
diberikan tegangan negatif antara -5 volt dan -10 volt untuk menghilangkan efek
current tail sehingga transisi on ke off lebih cepat. [9]
Dalam penelitian ini akan dikembangkan catu daya terisolasi untuk gate drive
yang dapat memenuhi spesifikasi tegangan keluaran 16 volt dan -8 volt.
1.3
Batasan Masalah
Batasan masalah pada penelitian ini adalah :
1. Spesifikasi IGBT adalah 600 volt dan 400 ampere,
2. Catu daya digunakan untuk gate drive inverter tiga fase, sehingga
diperlukan enam keluaran untuk enam gate drive,
3. Tegangan masukan catu daya 24 volt,
4. Tegangan keluaran catu daya +16 volt dan -8 volt serta dapat mencatu daya
sesuai kebutuhan gate drive.
1.4
Tujuan Penelitian
Penelitian ini bertujuan untuk :
1. Membuat catu daya terisolasi untuk gate drive IGBT inverter tiga fase
dengan spesifikasi yang telah disebutkan sebelumnya,
2. Menguji tegangan keluaran catu daya dengan variasi beban dan tegangan
masukan konstan,
5
3. Menguji tegangan keluaran catu daya dengan variasi tegangan masukan dan
beban konstan,
4. Menguji pengaman arus berlebih (over current protection) catu daya.
1.5
Sistematika Penulisan
Laporan tugas akhir ini merupakan karya tulis yang akan dipaparkan dalam lima
bab. Bab pertama adalah pendahuluan. Bab ini membahas tentang latar belakang
penelitian, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan penelitian dan sistematika
penulisan.
Bab kedua adalah dasar teori. Bab ini berisi teori yang digunakan dalam
merancang, membuat dan menguji catu daya terisolasi antara lain IGBT, inverter 3
fase, gate drive, IC high voltage PWM controller LM5030, MOSFET, rangkaian
penyearah, transformer, dan topologi converter push-pull.
Bab ketiga membahas tentang metode penelitian. Bab ini berisi tentang jenis
penelitian, desain penelitian, alat & bahan, jadwal penelitian, parameter yang
diukur, dan alur penelitian (flowchart). Pada bagian desain penelitian terdapat
beberapa bagian seperti desain skematik, desain board, dan desain spesifikasi alat.
Bab keempat akan merinci hasil pengujian dan pembahasan unjuk kerja catu
daya terisolasi yang telah dirancang dan dibuat. Bab ini akan berisi data pengujian
meliputi pengujian tegangan keluaran dengan variasi beban dan tegangan masukan
konstan, pengujian tegangan keluaran dengan variasi tegangan masukan dan beban
konstan, dan pengujian fungsi pengaman arus berlebih. Data akan disajikan dengan
gambar grafik dan tabel.
6
Laporan tugas akhir akan diakhiri dengan kesimpulan pada bab kelima. Bab ini
akan berisi kesimpulan penulis terhadap pembahasan dan analisis pada bab
sebelumnya. Selain kesimpulan tersebut, pada bab ini juga akan ditambahkan saransaran penulis untuk pengembangan purwarupa alat.
1.6
Manfaat Penelitian
Manfaat penelitian ini adalah untuk membuat catu daya terisolasi untuk gate
drive IGBT yang akan diimplementasikan pada inverter tiga fase.