perancangan dan implementasi dc-dc interleaved buck

PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI DC-DC
INTERLEAVED BUCK CONVERTER DENGAN
KAPASITOR KOPLING
Singgih Supramono
2210100157
Dosen Pembimbing
Dedet Candra Riawan, ST.,M.Eng., Ph.D.
Ir. Arif Musthofa, MT.
Latar Belakang
Ripple Arus Keluaran Besar
1
Tegangan Masukan Rendah
Rasio Konversi Penurunan
Tegangan DC Rendah
Rugi-Rugi Daya Besar Akibat
Pensaklaran atau Switching
Interleaved Buck
Converter
Konvensional
Interleaved Buck
Converter dengan
Kapasitor Kopling
Tujuan
Mengetahui hal-hal yang berkaitan dengan
rangkaian DC-DC Interleaved Buck Converter
dengan Kapasitor Kopling
Merancang dan mengimplementasikan rangkaian
DC-DC Interleaved Buck Converter dengan
Kapasitor Kopling
Membandingkan dan menganalisis unjuk kerja
rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling
dengan rangkaian DC-DC IBC Konvensional
2
Rangkaian DC-DC Interleaved Buck
Converter Konvensional
Gabungan dua buck converter secara paralel, dimana
tegangan masukan serta tegangan keluarannya satu
3
Rangkaian DC-DC Interleaved Buck
Converter dengan Kapasitor Kopling
Gabungan dua buck converter secara paralel, dimana
tegangan masukan serta tegangan keluarannya satu.
Akan tetapi, dua switch atau saklar aktifnya
dihubungkan seri dan kapasitor kopling ditambahkan
pada rangkaian. Dua switch atau saklar aktif
penyalaannya memiliki pergeseran 180𝑜
4
Analisis Kondisi Tunak
5
Mode Operasi 1
Induktor 1 (L1) mengalami charge
Persamaan matematis induktor 1 (L1)
𝑉𝐿1 𝑡𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 = VS - VCB - Vo
∆𝑖𝐿1 𝑡𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 =
𝑉𝑆 − 𝑉𝐶𝐵 − 𝑉𝑜
𝐿1
𝐷𝑇
Induktor 2 (L2) mengalami discharge
Persamaan matematis induktor 2 (L2)
𝑉𝐿2 𝑡𝑑𝑖𝑠𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 = −Vo
𝑉
∆𝑖𝐿2 𝑡𝑑𝑖𝑠𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 = − 𝑜 1 − 𝐷 𝑇
𝐿
2
Analisis Kondisi Tunak
6
Mode Operasi 2
Induktor 1 (L1) mengalami discharge
Induktor 2 (L2) mengalami discharge
Persamaan matematis induktor 1 (L1)
Persamaan matematis induktor 2 (L2)
𝑉𝐿1 𝑡𝑑𝑖𝑠𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 = −Vo
𝑉
∆𝑖𝐿1 𝑡𝑑𝑖𝑠𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 = − 𝐿𝑜 1 − 𝐷 𝑇
1
𝑉𝐿2 𝑡𝑑𝑖𝑠𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 = −Vo
𝑉
∆𝑖𝐿2 𝑡𝑑𝑖𝑠𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 = − 𝑜 1 − 𝐷 𝑇
𝐿
2
Analisis Kondisi Tunak
7
Mode Operasi 3
Induktor 2 (L2) mengalami charge
Induktor 1 (L1) mengalami discharge
Persamaan matematis induktor 2 (L2)
Persamaan matematis induktor 1 (L1)
𝑉𝐿2 𝑡𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 = VCB −Vo
∆𝑖𝐿2 (𝑡𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 ) =
(𝑉𝐶𝐵 −𝑉𝑜 )
𝐿2
𝑉𝐿1 𝑡𝑑𝑖𝑠𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 = −Vo
𝐷𝑇
𝑉
∆𝑖𝐿1 𝑡𝑑𝑖𝑠𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 = − 𝐿𝑜 1 − 𝐷 𝑇
1
Persamaan matematis induktor 1 (L1)
𝑉𝐿1 𝑡𝑑𝑖𝑠𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 = −Vo
𝑉
∆𝑖𝐿1 𝑡𝑑𝑖𝑠𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 = − 𝐿𝑜 1 − 𝐷 𝑇
1
Analisis Kondisi Tunak
Mode Operasi 4
Mode operasi 4 ini memiliki prinsip kerja yang sama dengan
mode operasi 2 yang telah dijelaskan sebelumnya
Mode operasi 4 ini memiliki prinsip kerja yang sama
dengan mode operasi 2 yang telah dijelaskan
sebelumnya
8
Bentuk Gelombang Operasi
9
Berdasarkan 4 mode
operasi yang telah
dijelaskan sebelumnya
didapatkan bentuk
gelombang tegangan dan
arus seluruh komponen
selama satu periode
Blok Diagram Rangkaian DC-DC
IBC dengan Kapasitor Kopling
10
Parameter Perancangan
Parameter Rangkaian DC-DC IBC
dengan Kapasitor Kopling
Parameter
Daya Keluaran
Nilai
24 Watt
Tegangan Masukan
60 V
Tegangan Keluaran
12 V
Beban Resistansi
6Ω
Frekuensi Switching
20 kHz
Ripple Arus Induktor
35 %
Ripple Kapasitor Kopling
0.75 %
Ripple Kapasitor Keluaran
0.1 %
11
Rasio Konversi DC
12
Penentuan Nilai Duty Cycle (D)
𝑉𝑜
12
𝐷 =2×
=2×
= 0.4
𝑉𝑠
60
Penentuan Nilai Rasio Konversi Penurunan (M)
𝐷 0.4
𝑀= =
= 0.2
2
2
Parameter LC filter
13
Penentuan Nilai Induktor 1 (𝐿1 ) dan Induktor 2 (𝐿2 )
𝐼𝑜
2
𝐼𝐿 = = = 1 A
2
2
∆𝐼𝐿 = 𝑃𝑟𝑜𝑠𝑒𝑛𝑡𝑎𝑠𝑒 𝑟𝑖𝑝𝑝𝑙𝑒 (%) × 𝐼𝐿 × 2 = 0.35 × 1 × 2 = 0.7 A
𝐿2 = 𝐿1 =
𝑉
( 2𝑠 − 𝑉𝑜 ) × 𝐷
∆𝑖𝐿 × 𝑓
60
( 2 − 12) × 0.4
=
= 514.29 𝜇𝐻
0.7 × 20000
Parameter LC filter
Penentuan Nilai Kapasitor Keluaran (𝐶𝑜 )
𝑉𝐶𝑂 = 𝑉𝑂 = 12 𝑉
∆𝑉𝐶𝑂 = 𝑃𝑟𝑜𝑠𝑒𝑛𝑡𝑎𝑠𝑒 𝑟𝑖𝑝𝑝𝑙𝑒 % × 𝑉𝐶𝑂 × 2 = 0.1% × 12 × 2 = 0.024 V
𝐶𝑜 =
𝐷 0.5𝑉𝑠 − 𝑉𝑜
0.4 0.5 × 60 − 12
=
4∆𝑉𝐶𝑜 𝐿𝑓 2
4 × 0.024 × 514.29 × 10−6 × 20000
2
= 364.58 𝜇𝐹
14
Penentuan Nilai Kapasitor Kopling (𝐶𝐵 )
𝑉𝐶𝐵 =
𝑉𝑆
60
=
= 30 V
2
2
0.75
× 30 × 2 = 0.45 V
∆𝑉𝐶𝐵 = 𝑃𝑟𝑜𝑠𝑒𝑛𝑡𝑎𝑠𝑒 𝑟𝑖𝑝𝑝𝑙𝑒(%) × 𝑉𝐶𝐵 × 2 =
100
𝐶𝐵 =
𝐼𝑜 × 𝐷
2 × 0.4
=
= 44.44 𝜇𝐹
2 × ∆𝑉𝐶𝐵 × 𝑓
2 × 0.45 × 20000
15
Nilai Komponen
Nilai Komponen Rangkaian DC-DC IBC
dengan Kapasitor Kopling
Komponen
Perhitungan
Real
Kapasitor Kopling
44.44 𝜇𝐹
47 𝜇𝐹
Induktor 1
514.29 𝜇𝐻
598.1 𝜇𝐻
Induktor 2
514.29 𝜇𝐻
605.5 𝜇𝐻
Kapasitor Keluaran
364.58 𝜇𝐹
400 𝜇𝐹
Beban Resistansi
6Ω
6Ω
Mosfet 1 & 2
500 V, 20 A
Dioda 1 & 2
600V, 10A
16
Gambar Rangkaian Simulasi
Rangkaian DC-DC IBC dengan
Kapasitor Kopling pada simulasi
17
Gambar Implementasi Rangkaian
Implementasi Rangkaian DC-DC IBC
dengan Kapasitor Kopling
Induktor 2
Dioda 1
Dioda 2
Induktor 1
Kapasitor
Keluaran
Mosfet 2
Mosfet 1
Kapasitor
Kopling
18
Gambar Implementasi Rangkaian
Implementasi Rangkaian DC-DC IBC dengan
Kapasitor Kopling Secara Keseluruhan
POWER SUPPLY
18 VOLT
INPUT POWER
SUPPLY 60V
IBC dengan
KAPASITOR
KOPLING
BEBAN
RESISTANSI
OPTOCOUPLER
&
TRANSISTOR
GATE DRIVER
LCD & KEYPAD
MIKROKONTROLER
IBC
KONVENSIONAL
RANGKAIAN
SNUBBER
19
Pengujian Desain dan Simulasi
20
Gambar Gelombang Tegangan dan Arus dari Komponen Hasil Pengujian
Desain dan Simulasi Rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling
𝐼𝐷1
𝐼𝑄1
𝑉𝑄1
𝑉𝐷1
𝐼𝑄2
𝐼𝐷2
𝑉𝑄2
𝐼𝐶𝐵
𝑉𝐶𝐵
𝑉𝐷2
(Dioda 1 & 2)
(Saklar 1 & 2)
𝐼𝐿2
𝐼𝐿1
(Arus Induktor 1 & 2)
(Kapasitor Kopling )
Parameter pengujian :
Tegangan Masukan 60V, Beban
Resistansi 6Ω, Duty Cycle 40%
Pengujian Simulasi terhadap Perubahan Beban
Tabel Hasil Pengujian Simulasi Rangkaian DC-DC IBC
dengan Kapasitor Kopling terhadap Perubahan Beban
(V)
𝑰𝒊𝒏
(mA)
𝑽𝒐𝒖𝒕
𝑰𝒐𝒖𝒕
(A)
60
401
12.01
60
323
60
𝑽𝒊𝒏
(Watt)
𝑷𝒐𝒖𝒕
(Watt)
Beban
(Ω)
𝑷𝒐𝒖𝒕
2.002
24.06
24.044
6
100
12.01
1.601
19.38
19.23
7.5
80
243
12.01
1.201
14.58
14.42
10
60
60
162
12.01
0.801
9.72
9.62
15
40
60
80.4
12.01
0.400 4.824
4.804
30
20
(V)
𝑷𝒊𝒏
(%)
Data hasil simulasi ternyata tidak dapat digunakan untuk
menentukan nilai efisiensi karena semua komponen
didalam simulasi berada pada kondisi ideal
21
Pengujian Simulasi terhadap Perubahan Beban
Gambar hasil Pengujian Simulasi Rangkaian DC-DC IBC
dengan Kapasitor Kopling terhadap Perubahan Beban
𝑉𝑜𝑢𝑡
𝐼𝑜𝑢𝑡
𝐼𝑖𝑛
Pada kondisi daya keluaran 100 %
atau beban resistansi 6 Ω
22
Pengujian Simulasi terhadap Perubahan Duty Cycle
Tabel Hasil Pengujian Simulasi Rangkaian DC-DC IBC
dengan Kapasitor Kopling terhadap Perubahan Duty Cycle
Duty
Cycle
(%)
𝑽𝒊𝒏
10
15
20
25
30
35
40
45
50
𝑽𝒐𝒖𝒕
(V)
𝑰𝒊𝒏
(mA)
𝑽𝒐𝒖𝒕
𝑰𝒐𝒖𝒕
(A)
Teori
(V)
60
60
60
60
60
60
60
60
60
24.99
55.9
100
156
225
306
405
506
626
3
4.5
6
7.5
9
10.5
12
13.5
15
0.5
0.75
1
1.25
1.5
1.75
2
2.25
2.5
3
4.5
6
7.5
9
10.5
12
13.5
15
(V)
Error
(%)
0
0
0
0
0
0
0
0
0
Duty cycle dinaikkan maka tegangan keluaran akan
semakin besar. Selain itu, error tegangan keluaran
bernilai nol pada semua duty cycle
23
Pengujian Simulasi terhadap Perubahan Duty Cycle
Gambar hasil Pengujian Simulasi Rangkaian DC-DC IBC
dengan Kapasitor Kopling terhadap Perubahan Duty Cycle
𝑉𝑜𝑢𝑡
𝐼𝑜𝑢𝑡
𝐼𝑖𝑛
Pada saat duty cycle 40 %
24
Pengujian Desain dan Implementasi
Gambar Gelombang Tegangan dan Arus dari Komponen Hasil
Pengujian Desain dan Implementasi Prototype Rangkaian DC-DC
IBC dengan Kapasitor Kopling
(Saklar 1 & 2)
(Dioda 1 & 2)
(Arus Induktor 1 & 2)
Parameter pengujian :
Tegangan Masukan 60V, Beban
Resistansi 6Ω, Duty Cycle 40%
(Kapasitor Kopling)
25
Pengujian Desain dan Implementasi
Gambar Gelombang Tegangan dan Arus dari Komponen Hasil
Pengujian Desain dan Implementasi Prototype
Rangkaian DC-DC IBC Konvensional
26
(Arus Induktor 1 & 2 )
(Saklar 1 & 2)
(Dioda 1 & 2)
Parameter pengujian :
Tegangan Masukan 60V, Beban
Resistansi 6 Ω, Duty Cycle 20 %
Analisis Rugi-Rugi Pensaklaran
27
Gambar Gelombang Tegangan dan Arus Saklar atau Switch 1 dan 2
Prototype Rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling
𝑉𝑄1
0.5𝑉𝑠
𝐼𝑄1
𝑉𝑄2
𝐼𝑄1
Sebelum di “ ON ”
Setelah di “ OFF ”
0.5𝑉𝑠
𝑉𝑠
Analisis Rugi-Rugi Pensaklaran
Gambar Gelombang Tegangan dan Arus Saklar atau Switch 1 dan 2
Prototype Rangkaian DC-DC IBC Konvensional
𝑉𝑄1
𝐼𝑄1
𝑉𝑠
𝑉𝑄2
𝐼𝑄2
𝑉𝑠
28
Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Beban
Tabel Hasil Pengujian Prototype Rangkaian DC-DC IBC
dengan Kapasitor Kopling terhadap Perubahan Beban
𝑽𝒊𝒏
(V)
𝑰𝒊𝒏
(mA)
𝑽𝒐𝒖𝒕
(V)
𝑰𝒐𝒖𝒕
(A)
𝑷𝒊𝒏
𝑷𝒐𝒖𝒕
(Watt) (Watt)
Beban
(Ω)
𝑷𝒐𝒖𝒕
(%)
Eff
(%)
60
495
12.2
2.1
29.7
6
100
86.26
60
386
12
1.67
23.16 20.04
7.5
80
86.53
60
292
12.1
1.27
17.52
15.37
10
60
87.71
60
190
11.9
0.846
11.4
10.07
15
40
88.31
60
101
12
0.434
6.06
5.21
30
20
85.94
25.62
Nilai efisiensi dari prototype yang tertinggi adalah
88.31 % yang terjadi pada daya keluaran 40 %.
Sedangkan nilai efisiensi yang terendah adalah
85.94 % yang terjadi pada daya keluaran 20 %.
29
Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Beban
Grafik Daya Keluaran terhadap Efisiensi dari Prototype Rangkaian
DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling
Grafik efisiensi merupakan grafik hasil regresi
30
Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Beban
Gambar Hasil Pengujian Prototype Rangkaian DC-DC IBC
dengan Kapasitor Kopling saat Daya Keluaran 100 %
𝑉𝑖𝑛
𝐼𝑂𝑢𝑡
𝑉𝑂𝑢𝑡
𝐼𝑖𝑛
31
Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Beban
Tabel Hasil Pengujian Prototype Rangkaian DC-DC
IBC Konvensional terhadap Perubahan Beban
𝑽𝒊𝒏
(V)
𝑰𝒊𝒏
(mA)
𝑽𝒐𝒖𝒕
(V)
𝑰𝒐𝒖𝒕
(A)
𝑷𝒊𝒏
(Watt)
𝑷𝒐𝒖𝒕
(Watt)
Beban
(Ω)
𝑷𝒐𝒖𝒕
(%)
Eff
(%)
60.1
540
12
2.19
32.45
26.28
6
100
80.98
59.9
426
12
1.73
25.52
20.76
7.5
80
81.36
60
328
12
1.35
19.68
16.2
10
60
82.32
60
251
12
0.97
15.06
11.64
15
40
77.29
59.9
149
12
0.561
8.93
6.73
30
20
75.43
Nilai efisiensi yang tertinggi adalah 82.32 % yang
terjadi pada daya keluaran 60 %. Sedangkan nilai
efisiensi yang terendah adalah 75.43 % yang terjadi
pada daya keluaran 20 %
32
Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Beban
Grafik Daya Keluaran terhadap Efisiensi dari Prototype IBC
dengan Kapasitor Kopling dan Prototype IBC Konvensional
Nilai efisiensi dari prototype rangkaian DC-DC IBC
Konvensional lebih rendah daripada nilai efisiensi
dari prototype rangkaian DC-DC IBC dengan
Kapasitor Kopling pada daya keluaran yang sama
33
Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Beban
Gambar Hasil Pengujian Prototype Rangkaian DC-DC
IBC Konvensional saat Daya Keluaran 60 %
𝐼𝑖𝑛
𝑉𝑖𝑛
𝑉𝑜𝑢𝑡
𝐼𝑜𝑢𝑡
34
Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Duty Cycle
Tabel Hasil Pengujian Prototype Rangkaian DC-DC IBC
dengan Kapasitor Kopling terhadap Perubahan Duty Cycle
Duty
Cycle
(%)
Vin
10
15
20
25
30
35
40
45
50
Vout
(V)
Iin
(mA)
Vout
Iout
(A)
Teori/Simulasi
(V)
60
60
60
60
60
60
60
60
60
82.3
116
172
259
266
328
386
562
698
1.37
3.45
5.41
7.06
8.41
10
11.5
13
14.7
0.237
0.592
0.922
1.2
1.43
1.67
1.97
2.17
2.45
3
4.5
6
7.5
9
10.5
12
13.5
15
(V)
Error
(%)
54.33
23.33
9.83
5.87
6.55
4.76
4.17
3.7
2
Duty cycle dinaikkan maka tegangan keluaran semakin
besar. Akan tetapi, error tegangan keluaran semakin
kecil
35
Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Duty Cycle
36
Grafik Duty Cycle terhadap Tegangan Keluaran Hasil Pengujian Simulasi
dan Prototype Rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling
Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Duty Cycle
Gambar Hasil Pengujian Prototype Rangkaian DC-DC IBC
dengan Kapasitor Kopling saat Duty Cycle 40 %
𝑉𝑖𝑛
𝐼𝑜𝑢𝑡
𝑉𝑜𝑢𝑡
𝐼𝑖𝑛
37
Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Duty Cycle
Tabel Hasil Pengujian Prototype Rangkaian DC-DC IBC
Konvensional terhadap Perubahan Duty Cycle
Duty
Cycle
(%)
Vin
(V)
Iin
(A)
Vout
(V)
Iout
(A)
Vout
Teori
(V)
Error
(%)
10
15
20
25
30
35
40
45
50
60
60
60
60
60
60
60
60
60
0.150
288
0.534
0.800
1.10
1.49
1.91
2.34
2.89
5.12
8.37
11.8
14.9
17.6
20.5
23.7
26.7
29.7
0.953
1.57
2.07
2.59
3.15
3.69
4.20
4.72
5.27
6
9
12
15
18
21
24
27
30
14.67
7
1.67
0.67
2.22
2.38
1.25
1.11
1
Nilai error tegangan keluaran sangat kecil. Hal ini
disebabkan karena prototype rangkaian DC-DC IBC
Konvensional dilengkapi dengan rangkaian snubber
38
Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Duty Cycle
Grafik Duty Cycle terhadap Tegangan Keluaran Hasil Pengujian Prototype
IBC dengan Kapasitor Kopling dan Prototype IBC Konvensional
Nilai tegangan keluaran dari prototype rangkaian DC-DC
IBC Konvensional dua kali lebih besar daripada nilai
tegangan keluaran dari prototype rangkaian DC-DC IBC
dengan Kapasitor Kopling pada duty cycle yang sama
39
Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Duty Cycle
Gambar Hasil Pengujian Prototype Rangkaian DC-DC
IBC Konvensional saat Duty Cycle 25 %
𝑉𝑜𝑢𝑡
𝑉𝑖𝑛
𝐼𝑜𝑢𝑡
𝐼𝑖𝑛
40
Kesimpulan
41
 Nilai tegangan pada semua komponen dari rangkaian DC-DC IBC
dengan Kapasitor Kopling bernilai setengah dari tegangan masukan saat
saklar atau switch 2 belum di “on”-kan dan setelah di “off “-kan ketika
beroperasi dengan duty cycle ≤ 50%. Akibatnya, rugi-rugi dari
rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling dapat direduksi.
 Rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling memiliki efisiensi yang
lebih tinggi daripada rangkaian DC-DC IBC Konvensional. Hasil
pengujian didapatkan efisiensi dari prototype rangkaian DC-DC IBC
dengan Kapasitor Kopling yang tertinggi sebesar 88.31 %. Sedangkan
efisiensi dari prototype rangkaian DC-DC IBC Konvensional yang
tertinggi sebesar 82.32 %.
 Rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling memiliki rasio
konversi penurunan tegangan DC lebih tinggi daripada rasio konversi
penurunan tegangan DC dari rangkaian DC-DC IBC Konvensional pada
duty cycle yang sama. Hasil pengujian pada duty cycle 40 % dan
tegangan masukan 60 V, didapatkan nilai tegangan keluaran dari
prototype rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling sebesar
11.5V. Sedangkan tegangan keluaran dari prototype rangkaian DC-DC
IBC Konvensional sebesar 23.7 V.