Perancangan dan Implementasi Konverter Boost Rasio Tinggi dengan Transformator Hybrid untuk Aplikasi Photovoltaic

(1)

UJIAN TUGAS AKHIR JUNI 2014

Perancangan dan Implementasi Konverter

Boost Rasio Tinggi dengan Transformator

Hybrid untuk Aplikasi Photovoltaic

Dosen Pembimbing

Heri Suryoatmojo, ST., MT., Ph.D

Dr. Dedet Candra Riawan, ST., M.Eng.

Teknik Sistem Tenaga

Jurusan Teknik Elektro ITS

Oleh:

(2)

Latar Belakang

Listrik Kebutuhan Utama Beban Semakin Meningkat Pembangkit Utama Energi Fosil Energi Fosil Terbatas Renewable Energi Photovoltaic (PV),

Fuel Cell, Wind Energi

(3)

(4)

Latar Belakang

Konverter Boost Rasio Tegangan Tinggi Rentang tegangan input lebar

Efisiensi tinggi untuk semua level pembebanan

Konverter

Boost

Inverter

DC-AC

(5)

Topologi Konverter

 Transformator Hybrid  Saklar MOSFET

 Dioda Clamping (D₁), Dioda Resonansi (D_r), Dioda Output (D_o)  Kapasitor Resonansi (C_r) dan kapsitor Clamping (C_c)

 Induktor Resonansi (L_r)

(6)

Fungsi Komponen

Dioda & Resistansi Output

 Dioda clamping (D₁)  sebagai lintasan energi dari

induktansi bocor yang berasal dari transformator hybrid ketika saklar tidak aktif.

 Dioda resonansi (D_r)  agar arus mengalir satu arah ketika

rangkaian berada pada mode resonansi, yaitu ketika proses pengisian energi pada kapasitor resonansi (C_r).

 Dioda output (D_o)  memberikan jalur untuk transfer

energi menuju sisi output.

(7)

Fungsi Komponen

Kapasitor & Induktor

 Kapasitor input (C_in)  meratakan tegangan input.

 kapasitor resonansi (C_r)  kapasitor utama untuk transfer

energi serta untuk membentuk rangkaian resonansi

 kapasitor clamping (C_c)

 menjaga tegangan MOSFET pada level yang rendah  membentuk rangkaian resonansi

 menyimpan energi leakage dari transformator, kemudian saat mode resonansi ditransferkan menuju kapasitor C_r

(8)

Mode Operasi 1 (t

₀

-t

₁

)

 Saklar S₁ aktif, induktansi magnetisasi (L_m) charging,

Arus magnetisasi meningkat.

 Tegangan sisi sekunder transformator sebesar n.V_Lm.  Pada mode ini rangkaian resonansi bekerja, Kapasitor

(9)

Mode Operasi 2 (t

₁

-t

₂

)

 Saklar S₁ tidak aktif.

 Arus pada sisi primer dan sisi sekunder transformator mulai

men-charge parasitic capacitor yang terdapat pada saklar.

 Dioda clamping (D₁) aktif.

 Energi dari induktansi bocor (L_k) ditransmisikan menuju

(10)

Mode Operasi 3 (t

₂

-t

₃

)

 Saklar masih tidak aktif.  Dioda output (D_o) aktif.

 Terbentuk rangkaian seri antara V_in, V_lk, V_Lm, V_L2, V_cr dan V_co.  Energi pada L_mdan C_r diteruskan menuju beban.

(11)

Mode Operasi 4 (t

₃

-t

₄

)

 Saklar belum aktif  D₁ tidak aktif.

 Energi pada L_mdan C_r diteruskan menuju beban melalui

dioda output.

 Arus mengalir menuju sisi output magnitudonya berkurang

(12)

Mode Operasi 5 (t

₄

-t

₀

)

 Saklar S₁ aktif kembali.

 Ada efek leakage dari transformator, arus output (I_o) tetap

mengalir untuk waktu yang singkat

 Dioda output tidak aktif pada saat t₀

(13)

Persamaan Rasio Konversi

(14)

Perancangan Parameter Konverter

Perancangan diawali dengan menentukan beberapa variabel terlebih dahulu seperti:

 Frekuensi penyaklaran : 62,5 kHz

 Daya output : 40 W

 Tegangan output : 150 V

 Tegangan input (MIN) : 20 V  Tegangan input (MAX) : 30 V  Perbandingan belitan (n) : 1

 Ripple tegangan C_r (Δv_Cr) : 1,42 %

Dari persamaan Rasio Konversi

M = _𝑽𝒊𝒏𝑽𝒐 = _𝟏−𝑫𝟐+𝒏 ; Maka :

(15)

(16)

(17)

Simulasi Sistem

 Software PSIM 9.0.3

 Frekuensi PWM 62,5 kHz

 Transformator N_s/N_p = 12/12; L_m = 155,49 μH; L_k = 1,7 μH  V_in = 25 V; D = 0,5; V_o = 150 V

(18)

(19)

Bentuk Gelombang Tegangan Hasil Simulasi

(20)

(21)

(22)

(23)

(24)

Transformator

 Inti ferrite ETD 34 N27  Polaritas Inverted

(25)

Pembangkit Sinyal PWM

 Frekuensi 62,5 kHz

 ATMega 16, Kristal eksternal 16 MHz

 Timer 1, Fast PWM, Skala clock (N) = 1; TOP = 00FFh (255)  Push Button  mengubah duty cycle

(26)

Driver MOSFET

 IC TLP 250

 Referensi (supply) 18 V

 Input Sinyal PWM, frekuensi 62,5 kHz magnitudo ± 6 V

(27)

Driver MOSFET

Ketika LED aktif maka T_r1 aktif dan T_r2 tidak aktif sehingga

output high sesuai dengan V_CC. Ketika LED tidak aktif maka T_r1 tidak aktif dan T_r2 aktif sehingga output low sesuai dengan GND. Jadi sinyal output driver memiliki frekuensi sama dengan frekuensi PWM dan amplitudo sama dengan V_CC ketika high dan amplitudonya sama dengan nol ketika low.

(28)

Rangkaian Utama

 Saklar MOSFET IRF540N

(29)

Sumber Input DC dan Beban Resistif

Spesifikasi Sumber Input DC

 DC POWER SUPPLY VPS-3005LK-3

 Output 0-30V, 0-5A

Spesifikasi Beban Resistif

(30)

(31)

(32)

Tabel Pengujian Rasio Konversi

Vin = 25 V Perhitungan Drop

eror Pengukuran

D Vout M Tegangan D Vout M

(33)

Pengujian Rasio Konversi

Terdapat sedikit perbedaan:

(34)

Stress Tegangan Tetap Pada MOSFET dan Dioda

Stress tegangan pada MOSFET dan Dioda Clamping (D₁) pada beban berbeda. (a) 12 W dan (b) 40W

 V_in = 25 V; D = 0,5; V_o = 150 V  V_MOSFET = V_D1= ±50 V

(35)

Stress Tegangan Tetap Pada MOSFET dan Dioda

Stress tegangan pada MOSFET dan Dioda Output (D_o) pada beban berbeda. (a) 12 W dan (b) 40W

 V_in = 25 V; D = 0,5; V_o = 150 V  V_Do = V_Dr= ± 100 V

(36)

Stress Tegangan Tetap Pada MOSFET dan Dioda

Stress tegangan pada MOSFET dan Dioda Resonansi (D_r) pada tegangan input berbeda. (a) V_in 20 V dan (b) V_in 30 V (a) V_in = 20 V; D = 0,6; V_o = 150 V

(b) V_in = 30 V; D = 0,4; V_o = 150 V

(37)

Tabel Pengujian Efisiensi

Pin Po η Pin Po η Pin Po η

(% ) (W) (W) (% ) (W) (W) (% ) (W) (W) (% ) 30 17,28 12,24 70,83 17,50 12,90 73,71 16,83 12,32 73,16 40 20,40 15,45 75,74 19,88 15,00 75,47 17,67 13,29 75,22 50 24,40 18,92 77,55 23,85 18,30 76,75 22,23 17,10 76,92 60 29,60 22,95 77,53 30,38 23,70 78,02 29,76 23,25 78,13 70 35,80 28,20 78,77 34,75 27,45 78,99 34,50 27,15 78,70 75 37,60 29,50 78,46 37,75 30,00 79,47 37,50 29,40 78,40 80 40,60 32,25 79,44 40,34 32,25 79,95 39,90 31,95 80,08 85 43,18 34,42 79,70 42,75 34,20 80,00 41,56 33,75 81,21 90 46,00 37,50 81,52 44,50 36,06 81,03 43,95 35,85 81,58 100 52,20 42,32 81,07 50,50 39,90 79,01 49,06 39,90 81,32 78,06 78,24 78,47

Beban Vin = 20 V Vin = 25 V Vin = 30 V

(38)

Pengujian Efisiensi

 V_in = 25 ± 0,1 V; V_o = 150 ± 1 V  Beban 100% = 40 W

 Titik-titik segitiga berwarna merah merupakan efisiensi pada

masing-masing pembebanan

 Garis putus-putus warna merah merupakan regresi polynomial

yang merepresentasikan efisiensi pada saat V 25 V

(39)

Pengujian Efisiensi

 V_in = 20 ± 0,1 V; V_o = 150 ± 1 V  Beban 100% = 40 W

 Titik-titik belah ketupat berwarna hijau merupakan efisiensi

pada masing-masing pembebanan

 Garis putus-putus warna hijau merupakan regresi polynomial

yang merepresentasikan efisiensi pada saat V_in 20 V

(40)

Pengujian Efisiensi

 V_in = 30 ± 0,1 V; V_o = 150 ± 1 V  Beban 100% = 40 W

 Titik-titik lingkaran berwarna biru merupakan efisiensi pada

masing-masing pembebanan

 Garis putus-putus warna biru merupakan regresi polynomial

yang merepresentasikan efisiensi pada saat V 30 V

(41)

Pengujian Efisiensi

 Garis putus-putus warna hijau merupakan regresi polynomial

 Garis putus-putus warna merah merupakan regresi polynomial

 Garis putus-putus warna biru merupakan regresi polynomial

(42)

Kesimpulan

 Rangkaian konverter boost dengan transformator hybrid pada

tugas akhir ini memiliki rasio konversi yang tinggi.

 Konverter ini dapat bekerja pada rentang tegangan input yang

lebar.

 Efisiensi tertinggi untuk implementasi alat dicapai pada

pembebanan 90% dari beban maksimum yaitu sebesar ± 81%. Efisiensi rata-rata pada implementasi alat yaitu sebesar ± 78%.

 Efisiensi pada beban rendah tidak jauh berbeda dengan

efisiensi pada beban tinggi.

 Stress tegangan pada MOSFET dan dioda nilainya tetap dan

(43)

Saran

 Proses pembuatan transformator diperbaiki lagi sehingga

meningkatkan performa dari implementasi alat yang dibuat.

 Ditambahkan kontrol close loop dan MPPT pada konverter

ini, sehingga konverter ini siap diintegrasikan dengan

photovoltaic.

 Ditambahkan metode soft switching untuk mengurangi

(44)

Daftar Pustaka

1. Bin Gu, J. Dominic, J. S. Lai, Z. Zao and C. Liu, “High Boost Ratio Hybrid

Transformer DC-DC Converter for Photovoltaic Module Applications”, IEEE

Transactions On Power Electronics, Vol. 28, No. 4, April 2013.

2. Q. Zhao and F.C. Lee, “High efficiency, high step-up dc-dc converter”, IEEE trans. Power Electron., vol. 18, no. 1, pp. 65-73, Jan. 2003.

3. R.J. Wai and R.Y. Duan, „High step-up converter with coupled-inductor”, IEEE Trans. Power Electron., vol. 20, no. 5, pp. 1025-1035, Sep. 2005.

4. S. Cuk, “Step-down converter having a resonant inductor, a resonant

capacitor and a hybrid transformer”, U.S. Patent 7 915 874, Mar.2011.

5. S. Cuk and Z.Zhang, “Voltage step-up switching dc-to-dc converter field of the

invention”, U.S. Patent 7 778 046, Aug.2010.

6. Masters, Gilbert M, “Renewable and Efficient Electric Power System”, New Jersey: John Wiley & Sons Inc. 2004.

7. Hart, Daniel W., “Power Electronics”, McGraw-Hill, 2011.

8. Colonel Wm. T. McLyman, “Transformer and Inductor design Handbook”,

(45)