45
SISTEM KENDALI LEVEL TEGANGAN PADA KONVERTER DC/DC
TIPE BOOST UNTUK APLIKASI SISTEM FOTOVOLTAIK
Faizal Arya Samman
1, Abdul Azis Rahmansyah
2, Ibrahem Mohammed
3, Dewiani
4, Gassing
5, Adnan
6Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Hasanuddin
E-Mail: 1faizalas@unhas.ac.id, 2maxmicro.azis@gmail.com, 3ibrahemyami@yahoo.com, 4dewiani_djamaluddin@yahoo.com, 5gassing@unhas.ac.id, 6adnan@unhas.ac.id
Abstrak - Konverter DC/DC tipe Boost merupakan
komponen penting dalam industri yang mengubah level tegangan rendah sebuah komponen listrik menjadi lebih tinggi. Paper ini menampilkan teknik sederhana untuk mengendalikan level tegangan sebuah konverter DC/DC tipe boost. Sistem kendali dirancang dengan cara membandingkan level tegangan keluaran rangkaian konverter dengan referensi tegangan yang telah ditetapkan. Simulasi dilakukan dengan menggunakan software SPICE untuk menguji peforma rangkaian dengan kondisi beban yang berubah-ubah serta kondisi level tegangan masukan yang berubah-ubah. Hasil simulasi menunjukkan bahwa level tegangan keluaran dapat dipertahankan dengan baik, kecuali jika tegangan masukan memasuki fase tegangan yang mendekati titik nol.
Kata Kunci : DC Converter, PSPice, Konverter Boost.
I. PENDAHULUAN
Pembangkit listrik yang menggunakan tenaga surya telah banyak dikembangkan karena bebas polusi serta tidak menimbulkan kebisingan jika di bandingkan dengan pembangkit yang menggunakan bahan bakar fosil. Suatu sistem tenaga surya adalah mengkonversi radiasi matahari menjadi energi listrik dengan menggunakan efek photovoltaic (PV). Tegangan keluaran dari panel surya tersebut bervariasi tergantung suhu dan radiasi matahari yang ada [1].
Pada aplikasi panel surya, tegangan keluaran yang bervariasi tidak dapat di aplikasikan ke perangkat elektronik secara langsung karena dapat menyebabkan kerusakan pada alat tersebut. Karena mayoritas alat elektronik ber-input tegangan AC maka dibutuhkan suatu converter dari DC-AC. Tetapi karena output tegangan dari panel surya kecil dan tidak stabil maka diperlukan suatu converter boost untuk meningkatkan tegangan. Output DC-DC konverter boost akan berubah-ubah tergantung tegangan inputnya [2].
Gambar 1. Model diagram pada sistem fotovoltaik sederhana.
Selain itu, pada tinjauan beban, keluaran juga perlu diperhatikan, karena perubahan beban juga akan menyebabkan perubahan tegangan pada bagian output dari
boost converter. Dari masalah yang ditemukan penulis, maka diperlukan untuk merancang boost converter yang mampu mempertahankan tegangan keluarannya agar konstan sesuai yang diharapkan.
Pada penelitian sebelumnya telah dijelaskan bahwa kontrol saklar pada konverter boost dengan frekuensi tinggi dipengaruhi oleh kondisi input dan kondisi output dengan output keluaran berupa tegangan DC berupa pulsa berfrekuensi tinggi [7]. Selain itu, terdapat juga model konverter boost menggunakan FET (Field Effect Transistor) dengan pengontrolan hanya dipengaruhi oleh input tegangan [8].
II. TINJAUAN PUSTAKA
DC-DC Konverter tipe Boost
Konverter boost merupakan salah satu konverter DC-DC, dimana konverter ini merubah energi listrik arus searah menjadi energi listrik arus searah dengan meningkatkan tegangan output menggunakan beberapa komponen aktif seperti saklar elektronik dan komponen pasif seperti kapasitor [12].
Gambar 2. Rangkaian sederhana konverter DC/DC boost.
Pada model di atas, untuk mendapatkan tegangan keluaran,saklar akan menjadi bagian yang penting dalam menaikkan tegangan. Jika kondisi off, tegangan keluaran akan sama dengan Vdc dijumlahkan dengan VL . Jika
kondisi on, maka induktor akan menjadi media penyimpan tegangan hingga waktu tertentu sesaat sebelum saklar kembali Off. Naiknya tegangan akan mempengaruhi arus yang di hasilkan karena daya dari input akan sama dengan daya dari output. Sehingga walaupun tegangan output naik akan berdampak dengan arus output yang akan turun linear dengan turunnya tegangan [3][11].
Pada rangkaian di atas saklar dapat di ganti dengan saklar elektronik seperti MOSFET atau IGBT.
Analisa DC-DC Konverter Boost
Pada kasus ini digunakan DCM (Discontinous Conduction Mode) pada DC-DC konverter boost di mana output mempengaruhi kecepatan PWM. Sinyal saklar dapat dilihat pada Gambar 3.
Panel Surya Boost
Converter Inverter Be ba n Modul MPPT L Vdc Load Dm C
Dari gambar tersebut dapat terlihat T sebagai Periode, ∆1 sebagai waktu periode untuk tegangan induktor yang negatif, ∆2 sebagai waktu periode untuk tegangan induktor yang bernilai nol, dan k sebagai duty-cycle, 𝑉𝐿 adalah tegangan pada induktor, Vin adalah tegangan input, dan Vout adalah tegangan output.
Sehingga diperoleh tegangan induktor dalam satu periode. 𝑉𝑖𝑛𝑘𝑇 + (𝑉𝑖𝑛− 𝑉𝑜𝑢𝑡)∆1𝑇 = 0
𝑉𝑜𝑢𝑡= ∆1+𝑘
∆1 𝑉𝑖𝑛 (1)
Untuk konverter boost dalam mode DCM, tegangan output umumnya tetap konstan sementara rasio Duty cycle bervariasi tergantung pengaruh tegangan output [9][10].
Gambar 3. Sinyal konverter boost pada mode DCM (Sumber. Referensi [9] halaman 2).
MOSFET
Salah satu saklar elektronik yang dapat digunakan adalah MOS (Metal Oxide Semiconductor) yang dikembangkan pada tahun 1980-an. MOS tersebut menjadi sebuah sirkuit terpadu sehingga membentuk komponen baru yakni MOS Field Effect Transistor (MOSFET). MOSFET memberi tingkat daya input yang sangat rendah dan tidak ada batasan dalam kecepatan switching. Jadi, frekuensi operasinya dapat ditingkatkan. Beberapa penelitian menyatakan bahwa MOSFET dapat bekerja jika tegangan yang melewatinya tidak lebih dari 500V [4], [5].
Pada prinsipnya sebuah saluran (channel) akan terbentuk ketika sebuah E-MOSFET saluran-N (N channel) diberikan tegangan positif pada gate dantegangan tersebut berada di atas nilai ambang batas (threshold value). Saluran (channel) pada E-MOSFET saluran-N (N-Channel) terbentuk dengan adanya lapisan tipis muatan-muatan negatif pada daerah substrat yang berbatasan dengan lapisan 2 OSi. Saluran (channel) tersebut memiliki konduktivitas yang akan meningkat sesuai dengan peningkatan tegangan gate-source. Tegangan gate-source
Gambar 4. Simbol MOSFET
(Sumber.http://commons.wikimedia.org/wiki/File%3ATransisto r_mosfet.svg).
III. PERANCANGAN SISTEM
Konverter boost ini dirancang dengan keluaran konstan pada tegangan 40 volt. Dengan batasan duty cycle antara 0–100%, sinyal kontrol PWM dicatu ke Gate Power Mosfet untuk menghasilkan tegangan keluaran yang diinginkan. Besar duty-cycle tergantung dari output keluaran. Jika tegangan keluaran turun, maka duty cycle perlu diperbesar. Sebaliknya, jika tegangan keluaran naik mencapai batas yang ditentukan, maka duty cycle perlu diperkecil.
Gambar 5. Model rancangan sistem
Dari Gambar 5, digunakan sebuah power MOSFET sebagai saklar elektronik dimana Gate akan terhubung dengan modul yang mencatu power MOSFET dengan keluaran berupa sinyal PWM. Rancangan untuk model pengujian ini menggunakan 3 beban yang berbeda dengan saklar untuk mengaktifkan beban resistif. Selain itu, Pengujian juga dilakukan dengan tegangan input yang divariasikan tetapi untuk pengujian awal digunakan tegangan input 10 volt.
Rancangan ini akan disimulasikan menggunakan salah satu software Open source PSpice.
150uH 10 V 1kohm Dm Mosfet Vy 20uF T=0-40ms 5kohm T=50-70ms 10kohm T=80-120 Vx v Modul Kendali MULAI Pulsa PWM Baca Vout Vout > Vreff Menambah Duty Cycle Mengurangi Duty Cycle Ya
Switch S1 ON saat time 0-40 ms Switch S2 ON saat time 50-70 ms
47 Flowchart pada Gambar 6 menggambarkan proses pengujian rangkaian, dimana pulsa PWM akan dibangkitkan untuk mencatu power MOSFET. Selanjutnya, ada kondisi dimana pewaktuan untuk beban diatur untuk masing-masing beban yang memiliki nilai berbeda-beda. Tahap berikutnya adalah tahap dimana batas waktu rangkaian ON. Jika belum mencapai batas waktu maka Vout akan dibandingkan dengan Vreff. Perbandingan ini akan menghasilkan pengaturan Duty Cycle dari sinyal PWM.
IV. PENGUJIAN DAN SIMULASI
Pada Paper ini pengujian melalui simulasi dilakukan dengan 2 kondisi yakni:
1. Kondisi beban berubah dengan tegangan masukan konstan
2. Kondisi beban tetap dengan tegangan masukan berubah.
Masing-masing kondisi memiliki karakteristik yang berbeda. Hal ini akan menjadi perbandingan untuk tegangan keluaran dari rangkaian
A. Kondisi Beban Berubah dengan Tegangan
Masukan Konstan
Pada kondisi dimana beban berubah dengan level tegangan konstan, data simulasi rangkaian dapat di lihat pada Tabel I.
Tabel 1. Status Rangkaian Pengujian Beban Berubah
Komponen Status V input 10 Volt Saklar MOSFET Induktor 150 uH Dioda Standar Kapasitor 20 uF Beban 1 (R1) 1 kOhm Beban 2 (R2) 5 kOhm Beban 3 (R3) 10 kOhm
Terlihat dari Gambar 7, tegangan input konstan 10 Volt dengan kode V(1).
Untuk kode i(r1), i(r2), dan i(r3) mewakili beban pada output. Yang menyatakan bahwa adanya arus yang mengalir pada beban tergantung Time yang di tentukan.
Untuk bagian ke 3 merupakan output pada beban dengan kode v(5) terlihat tegangan konstan pada tegangan 40 volt walaupun beban berubah-ubah.
Hasil pengujian memperlihatkan bahwa walaupun beban berubah-ubah antara 1–10 kilo ohm tidak memberi efek kepada output tegangan. Hal ini disebabkan karena tegangan output memberi umpan balik kepada kontrol PWM sehingga kecepatan PWM dapat di atur dengan algoritma tertentu. Ada kekurangan ketika menggunakan beban 1 kohm terlihat seperti plot ke 3 dimana output tegangan terlihat berriak berbeda jika menggunakan beban 5 kohm dan 10 kohm yang lebih stabil
B. Kondisi Beban Konstan dengan Tegangan Masukan Berubah
Pada kondisi beban konstan dengan Tegangan Masukan berubah, data rangkaian dapat dilihat pada Tabel 2.
Tabel 2. Status Rangkaian Pengujian Tegangan Input Berubah
Komponen Status
V input 10 Volt 20 Volt 0 Volt
Saklar MOSFET
Induktor 150 uH
Dioda Standar
Kapasitor 20 uF
Beban (R) 10 kOhm
Gambar 8. Hasil Pengujian Simulasi pada PSpice untuk Tegangan Input yang berubah.
Dari Gambar 8 terdapat 3 plot diagram waktu:
Plot yang pertama mewakili tegangan input dengan kode v(1) dimana tegangan input awal adalah 10 volt dan naik hingga 20 volt pada detik ke 50ms dan di turunkan menjadi 0 volt pada detik ke 80 ms.
Plot ke 2 mewakili arus yang mengalir di beban dengan
kapasitor masih menyimpan muatan dalam jumlah tertentu dan akan turun secara perlahan.
Plot ke 3 mewakili tegangan output pada beban. Terlihat walaupun tegangan input berubah-ubah nilai tegangan output konstan hingga waktu mencapai 80ms dimana tegangan input menjadi 0 volt. Tegangan output pada detik
49 V. KESIMPULAN
Dari Pengujian di atas, meskipun disimulasikan dengan kondisi tegangan input berubah atau beban berubah, modul kendali rangkaian konverter boost dapat membuat tegangan output tetap konstan pada level tegangan yang dinginkan. Pengaturan level tegangan dilakukan melalui penghasutan sinyal kontrol PWM untuk saklar elektronik (MOSFET).
Konverter boost juga dapat menaikkan tegangan input 10 Volt menjadi 40 volt dengan nilai keluaran tegangan stabil pada tegangan 40 volt. Riak tegangan input di sekitar titik 10 volt tidak mempengaruhi tegangan output. Namun demikian, tegangan output menjadi turun drastis ketika sumber tegangan input turun mendekati 0 Volt.
DAFTAR PUSTAKA
[1] E. Koutroulis, K. Kalaitzakis dan N. C. Voulgaris, “Development of a microcontroller based photovoltaic maximum power point tracking system,” IEEE Trans. On
Power Electronics, vol. 16, no. 1, pp. 46-54, 2001.
[2] J. H. R. Enslin, M. S. Wolf, D. B. Snyman dan W. Swiegers, “Integrated photovoltaic maximum power point tracking converter,” IEEE Trans. On Industrial
Electronics, vol 44, no. 6, pp. 769773,1997
[3] www.learnabout-electronics.org, “Module 3 Power Supplies”, E. COATES 2007-2013.
[4] Kharagpur, “Lesson 6 Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET)”Module 1, Version 2 EE IIT
[5] Christopher V.Baiocco, Daniel J. Jaeger, Carl J. Radens, dan Helen Wang. “Metal Oxide Semiconductror Field Effect Transistor (MOSFET) Gate Termination”, Patent No. US 8,704,332 B2, Pub. Apr.22,2014
[6] Alpha & Omega Semiconductor, “Power MOSFET Basics”, diakses 2014.
[7] Stefan Reithmaler. “DC-DC High Frequency Boost Converter”. Texas Instruments Incorperated. Patent No. US 7,180,275 B2, Pub. Feb.20, 2007.
[8] Allen Cheng, Wai-Keung Peter Cheng. “Boost Converter With Integrated High Power Discrete FET and Low Voltage Controller”. Patent No. US 2013/0265015 A1. Pub. Oct.10,2013
[9] Pui-Weng Chan, Syafrudin Masri. “DC-DC Boost Converter with Constant Output Voltage for Grid Connectred Photovoltaic Application System”, Universiti Sains Malaysia.
[10] Timothy L. Skvarenina. “The Power Electronics Handbook”. Purdue University. CRC PRESS.
[11] Aimtron, “Basic Principle of Boost”. Manual Book, diakses 2014.
[12] Robert W. Erickson. “DC-DC Power Converters”. University of Colorado. Willey Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering.
[13] Muhammad H. Rashid. “Power Electronics Handbook Third Edition”. University ofWest Florida.ISBN: 978-0-12-382036-5
[14] Muhammad H. Rashid, Hasan M. Rashid. “SPICE for Power Electronics And Electric Power”, Second Edition. University of West Florida. Taylor & Francis CRC.ISBN 0-8493-3418-7
