Desain Konverter DC/DC Zero Voltage Switching dengan Perbaikan Faktor Daya sebagai Charger Baterai untuk Kendaraan Listrik

Desain Konverter DC/DC Zero Voltage

Switching dengan Perbaikan Faktor Daya

sebagai Charger Baterai untuk Kendaraan

Listrik

BAGUS PRAHORO TRISTANTIO, MOCHAMAD ASHARI, SOEDIBJO

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO, FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI, INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER (ITS)

JL. ARIEF RAHMAN HAKIM, SURABAYA 60111

E-MAIL: TRISTANTIO.BAGUS11@MHS.EE.ITS.AC.ID, ASHARIMD65@GMAIL.COM,

LATAR BELAKANG



Charger baterai dengan efisiensi yang tinggi sangat dibutuhkan

terutama untuk kendaraan listrik.



Charger yang umum digunakan terdiri dari sebuah rangkaian AC

ke DC (penyearah) untuk memperbaiki faktor daya dan sebuah

konverter DC ke DC yang berfungsi mengubah tegangan DC sesuai

dengan tegangan pengisian yang sesuai dengan rating tegangan

baterai.

PFC

DIGUNAKAN UNTUK MENJAMIN BAHWA POWER FACTOR DARI SISTEM MENDEKATI UNITY POWER FACTOR = 1 DC/DC KONVERTER DIDESAIN DENGAN EFISIENSI

TINGGI MENGGUNAKAN ZVS. DIGUNAKAN UNTUK MEMBUAT

TEGANGAN DC SESUAI DENGAN TEGANGAN PENGISIAN PADA BATERAI

DAN DAPAT DIGUNAKAN SEBAGAI CONTACTLESS

CHARGER

PERUMUSAN

Perumusan masalah :



Desain perbaikan faktor daya



Besarnya Total Harmonics Distortion (THD) sebelum dan

setelah pemasangan perbaikan faktor daya



Analisa gelombang sebelum dan setelah penggunaan

soft switching.



Total rugi daya yang mungkin terjadi akibat

pensakelaran



Efisiensi dengan dan tanpa menggunakan soft

BATASAN MASALAH

Batasan masalah dalam tugas akhir ini adalah sebagai

berikut :

1.

Pada tugas akhir ini tidak membahas tentang

contactless charger

2.

Analisa efisiensi dan soft switching tidak melibatkan

perbaikan faktor daya, efisiensi ditujukan hanya untuk

converter DC/DC tipe full bridge.

3.

Pada desain perbaikan faktor daya menggunakan

PENYEARAH 3 FASA VIENNA



Penyearah

VIENNA

merupakan

penyearah tipe boost yang berfungsi

menaikkan tegangan pada output

penyearah.



Terdiri dari 6 buah dioda dimana pada

titik tengah masing-masing dioda tiap

fasanya dihubungkan dengan switch

dua arah ke titik tengah dari kapasitor

output.



Rangkaian VIENNA rectifier merupakan

modifikasi dari penyearah 6 pulsa

dengan menggunakan dioda. Sehingga

analisanya

dapat

menggunakan

analisa penyearah 6 pulsa dengan

menggunakan dioda.

3 Phase Sin

TEGANGAN DAN ARUS PFC

(VIENNA)

Tegangan dan arus rms minimum :

𝑉𝐷𝐷−𝑟𝑟𝑟 = _𝜋9� (𝑉𝑉 𝑠𝑠𝑠 𝜔𝜔)2 2𝜋 3 𝜋 3 𝑑𝜔𝜔 𝑉𝐷𝐷−𝑟𝑟𝑟 = 1,655 𝑉𝑉 𝐼𝐷𝐷−𝑟𝑟𝑟 = 1.655 𝑉𝑉_𝑅

Tegangan dan arus rata-rata minimum :

𝑉

_{𝐷𝐷−𝑎𝑎𝑎}

=

_2𝜋6

∫

2𝜋3

3𝑉𝑉 𝑠𝑠𝑠 𝜔𝜔 𝑑𝜔𝜔

𝜋

3

Hysteresis current control (kontrol arus histeresis)



Metode arus histeresis menggunakan arus referensi (I

_ref

) dan arus

aktual (I

_fasa

) dari konverter 3 fasa yang digunakan.



Sinyal error hasil pengurangan dari arus referensi dengan arus fasa

FULL BRIDGE DC/DC KONVERTER

M1 M2 M3 M4 VDC Ro TRAFO

SEBELUM PENAMBAHAN SOFT SWITCHING (LLC RESONAT) M1 M2 M3 M4 Lr Cr Lm VDC Ro TRAFO

Hard Switching Vs Soft Switching



Hard Switching



Soft Switching

VDS IDS

DIAGRAM BLOK SISTEM

PERBAIKAN FAKTOR DAYA

3 Phase Sin

Arus Referensi



Arus referensi merupakan arus sinus rms pada sisi input AC. Arus

referensi didapatkan dengan mengalikan magnitud arus rms ac

dengan sinyal sinus referensi. Sinyal sinus referensi tersebut

merupakan sinyal sinus referensi dari tegangan.

Perancangan Hysteresis current control



Hysteresis current control didapatkan dengan mengurangi arus

DC/DC Zero Voltage Switching

M1 M2 M3 M4 Lr Cr Lm VDC Ro TRAFO

Hold up time

 Dikarenakan adanya kebutuhan hold-up time pada DC/DC konverter dimana

kapasitor pada sisi DC mensuplay energi ke beban melalui konverter selama 20 ms pada saat sumber seolah-olah hilang. Maka dibutuhkan V_DC minimum

selama hold-up time yang didefenisikan sebagai : 𝑉𝐷𝐷𝑟𝐷𝐷 = 𝐷𝐷𝐷−𝑏𝑏𝑏(𝐷𝐷𝐷−𝑏𝑏𝑏.𝑉𝐷𝐷−𝑛𝑛𝑛

2_{−2.𝑃𝑛.𝑡ℎ𝑏)}

𝐷_{𝐷𝐷−𝑏𝑏𝑏}

Dimana :

C_DC-bus = Kapasitansi dari DC-bus kapasitor V_DC-nor = Tegangan input normal

Frekuensi kerja dan impedansi resonan

Frekuensi kerja dari system haruslah diantara dua frekuensi berikut yaitu :

𝑓

₁

=

1

2𝜋 𝐿

_𝑟

𝐶

_𝑟

dan,

𝑓

₂

=

_{2𝜋 (𝐿}

1

𝑛

+𝐿

𝑚

)𝐷

𝑛

Rasio Induktansi (k

_L

) dari LLC

resonan

Efek dari resonansi didapatkan dengan nilai L

_m

yang tetap.

Dimana nilai L

_m

didefenisikan sebagai :

Penguatan dari LLC resonan

Dari gambar fungsi transfer dari penguatan tegangan pada LLC resonan dapat dirumuskan :

𝐺𝐺𝑠𝑠

_𝐿𝐿𝐷

=

1 1+_𝐿𝑚𝐿𝑛− 𝐿𝑛 𝑓𝑛2.𝐿𝑚+𝑗.𝑄. 𝑟𝑛− 1 𝑓𝑛 Dimana : 𝑓𝐷 = 𝑟_𝑟𝑏_𝑛 𝑄 = 𝐿𝑛_𝑅 �𝐷𝑛 𝑒𝑒 = 2.𝜋.𝑟_𝑛.𝐿_𝑛 𝑅_𝑒𝑒

Dengan mengkombinasikan persamaan maka penguatan tegangan pada LLC resonan dapat ditulis sebagai berikut :

Spesifikasi Dari LLC resonan

Spesifikasi dan parameter

Nilai

Tegangan DC bus 300-500 Volt

Tegangan keluaran converter 200-400 Volt Daya keluaran konverter DC/DC 4 kW Req 20-25 Ω L_r – C_r frekuensi resonan (f_r) 100 kHz Rasio transformer 1.6 : 1 Penguatan tegangan maksimum 1.44 Parameter Nilai

Induktor resonansi paralel (Lm)

39.8 µH

Induktor resonansi seri (Lr) 9.95 µH

Kapasitansi resonansi seri (Cr)

254 nF

Rasio transformer 1.6 : 1

Hasil Simulasi dan Analisa

Pengukuran system terdiri dari :



PFC (penyearah VIENNA)

1.

Tegangan dan arus pada sisi output (DC)

2.

THD arus input

3.

Faktor daya (PF) pada sisi input



DC/DC converter

1.

Tegangan dan arus output (beban)

2.

Rugi-rugi pada MOSFET sebelum dan setelah pemasangan LLC

resonan

Pengujian THD

1. Dengan Histeresis minimum

Parameter Nilai Boost Inductor (L) 7.45 mH Kapasitor (C) 1000 µF Daya output 5 kW THD : I_R I_S I_T 6.73% 6.73% 6.73%

Lebar Pita

THD

I

_R

I

_S

I

_T

0.5

7.46%

7.46%

7.46%

1

9.8%

9.8%

9.8%

1.5

11.2%

11.2%

11.2%

2

17,8%

17,8%

17,8%

2.5

18,79%

18,79%

18,79%

2. Dengan pengaturan lebar pita

histeresis

Beban (watt)

THD(%)

1000

18.01

2000

13.26

3000

7.34

4000

7.12

5000

6.67

10000

5.43

Bentuk Arus Input PFC dengn HCC

a. Arus Input dengan beban 1 kW

b. Arus Input dengan pita hysteresis 0,5

PENGUJIAN FAKTOR DAYA

Lebar Pita

Histeresis

Faktor Daya

0.5

0.999

1

0.995

2

0.986

3

0.976

4

0.970

Beban

(watt)

Faktor daya

1000

0.95

2000

0.98

3000

0.99

4000

0.99

5000

0.99

10000

0.99

Fasa R

Fasa S

Fasa T

0.9958

0.9958

0.9958

a. Faktor daya dengan hysteresis minimum

b. Faktor daya dengan pengaturan lebar

pita histeresis

Pengujian converter DC/DC tanpa soft switching

a. Tegangan Drain-Source dan arus Drain-source

tanpa ZVS

Total disipasi daya dan energy yang hilang

selama pensakelaran dengan soft switching

Frekuensi

Switching

waktu

Lama

(watt)

Psw

(mJ)

Esw

Perbandingan efisiensi

Frek (kHz) P_SW (Watt) Total P_SW (Watt) V_O (V) Eff (%)

Tanpa ZVS 104 111.24 449.96 400 88.87 125 132.28 529.12 320 86.77 150 150.02 600.08 250 85 Dengan ZVS 104 40.22 201.1 400 94.9 125 53.12 212.48 320 94.7 150 142.7 570.8 250 85.75 80 82 84 86 88 90 92 94 96 2 2.5 3 3.5 4

Efisiensi

Daya Output

Perbandingan efisiensi dengan dan tanpa soft switching

KESIMPULAN

Telah didapatkan system charging baterai dengan efisiensi tinggi dan faktor daya yang baik. Charger baterai ini terdiri atas dua komponen utama yaitu penyearah VIENNA sebagai perbaikan faktor daya yang menjamin faktor daya system mendekati unity power factor serta full bridge DC/DC converter untuk mendapatkan tegangan pengisisn yang sesuai, menghasilkan isolasi elektris, serta mampu digunakan sebagai contactless battery charger dengan efisiensi yang tinggi. Sistem yang disimulasikan memiliki tegangan DChasil penyearahan sebesar 500 Volt dengan output tegangan pada beban bervariasi dari 200-400 Volt. Hasil-hasil simulasi dapat disimpulkan sebagai berikut :

 Penyearah VIENNA dengan HCC dapat memperbaiki faktor daya dari

penyearah.

 Faktor daya 0.99 didapatkan dengan lebar pita histeresis minimum. Semakin

lebar pita histeresis, maka semakin besar pula THD arus input. Frekuensi switching akan semakin rendah. Namun faktor daya tetap bernilai 0.99.

 LLC resonan yang diterapkan pada rangkaian full bridge DC/DC konverter