PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI DC-DC INTERLEAVED BUCK CONVERTER DENGAN KAPASITOR KOPLING

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 ¹

Rasio Konversi Penurunan Tegangan DC Rendah

Interleaved Buck Converter

Konvensional

Ripple Arus Keluaran Besar Tegangan Masukan Rendah

Rugi-Rugi Daya Besar Akibat Pensaklaran atau Switching

Interleaved Buck Converter dengan Kapasitor Kopling

Tujuan ²

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

Rangkaian DC-DC Interleaved Buck Converter Konvensional

3

Gabungan dua buck converter secara paralel, dimana tegangan masukan serta tegangan keluarannya satu

Rangkaian DC-DC Interleaved Buck Converter dengan Kapasitor Kopling

4

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 180^𝑜

Mode Operasi 1 ⁵

Analisis Kondisi Tunak

Induktor 1 (L₁) mengalami charge Persamaan matematis induktor 1 (L₁) 𝑉_𝐿1 𝑡_{𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒} = V_S - V_CB - V_o

∆𝑖_𝐿1 𝑡_{𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒} = ^{𝑉𝑆 − 𝑉}_𝐿^{𝐶𝐵 − 𝑉𝑜}

1 𝐷𝑇

Induktor 2 (L₂) mengalami discharge Persamaan matematis induktor 2 (L₂) 𝑉_𝐿2 𝑡_{𝑑𝑖𝑠𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒} = −V_o

∆𝑖_𝐿2 𝑡_{𝑑𝑖𝑠𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒} = − ^𝑉_𝐿^𝑜

2 1 − 𝐷 𝑇

6

Analisis Kondisi Tunak

Mode Operasi 2

Induktor 1 (L₁) mengalami discharge Persamaan matematis induktor 1 (L₁) 𝑉_𝐿1 𝑡_{𝑑𝑖𝑠𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒} = −V_o

∆𝑖_𝐿1 𝑡_{𝑑𝑖𝑠𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒} = − ^𝑉_𝐿^𝑜

1 1 − 𝐷 𝑇

Induktor 2 (L₂) mengalami discharge Persamaan matematis induktor 2 (L₂) 𝑉_𝐿2 𝑡_{𝑑𝑖𝑠𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒} = −V_o

∆𝑖_𝐿2 𝑡_{𝑑𝑖𝑠𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒} = − ^𝑉_𝐿^𝑜

2 1 − 𝐷 𝑇

7

Analisis Kondisi Tunak

Mode Operasi 3

Induktor 2 (L₂) mengalami charge Persamaan matematis induktor 2 (L₂) 𝑉_𝐿2 𝑡_{𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒} = V_CB −V_o

∆𝑖_𝐿2(𝑡_{𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒}) = ^{(𝑉𝐶𝐵}_𝐿 ^−𝑉𝑜)

2 𝐷𝑇

Induktor 1 (L₁) mengalami discharge Persamaan matematis induktor 1 (L₁) 𝑉_𝐿1 𝑡_{𝑑𝑖𝑠𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒} = −V_o

∆𝑖_𝐿1 𝑡_{𝑑𝑖𝑠𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒} = − ^𝑉_𝐿^𝑜

1 1 − 𝐷 𝑇 Persamaan matematis induktor 1 (L₁) 𝑉_𝐿1 𝑡_{𝑑𝑖𝑠𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒} = −V_o

∆𝑖_𝐿1 𝑡_{𝑑𝑖𝑠𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒} = − ^𝑉_𝐿^𝑜

1 1 − 𝐷 𝑇

8

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

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 Rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling

11

Parameter Nilai

Daya Keluaran 24 Watt

Tegangan Masukan 60 V

Tegangan Keluaran 12 V

Beban Resistansi 6 Ω

Frekuensi Switching 20 kHz

Ripple Arus Induktor 35 %

Ripple Kapasitor Kopling 0.75 %

Ripple Kapasitor Keluaran 0.1 %

Parameter Perancangan

Penentuan Nilai Duty Cycle (D)

Rasio Konversi DC 12

𝐷 = 2 × 𝑉

_𝑜

𝑉

_𝑠

= 2 × 12

60 = 0.4

Penentuan Nilai Rasio Konversi Penurunan (M)

𝑀 = 𝐷

2 = 0.4

2 = 0.2

13

Penentuan Nilai Induktor 1 (𝐿 ₁ ) dan Induktor 2 (𝐿 ₂ )

Parameter LC filter

𝐿₂ = 𝐿₁ = (𝑉_𝑠

2 − 𝑉_𝑜) × 𝐷

∆𝑖_𝐿 × 𝑓 = (602 − 12) × 0.4

0.7 × 20000 = 514.29 𝜇𝐻 𝐼_𝐿 = 𝐼_𝑜

2 = 2

2 = 1 A

∆𝐼_𝐿= 𝑃𝑟𝑜𝑠𝑒𝑛𝑡𝑎𝑠𝑒 𝑟𝑖𝑝𝑝𝑙𝑒 (%) × 𝐼_𝐿 × 2 = 0.35 × 1 × 2 = 0.7 A

Penentuan Nilai Kapasitor Keluaran (𝐶 _𝑜 ) ¹⁴

Parameter LC filter

𝑉_𝐶𝑂 = 𝑉_𝑂 = 12 𝑉

∆𝑉_𝐶𝑂= 𝑃𝑟𝑜𝑠𝑒𝑛𝑡𝑎𝑠𝑒 𝑟𝑖𝑝𝑝𝑙𝑒 % × 𝑉_𝐶𝑂 × 2 = 0.1% × 12 × 2 = 0.024 V

𝐶_𝑜 = 𝐷 0.5𝑉_𝑠 − 𝑉_𝑜

4∆𝑉_𝐶𝑜𝐿𝑓² = 0.4 0.5 × 60 − 12

4 × 0.024 × 514.29 × 10⁻⁶ × 20000 ² = 364.58 𝜇𝐹

Penentuan Nilai Kapasitor Kopling (𝐶 _𝐵 ) ¹⁵

𝑉_𝐶𝐵 = 𝑉_𝑆

2 = 60

2 = 30 V

∆𝑉_𝐶𝐵= 𝑃𝑟𝑜𝑠𝑒𝑛𝑡𝑎𝑠𝑒 𝑟𝑖𝑝𝑝𝑙𝑒(%) × 𝑉_𝐶𝐵 × 2 = 0.75

100 × 30 × 2 = 0.45 V

𝐶_𝐵 = 𝐼_𝑜 × 𝐷

2 × ∆𝑉_𝐶𝐵 × 𝑓 = 2 × 0.4

2 × 0.45 × 20000 = 44.44 𝜇𝐹

Nilai Komponen Rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling

Nilai Komponen 16

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 6 Ω 6 Ω

Mosfet 1 & 2

500 V, 20 A

Dioda 1 & 2 600V, 10A

Rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling pada simulasi

Gambar Rangkaian Simulasi 17

Implementasi Rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling

Gambar Implementasi Rangkaian 18

Kapasitor Keluaran

Induktor 1 Induktor 2

Dioda 1

Kapasitor Kopling Dioda 2

Mosfet 1

Mosfet 2

Implementasi Rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling Secara Keseluruhan

Gambar Implementasi Rangkaian 19

POWER SUPPLY 18 VOLT

OPTOCOUPLER

&

TRANSISTOR GATE DRIVER LCD & KEYPAD

MIKROKONTROLER IBC

KONVENSIONAL INPUT POWER

SUPPLY 60V

IBC dengan KAPASITOR KOPLING

BEBAN RESISTANSI

RANGKAIAN SNUBBER

Gambar Gelombang Tegangan dan Arus dari Komponen Hasil Pengujian Desain dan Simulasi Rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling

Pengujian Desain dan Simulasi 20

(Saklar 1 & 2) (Dioda 1 & 2)

(Arus Induktor 1 & 2)

(Kapasitor Kopling ) Parameter pengujian :

Tegangan Masukan 60V, Beban Resistansi 6Ω, Duty Cycle 40%

𝐼_𝑄1

𝑉_𝑄1

𝐼_𝑄2

𝑉_𝑄2 𝑉_𝐷2

𝐼_𝐷2 𝑉_𝐷1 𝐼_𝐷1

𝐼_𝐿2 𝐼_𝐿1

𝐼_𝐶𝐵

𝑉_𝐶𝐵

Tabel Hasil Pengujian Simulasi Rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling terhadap Perubahan Beban

21 Pengujian Simulasi terhadap Perubahan Beban

𝑽_𝒊𝒏 (V)

𝑰_𝒊𝒏 (mA)

𝑽_𝒐𝒖𝒕 (V)

𝑰_𝒐𝒖𝒕 (A)

𝑷_𝒊𝒏 (Watt)

𝑷_𝒐𝒖𝒕 (Watt)

Beban

(Ω) 𝑷_𝒐𝒖𝒕 (%)

60 401 12.01 2.002 24.06 24.044 6 100 60 323 12.01 1.601 19.38 19.23 7.5 80 60 243 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 Data hasil simulasi ternyata tidak dapat digunakan untuk menentukan nilai efisiensi karena semua komponen didalam simulasi berada pada kondisi ideal

Gambar hasil Pengujian Simulasi Rangkaian DC-DC IBC 22 dengan Kapasitor Kopling terhadap Perubahan Beban Pengujian Simulasi terhadap Perubahan Beban

Pada kondisi daya keluaran 100 % atau beban resistansi 6 Ω

𝑉

_𝑜𝑢𝑡

𝐼

_𝑜𝑢𝑡

𝐼

_𝑖𝑛

Tabel Hasil Pengujian Simulasi Rangkaian DC-DC IBC 23

dengan Kapasitor Kopling terhadap Perubahan Duty Cycle

Duty Cycle (%)

𝑽_𝒊𝒏

(V)

𝑰_𝒊𝒏

(mA)

𝑽_𝒐𝒖𝒕

(V)

𝑰_𝒐𝒖𝒕

(A)

𝑽_𝒐𝒖𝒕

Teori (V)

Error (%)

10 60 24.99 3 0.5 3 0

15 60 55.9 4.5 0.75 4.5 0

20 60 100 6 1 6 0

25 60 156 7.5 1.25 7.5 0

30 60 225 9 1.5 9 0

35 60 306 10.5 1.75 10.5 0

40 60 405 12 2 12 0

45 60 506 13.5 2.25 13.5 0

50 60 626 15 2.5 15 0

Duty cycle dinaikkan maka tegangan keluaran akan semakin besar. Selain itu, error tegangan keluaran bernilai nol pada semua duty cycle

Pengujian Simulasi terhadap Perubahan Duty Cycle

Gambar hasil Pengujian Simulasi Rangkaian DC-DC IBC 24 dengan Kapasitor Kopling terhadap Perubahan Duty Cycle

Pada saat duty cycle 40 %

Pengujian Simulasi terhadap Perubahan Duty Cycle

𝑉

_𝑜𝑢𝑡

𝐼

_𝑜𝑢𝑡

𝐼

_𝑖𝑛

Gambar Gelombang Tegangan dan Arus dari Komponen Hasil Pengujian Desain dan Implementasi Prototype Rangkaian DC-DC

IBC dengan Kapasitor Kopling

25

Pengujian Desain dan Implementasi

(Saklar 1 & 2) (Arus Induktor 1 & 2) (Dioda 1 & 2)

(Kapasitor Kopling)

Parameter pengujian :

Tegangan Masukan 60V, Beban Resistansi 6Ω, Duty Cycle 40%

26

Gambar Gelombang Tegangan dan Arus dari Komponen Hasil Pengujian Desain dan Implementasi Prototype

Rangkaian DC-DC IBC Konvensional

Pengujian Desain dan Implementasi

Parameter pengujian :

Tegangan Masukan 60V, Beban Resistansi 6 Ω, Duty Cycle 20 %

(Saklar 1 & 2) (Dioda 1 & 2)

(Arus Induktor 1 & 2 )

Analisis Rugi-Rugi Pensaklaran 27

Gambar Gelombang Tegangan dan Arus Saklar atau Switch 1 dan 2 Prototype Rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling

𝐼

_𝑄1

𝑉

_𝑄1

𝑉

_𝑄2

𝐼

_𝑄1

0.5𝑉_𝑠

𝑉_𝑠

0.5𝑉_𝑠

Sebelum di “ ON ” Setelah di “ OFF ”

Analisis Rugi-Rugi Pensaklaran

Gambar Gelombang Tegangan dan Arus Saklar atau Switch 1 dan 2 Prototype Rangkaian DC-DC IBC Konvensional

28

𝑉

_𝑄1

𝑉

_𝑄2

𝐼

_𝑄1

𝐼

_𝑄2

𝑉_𝑠

𝑉_𝑠

29

Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Beban

Tabel Hasil Pengujian Prototype Rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling terhadap Perubahan Beban

𝑽_𝒊𝒏 (V)

𝑰_𝒊𝒏 (mA)

𝑽_𝒐𝒖𝒕 (V)

𝑰_𝒐𝒖𝒕 (A)

𝑷_𝒊𝒏 (Watt)

𝑷_𝒐𝒖𝒕 (Watt)

Beban (Ω)

𝑷_𝒐𝒖𝒕 (%)

Eff (%)

60 495 12.2 2.1 29.7 25.62 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

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 %.

Grafik Daya Keluaran terhadap Efisiensi dari Prototype Rangkaian

30

DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Beban

Grafik efisiensi merupakan grafik hasil regresi

Gambar Hasil Pengujian Prototype Rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling saat Daya Keluaran 100 %

31

Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Beban

𝑉

_𝑖𝑛

𝐼

_𝑖𝑛

𝐼

_𝑂𝑢𝑡

𝑉

_𝑂𝑢𝑡

Tabel Hasil Pengujian Prototype Rangkaian DC-DC IBC Konvensional terhadap Perubahan Beban

𝑽_𝒊𝒏 (V)

𝑰_𝒊𝒏 (mA)

𝑽_𝒐𝒖𝒕 (V)

𝑰_𝒐𝒖𝒕 (A)

𝑷_𝒊𝒏 (Watt)

𝑷_𝒐𝒖𝒕 (Watt)

Beban (Ω)

𝑷_𝒐𝒖𝒕 (%)

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

32

Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Beban

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 %

Grafik Daya Keluaran terhadap Efisiensi dari Prototype IBC dengan Kapasitor Kopling dan Prototype IBC Konvensional

33

Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Beban

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

Gambar Hasil Pengujian Prototype Rangkaian DC-DC IBC Konvensional saat Daya Keluaran 60 %

34

Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Beban

𝐼

_𝑖𝑛

𝑉

_𝑖𝑛

𝑉

_𝑜𝑢𝑡

𝐼

_𝑜𝑢𝑡

Tabel Hasil Pengujian Prototype Rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling terhadap Perubahan Duty Cycle

35

Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Duty Cycle

Duty Cycle

(%)

V_in

(V)

I_in

(mA)

V_out

(V)

I_out

(A)

V_out

Teori/Simulasi (V)

Error (%)

10 60 82.3 1.37 0.237 3 54.33 15 60 116 3.45 0.592 4.5 23.33 20 60 172 5.41 0.922 6 9.83

25 60 259 7.06 1.2 7.5 5.87

30 60 266 8.41 1.43 9 6.55

35 60 328 10 1.67 10.5 4.76 40 60 386 11.5 1.97 12 4.17

45 60 562 13 2.17 13.5 3.7

50 60 698 14.7 2.45 15 2

Duty cycle dinaikkan maka tegangan keluaran semakin besar. Akan tetapi, error tegangan keluaran semakin kecil

Grafik Duty Cycle terhadap Tegangan Keluaran Hasil Pengujian Simulasi dan Prototype Rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling

36

Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Duty Cycle

37

Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Duty Cycle

Gambar Hasil Pengujian Prototype Rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling saat Duty Cycle 40 %

𝑉

_𝑖𝑛

𝐼

_𝑜𝑢𝑡

𝑉

_𝑜𝑢𝑡

𝐼

_𝑖𝑛

38

Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Duty Cycle

Tabel Hasil Pengujian Prototype Rangkaian DC-DC IBC Konvensional terhadap Perubahan Duty Cycle

Duty Cycle

(%)

V_in (V)

I_in (A)

V_out (V)

I_out (A)

V_out Teori

(V)

Error (%)

10 60 0.150 5.12 0.953 6 14.67

15 60 288 8.37 1.57 9 7

20 60 0.534 11.8 2.07 12 1.67 25 60 0.800 14.9 2.59 15 0.67 30 60 1.10 17.6 3.15 18 2.22 35 60 1.49 20.5 3.69 21 2.38 40 60 1.91 23.7 4.20 24 1.25 45 60 2.34 26.7 4.72 27 1.11

50 60 2.89 29.7 5.27 30 1

Nilai error tegangan keluaran sangat kecil. Hal ini disebabkan karena prototype rangkaian DC-DC IBC Konvensional dilengkapi dengan rangkaian snubber

39

Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Duty Cycle

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

Grafik Duty Cycle terhadap Tegangan Keluaran Hasil Pengujian Prototype IBC dengan Kapasitor Kopling dan Prototype IBC Konvensional

40

Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Duty Cycle

Gambar Hasil Pengujian Prototype Rangkaian DC-DC IBC Konvensional saat Duty Cycle 25 %

𝑉

_𝑜𝑢𝑡

𝑉

_𝑖𝑛

𝐼

_𝑜𝑢𝑡

𝐼

_𝑖𝑛

Kesimpulan

 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.

41