1. Pendahuluan
Efisiensi dari dc-dc konverter idealnya 100% sehingga daya keluaran dan daya masukan sama, atau dengan kata lain tidak terjadi daya yang hilang pada konverter. Dc-dc konverter merupakan peralatan yang dapat mengkonversikan energi listrik dari tegangan searah tertentu ke tegangan searah yang diinginkan atau teregulasi. Dc-dc konverter dapat dikelompokan menjadi tiga jenis berdasarkan tegangan keluaran yang dihasilkan yaitu: penaik tegangan, penurun tegangan dan penaik/penurun tegangan. Beban yang dipikul oleh konverter umumnya beban elektronik. Idealnya setiap beban mempunyai faktor daya sama dengan satu.
Kenyataannya secara praktis, efisiensi dari konverter lebih kecil dari 100%, dan disamping itu beban yang dipikul oleh konverter menghasilkan faktor daya (cosϕ) lebih kecil dari satu pada sisi tegangan arus bolak-balik (tegangan ac).
Untuk menghasilkan konverter dc ke dc dengan kerapatan daya yang tinggi, maka frekuensi pensaklaran dinaikan. Naiknya frekuensi pensaklaran maka keperluan akan komponen reaktif menjadi kecil, akan tetapi akibatnya daya yang hilang pada saklar semikonduktor menjadi tinggi, terutama sewaktu
turn-on dan turn- off, sehingga efisiensi
konverter menjadi turun.
Dengan rendahnya efisiensi dari
MENINGKATKAN EFISIENSI KONVERTER DC-DC PENAIK
TEGANGAN DENGAN TEKNIK ZERO VOLTAGE SWITCHING (ZVS)
UNTUK KOREKSI FAKTOR DAYA BEBAN NONLINIER
Oleh : Anung dan Rahmad Hidayat
Abstrak
Efisiensi dari dc-dc konverter idealnya 100%, tapi kenyataanya kurang dari itu. Dengan rendahnya efisiensi dari konverter maka daya listrik yang dapat dimanfaatkan oleh beban akan berkurang. Untuk waktu yang lama, energi listrik yang hilang pada saklar semikonduktor tidak dapat diabaikan, apalagi dalam cakupan wilayah yang luas, misalnya untuk seluruh Indonesia. Untuk menghasilkan konverter dc-dc dengan kerapatan daya yang tinggi, maka frekuensi pensaklaran dinaikan. Naiknya frekuensi pensaklaran maka keperluan akan komponen reaktif menjadi kecil, akan tetapi akibatnya daya yang hilang pada saklar semikonduktor menjadi tinggi, terutama sewaktu turn-on dan turn-off.
Metode yang digunakan untuk mengatasi permasalahan diatas pada penelitian ini adalah metode
Zero Voltage Switching (ZVS). Metode ZVS ini menerapkan pensaklaran tegangan nol sewaktu
turn-on, dengan bantuan komponen induktor resonansi Lr dan kapasitor resonansi Cr. Untuk
memvalidasi metode yang diusulkan maka dilakukan simulasi dan pengujian subyek penelitian di Laboratoium Elektronika Daya STT Mandala Bandung. Kegiatan penelitian, mulai dari studi pustaka sampai pelaporan hasil penelitian dilakukan selama delapan bulan.
Dari data hasil pengujian dan analisa menunjukan bahwa terjadi peningkatan rata-rata efisiensi konverter dc-dc penaik tegangan yang digunakan sebagai koreksi faktor daya beban nonlinier dengan penerapan metode Zero Voltage Switching (ZVS) sebesar 4%.
konverter maka daya listrik yang dapat dimanfaatkan oleh beban akan berkurang. Untuk waktu yang lama, energi listrik yang hilang pada saklar semikonduktor tidak dapat diabaikan, apalagi dalam cakupan wilayah yang luas, misalnya untuk seluruh Indonesia.
Untuk mengatasi masalah diatas maka perlu diadakan penelitian secara eksperimental, tentang penggunaan metode zero voltage switching (ZVS) pada saklar semikonduktor dalam meningkatkan efisiensi konverter as-as yang digunakan sebagai koreksi faktor daya.
2. Landasan Teori
2.1. Rugi-rugi Energi Pada Saklar Semikonduktor
Rugi-rugi energi pada saklar semikonduktor terdiri dari rugi-rugi dalam keadaan statis yaitu dalam keadaan konduksi dan tidak konduksi dengan rugi-rugi pada waktu komutasi atau transisi dari keadaan konduksi ke keadaan tidak konduksi dan sebaliknya. Rugi-rugi tersebut dapat diekspresikan dalam bentuk persamaan sebagai berikut:
(1)
(2) (3) Rugi daya rata-rata pada saklar semikonduktor dapat ditulis dalam bentuk persamaan sebagai berikut:
(4) Jumlah rugi daya yang hilang selama konduksi dan tidak konduksi dengan rugi daya selama transisi adalah:
(5) Dari persamaan (5) terlihat bahwa rugi daya transisi proporsional dengan frekuensi
pensaklaran sehingga pada frekuensi tinggi rugi pensaklaran didominasi oleh rugi transisi.
2.2. Rakaian Snubber
Usaha untuk mereduksi rugi-rugi pensaklaran, agar konverter dapat beroperasi pada frekuensi tinggi yaitu dengan menggunakan rangkaian
snubber. Terdapat dua jenis rangkaian snubber yaitu rangkaian turn-on snubber
dan off snubber. Rangkaian
turn-on snubber adalah rangkaian yang terdiri
dari induktor yang dipasang seri dengan komponen saklar semikonduktor yang difungsikan untuk membuat nol tegangan pada saklar sewaktu turn-on dan setelah itu energi yang tersimpan di induktor dilepaskan ke resistor melalui dioda snubber. Rangkaian turn-off snubber adalah rangkaian yang terdiri
dari kapasitor yang dipasang paralel dengan saklar semikonduktor, dimana sewaktu turn-off kenaikan tegangan pada saklar semikonduktor dibatasi oleh kenaikan tegangan pada kapasitor dan setelah itu energi yang tersimpan di kapasitor dilepaskan melalui dioda
snubber ke resistor.
(a)
Gambar 1.
(a) rangkaian turn-on snubber, (b) bentuk gelombang tegangan dan arus untuk Ls yang kecil, (c) untuk Ls yang besar
(a)
(b) Gambar 2.
(a) Rangkaian turn-off snubber, (b) bentuk gelombang arus dan tegangan selama turn-off Dengan memperhatikan uraian diatas jelas bahwa rugi transisi dapat dikurangi akan tetapi tidak dapat meningkatkan efisiensi konverter secara keseluruhan, karena daya yang diserap oleh saklar semikonduktor dialihkan ke resistor.
2.3. Konsep Dasar Saklar Resonansi Konsep dasar saklar resonansi merupakan saklar semikonduktor yang
dihubungkan dengan suatu rangkaian resonansi LC, dimana kondisi resonansi ini akan dimanfaatkan oleh saklar semikonduktor saat turn-on maupun
turn-off sehingga tidak ada penyilangan
antara tegangan dan arus. Pada gambar di bawah ditunjukan dua jenis saklar resonansi Zero Voltage Swithing (ZVS). Komponen LC tidak menyerap daya aktif sehingga tidak menyebabkan terjadinya disipasi daya. komponen LC tersebut hanya berfungsi sebagai penyimpan energi sementara.
Gambar 3. dua jenis saklar resonansi Zero Voltage (ZV)
2.4. Konverter Dc-Dc Penaik Tegangan Untuk Koreksi Faktor Daya Beban Non Linier Tanpa ZVS Perbaikan faktor daya untuk beban elektronik (beban non linear) dengan menggunakan boost konverter atau konverter dc-dc penaik tegangan, dimana rangkaian dasar yang digunakan ditunjukan pada gambar 4. Pada gambar tersebut terlihat bahwa kapasitor filter masukan ditiadakan sehingga tegangan keluaran dari penyearah jembatan berbentuk gelombang penuh dan sefasa dengan arus masukan, seperti ditunjukkan pada gambar 5.
Penggunaan regulator penaik tegangan (boost konverter) setelah penyerah jembatan, memaksa arus masukan berbentuk sinusoidal sefasa dengan tegangan masukan dan menghasilkan pengaturan tegangan dc yang dapat diatur, nilai pengaturannya dapat lebih besar dibandingkan dengan puncak gelombang sinus tegangan masukan.
Gambar 4. Gambar rangkaian dasar perbaikan faktor daya
Gambar 5. Gambar gelombang Vin dan Iac yang sefasa
Tujuan pertama dari rangkaian perbaikan faktor daya menggunakan boost konverter untuk merubah tegangan dc yang berbentuk sinus yang berubah-rubah menjadi tegangan dc yang konstan. Nilai pengaturan tegangan dc dapat dilakukan, lebih tinggi dibandingkan dengan puncak gelombang sinus, yang pengaturannnya menggunakan boost konverter yang bekerja dalam mode kontinyu.
Boost konverter ini bekerja dengan menghidupkan transistor Q1 untuk waktu
Ton dalam perioda T, saat ini terjadi pengisian energi dalam induktor L1. Ketika Q1off, polaritas pada L1 terbalik, dan pada titik akhir L1 terjadi kenaikkan untuk tegangan keluaran Vo yang lebih tinggi dibandingkan dengan tegangan masukan Vin. Energi yang tersimpan dalam L1 selama waktu on dipindahkan kedioda D1, ke beban dan Co.
Waktu on sepanjang gelombang
penuh pada setengah perioda, dikontrol dengan chip perbaikan faktor daya, yang mana tegangan Vo dideteksi dan dibandingkan dengan internal referensi dalam sebuah eror amplifier tegangan dc dengan lup umpan balik negatip, menyeting Ton untuk menjaga Vo tetap konstan pada nilai yang ditetapkan.
Gambar 6. Gambar perubahan waktu on pada setengah gelombang
Pada bagian tegangan yang Lr Io rendah pada gelombang penuh dari Vd gambar 5, waktu on Q1akan lebih besar C Ro untuk menaikkan tegangan masukan yang rendah menjadi nilai tegangan yang lebih tinggi dibandingkan puncak tegangan sinus. Ketika Vin naik kearah puncak tegangan sinus, kontrol chip perbaikan faktor faktor daya akan secara otomatis menurunkan waktu onQ1. Deret atau perubahan waku on sepanjang setengah gelombang sinus ditunjukkan pada gambar 6. Tugas kedua dari rangkaian perbaikan faktor daya adalah untuk mendeteksi arus jala-jala masukan dan memaksa arus jala-jala masukan mempunyai bentuk gelombang sinusoidal yang sefasa dengan tegangan masukan jala-jala. Tugas ini dikerjakan dengan mengatur lebar dari waktu on. Waktu on ditentukan di dalam suatu lup umpan balik negatif yang membandingkan suatu contoh arus jala-jala aktual dengan amplitudo dari referensi gelombang arus sinus yang murni. Perbedaan antara dua gelombang
sinus digunakan untuk mengatur waktu on untuk memaksa dua gelombang sinus menjadi sama amplitudonya.
3. Konverter Dc-Dc Penaik Tegangan Untuk Koreksi Faktor Daya Beban on Linier dengan ZVS
Untuk satu periode pensaklaran tegangan hasil penyearahan diasumsikan tetap, maka gambar 4 dapat disederhanakan menjadi gambar 7 dengan tambahan komponen Cr dan Lr , komponen tersebut difungsikan untuk membentuk Zero Voltage Switching (ZVS).
Gambar 7. Konverter penaik tegangan dengan zero voltage switching Dengan asumsi seluruh komponen ideal dan arus mengalir konstan selama satu perioda pensaklaran, maka operasi kerja rangkaian diatas dapat dibagi kedalam empat interpal waktu, yaitu:
Gambar 8 bentuk gelombang arus dan tegangan dengan metoda pensaklaran tegangan nol
(a) interval 1 (to<t<t1) (b) interval 2 (t1<t<t2)
(c) interval 3 (t2<t<t3) (d) interval 4 (t3<t<t4)
Gambar 9. rangkaian ekivalen untuk macam-macam interval operasi dalam satu perioda pensaklaran
Kondisi awal interval ini ketika saklar utama dalam keadaan off, dioda D dalam keadaan off dan tidak ada arus yang mengalir ke beban Vo. Saat t0 sakelar (S1) turn off arus I1 mengalir melalui kapasitor
Cr.Tegangan pada kapasitor (Cr) mengalir secara linier.
Kondisi awal:
Vc(0) = 0
Persamaan differensial interval ini :
1
I dt dVc
Cr = (6) Saat T1,Vc mencapai Vo dan diode konduksi lamanya kondisi ini dapat dilihat dengan persamaan:
T01 = 1 I Vo Cr (7) a. Interval 2 (t1 – t2) dengan rangkaian ekivalen 2.9b
Interval ini dimulai saat dioda on saat t1, dimana diode mulai konduksi dan kapasitor Cr mulai beresonansi dengan Lr sehingga mencapai tegangan nol saat t2. Sewaktu Vcr sama dengan nol arus ilr sama dengan arus puncak (Ip) dan I1 mulai mengalir ke Vo.
IL(0) = 0
Vc(0) = Vo
Persamaan diferensial interval ini adalah: Vo Vc dt di Lr L = − (8) dt dVc Cr = I1 - IL (9)
Dalam mode setengah gelombang, ketika Vc mencapai nol saat Ta tegangan ini diapit oleh diode anti pararel D1 yang membawa arus balik.
T12 = ωa (10) dimana: a = sin –1⎢⎣⎡ ⎥⎦⎤ 1 ZnI Vo (11) arus IL saat T2 IL (T2) = I1 (1 – cos a) (12)
untuk mode setengah gelombang:
Π<a< 3
2 Π (13) c. Interval 3 (t2 – t3) dengan rangkaian ekivalen 2.9cInterval ini dimulai ketika tegangan kapasitor akan berubah polaritas menjadi negatif tetapi hal ini tidak terjadi karena dibatasi diode anti pararel dengan saklar sehingga saklar
dapat di-on-kan saat tegangan nol.. Kondisi awal interval ini adalah:
IL = I1 (1 – cos a) IL (0) = I1 (1 – cos a) (14) dt dIL Lr = -Vo (15)
Lamanya kondisi ini dapat ditunjukan dengan persamaan:
T23 = Lr I1 Vo a cos 1− (16)
Dalam keadaan normal untuk operasi setengah gelombang sakelar Q1 akan turn-on setelah Vc mencapai nol saat
Ta dan sebelum arus diode mencapai nol.
d. Interval 4 (t3 – t4) dengan rangkaian ekivalen 2.9d
Interval ini dimulai saat
T3, seluruh input arus I1
mengalir melalui sakelar Q1 dan saat T4 kembali pada keadaan semula dimana saklar dalam keadaan off.
T34 = TS – T01 –T12 – T23 (17)
1 8 V ac 8 0 -2 7 0 V ac C i - + + + U C 3 8 5 4 C B A 1 3 A 7 X2 C IM = A B R u n R u n F F 1 V C C D s 1 8 V E A 2 E A 1 Q S R R O scillato r R E F 7 ,5 V 7 ,5 V 2 ,5 V /2 ,2 5 V 1 6 V /1 0 V 1 4 5 3 1 9 1 2 1 6 2 7 8 6 1 1 1 0 1 5 4 C ff1 R ff3 C ff2 C 1 C 2 C ss R ff2 R ff1 R v ac R b 1 R e n a R v f C v f R m o C cz C cp C p k R p k 1 C 3 R ci R p k 2 R cz R s R v i F v d R o C o Q 1 D o L 1 C t R set R Q u V o D 1 D 2
Gambar 10, Diagram rangkaian UC 3854 untuk perbaikan faktor daya 4. Data Hasil Simulasi dan Pengujian di
Laboratorium
Konverter yang direalisasikan mempunyai spesifikasi sebagai berikut:
1. Tegangan masukan ac bervareasi antara : 80 – 270 V
2. Tegangan keluaran : 400 V dc 3. Daya keluaran :150 W
4. Frekuensi pensaklaran :50 KHz.
Sebelum perakitan dan pengujian objek penelitian di laboratorium, terlebih dahulu dilakukan simulasi dengan bantuan software PSIM. Pengujian yang dilakukan meliputi pengamatan bentuk gelombang tegangan dan arus masukan, factor daya dan efisiensi konverter.
Bentuk gelombang tegangan dan arus pada jepit saklar semikonduktor yang melakukan
pensaklaran keras ditunjukan pada gambar 13. Dari gambar tersebut terlihat adanya persilangan antara arus dan tegangan sewaktu turn-on maupun turn-off yang akan mengurangi efisiensi dari konverter. Bentuk gelombang arus dan tegangan masukan konverter yang berupa arus bolak-balik ditunjukan pada gambar 14, dari gambar tersebut terilihat bahwa tegangan dan arus hampir tidak ada pergeseran pasa atau dengan kata lain factor daya cosφ hampir sama dengan satu.
Gambar 12. Rangkaian simulasi konverter dc-dc penaik tegangan dengan pensaklaran keras
Gambar 13. Tegangan dan arus pada saklar semikonduktor sewaktu pensaklaran keras
Gambar 14. Tegangan dan arus masukan konverter
Rangkaian untuk konverter yang menerapkan ZVS ditunjukan pada gambar 15, sedangkan bentuk gelombang tegangan dan arus pada konverter yang telah menerapkan metode ZVS dapat dilihat pada gambar 16, dari bentuk gelombang tersebut terlihat bahwa saklar semikonduktor melakukan pensaklaran tegangan nol, sesuai dengan yang direncanakan.
Gambar 15. Rangkaian simulasi konverter dc-dc penaik tegangan dengan ZVS
Gambar 16. Tegangan dan arus pada saklar semikonduktor sewaktu pensaklaran ZVS Hasil Pengujian di Laboratorium pada Kondisi Pensaklaran Keras Bentuk gelombang tegangan dan arus pada saklar semikonduktor ditunjukan pada gambar 17 dari gambar tersebut terlihat bahwa saklar melakukan pensaklaran keras, hal ini ditandai dengan adanya persilangan antara arus dan tegangan pada saklar semikonduktor sewaktu turn-on maupun
turn-off. Persilangan tegangan dan arus
tersebut dapat menyebabkan daya yang hilang, yang selanjutnya dapat mengurangi efisiensi konverter
keseluruhan.
Gambar 17. bentuk gelombang tegangan Vds dan arus Id, skala Id = 0.5 A/div, Vds = 50 V/div waktu = 10μs/div. dengan pensaklaran lunak
Vds
Ids
Gambar 18. bentuk gelombang tegangan Vds dan arus Id, skala Id = 0.5 A/div, Vds = 50 V/div waktu = 10μs/div. dengan pensaklaran lunak Dari gambar 18 (dengan pensaklaran lunak) terlihat dengan jelas sewaktu turn-on maupun turn-off tegangan Vds di nol kan terlebih dahulu sehingga rugi sewaktu turn on dan turn off dapat dikurangi.
5. Efisiensi Konverter
Untuk membuktikan bahwa dengan pensaklaran lunak efisiensi dari konverter bisa ditingkatkan maka dilakukan pengukuran daya output dan daya input pada kondisi pensaklaran lunak dan pensaklaran keras.
Tabel 5.1. Tabel hasil pengukuran efisiensi konverter No . Poutput (Wat t) η (efisiensi dalam %) Pensaklar an keras Pensaklar an lunak 1 25 65 62 2 50 68 65 3 75 70 73 4 100 72 75 5 125 71 81 6 150 69 82
Gambar 19. Efisiensi konverter sebagai fungsi daya Pout pada kondisi pensaklaran tegangan nol (ZVS) dan
pensaklaran keras 6.1. Simpulan
Dari hasil simulasi dan data-data hasil percobaan yang telah dilakukan, dapat diambil kesimpulan bahwa dengan diterapkannya metode Zero Voltage Switching (ZVS) pada saklar semikonduktor untuk konverter dc-dc penaik tegangan sebagai koreksi faktor daya beban nonlinier, efisiensinya meningkat dengan rata-rata sebesar 4%.
6.2. Saran
Melihat dari grafik, hubungan antara daya keluaran dan efisiensi dari konverter, kecenderungan bahwa efisiensi akan meningkat terutama untuk daya yang lebih tinggi. Oleh sebab itu disarankan pemakaian konverter mendekati daya nominalnya.
Daftar Pustaka
Abdelhay A.Sallam dan OMP Malik. (2011). Electric Distribution Systems . John Wiley & Sons. New Jersey.
Bor-Ren Lin and Chih-Yuan Cheng. (2011). Implementation of Paralel Zero-Voltage Switching Converter with Series-connected Transformer. International Journal and Circuit Theory and Application. Department of Electrical Engineering , National Yunlin University of Science and Technology . Taiwan.
M.Delshad. (2010). New Zero Voltage Switching Boost Type DC-DC Converter. Majlesi Journal of Electrical Engineering. Volume IV No.1 Maret 2010. Islamic Azad University, Korasgan Branch .
Anung dan Hamdani. (2009). Perbaikan Faktor Daya pada Beban Non Linier dengan Aplikasi Boost Converter. Laporan Penelitian Dosen Muda dan Kajian Wanita, 2009. Bandung: Kopertis Wilayah IV
Anung.(2006). Metode Perancangan Tapis LC dengan Kriteria Energi Minimum pada Konverter AS-AS Zeta. Prosiding KOPWIL IV, Juli 2006. Bandung: Kopertis Wilayah IV
Anung, Yanuarsyah Haroen. (2001). Reduksi Rugi-Rugi Pensaklaran pada Konverter AS-AS Zeta dengan Pensaklaran Lunak. Proceeding SMED 2001, 18-19 Juli 2001. Surabaya: ITS/PETRA
Muhammad A.Rashid. (2001). Power Electronics Handbook. Academic Press. Boston
Riwayat Penulis
Anung, adalah Dosen Tetap STT Mandala Bandung
Rahmad Hidayat, Dosen Kopertis Wilayah IV dpk di STT Mandala Bandung
