Perpustakaan Unika
MULTILEVEL DC-DC KONVERTER TIPE BOOST DENGAN MENGGUNAKAN KENDALI PROPORSIONAL INTEGRAL
TUGAS AKHIR
Oleh : APRILLIA INDAH P 03.50.0002
PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI UNIVERSITAS KATOLIK SOEGIJAPRANATA SEMARANG 2009
i
Perpustakaan Unika
PENGESAHAN
Laporan Tugas Akhir dengan judul : “MULTILEVEL DC-DC KONVERTER TIPE BOOST DENGAN MENGGUNAKAN KENDALI PROPORSIONAL INTEGRAL“ diajukan untuk memenuhi sebagian dari persyaratan dalam memperoleh gelar sarjana Teknik Elektro pada program studi Teknik Elektro di Fakultas Teknologi Industri Universitas Katolik Soegijapranata Semarang. Laporan Tugas Akhir ini disetujui pada tanggal …. Februari 2009. Semarang, …. Juni 2009 Menyetujui, Pembimbing I
(Leonardus Heru Pratomo, ST., MT.) NPP : 058.1.2000.234
Mengetahui, DEKAN FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
(Leonardus Heru Pratomo, ST., MT.) NPP : 058.1.2000.234
ii
Perpustakaan Unika
ABSTRAK
DC-DC konverter seringkali digunakan untuk mendapatkan tegangan keluaran DC variabel dari suatu sumber tegangan DC konstan. Pada tugas akhir ini akan dibahas DC-DC konverter yang di dalamnya menggunakan topologi multilevel. Teknik modulasi yang dipakai adalah PWM dengan mengkomparasikan Sinyal carrier (segitiga) dengan keluaran dari rangkaian kontrol, sehingga didapatkan pulsa yang mampu mengkonduksi saklar MOSFET. Dengan sinyal pembawa segitiga yang frekuensinya sama dan saling berkebalikan tersebut, kemudian dibandingkan dengan keluaran dari kendali PI. Sehingga tidak diperlukan kembali untuk mengendalikan tegangan kapasitor secara keseluruhan. Pada dasarnya pembuatan tugas akhir ini bertujuan untuk mendapatkan catu daya yang maksimal adalah dengan menggunakan multilevel dc-dc konverter tipe boost, sehingga tegangan keluaran DC-nya stabil dan mudah dikontrol dari multilevel DC- DC konverter dengan tipe boost tersebut.
Kata kunci : chopper, PWM.
iii
Perpustakaan Unika
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas berkat dan rahmat-Nya
sehingga
“MULTILEVEL
penyusunan
DC-DC
MENGGUNAKAN
laporan
Tugas
KONVERTER
TIPE
KENDALI
PROPORSIONAL
Akhir
dengan
BOOST
judul
DENGAN
INTEGRAL“
dapat
terselesaikan dengan baik. Dalam pelaksanaan Tugas Akhir sampai tersusunnya laporan ini, penulis telah mendapat banyak bantuan dan dukungan baik moril maupun materiil dari berbagai pihak. Oleh karena itu, penulis mengucapkan terima kasih dan penghargaan sebesar – besarnya kepada : 1. Mama ku yang tersayang, Papa yang senantiasa mengiringiku di alam sana, mbak dhani, mas fendy, jasmine, calon adiknya jasmine yang telah mendukungku selama proses kuliah yang saya jalani hingga saya dapat menyelesaikan kuliah.. 2. Bapak Leonardus Heru P. ST.MT.yang telah memberikan saya ijin untuk melaksanakan Tugas Akhir, baik dalam pengerjaan alat yang selalu memberikan saran, kritik, dan semangat hingga selama proses penyusunan laporan akhir. 3. T. Brenda Ch., ST, MT selaku dosen wali yang telah membimbing, memberi saran dan kritik kepada saya selama saya kuliah.
iv
Perpustakaan Unika
4. Mas E. Agung N dan Mas Achmad R.; selaku pendamping laboratorium, yang telah memberikan informasi mengenai segala hal yang diperlukan selama pengerjaan Tugas Akhir dan selama proses penyusunan laporan Tugas Akhir ini. 5. Seluruh Dosen dan Karyawan, yang telah banyak membantu memberikan fasilitas sehingga pengerjaan Tugas Akhir ini dapat berjalan lancar dan cepat selesai. 6. A_Bee (Always Be My Beib) yang selalu memberikan dukungan moril dan mendampingiku, thanks 4 ur support n 4 ur careness, Luv U Much... 7. Prast, Nanik, Hendra, Ms Hendy, Nando, Anton 2003 “Antz’, Anton 2002 “Baonk” yang senantiasa mengajariku. Terima kasih atas bantuannya dalam proses pengerjaan alat dan dukungannya pada saat saya mengalami kesusahan. 8. Mbak Wiwien, Bu Trisni selaku SSCC Unika yang telah membantu menyemangatiku dalam menyelesaikan TA ini. Mbak Ellok, Mbak Sendy, dek Angie Psiko’05, Ocha Sastra’08, Bima, Pascalis, Pram, Trimey, Mitha,
Wowo,
Ms
Yusuf’97
mereka
semua
yang
membantu
menyemangatiku jugaa... 9. Mas Mario’02, Mas Yudhi ’02, Mas Panggah ’02, Supermen, Totok, Bram, , Agus “Cengoh”, Christian’03, Yudi’03, Ericka ’03, Orlin teman seperjuangan dalam menggarap Tugas Akhir. Semangaaaaatttt....!!!!! \^_^/
v
Perpustakaan Unika
10. Teman-teman Kost yang selalu menemaniku Dewi A. Psiko’03, Ira Manejemen’03, Feraningrum Psiko’03, Yunita Sastra’03, Sisca Psiko’05, Wendy
Manejemen’06,
Arie
Manejemen’05,
Mbak
Minarti
Maturtenkgyuuu... ^_* 11. Abri, Krisna “Don”, Avid, Baskoro, Wisnu “Paman”, Mahardian, Ibnu “Adiyem”, Erid’05, Itok’05, Rino’05, Nicko”Cumi”, yang juga telah dan sedang berjuang menyelesaikan tugas akhirnya. Tetep semangat Broo.. Cayo.. Cayo.. 12. Bayu “Jajaank”, Panji, Arie, Wiwin, Windy, Dedy”Pedet”, Yoko”Koko”, Audy’03, Jempol’03, Tommy’03, Mbah Tanto’08, Galang’05, yang juga sedang memulai perjuangannya menyelesaikan tugas akhir. Wis pokoke kabehlah . . . (“.) Laporan Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang bersifat membangun. Akhir kata, penulis berharap semoga Laporan Tugas Akhir ini dapat memberikan manfaat bagi rekan – rekan mahasiwa dan semua orang.
Semarang,
Penulis
vi
Juni 2009
Perpustakaan Unika
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL............................................................................................................ i HALAMAN PENGESAHAN............................................................................................. ii ABSTRAK ........................................................................................................................ iii KATA PENGANTAR ....................................................................................................... iv DAFTAR ISI..................................................................................................................... vii DAFTAR GAMBAR ......................................................................................................... ix BAB I
PENDAHULUAN ............................................................................................ 1 1.1 Latar Belakang ......................................................................................... 1 1.2 Perumusan Masalah ................................................................................. 2 1.3 Pembatasan Masalah ................................................................................ 3 1.4 Tujuan Dan Manfaat ................................................................................ 3 1.5 Metodologi Penelitian .............................................................................. 3 1.6 Sistematika Penulisan .............................................................................. 4
BAB II
DASAR TEORI ................................................................................................ 6 2.1 Pendahuluan .............................................................................................. 6 2.1.1 Topologi Buck................................................................................ 7 2.1.2 Topologi Boost............................................................................... 7 2.1.3 Topologi Buck-Boost ..................................................................... 8 2.2 Boost-type PWM Converter .................................................................... 10 2.3 Kontroller ................................................................................................ 12 2.3.1 Kontroller Proporsional (P).......................................................... 13 2.3.2 Komtroller Integral (I) ................................................................. 14 2.3.3 Kontroller PI (Proporsional Integral) ............................................ 16
BAB III
PERANCANGAN MULTILEVEL DC-DC KONVERTER TIPE BOOST DENGAN KENDALI PROPORSIONAL INTEGRAL....................20 3.1 Pendahuluan ............................................................................................ 20 3.2 Rangkaian Daya ...................................................................................... 21 3.2.1 Kondisi 1 ...................................................................................... 23 3.2.2 Kondisi 2 ...................................................................................... 23 3.2.3 Kondisi 3 ...................................................................................... 24 3.2.4 Kondisi 4 ...................................................................................... 24 3.3 Strategi Kendali....................................................................................... 26
vii
Perpustakaan Unika
3.4 Pembentukan Sinyal Carrier ................................................................... 27 3.4.1 XR-2206 sebagai pembangkit gelombang segitiga...................... 27 3.4.2 Rangkaian Penguat segitiga ......................................................... 29 3.5 PWM (Pulse Width Modulation) ............................................................ 31 3.6 Rangkaian Driver .................................................................................... 33 3.7 Sistem kendali Close Loop...................................................................... 34 3.7.1 Rangkaian Error Ampliflier ......................................................... 35 3.7.2 Kontrol Proporsional Integral ...................................................... 35 BAB IV
HASIL PENGUJIAN DAN ANALISA MULTILEVEL DC-DC KONVERTER TIPE BOOST DENGAN MENGGUNAKAN KENDALI PROPORSIONAL INTEGRAL................................................... 38 4.1 Pendahuluan ............................................................................................ 38 4.2 Pengujian Rangkaian Sinyal Carrier ..................................................... 38 4.3 Pengujian Vref dan Vact ......................................................................... 40 4.4 Pengujian Sistem Proporsional Integral .................................................. 42 4.5 Pengujian Komparator dan Driver ......................................................... 43 4.6 Pengujian Tegangan Kapasitor ............................................................... 44 4.7 Simulasi Sistem Multilevel DC-DC Konverter....................................... 45
BAB V
PENUTUP........................................................................................................47 5.1 Kesimpulan ............................................................................................. 48 5.2 Saran........................................................................................................ 44
DAFTAR PUSTAKA ..................................................................................................... 49
viii
Perpustakaan Unika
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Topologi Buck...............................................................................................7 Gambar 2.2 Topologi Boost .............................................................................................8 Gambar 2.3 Topologi Buck-Boost ...................................................................................8 Gambar 2.4 Rangkaian DC-DC Boost Type Konverter...................................................... 10 Gambar 2.5 Operasi Kerja normal Rangkaian Boost Konverter.....................................11 Gambar 2.6 Diagram Kontroler Proporsional.................................................................13 Gambar 2.7 Rangkaian Kontrol Proporsional.................................................................13 Gambar 2.8 Diagram Blok Kontroler Integral................................................................15 Gambar 2.9 Rangkaian Kontrol Integral.........................................................................15 Gambar 2.10 Diagram Blok Proporsional Integral ...........................................................17 Gambar 2.11 Rangkaian Kontrol Proporsional Integral ...................................................18 Gambar 3.1 Rangkaian Daya Boost type PWM Konverter..............................................21 Gambar 3.2 Prinsip Kerja Boost type PWM Konverter ..................................................22 Gambar 3.3 Rangkaian Kondisi 1...................................................................................23 Gambar 3.4 Rangkaian Kondisi 2....................................................................................23 Gambar 3.5 Rangkaian Kondisi 3....................................................................................24 Gambar 3.6 Rangkaian Kondisi 4....................................................................................25 Gambar 3.7 Blok Diagram rangkaian Daya dan Sistem Kendali ....................................26 Gambar 38 Kendali Boost-type PWM Konverter............................................................26 Gambar 3.9 Rangkaian XR-2206 sebagai Pembangkit Gelombang Segitiga..................28 Gambar 3.10 Gelombang Segitiga dari XR-2206..............................................................28
ix
Perpustakaan Unika
Gambar 3.11 Rangkaian Pembentuk Gelombang Segitiga..............................................30 Gambar 3.12 Keluaran Gelombang Segitiga ...................................................................31 Gambar 3.13 Pulse Width Modulation ............................................................................32 Gambar 3.14 Rangkaian Driver MOSFET.......................................................................33 Gambar 3.15 Diagram Blok Error...................................................................................35 Gambar 3.16 Diagram Blok Kendali PI...........................................................................36 Gambar 3.17 Rangkaian Kendali Proporsional Integral ..................................................37 Gambar 4.1
Sinyal Keluaran Penguat Segitiga............................................................. 39
Gambar 4.2 Sinyal Penguatan Segitiga yang berkebalikan ...........................................40 Gambar 4.3
Hasil Keluaran sinyal aktual ......................................................................41
Gambar 4.4
Hasil Keluaran sinyal referensi ..................................................................41
Gambar 4.5
Sinyal Keluaran Kendali PI dan Segitiga Carrier ....................................42
Gambar 4.6
Sinyal Pulsa Pewaktuan .............................................................................43
Gambar 4.7
Sinyal Keluaran Tegangan Kapasitor atas .................................................44
Gambar 4.8
Sinyal Keluaran Tegangan Kapasitor Bawah ............................................45
Gambar 4.9
Hasil Simulasi tegangan Keluaran boost-type PWM Konverter ................46
x
