RANCANG BANGUN BUCK BOOST KONVERTER Feri Yusivar dan Suryo Mochamad Hidayat Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Indonesia Kampus Baru UI, Depok 16424, Indonesia Real Time Measurement and Control Research Group E-mail:
[email protected] [email protected]
ABSTRAK Perkembangan teknologi saat ini, banyak aplikasi yang membutuhkan sumber catu daya dc di mana tegangan keluarannya dapat diubah-ubah sesuai kebutuhan pemakaian. Penerapan sistem buckboost konverter sebagai salah satu regulator dc tipe switching dapat menjawab kebutuhan tersebut dengan mewujudkan sebuah sumber tegangan searah dengan tegangan keluaran yang variabel. Dengan sistem buckboost konverter, nilai tegangan keluaran dapat diatur untuk lebih besar maupun lebih kecil dari nilai tegangan masukannya dengan mengatur lebar pulsa (duty cycle) pada PWM yang dihasilkan dari pemrograman pada mikrokontroler. Sehingga proses regulasi tegangan keluaran pada buckboost konverter dapat dilakukan lebih mudah. Pada laporan skripsi ini dibahas rancang bangun buckboost konverter. Tingkat efisiensi dan pengaruh dari penggunaan komponen switching merupakan faktor utama dalam menganalisa performansi dari buckboost sebagai salah satu regulator dc tipe pensaklaran. Kata Kunci: buckboost konverter, PWM, efisiensi
ABSTRACT Current technological developments, many applications that require dc power supply source where the output voltage can be altered according to usage needs. Implementation buckboost converter system as one type dc switching regulator can answer those needs by establishing a DC voltage source with variable output voltage. With buckboost converter system, the value of the output voltage can be adjusted for larger or smaller than the value of the input voltage by adjusting the pulse width (duty cycle) at the PWM generated from the microcontroller programming. So that the regulatory process in buckboost converter output voltage can be done more easily. In this thesis report buckboost converter design are discussed. Level of efficiency and impact of the use of switching component main factor in analyzing the performance of buckboost as one type of dc switching regulators. Keywords: buckboost converter, PWM, eficiency
I.
PENDAHULUAN
Perkembangan teknologi komponen dan rangkaian elektronika telah mampu menghasilkan sistem penyedia daya tegangan searah (dc), yang dihasilkan melalui konversi tegangan dc masukan ke bentuk tegangan dc keluaran yang lebih tinggi atau lebih rendah. Konversi tegangan dc ini biasa disebut sebagai dc–dc konverter. Pada perkembangannya, penerapan dc–dc konverter telah memungkinkan suatu perangkat elektronika dapat berfungsi dengan menggunakan sumber energi baterei yang berukuran kecil di mana tegangan keluarannya dapat diubahubah sesuai kebutuhan pemakaian. Hingga saat ini, berbagai konfigurasi dc–dc konverter telah banyak dikembangkan, diantaranya adalah jenis dc–dc
konverter yang tidak memiliki isolasi dielektrik antara tegangan masukan dan keluaran, atau biasa disebut sebagai non-isolated dc–dc konverter. Sistem buckboost konverter merupakan salah satu regulator dc tipe switching non-isolated yang dapat menjawab kebutuhan akan sebuah sumber tegangan searah dengan tegangan keluaran yang variabel. Dengan sistem buckboost konverter, nilai tegangan keluaran dapat diatur untuk lebih besar maupun lebih kecil dari nilai tegangan masukannya dengan mengatur besar lebar pulsa (duty cycle) dari PWM (Pulse Width Modulation). Karena itu, dibandingkan dengan regulator dc tipe pensaklaran lainnya, buckboost konverter memiliki range tegangan keluaran yang lebih lebar.
Pembangkit PWM digunakan mikrokontroler yang telah diprogram untuk menghasilkan PWM dengan beberapa besar lebar pulsa dan frekuensi. Jadi, dengan adanya skripsi ini akan diketahui tingkat efisiensi dan pengaruh komponen switching dari penggunaan buckboost konverter sebagai salah satu regulator dc tipe pensaklaran. II.
DESIGN BUCK BOOST KONVERTER
ke tegangan yang lebih rendah atau lebih tinggi levelnya dengan polaritas yang berbeda dengan inputnya. Ada 4 komponen utama yaitu MOSFET sebagai saklar, dioda, induktor, kapasitor sebagai filter dan resistor yang bisa dianggap sebagai beban. MOSFET digunakan sebagai power komponen dan kontrol switching yang menggunakan PWM, di mana switching diaplikasikan dengan perbandingan Ton (waktu saat switch tertutup) dan T (waktu satu periode pulsa = Ton + Toff), atau diketahui dengan nama Duty cycle (D).
Buckoost konverter berfungsi untuk mengubah level tegangan DC, baik ke level yang lebih tinggi maupun ke level yang lebih rendah. Namun buckboost konverter mengubah polaritas dari tegangan output terhadap tegangan input.[2] Penggunaan buckboost konverter ini karena tegangan output dari solar cell selalu berubah berdasarkan perubahan intensitas cahaya yang jatuh pada permukaan solar cell.
Perbedaaan nilai duty cycle ini akan menyebabkan perubahan juga pada duty ratio pada komponen lain sehingga menyebabkan perubahan tegangan rata-rata pada output. Bila D > 0,5 maka nilai tegangan ouput akan lebih besar dari tegangan input dan bila D < 0,5 maka tegangan ouput akan lebih kecil dari tegangan input.
Besar dan kecilnya nilai tegangan output diatur berdasarkan duty cycle (D) PWM pada switch. Bila D > 0,5 maka output akan lebih besar dari input. Sedangkan bila D < 0,5 maka output akan lebih kecil dari input dan Vin = Vout saat D = 0,5.[2]
Tabel 2 Nilai Vout terhadap Vs berdasarkan duty cycle (D) Duty Cycle PWM (D) Vs, Vout D > 0,5 Vout > Vs D < 0,5 Vout < Vs D = 0,5 Vout = Vs
Tabel 1 Spesifikasi Buckboost Konverter Parameter Nilai Tegangan Input 12 Vdc (Vs) Dmin = 5 % Duty Cycle (D) Dmax = 65 % Resistansi Beban RL(max) = 100 Ω (RL) RL(min) = 2.5 Ω Frekuensi Fs1 = 16.2 KHz Switching (Fs) Fs2 = 31.37 KHz Mikrokontroler Kontroler PWM ATMEGA8535 Ripple Tegangan < 1% (∆Vo)
Saat switch on, induktor mendapat tegangan dari input dan mengakibatkan adanya arus yang melewati induktor berdasarkan waktu dalam waktu yang sama, kapasitor dalam kondisi membuang (discharge) dan menjadi sumber tegangan dan arus pada beban. Saat switch off, tegangan input terputus menyebabkan mulainya penurunan arus dan menyebabkan ujung dioda bernilai negatif dan induktor mensuplai capasitor (charge) dan beban. Jadi pada saat switch on arus beban disuplai oleh kapasitor, namun pada saat switch off disuplai oleh induktor. Perancangan Buckboost Konverter [1] Step – 1: Menentukan tegangan output (Vout) Tabel 3 Nilai Vout Dmin = 5% Dmax = 65% 0.05
Vout = -12 1−0.05 Vout = -0.63 V
0.65
Vout = -12 1−0.65 Vout = -22.3 V
Step – 2: Menentukan arus output (Iout) 𝑉𝑜𝑢𝑡 𝑉𝑜𝑢𝑡 Iout(min) = R Iout(max) = R L (max )
L (min )
(1)
Dengan RL(max) = 100 Ω dan RL(min) = 2.5 Ω Gambar 1 Rangkaian buckboost konverter Prinsip Kerja Rangkaian: DC DC konverter yang digunakan adalah buck boost converter dengan kontrol PWM (Pulse Width Modulation). Buckboost konverter adalah tipe konverter yang berfungsi meregulasi tegangan input
Iout Minimum Maximum
Tabel 4 Nilai Iout Dmin = 5% Dmax = 65% Iout(min)=6.3mA Iout(min)=223 A Iout(max)=252 mA Iout(max)=8.92 A
Step – 3: Menentukan daya output (Pout) Menentukan daya output maksimum dan minimum adalah : Pout(min) = Vout x Iout(min) (2) Pout(max) = Vout x Iout(max) Tabel 5 Nilai Pout Pout Pout(min) Pout(max)
Dmin = 5% 0.00397 W 0.16 W
Dmax = 65% 4.97 W 198.9 W
Step – 4: Menentukan nilai induktor minimum (Lmin) Pada perancangan buckboost ini digunakan mode CCM, sehingga digunakan parameter Lmin. Induktor berfungsi sebagai pengatur ripple arus pada rangkaian dan penyimpan energi. Frekuensi switching 31.37 KHz. a. Dmin = 5% 100(1−0.05) 2
Lmin = 2𝑥31.37𝑥103 Lmin = 1.44 mH b. Dmax = 65%
100(1−0.65) 2
Lmin = 2𝑥31.37𝑥103 Lmin = 15 uH
Jadi, dari data di atas dengan perhitungan pada dua frekuensi dan duty cycle yang berbeda, nilai Lmin terbesar adalah 1.44 mH (Fs = 31.37 KHz dan D = 0.05). Maka dipilih induktor dengan nilai 100 mH. Pemilihan nilai induktor lebih besar dari Lmin (L>Lmin) agar sistem buckboost konverter bekerja pada Continious Current Mode (CCM). Paling tidak harus lebih besar 25% dari nilai minimum (sumber = Introduction to power electronic, Daniel W Hart). Sehingga arus induktor selalu dalam nilai yang tidak pernah 0 saat steady state (mode CCM). Step – 5: Menentukan arus peak to peak pada induktor ( ∆iL(min)) Fs = 31.37 KHz a. Dmin = 5% 0.63(1−0.05) ∆iL(min) = 31.37𝑥103 𝑥100𝑥 10−3 ∆iL(min) = 0.19 mA b. Dmax = 65% 22.3(1−0.65) ∆iL(min) = 3
31.37𝑥10 𝑥100𝑥 10−3
∆iL(min) = 2.5 mA Step – 6: Menentukan fungsi transfer tegangan (MVDC) Fungsi transfer tegangan digunakan untuk menentukan Dmin, Dnom dan Dmax saat perancangan dengan nilai output yang tetap serta memperhatikan juga nilai efisiensi dari spesifikasi rangkaian.
𝑉𝑜𝑢𝑡
MVDC = 𝑉𝑖𝑛 a. Dmin = 5% 0.63 MVDC= = 0.0525 12
(3) b. Dmax = 65% 22.3 MVDC= =1.86 12
Step – 7: Menentukan arus dc input maksimum dengan Vin 12V (Iimax) Iimax merupakan arus input yang mengalir pada rangkaian. Untuk menentukan nilai arus input dapat dilihat pada persamaan berikut: Iimax = MVDC x Iout(max) (4) a. Dmin = 5% Iimax=0.052x0.252 Iimax = 0.013 A
b. Dmax = 65% Iimax = 1.86 x 8.92 Iimax = 16.59 A
Step – 8: Menentukan current stresses pada komponen semikonduktor (ISM (max)) ∆iL (min ) ISM (max)=IDM (max) = Iimax+Iout(max)+ (5) 2
a. Dmin = 5% ISM (max) = 0.013 + 0.252 + 0.00019 ISM (max) = 0.265 A b. Dmax = 65% ISM (max) = 16.59 + 8.92 + 0.0024 ISM (max) = 25.51 A Step – 9: Menentukan voltage stresses pada komponen semikonduktor (VSM (max)) Untuk menentukan nilai VSM (max), dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan: VSM(max) = VDM(max) = Vs + Vo = a. Dmin = 5% VSM(max)=0.63+12 VSM(max)=12.63 V
Vo
𝐷𝑚𝑖𝑛
(6)
b. Dmax = 65% VSM(max)=22.3+12 VSM (max) = 34.3 V
Dari data hasil perancangan di atas, dipilih MOSFET sebagai komponen switching dengan tipe p-channel yaitu power MOSFET produksi International Rectifier IRF4905 dengan spesifikasi VDSS= -55 V, ISM = -74 A, rDS = 0.02 Ω, Co = 1400 pF dan Qg = 180 nC. Penggunaan p-channel dikarenakan lebih sesuai dengan karakteristik buckboost konverter sebagai voltage inverting. Selain itu, p-channel tidak terjadi pengurangan tegangan akibat VT . Sehingga pada rangkaian buckboost konverter, nilai tegangan level high pada induktor hampir mendekati atau sama dengan nilai tegangan input (VLON ≈ Vin). Untuk dioda dipilih dioda schottky 1N5822 dengan spesifikasi IF(AV) = 3A, VF = 0.525 V, VDM = 40V dan RF = 0.175 Ω. Selanjutnya merupakan perancangan untuk menentukan nilai Cout untuk mengurangi ripple tegangan pada output.
Step – 10: Menentukan nilai kapasitor output (Cout) Kapasitor output digunakan sebagai pengurang ripple tegangan yang disebakan kenaikan nilai beban. Selain nilai kapasitansi dari kapasitor, nilai ESR kapasitor juga menentukan nilai ripple tegangan. Untuk performance yang baik, maka gunakan kapasitor dengan nilai ESR yang rendah atau lebih kecil dari nilai ESR dari perancangan. 1 Ripple Voltage = Vr = 100 x Vout (7)
b.
Asumsi, nilai ESR induktor adalah 50 mΩ. maka daya yang dihasilkan pada induktor (PrL) menjadi: PrL = rL x ILrms2 D=65%, PrL= 0.05 x 25.4862 = 32.5 W
c.
Total power losses pada MOSFET dapat dihitung dengan menentukan daya switching (Psw) dan daya saat MOSFET konduksi (Prds(on)) terlebih dahulu. Arus switching dapat dihitung dengan persamaan:
Equivalent Series Resistance (ESR) 𝑉𝑟𝑐𝑝𝑝 rcmax = 𝐼 = ESR
Isrms =
𝐷𝑀 (𝑚𝑎𝑥 )
(8)
Di mana, Vrcpp adalah tegangan ripple peak-topeak dan IDM (max) = ISM (max). Ripple Voltage pada kapasitor filter (Vcpp) Vcpp = Vr – Vrcpp (9) Nilai kapasitor minimum (Cmin) 𝐷 𝑉𝑜𝑢𝑡 Cmin = 𝐹𝑠.𝑅 𝑥 𝑉𝑐𝑝𝑝 𝐿𝑚𝑖𝑛
(10)
a. D = 5% 1 Vr = 100 x 0.63 V = 6.3 mV Asumsi, Vrcpp = 5 mV
5𝑥 10−3
d.
𝐼𝑜𝑢𝑡 (𝑚𝑎𝑥 ) 2
D = 65% PRF = 0.044 x
8.92
1−𝐷
(14) (15)
2
= 10 W
1−0.65
PVF = 0.525 x 8.92 = 4.683 W PD = 10 + 4.683 = 14.683 W
Jadi, untuk penggunaan kapasitor filter ripple dipilih 10000uF/50V dengan asumsi nilai ESR 10 mΩ.
= 25.486 A
= 20.55 A
Daya saat dioda konduksi, PD = PVF + PRF. Pada rangkaian buckboost ini digunakan dioda diparalel empat buah untuk menghindari kerusakan komponen akibat arus yang berlebih. Sehingga nilai RF menjadi 0.044 Ω. PRF = RF.IDrms2 = RF x PVF = VF x Iout(max)
rcmax = = 7.8 mΩ 25.51 Vcpp = (223 – 220) mV Vcpp = 23 mV Fs = 31.37 KHz 0.65 22.3 Cmin= 31.37𝑥103 𝑥2.5 𝑥 23𝑥 10−3 Cmin = 8036 uF
8.92
1−0.65
Daya switching MOSFET: Psw = 𝐹𝑠. 𝐶𝑜. 𝑉𝑆𝑀 2 = 𝐹𝑠. 𝐶𝑜(𝑉𝑖𝑛 + 𝑉𝑜𝑢𝑡)2 D = 65% Psw(31.37KHz)= 1.37𝑥103 𝑥1400𝑥10−12 (12 + 22.3)2 = 52 mW
200𝑥 10 −3
1−0.65
D = 65%, Isrms =
8.92 0.65
Daya saat MOSFET konduksi: Prds(on) = rDS x Isrms2. Dan rDS MOSFET 20 mΩ. D = 65%, Prds = 0.02 x 20.552 = 8.45 W
b. D = 65% 1 Vr = x 22.3 V = 223 mV 100 Asumsi, Vrcpp = 200 mV
D = 65%, ILrms =
(12)
1−𝐷
Sehingga PFET dapat dihitung dengan persamaan (tanpa power gate driver): 𝑃𝑠𝑤 PFET = Prds + 2 (13) D = 65% 0.052 PFET (31.37KHz) = 8.45 + 2 W = 8.476 W
rcmax = 0.265 = 18.87 mΩ Vcpp = (6.3 – 5) mV Vcpp = 1.3 mV Fs = 31.37 KHz 0.05 0.63 Cmin= 31.37𝑥103 𝑥2.5 𝑥 1.3𝑥10−3 Cmin = 309 uF
Step – 11: Menentukan power losses (PLS) a. Arus rms induktor (ILrms) dan daya 𝐼𝑜𝑢𝑡 (𝑚𝑎𝑥 ) IL rms = 1−𝐷
𝐼𝑜𝑢𝑡 (𝑚𝑎𝑥 ) 𝐷
(11)
e.
Daya yang disebabkan ESR pada kapasitor filter adalah: (Asumsi, ESR = rc = 0.01Ω). Untuk menentukan nilai Prc, dapat dilihat pada persamaan 2.27. Prc = 0.01 x
8.92
0.65 1−0.65
2
= 1.479 W
Jadi, total power losses (PLS) adalah PLS = Prds + Psw + P D + PrL + Prc PLS(31.37KHz) = 8.45 + 0.052 + 14.683 + 1.479 + 32.5 = 57.164 W Step – 12: Efisiensi (η) buckboost konverter 𝑃𝑜𝑢𝑡 (max ) η = 𝑃𝑜𝑢𝑡 𝑚𝑎𝑥 +𝑃 x 100% 𝐿𝑆
(16)
198.9
η (31.37KHz) = 198.9+57.164 x 100% = 77.67% Dari data perancangan buckboost konverter pada kondisi Dmax dan Iout(max) nilai efisiensi rangkaian buckboost (η) adalah 77.67% (Fs = 31.37 KHz) Tabel 6 Daftar Komponen Komponen Q1
Spesifikasi IRF4905N
L1 C1 D1
100 mH 10000 uF/50 V 1N5822
RB RG
1 KΩ + 1% (1/2W) 100 Ω + 5% (2W)
Rdummy Q2 U1
100 Ω + 5% (5W) 2N2222N ATMEGA8535
Rancangan Rangakain Buck Boost Converter:
spesifikasi yang dibutuhkan. Mikrokontroler yang digunakan ATMEGA8535. Pada minimum sistem untuk AVR terpasang kristal (XTAL) sebesar 16 M sebagai clock CPU mikrokontroler. Dengan resolusi 8 bit, maka variasi perubahan PWM sebanyak 28 = 256 variasi mulai dari 0 – 255 perubahan nilai. Untuk mengatur nilai duty cycle, dapat diatur nilai pembandingnya (compare) mulai dari 0 berarti 0% hingga 255 berarti 100%.[6] Pada perancangan frekuensi switching, nilai frekuensi diharapkan besar. Maka dengan kristal sebesar 16 M, prescale 1, compare A dan jenis komparator clear down, didapat nilai frekuensi switching sebesar: 16000000 1 Fs = 𝑥 = 31.37 KHz 255 2 Perbandingan PWM antara keluaran OC1A dengan VG terlihat seperti pada gambar berikut: 5V PWM 0 VGS VG 0
VDS
OFF
ON
OFF
ON
OFF
ON
OFF
ON
OFF
ON
Gambar 3 Pulsa keluaran mikrokontroler dan gate MOSFET Perancangan nilai duty cycle tergantung nilai compare-nya, di mana 0 – 255 = 0 – 100%. Maka nilai compare untuk setiap duty cycle: D=5% => (255*5)/100 = 12.75 ≈ 13 D = 25 % => (255*25)/100 = 63.75 ≈ 64 D = 50 % => (255*50)/100 = 127.5 ≈ 128 D = 65 % => (255*65)/100 = 165.75 ≈ 166 Tabel 7 Nilai compare PWM berdasarkan nilai duty cycle Nilai Nilai D (%) D (%) Compare Compare
Gambar 2 Rangkaian buckboost converter Perancangan Pembangkit Frekuensi dan PWM PWM (Pulsed Width Modulation) merupakan parameter yang penting agar rangkaian buckboost konverter dapat bekerja sesuai dengan fungsinya. PWM merupakan suatu metode pengaturan tegangan dengan mengubah atau mengatur periode ON (Ton) pada tegangan berfrekuensi dengan periode frekuensi yang tetap atau sama. Frekuensi switching (Fs) pada rangkaian buckboost dibangkitkan dengan fungsi timer1 pada PWM1a (PORTD.5) mikrokontroler. Dengan mikrokontroler, nilai frekuensi dan duty cycle untuk PWM dapat diatur sesuai dengan
5 10 15
13 26 38
40 45 50
104 115 128
20 25 30 35
52 64 78 89
55 60 65 70
140 153 166 179
Dalam perancangan ini digunakan PWM1a dan untuk mengatur PWM dan besar frekuensi dapat dilakukan dengan mengatur timer 1 dengan perintah program pada Basic Compiler seperti berikut: Config Timer1 = Pwm , Pwm = 8, Compare A Pwm = Clear Down, Prescale = 1
Pwm1a = 13
; Nilai duty cycle = 5%
III. MODEL EMPIRIS BUCKBOOST KONVERTER Pemodelan sistem dilakukan secara empiris dengan melakukan pengambilan data dari sistem yang akan diukur untuk melihat karakteristik input dan output sistem. Hasil pengambilan data tersebut kemudian dimodelkan menjadi sistim ber-orde satu dengan dead time. Untuk menentukan parameter dari model tersebut, akan dilakukan perhitungan sederhana dari grafik (dengan menggunakan metode process reaction curve) yang dihasilkan selama pengambilan data. Model dinamis yang didapatkan ini kemudian akan digunakan sebagai model untuk menentukan parameter tuning pada PID sehingga didapatkan hasil pengendalian yang optimal. Grafik pengambilan data dengan metode process reaction curve ditunjukkan oleh gambar 3.
t28% = waktu dibutuhkan untuk mencapai 28% dari nilai akhir (dapat dilihat pada gambar respons keluaran) 3. Memodelkan sistem Gp(s) sebagai model orde satu dengan dead time sesuai persamaan (18):
K p e s Y ( s) G p ( s) X ( s) s 1
(18)
Pengambilan data dilakukan pada beban 20Ω dengan Fs 31.37 KHz dan PWM 30% ke 50. Setelah pengambilan data, grafik dari karakteristik output terhadap input ditunjukkan sebagai berikut: Data dan Pemodelan Sistem saat PWM 30% ke 50%
Gambar 5 Data output sistem terhadap input step 0.3 ke 0.5
Gambar 4 Metode Process Reaction Curve[8] Langkah identifikasi model dengan metode ini adalah sebagai berikut: 1. Mencari kurva response tanpa sistem pengendali yang dianggap paling ideal dengan mengatur besar input step. 2. Menghitung parameter Kp (gain), θ (dead time), dan τ (time constant) berdasarkan gambar 4 yang dinyatakan dalam persamaan (17) dimana:[8]
K p /
t 28%
1.5(t 63% t 28% ) t 63%
t 63%
3 (17)
Keterangan: = perubahan magnitude steady state pada output = perubahan magnitude steady state pada input t63% = waktu dibutuhkan untuk mencapai 63% dari nilai akhir
Pemodelan sistem akan dilakukan antara input tegangan step dan tegangan output sehingga didapatkan model sistem sesuai persamaan (19): ∆ = V50% - V30% = -12.8 – (-5.9) = -6.9 0.63∆ = -4.347 => V63% = -5.9+(-4.347) = -10.247 0.28∆ = -1.932=> V28% = -5.9+(-1.932) = -7.832 T1 = 1.9 ms ; T2 = 5.6 ms Analisa: δ = 50% - 30% = 20% = 0.2
Kp = ∆/ δ = -6.9/0.2 = -34.5
τ = 1.5(5.6 – 1.9)x10-3 = 5.55x10-3 s = 0.00555 s
θ = (5.6 – 5.55) x10-3= 0.00005 s
Jadi,
Fungsi
Step
pada
PWM
30
-
50%:
( 0.05x103 ) s
Y ( s) 34.5.e X ( s) 0.00555s 1
(19)
Persamaan sistem orde pertama dengan dead time tersebut kemudian disimulasikan dengan simulink MATLAB sehingga didapatkan hasil sesuai dengan Gambar 6.
Dari data hasil pengukuran didapat nilai efisiensi yang telah dikonversikan ke dalam grafik seperti pada Gambar 8 dan 9.
Input Step
Tegangan Output
Gambar 6 Respon keluaran dan input step 0.3 ke 0.5 IV. HASIL PENGUJIAN BUCK BOOST
Gambar 8 Grafik perbandingan efisiensi terhadap perubahan beban dan duty cycle PWM pada Fs 31.37 KHz
Dalam subbab ini akan dibahas mengenai hasil dari pengujian buckboost dan analisa dari data yang didapatkan. Pengujian Efisiensi Buckboost Konverter Pengujian efisiensi buckboost konverter dilakukan dengan memberikan sumber tegangan dc 12V dan diberikan beban bervariasi. Beban yang diberikan berupa variabel resistansi (rheostat) dengan nilai resistansi maksimum 40Ω. Besar beban resistansi yang akan diuji adalah 100 Ω, 35 Ω, 20 Ω, 8 Ω, 4.6 Ω dan 2.5 Ω. Sedangkan frekuensi switching yang akan diujikan sebesar 31.37 KHz dan 16.2 KHz. Pada rangkaian buckboost terpasang dummy load sebesar 100 Ω sehingga bila beban resistansi terpasang maka nilai resistansi pada beban tidak sesuai dengan beban resistansi yang akan diuji. Nilai beban resistansi saat terpasang menjadi 25.9 Ω (RL = 35 Ω ), 16.67 Ω (RL = 20 Ω), 7.4 Ω (RL = 20 Ω), 4.4 Ω (RL = 4.6 Ω) dan 2.4 Ω (RL = 2.5 Ω). Dari data hasil pengukuran didapat nilai efisiensi dari perbandingan antara daya pada beban dengan daya pada masukan atau sumber. Untuk pengaturan tegangan keluaran digunakan PWM sebagai switching dengan besar duty cycle kelipatan lima (5% < D < 65%). Konfigurasi pengujian seperti pada Gambar 7.
Gambar 9 Grafik perbandingan efisiensi terhadap perubahan beban dan duty cycle PWM pada Fs 16.2 KHz Tabel 8 Hasil pengukuran pada beban resistansi 20Ω dan Fs 31.37 KHz
D (%)
Vin (V)
Iin (A)
Pin (W)
Rload = 20 Ω Vout Iout (V) (A)
Pout (W)
η (%)
5
12
0.029
0.348
-1.164
-0.059
0.069
19.73
10
12
0.051
0.612
-1.905
-0.097
0.185
30.19
15
12
0.078
0.936
-2.689
-0.135
0.363
38.78
20
12
0.122
1.464
-3.731
-0.186
0.694
47.4
25
12
0.177
2.124
-4.74
-0.236
1.119
52.67
30
12
0.272
3.264
-6.09
-0.307
1.87
57.28
35
12
0.373
4.476
-7.3
-0.367
2.679
59.86
40
12
0.572
6.864
-9.23
-0.467
4.31
62.8
45
12
0.779
9.348
-10.88
-0.549
5.973
63.9
50
11.9
1.132
13.471
-13.14
-0.663
8.712
64.67
55
11.8
1.607
18.963
-15.57
-0.786
12.238
64.54
60
11.8
2.37
27.966
-18.65
-0.937
17.475
62.49
65
11.6
3.55
41.18
-22.22
-1.12
24.886
60.43
Berdasarkan Tabel 8, terbukti bahwa buckboost konverter merupakan dc-dc konverter yang dapat menghasilkan tegangan keluaran lebih kecil dan lebih besar dari tegangan masukan (Vout < Vin < Vout). Selain itu, polaritas tegangan keluaran berbanding terbalik dengan tegangan masukan (voltage inverting). Gambar
7
Konfigurasi konverter
pengujian
buckboost
Dari data hasil pengujian dengan berbagai bsar beban, dapat dihitung besar power losses pada masing-masing komponen switching. Besarnya
power loses pada komponen switching dapat dilihat pada Gambar 9.
semakin besar nilai %D maka semakin besar nilai tegangan output. Pada perancangan PWM, besar frekuensi tergantung dari pengaturan prescale dan XTAL. Pada pengujian, besar prescale = 1 dan XTAL = 16 M. Maka nilai frekuensi: Fs =
16000000 255
1
𝑥 = 31.37 KHz 2
Untuk mengatur duty cycle, pada program diatur nilai compare-nya. D = 15 % => (255*15)/100 = 38.25 ≈ 38 D = 30 % => (255*30)/100 = 76.5 ≈ 78 D = 45 % => (255*45)/100 = 114.75 ≈ 115 D = 60 % => (255*60)/100 = 153 ≈ 153 Hasil pengujian PWM dapat dilihat pada Gambar 10 di mana Fs = 31.37 KHz. Ch 1 = VGate dan Ch 2 = PWM. Duty cycle yang diuji adalah D = 15%, D = 30%, D = 45% dan D = 60%. VGate
PWM
Gambar 9 Nilai power losses pada induktor, dioda dan MOSFET dengan Fs = 31.37 KHz dan IRF4905 Dari data di atas dapat disimpulkan bahwa faktor penyebab rendahnya efisiensi buckboost konverter pada beban besar adalah induktor. Selain nilai hambatan dalamnya yang besar, induktor juga langsung terhubung ke ground (GND). Sehingga ada arus yang besar melewati induktor tersebut, di mana arus yang besar akan meningkatkan daya pada induktor dan MOSFET. Hal ini dapat dilihat pada Tabel 8, bahwa pada saat D > 50% maka efisiensi akan turun dikarenakan level high dari PWM lebih dominan sehingga arus yang besar akan dominan terhubung ke GND. Arus yang besar ini yang mengakibatkan daya pada induktor meningkat. Keadaan seperti ini yang menyebabkan nilai duty cycle tidak boleh 100%, karena bila D = 100 %, maka arus akan langsung mengalir ke GND dan MOSFET menjadi damage karena over current. Sebaiknya pengguanaan duty cycle lebih kecil sama dengan 80% bila beban kecil. Pengujian PWM Perubahan nilai bit pada register PWM1a akan merubah nilai %dutycycle, perubahan nilai %D akan menyebabkan perubahan pada tegangan output,
(a) VGate
PWM
(b) VGate
PWM
(c)
5.
VGate
PWM
6.
7. (d) Gambar 10 Channel 1 VGS dan Channel 2 PWM (a) D=15%, (b) D=30%, (c) D=45%, (d) D=60% Dari pengujian PWM, terjadi perbedaan antara nilai D hasil perancangan dan hasil pengujian. Namun perbedaannya tidak signifikan, hal ini disebakan pembulatan nilai compare pada program PWM1a. Pada channel 1 merupakan VGS yang besar duty cycle-nya berbanding terbalik dengan PWM. Untuk pengujian PWM, tingkat kesalahannya kecil. Sehingga nilai duty cycle PWM pengujian dengan perancangan sesuai.
8.
9.
Dari data analisa dan pengujian, penggunaan jenis MOSFET sangat mempengaruhi efisiensi dan tegangan keluaran. Nilai RDS yang besar mengakibatkan power losses yang besar pada MOSFET sehingga efisiensi semakin turun. Faktor terbesar daya yang hilang adalah induktor sekitar 88% dari keseluruhan power losses. Nilai rL yang besar sekitar 0.32 Ω mengakibatkan power losses yang besar terutama pada arus yang besar. Kondisi power losses terbesar terjadi pada beban 2.5Ω. Pada pengujian PWM, nilai duty cycle masih dalam toleransi perancangan. Perbedaan nilai yang kecil dikarenakan pembulatan nilai compare pada program PWM. Penggunaan duty cycle di atas 50% cukup kritis dan sebaiknya digunakan pada duty cycle di bawah 80 % untuk beban kecil, karena pada kondisi tersebut level high lebih dominan sehingga arus lebih mengalir ke GND. Bila duty cycle terus dinaikan maka arus akan lebih banyak mengalir ke GND. Sehingga terjadi over current dan bisa merusak MOSFET. Fungsi step dari respon buck boost konverter adalah sebagai berikut: Fungsi Step pada PWM 30 - 50%: 3
V.
Berdasarkan hasil pengujian dan analisa dapat disimpulkan bahwa: 1. Buckboost dapat menghasilkan tegangan keluaran lebih besar atau lebih kecil dari tegangan masukan. Polaritas tegangan keluaran buckboost berbanding terbalik dengan tegangan masukan (voltage inverting). Tabel 9 Nilai Vout terhadap Vs berdasarkan duty cycle (D) Duty Cycle PWM (D) D > 0,5 D < 0,5 D = 0,5 2.
3.
4.
Y ( s) 34.5.e ( 0.05x10 ) s X ( s) 0.00555s 1
KESIMPULAN
Vs, Vout Vout > Vs Vout < Vs Vout = Vs
Nilai efisiensi pada rangkaian buckboost adalah rendah. Terutama pada beban yang besar. Hal ini dikarenakan banyaknya daya yang hilang pada komponen switching. Efisiensi dari dua besar frekuensi switching yang berbeda dengan beban yang sama nilai efisiensi tidak jauh berbeda. Hanya pada saat Rload 4.6 Ω, pada Fs 31.37 KHz nilai efisiensi naik pada D=50%. Pada PWM rendah, nilai efisiensi juga rendah. Hal ini dikarenakan nilai tegangan dan arus keluaran kecil. Sedangkan pada saat arus mengalir maka ada daya yang hilang pada komponen switching.
PUSTAKA [1] Kazimierczuk,Marian. (2008). Pulse-width Modulated DC-DC Power Converters”. Wright state University Dayton, Ohio, USA. [2] W.Hart,Danil. (1997). Introduction to Power Electronics. Valparaiso University, Indiana: Prenice-Hall International, Inc. [3] Yuk-Ming Lai, Siew-Chong Tan, and Chi-Kin Wu. Design of a PWM Based Sliding Mode Controlled Buck-Boost Converter in Continuous-Conduction-Mode. Hongkong Polytechnic Unversity. [4] Ananaba, Kemjika. Design and Implementation of a Buck Converter. [5] Arindra, D Dharma. (2008). Desain Buckboost Konverter pada Rectifier tak Terkontrol 1 Phase Berbasis Mikrokontroler. Elektro Industri Politeknik Elektronika Negeri Surabaya. [6] Membangun Sinyal PWM pada AVR dengan BASCOM AVR. 27 Maret 2010. www.juraganelektro.com .. [7] Marlin, Thomas E. (1999). “Process Control, Designing Processes and Control Systems for Dynamic Performance”. McGraw-Hill International Editions. [8] Roger, Everett. (2002). Understanding BuckBoost Power Stages in Switch Mode Power Supplies. Texas Instrument.
