MENINGKATKAN EFISIENSI KONVERTER DC-DC PENAIK …

ISU TEKNOLOGI STT MANDALA VOL.7 NO.1 2014 1

MENINGKATKAN EFISIENSI KONVERTER DC-DC PENAIKTEGANGAN DENGAN TEKNIK ZERO VOLTAGE SWITCHING (ZVS)

UNTUK KOREKSI FAKTOR DAYA BEBAN NONLINIER

Oleh : Anung dan Rahmad Hidayat

AbstrakEfisiensi dari dc-dc konverter idealnya 100%, tapi kenyataanya kurang dari itu. Denganrendahnya efisiensi dari konverter maka daya listrik yang dapat dimanfaatkan oleh beban akanberkurang. Untuk waktu yang lama, energi listrik yang hilang pada saklar semikonduktor tidakdapat diabaikan, apalagi dalam cakupan wilayah yang luas, misalnya untuk seluruh Indonesia.Untuk menghasilkan konverter dc-dc dengan kerapatan daya yang tinggi, maka frekuensipensaklaran dinaikan. Naiknya frekuensi pensaklaran maka keperluan akan komponen reaktifmenjadi 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 metodeZero Voltage Switching (ZVS). Metode ZVS ini menerapkan pensaklaran tegangan nol sewaktuturn-on, dengan bantuan komponen induktor resonansi Lr dan kapasitor resonansi Cr. Untukmemvalidasi metode yang diusulkan maka dilakukan simulasi dan pengujian subyekpenelitian di Laboratoium Elektronika Daya STT Mandala Bandung. Kegiatan penelitian, mulaidari studi pustaka sampai pelaporan hasil penelitian dilakukan selama delapan bulan.Dari data hasil pengujian dan analisa menunjukan bahwa terjadi peningkatan rata-rataefisiensi konverter dc-dc penaik tegangan yang digunakan sebagai koreksi faktor daya bebannonlinier dengan penerapan metode Zero Voltage Switching (ZVS) sebesar 4%.

Kata kunci: converter dc-dc, zero voltage switching (ZVS), efisiensi1. Pendahuluan

Efisiensi dari dc-dc konverter idealnya100% sehingga daya keluaran dan dayamasukan sama, atau dengan kata laintidak terjadi daya yang hilang padakonverter. Dc-dc konverter merupakanperalatan yang dapat mengkonversikanenergi listrik dari tegangan searah tertentuke tegangan searah yang diinginkan atauteregulasi. Dc-dc konverter dapatdikelompokan menjadi tiga jenis berdasarkantegangan keluaran yang dihasilkan yaitu:penaik tegangan, penurun tegangan danpenaik/penurun tegangan. Beban yangdipikul oleh konverter umumnya bebanelektronik. Idealnya setiap bebanmempunyai faktor daya sama dengan satu.

Kenyataannya secara praktis, efisiensidari konverter lebih kecil dari 100%, dandisamping itu beban yang dipikul olehkonverter menghasilkan faktor daya (cos)lebih kecil dari satu pada sisi tegangan arusbolak-balik (tegangan ac).

Untuk menghasilkan konverter dc kedc dengan kerapatan daya yang tinggi,maka frekuensi pensaklaran dinaikan.Naiknya frekuensi pensaklaran makakeperluan akan komponen reaktif menjadikecil, akan tetapi akibatnya daya yanghilang pada saklar semikonduktor menjaditinggi, terutama sewaktu turn-on dan turn-off, sehingga efisiensi konverter menjaditurun.

Dengan rendahnya efisiensi dari

ISU TEKNOLOGI STT MANDALA VOL.7 NO.1 2014 2

konverter maka daya listrik yang dapatdimanfaatkan oleh beban akan berkurang.Untuk waktu yang lama, energi listrik yanghilang pada saklar semikonduktor tidakdapat diabaikan, apalagi dalam cakupanwilayah yang luas, misalnya untuk seluruhIndonesia.

Untuk mengatasi masalah diatas makaperlu diadakan penelitian secaraeksperimental, tentang penggunaan metodezero voltage switching (ZVS) pada saklarsemikonduktor dalam meningkatkanefisiensi konverter as-as yang digunakansebagai koreksi faktor daya.

2. Landasan Teori2.1. Rugi-rugi Energi Pada

Saklar SemikonduktorRugi-rugi energy pada saklar semikonduktorterdiri dari rugi-rugi dalam keadaan statisyaitu dalam keadaan konduksi dan tidakkonduksi dengan rugi-rugi pada waktukomutasi atau transisi dari keadaankonduksi ke keadaan tidak konduksi dansebaliknya. Rugi-rugi tersebut dapatdiekspresikan dalam bentuk persamaansebagai berikut :

Rugi daya rata-rata pada saklarsemikonduktor dapat ditulis dalam bentukpersamaan sebagai berikut :

pensaklaran sehingga pada frekuensi tinggirugi pensaklaran didominasi oleh rugitransisi.

2.2. Rakaian Snubber

Usaha untuk mereduksi rugi-rugipensaklaran, agar konverter dapat beroperasipada frekuensi tinggi yaitu denganmenggunakan rangkaian snubber. Terdapatdua jenis rangkaian snubber yaitu rangkaianturn-on snubber dan turn-off snubber.Rangkaian turn-on snubber adalahrangkaian yang terdiri dari induktor yangdipasang seri dengan komponen saklarsemikonduktor yang difungsikan untukmembuat nol tegangan pada saklar sewaktuturn-on dan setelah itu energi yangtersimpan di induktor dilepaskan ke resistormelalui dioda snubber. Rangkaian turn-offsnubber adalah rangkaian yang terdiridari kapasitor yang dipasang paralel dengansaklar semikonduktor, dimana sewaktu turn-off kenaikan tegangan pada saklarsemikonduktor dibatasi oleh kenaikantegangan pada kapasitor dan setelah ituenergi yang tersimpan di kapasitordilepaskan melalui dioda snubber keresistor.

(4)

Jumlah rugi daya yang hilang selamakonduksi dan tidak konduksi dengan rugidaya selama transisi adalah :

ISU TEKNOLOGI STT MANDALA VOL.7 NO.1 2014 3

Dari persamaan (5) terlihat bahwa rugi dayatransisi proporsional dengan frekuensi

ISU TEKNOLOGI STT MANDALA VOL.7 NO.1 2014 4

Gambar 1.(a) rangkaian turn-on nubber, (b) bentukgelombang tegangan dan arus untuk Ls yangkecil, (c) untuk Ls yang besar

Gambar 2.

(a) Rangkaian turn-off snubber, (b) bentukgelombang arus dan tegangan selama turn-off

Dengan memperhatikan uraian diatas jelasbahwa rugi transisi dapat dikurangi akantetapi tidak dapat meningkatkan efisiensikonverter secara keseluruhan, karena dayayang diserap oleh saklar semikonduktordialihkan ke resistor.

2.3. Konsep Dasar Saklar ResonansiKonsep dasar saklar resonansi

merupakan saklar semikonduktor yang

dihubungkan dengan suatu rangkaianresonansi LC, dimana kondisi resonansi iniakan dimanfaatkan oleh saklarsemikonduktor saat turn-on maupun turn-off sehingga tidak ada penyilangan antarategangan dan arus. Pada gambar di bawahditunjukan dua jenis saklar resonansi ZeroVoltage Swithing (ZVS). Komponen LCtidak menyerap daya aktif sehingga tidakmenyebabkan terjadinya disipasi daya.komponen LC tersebut hanya berfungsisebagai penyimpan energi sementara.

Gambar 3. dua jenis saklar resonansi ZeroVoltage (ZV)

2.4. Konverter Dc-Dc Penaik TeganganUntuk Koreksi Faktor Daya BebanNon Linier Tanpa ZVS

Perbaikan faktor daya untuk bebanelektronik (beban non linear) denganmenggunakan boost konverter ataukonverter dc-dc penaik tegangan, dimanarangkaian dasar yang digunakan ditunjukanpada gambar 4. Pada gambar tersebutterlihat bahwa kapasitor filter masukanditiadakan sehingga tegangan keluaran daripenyearah jembatan berbentuk gelombangpenuh dan sefasa dengan arus masukan,seperti ditunjukkan pada gambar 5.

Penggunaan regulator penaik tegangan(boost konverter) setelah penyerah jembatan,memaksa arus masukan berbentuk sinusoidalsefasa dengan tegangan masukan danmenghasilkan pengaturan tegangan dc yangdapat diatur, nilai pengaturannya dapat lebihbesar dibandingkan dengan puncakgelombang sinus tegangan masukan.

ISU TEKNOLOGI STT MANDALA VOL.7 NO.1 2014 5

Gambar 4. Gambar rangkaian dasarperbaikan faktor daya

Gambar 5. Gambar gelombang Vin dan Iacyang sefasa

Tujuan pertama dari rangkaianperbaikan faktor daya menggunakan boostkonverter untuk merubah tegangan dc yangberbentuk sinus yang berubah-rubah menjaditegangan dc yang konstan. Nilai pengaturantegangan dc dapat dilakukan, lebih tinggidibandingkan dengan puncak gelombangsinus, yang pengaturannnya menggunakanboost konverter yang bekerja dalam modekontinyu.

Boost konverter ini bekerja denganmenghidupkan transistor Q1 untuk waktu Ton

dalam perioda T, saat ini terjadi pengisianenergi dalam induktor L1. Ketika Q1off,polaritas pada L1 terbalik, dan pada titikakhir L1 terjadi kenaikkan untuk tegangankeluaran Vo yang lebih tinggi dibandingkandengan tegangan masukan Vin. Energi yangtersimpan dalam L1 selama waktu ondipindahkan kedioda D1, ke beban dan Co.

Waktu on sepanjang gelombang penuhpada setengah perioda, dikontrol dengan

chip perbaikan faktor daya, yang manategangan Vo dideteksi dan dibandingkandengan internal referensi dalam sebuah eroramplifier tegangan dc dengan lup umpanbalik negatip, menyeting Ton untuk menjagaVo tetap konstan pada nilai yang ditetapkan.

Gambar 6. Gambar perubahan waktu onpada setengah gelombang

Pada bagian tegangan yang Lr Io rendahpada gelombang penuh dari Vd gambar 5,waktu on Q1akan lebih besar C Ro untukmenaikkan tegangan masukan yang rendahmenjadi nilai tegangan yang lebih tinggidibandingkan puncak tegangan sinus.Ketika Vin naik kearah puncak tegangansinus, kontrol chip perbaikan faktor faktordaya akan secara otomatis menurunkanwaktu onQ1. Deret atau perubahan wakuon sepanjang setengah gelombang sinusditunjukkan pada gambar 6. Tugas keduadari rangkaian perbaikan faktor dayaadalah untuk mendeteksi arus jala-jalamasukan dan memaksa arus jala-jalamasukan mempunyai bentuk gelombangsinusoidal yang sefasa dengan teganganmasukan jala-jala. Tugas ini dikerjakandengan mengatur lebar dari waktu on.Waktu on ditentukan di dalam suatu lupumpan balik negatif yang membandingkansuatu contoh arus jala-jala aktual denganamplitudo dari referensi gelombang arussinus yang murni. Perbedaan antara duagelombang sinus digunakan untuk mengatur

ISU TEKNOLOGI STT MANDALA VOL.7 NO.1 2014 6

waktu on untuk memaksa dua gelombangsinus menjadi sama amplitudonya.

ISU TEKNOLOGI STT MANDALA VOL.7 NO.1 2014 7

3. Konverter Dc-Dc Penaik TeganganUntuk Koreksi Faktor Daya Bebanon Linier dengan ZVSUntuk satu periode pensaklaran

tegangan hasil penyearahan diasumsikantetap, maka gambar 4 dapat disederhanakanmenjadi gambar 7 dengan tambahankomponen Cr dan Lr , komponen tersebutdifungsikan untuk membentuk Zero VoltageSwitching (ZVS).

Gambar 7. Konverter penaik tegangandengan zero voltage switching

Dengan asumsi seluruh komponen idealdan arus mengalir konstan selama satuperioda pensaklaran, maka operasi kerjarangkaian diatas dapat dibagi kedalam empatinterpal waktu, yaitu :

(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 periodapensaklaran

Kondisi awal interval ini ketika saklarutama dalam keadaan off, dioda D dalamkeadaan off dan tidak ada arus yangmengalir ke beban Vo. Saat t0 sakelar (S1)turn off arus I1 mengalir melalui kapasitorCr.Tegangan pada kapasitor (Cr) mengalirsecara linier.Kondisi awal:Vc(0) = 0Persamaan differensial interval ini adalah:

dVcCr I1dt

(6)

Saat T1,Vc mencapai Vo dan diode konduksilamanya kondisi ini dapat dilihat denganpersamaan:

Gambar 8 bentuk gelombang arus dan tegangandengan metoda pensaklaran tegangan nol

ISU TEKNOLOGI STT MANDALA VOL.7 NO.1 2014 8

VoT01 = Cr (7)

I1

a. Interval 2 (t1 – t2) dengan rangkaianekivalen 2.9b

Interval ini dimulai saat dioda onsaat t1, dimana diode mulai konduksidan kapasitor Cr mulai beresonansidengan Lr sehingga mencapai tegangannol saat t2. Sewaktu Vcr sama dengannol arus ilr sama dengan arus puncak (Ip)dan I1 mulai mengalir ke Vo.

Kondisi awal interval ini adalah:

ISU TEKNOLOGI STT MANDALA VOL.7 NO.1 2014 9

o

IL(0) = 0Vc(0) = Vo

Persamaan diferensial interval iniadalah:

operasi setengah gelombang sakelarQ1 akan turn-on setelah Vc mencapainol saat Ta dan sebelum arus diodemencapai nol.

LrdiL Vc Vodt

(8) d. Interval 4 (t3 – t4) dengan rangkaian

CrdVc

dt= I1 - IL (9)

ekivalen 2.9dInterval ini dimulai saat T3, seluruh

input arus I1 mengalir melalui sakelar

Dalam mode setengah gelombang,ketika Vc mencapai nol saat Ta teganganini diapit oleh diode anti pararel D1

yang membawa arus balik.a

Q1 dan saat T4 kembali pada keadaansemula dimana saklar dalam keadaanoff.

T34 = TS – T01 –T12 – T23 (17)

T12 =

(10)

dimana:

Vo a = sin –1

(11)ZnI1

arus IL saat T2

IL (T2) = I1 (1 – cos a) (12)untuk mode setengah gelombang:

<a< 3

(13)2

c. Interval 3 (t2 – t3) dengan rangkaianekivalen 2.9c

Interval ini dimulai ketika tegangankapasitor akan berubah polaritasmenjadi negatif tetapi hal ini tidakterjadi karena dibatasi diode anti parareldengan 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)

LrdIL

= -V (15)dt

Lamanya kondisi ini dapatditunjukan dengan persamaan :

1 cos aT23 = Lr I1

Vo(16)

Dalam keadaan normal untuk

ISU TEKNOLOGI STT MANDALA VOL.7 NO.1 2014 10

Gambar 10, Diagram rangkaian UC 3854untuk perbaikan faktor daya

4. Data Hasil Simulasi dan Pengujian diLaboratoriumKonverter yang direalisasikan mempunyaispesifikasi sebagai berikut:1. Tegangan masukan ac bervareasi antara :80 – 270 V2. Tegangan keluaran : 400 V dc3. Daya keluaran :150 W4. Frekuensi pensaklaran :50 KHz.

Sebelum perakitan dan pengujian objekpenelitian di laboratorium, terlebih dahuludilakukan simulasi dengan bantuansoftware PSIM. Pengujian yang dilakukan

meliputi pengamatan bentuk gelombangtegangan dan arus masukan, factor daya danefisiensi konverter.Bentuk gelombang tegangan dan arus padajepit saklar semikonduktor yang melakukanpensaklaran keras ditunjukan pada gambar13. Dari gambar tersebut terlihat adanyapersilangan antara arus dan tegangansewaktu turn-on maupun turn-off yang akanmengurangi efisiensi dari konverter. Bentukgelombang arus dan tegangan masukankonverter yang berupa arus bolak-balikditunjukan pada gambar 14, dari gambartersebut terilihat bahwa tegangan dan arushampir tidak ada pergeseran pasa ataudengan kata lain factor daya cosφ hampirsama dengan satu.

ISU TEKNOLOGI STT MANDALA VOL.7 NO.1 2014 11

Gambar 12. Rangkaian simulasi konverter dc-dc penaik tegangan dengan pensaklaran keras

Gambar 13. Tegangan dan arus pada saklarsemikonduktor sewaktu pensaklaran keras

Gambar 14. Tegangan dan arus masukankonverter

Rangkaian untuk konverter yangmenerapkan ZVS ditunjukan pada gambar15, sedangkan bentuk gelombang tegangandan arus pada konverter yang telahmenerapkan metode ZVS dapat dilihat padagambar 16, dari bentuk gelombang tersebutterlihat bahwa saklar semikonduktormelakukan pensaklaran tegangan nol, sesuaidengan yang direncanakan.

ISU TEKNOLOGI STT MANDALA VOL.7 NO.1 2014 12

Gambar 15. Rangkaian simulasi konverter dc-dc penaik tegangan dengan ZVS

semikonduktor sewaktu turn-on maupunturn-off. Persilangan tegangan dan arustersebut dapat menyebabkan daya yanghilang, yang selanjutnya dapat mengurangiefisiensi konverter keseluruhan.

Gambar 16. Tegangan dan arus pada saklarsemikonduktor sewaktu pensaklaran ZVSHasil Pengujian di Laboratorium padaKondisi Pensaklaran Keras Bentukgelombang tegangan dan arus pada saklarsemikonduktor ditunjukan pada gambar 17dari gambar tersebut terlihat bahwa saklarmelakukan pensaklaran keras, hal iniditandai dengan adanya persilangan antaraarus dan tegangan pada saklar

Gambar 17. bentuk gelombang teganganVds dan arus Id, skala Id = 0.5 A/div, Vds =50 V/div waktu = 10s/div. denganpensaklaran lunak

ISU TEKNOLOGI STT MANDALA VOL.7 NO.1 2014 13

Gambar 18. bentuk gelombang teganganVds dan arus Id, skala Id = 0.5 A/div, Vds =50 V/div waktu = 10s/div. denganpensaklaran lunak

Dari gambar 18 (dengan pensaklaran lunak)terlihat dengan jelas sewaktu turn-onmaupun turn-off tegangan Vds di nol kanterlebih dahulu sehingga rugi sewaktu turnon dan turn off dapat dikurangi.

5. Efisiensi KonverterUntuk membuktikan bahwa denganpensaklaran lunak efisiensi dari konverterbisa ditingkatkan maka dilakukanpengukuran daya output dan daya input padakondisi pensaklaran lunak dan pensaklarankeras.

Tabel 5.1. Tabel hasil pengukuran efisiensikonverter

Gambar 19. Efisiensi konverter sebagaifungsi daya Pout pada kondisi pensaklarantegangan nol (ZVS) dan pensaklaran keras

6.1. SimpulanDari hasil simulasi dan data-data hasilpercobaan yang telah dilakukan, dapatdiambil kesimpulan bahwa denganditerapkannya metode Zero VoltageSwitching (ZVS) pada saklar semikonduktoruntuk konverter dc-dc penaik tegangansebagai koreksi faktor daya bebannonlinier, efisiensinya meningkat denganrata-rata sebesar 4%.

6.2. SaranMelihat dari grafik, hubungan antara dayakeluaran dan efisiensi dari konverter,kecenderungan bahwa efisiensi akanmeningkat terutama untuk daya yang lebihtinggi. Oleh sebab itu disarankan pemakaiankonverter mendekati daya nominalnya.

ISU TEKNOLOGI STT MANDALA VOL.7 NO.1 2014 14

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-VoltageSwitching Converter with Series-connectedTransformer. International Journal andCircuit Theory and Application. Departmentof Electrical Engineering , National YunlinUniversity of Science and Technology .Taiwan.

M.Delshad. (2010). New Zero VoltageSwitching Boost Type DC-DC Converter.Majlesi Journal of Electrical Engineering.Volume IV No.1 Maret 2010. Islamic AzadUniversity, Korasgan Branch .

Anung dan Hamdani. (2009). PerbaikanFaktor Daya pada Beban Non Linier denganAplikasi Boost Converter. LaporanPenelitian Dosen Muda dan Kajian Wanita,2009. Bandung: Kopertis Wilayah IV

Anung.(2006). Metode Perancangan TapisLC dengan Kriteria Energi Minimum padaKonverter AS-AS Zeta. Prosiding KOPWILIV, Juli 2006. Bandung: Kopertis WilayahIVAnung, Yanuarsyah Haroen. (2001).Reduksi Rugi-Rugi Pensaklaran padaKonverter AS-AS Zeta dengan PensaklaranLunak. Proceeding SMED 2001, 18-19 Juli2001. Surabaya: ITS/PETRA

Muhammad A.Rashid. (2001). PowerElectronics Handbook. Academic Press.Boston

Riwayat PenulisAnung, adalah Dosen Tetap STT MandalaBandung.Rahmad Hidayat, Dosen Kopertis Wil. IVdpk di STT Mandala Bandung.