Boost Converter

Pada sistem elektrikal panel surya, diperlukan sebuah devais yang berguna untuk mengubah listrik searah yang dikeluarkan oleh sel surya menjadi tegangan searah lagi yang akan melayani beban, devais ini berfungsi untuk mengubah titik kerja dari sel surya, sesuai dengan karakteristik V-I nya, sehingga sel surya bekerja di sekitar area MPP ( maximum power point) nya. Devais yang berfungsi untuk keperluan tersebut adalah DC-DC Converter. Lebih jelas, DCDC Converter didefinisikan sebagai devais / peralatan yang berfungsi untuk mengkonversikan daya listrik searah ( DC ) ke dalam bentuk daya listrik DC lainnya yang terkontrol arus, atau tegangan, bahkan keduanya. Pada DC-DC Converters, rata-rata tegangan output DC harus dikendalikan untuk mendapatkan hasil yang sama meskipun tegangan input dan beban yang dikeluarkan berubah-ubah [2]. Perlu diingat disini pada dasarnya, DC-DC Converter berlaku seperti halnya trafo/transformer atau pengkonversi energi listrik lainnya. Konverter DC-DC hanya merubah level tegangan dan level arus keluaran DC, tidak ada peningkatan maupun pengurangan daya selama pengkonversian bentuk energi listriknya, sehingga dapat dituliskan dengan persamaan sebagai berikut :

Pin = Plosses + Pout

(11) [3]

Pada sebuah DC-DC Converters dengan tegangan input yang ditentukan, rata-rata tegangan output dikendalikan dengan switch durations (ton dan toff ). Prinsip dasar dari DC-DC Converter dapat dilihat pada gambar berikut,

Gambar 1 Skema dasar DC-DC Conveter [1]

Nilai rata-rata tegangan output tergantung pada ton dan toff, berikut adalah gambar bentuk sinyalnya,

Gambar 2 Bentuk Sinyal Tegangan Keluaran DC-DC Converter [1]

Pengontrolan dilakukan dengan memberikan sinyal / tegangan yang mengatur waktu ON dan waktu OFF switch. Sinyal tegangan yang berfungsi untuk mengatur switch biasanya menggunakan PWM ( Pulse Width Modulation ). Pada PWM Switching terdapat suatu switching frekuensi yang konstan / tetap. Switch control signal dengan control ON atau OFF dihasilkan dengan membandingkan suatu level tegangan control signal dengan suatu bentuk gelombang berulang. Frekuensi tetap konstan dalam suatu kontrol Pulse Width Modulator (PWM) dengan batasan range frekuensi yang ditentukan. Berikut ini adalah blok diagram dari Pulse Width Modulator (PWM) dan comparator signal dari Pulse Width Modulator (PWM),

(a)

(b)Gambar 3 (a) Blok Diagram sinyal Kontrol PWM (b) Proses pembentukan Sinyal Kontrol PWM [1]

Dengan membandingkan Vcontrol dan peak dari Vst, maka didapatkan duty ratio : Duty Cycle, D =

=

(12) [1] (13) [1]

Switching Frequency, fs =

Dengan mengatur besar Duty Cycle (D) yang dapat dilakukan dengan mengatur besar Vcontrol, maka dihasilkan ton yang berbeda. Inilah yang berfungsi untuk mengatur switch. Pada DC-DC Converter pengaturan banyak dilakukan dengan menggunakan metode PWM, begitu juga dalam sistem elektrikal panel surya pada penelitian ini. Berdasarkan fungsi operasinya DC DC Converter dibagi menjadi 3 topologi yaitu [3], 1. Buck Converter adalah topologi jenis penurun tegangan yang mengkonversikan tegangan masukan DC menjadi tegangan DC lainnya yang lebih rendah 2. Boost Converter adalah topologi yang berfungsi untuk menghasilkan tegangan DC keluaran yang lebih tinggi dibanding tegangan DC masukannya, atau biasa disebut dengan konverter penaik tegangan. Konverter jenis ini banyak dimanfaatkan untuk aplikasi pembangkit listrik tenaga surya dan turbin angin yang memiliki tegangan keluaran lebih kecil dari tegangan yang di butuhkan beban 3. Buck-Boost Conveter adalah topologi yang merupakan gabungan dari 2 jenis topologi diatas, dan memiliki kemampuan untuk menaikkan dan menurunkan tegangan DC masukannya. Pada Penelitian ini topologi yang digunakan adalah topologi Boost Converter, yang fungsi dasarnya untuk menaikkan tegangan DC. Topologi ini dipilih, selain untuk mengubah tegangan keluaran sel surya sehingga bisa selalu bekerja di sekitar MPP nya, juga dipilih agar pada saat tegangan sel surya lebih kecil daripada beban (biasanya terjadi saat cuaca mendung, atau irradiance yang rendah ), dimana pada kondisi normal tidak dapat mengalirkan arus ke beban, sel surya masih dapat mengalirkan daya ke beban, karena tegangannya sudah dinaikkan lebih besar dari tegangan beban. Seperti yang sudah dijelaskan diatas, Boost Converter adalah devais yang mengubah/ mengkonversi daya lisrik DC menjadi daya listrik DC dengan tegangan yang lebih besar dibandingkan dengan tegangan masukannya. Karena DC-DC Converter adalah alat konversi daya, maka jika terjadi proses transfer daya, dimana P = V.I, maka saat tegangan keluarannya lebih besar dibanding dengan masukannya, maka arus yang dikeluarkan oleh Boost Converter akan lebih kecil jika dibandingkan dengan arus masukannya. Skema Boost Converter dapat dilihat pada gambar dibawah,

Gambar 4 Skema Boost Conveter [3]

Dari gambar dapat dilihat komponen utama Boost Converter terdiri atas switch ( MOSFET ), dioda, induktor, dan kapasitor. Prinsip Kerja Boost Converter Kemampuan Boost Converter untuk menaikkan tegangan DC berkaitan dengan prinsip switch duration ( ton dan toff switch) di atas. Dimana, Saat saklar/switch MOSFET pada kondisi tertutup (ton), arus akan mengalir ke induktor sehingga menyebabkan energi yang tersimpan di induktor naik. Saat saklar MOSFET terbuka ( toff ), arus induktor ini akan mengalir menuju beban melewati dioda sehingga energi yang tersimpan di induktor akan turun. Jika kita lihat pada gambar dibawah, pada saat toff beban akan merasakan tegangan sumber ditambah dengan tegangan induktor yang sedang melepaskan energinya. Kondisi ini yang menyebabkan tegangan keluaran menjadi lebih besar dibandingkan dengan tegangan masukannya Rasio antara tegangan keluaran dan tegangan masukan konverter sebanding dengan rasio antara periode penyaklaran dan waktu pembukaan saklar. Continuous Conduction Mode Dalam operasionalnya, terdapat beberapa modus operasi untuk Boost Converter, yaitu Continuous Conduction Mode ( CCM) adalah modus dimana arus induktor (iL) mengalir secara kontinyu, dalam artian tidak pernah mencapai nilai nol [1]. Dan Discontinuous Conduction Mode (DCM) adalah modus dimana arus induktor conveter pernah mencapai nilai nol, atau tidak kontinyu. Pada Boost Converter sistem, digunakan modus CCM yang prinsip kerjanya digambarkan pada Gambar 6 dibawah.

Saat ton

Saat toffGambar 5 Prinsip Kerja Boost Converter [4]

Saat switch ON, menyebabkan tegangan input ( Vd atau Vi) sama dengan tegangan induktor. Kondisi ini menyebabkan terjadinya peningkatan arus yang melewati induktor,perubahan arus yang melewati induktor pada periode waktu tertentu t dirumuskan,

(14) [4], dimana Vi = Vd = tegangan input Conveter (15) [4], dimana D = duty cycle, T adalah periode sinyal Saat switch OFF, menyebabkan energi dalam bentuk arus yang tersimpan pada induktor mengalir ke beban, sehingga perubahan arus induktor dapat dirumuskan, (16)[4] , dimana Vo adalah tegangan keluaran conveter (17) [4] Perlu diingat bahwa converter beroperasi pada kondisi tunak, sehingga jumlah energi yang tersimpan pada setiap komponen harus sama pada awal maupun akhir proses penyaklaran. Kondisi ini mengakibatkan pula, energi yang tersimpan dalam bentuk arus pada induktor harus sama antara awal dan akhir penyaklaran, yang artinya perubahan arus induktor sama dengan nol, sehingga,

(18) [4] Dan dapat dirumuskan bahwa perbandingan tegangan keluaran dengan tegangan masukan converter adalah,

(19)[4]

Gambar 6 Continuous Conduction Mode Boost Conveter : (a) swtich ON (b) switch OFF [1]

Dengan persamaan (19) diatas, dapat dilihat bahwa tegangan keluaran akan selalu lebih besar dibandingkan dengan tegangan masukan, karena sesuai dengan definisi sebelumnya, nilai D akan berkisar antara 0 1. Penentuan Besar L Dan C Agar Boost Converter bekerja di modus CCM, maka besar induktansi L dan kapisitansi C pada rangkaian Boost Converter perlu diatur besarnya. Boost Converter akan bekerja pada modus CCM jika nilai induktansi L > Lb [5]. Dimana Lb dirumuskan,

Dimana, D = duty cycle R = resistansi beban ( ) f = frekuensi penyaklaran ( Hz ) Ppada modus CCM. Arus yang mengalir pada Induktor selalu kontinyu, namun arus yang disuplai ke rangkaian output RC terputus-putus / tidak kontinyu, seperti pada gambar,

Gambar 7 bentuk gelombang keluaran boost converter

Dengan demikian, filter kapasitor yang lebih besar dibandingkan dengan Buck Converter diperlukan untuk membatasi riak tegangan output. Filter kapasitor ini harus mampu menyediakan arus keluaran DC ke beban ketika dioda OFF[5]. Nilai minimum dari kapasitansi yang menghasilkan riak tegangan Vr diberikan oleh,

(20) [5] Dengan, Vr = riak tegangan ( V ) dan Vo = tegangan keluaran conveter ( V )