choperbnajar

5/8/2018 choperbnajar - slidepdf.com

http://slidepdf.com/reader/full/choperbnajar 1/39

ITC-2009

Oleh:

Moh. Zaenal EfendiEEPIS-ITS Surabaya Indonesia

Bab 4

KONVERTER DC-DC

KONVERTER DC-DC(CHOPPER)

Definisi :

Merubah tegangan DC input yang tidak bisadiatur (unregulated voltage) menjadi tegangan DCyang dapat dikontrol dengan level tegangan

sesuai yang diinginkan.



ITC-2009

Diagram Blok:

Aplikasi Konverter DC-DC

Switch mode power supply (SMPS)



ITC-2009


Catu daya peralatan elektronik

Catu daya peralatan teknologiinformatika dan telekomunikasi (ICT)

Konverter sistem sel surya atau angin




ITC-2009


Kontrol motor DC

,

DC motor control,battery chargers

Kontrol motor DC



ITC-2009


Battery charger

Dc-dc converter

Tipe Konverter DC-DC

Non Isolated dc-dc converter :

Buck Converter, Boost Converter, Buck-BoostConverter

Isolated dc-dc converter:

Flyback Converter, Forward Converter, BridgeConverter

Soft-switching Converter:

Resonant Converter



ITC-2009

Selama 2-3 dekade regulator linier menjadi satu-satunya metode untuk mengubah besaran dc

Masalah terbesar dari sistem regulator linieradalah ukuran dan berat dari komponen-komponenya terutama transformator

Efisiensinya rendah kerena besarnya tegangan jatuh pada komponen-komponennya

Sekarang metode ini tidak dipakai lagi

Regulator Linier

Regulator Linier

L Lo R I V =

Model dari regulator linier



ITC-2009

T Lo R I P2

=

Regulator Switching

Model dari regulator switching



ITC-2009

Regulator Switching

• Transistor beroperasi sebagai saklar yang bekerjapada kondisi cutoff dan saturasi

• Periode membuka dan menutupnya saklarmenghasilkan bentuk pulsa

• Rugi daya adalah nol (untuk saklar ideal)

• Energi 100% disalurkan dari sumber ke beban.

• Regulator switching ini yang menjadi dasar semua

konverter DC-DC

Rangkaian ekivalen



ITC-2009

Tegangan output :

D : adalah duty cycle

DV dt V T

dt t vT

V s

DT

s

T

oo ⋅=⋅== ∫ ∫ 00

1)(

1

f T T

T D on

on⋅==

KONVERTER BUCK(step-down converter)

Rangkaian Konverter Buck

Untuk mendapatkan tegangan dc murni, sebuah filterlow pass dipasang setelah saklar dari sebuah regulatorswitching. Dioda menyediakan jalur bagi arus induktorpada saat saklar off (freewheeling diode). Teganganoutputnya lebih kecil dari tegangan inputnya



ITC-2009

Operasi rangkaian

ketika saklar ON (tertutup)

Diode terbias mundur Saklar ON sehingga arus induktor mengalir

Sehingga menghasilkan tegangan induktorpositif:

dt

di LV V V L

os L =−=

Vs

S

D C RL Vo

iL

L

V V

dt

di os L −= V s-V o

Karena turunan dari iLbernilai positif, maka arusinduktor naik secara linier

Pengaturan persamaan, menjadi

Dengan memodifikasi persamaansebelumnya, maka perubahanarus induktor selama saklar

tertutup adalah:

DT L

V V i

L

V V

DT

ii

dt

di

os

closed L

os L

t

L L

.)(

−=∆

−=

∆=

∆

∆=



ITC-2009

Operasi ketika saklar OFF

(terbuka)

Dioda terbias maju sehingga dapat mengalirkan arusinduktor

Tegangan induktor adalah :

dt

di LV V L

o L =−=

Karena turunan dari iL bernilai negatif,maka arus induktor turun secara linier.

Perubahan arus induktor selama saklar

terbuka adalah:

L

V

dt

di o L−

=

V s-V o

V o

Analisa saklar terbuka

Pengaturan persamaan menjadi,

T D L

V i

L

V

T D

ii

dt

di

oopened L

o L

t

L L

)1.()(

)1(

−

−=∆

−=−

∆=

∆

∆=



ITC-2009

Operasi keadaan tunak

(Steady–state operation)

Unstable current

Decaying current

Steady-state current

so

oos

opened Lclosed L

DV V

T D

L

V DT

L

V V

ii

=

=−

−+

−

=∆+∆

0)1.(.

0)()(

Operasi Steady-state terjadi jika arusinduktor ( iL ) pada akhir siklus switchingsama dengan awal siklus switchingberikutnya. Berarti perubahan arus iL dalamsatu periode sama dengan nol:



ITC-2009

R

V I I o

R L==

Arus induktor rata-rata,

Arus maksimum dan Arus minimum

Arus induktor rata-rata = arus rata-rata pada beban resistor

R

V I I o R L ==

( )

−+=

−+=

∆+=

Lf

D

RV I

T D L

V

R

V i I I

o

oo L L

2

)1(1

)12

1

2

max

max

−−=

∆−=

Lf

D

RV

i I I o

L L

2

)1(1

2min

Arus maksimum :

Arus minimum :



ITC-2009

Operasi Arus Kontinyu

Dari persamaan sebelumnya:

−

−=

∆

−= Lf

D

RV

i

I I o

L

L 2

)1(1

2min

R f

D L L

Lf

D

RV o

.2

)1(

02

)1(1

min

−=≥⇒

≥

−−⇒

Untuk operasi kontinyu, I min

>0

Lmin merupakan induktor minimum untuk sistem pada

kondisi kontinyu.Besarnya nilai L yang dipilih biasanya sangat lebih

besar dibanding Lmin .



ITC-2009

C

QV V C QCV Q

iii

ooo

R Lc

∆=∆⇒∆=∆⇒=

+=

Ripple Tegangan Output

28

)1(

8

8222

1

LCf

D

C

iT V

iT iT Q

Lo

L L

−=

∆=∆

∆=

∆

=∆

28

)1(

LCf

D

V

V r

o

o −=

∆=

Dari gambar, gunakan rumus luas segitiga, sehinggadiperoleh:

Sehingga, faktor ripplenya:



ITC-2009

PROSEDUR MERANCANGKONVERTER BUCK

Prosedur merancang Konverter Buck

Hitung duty cycle ( D ) untuk menentukan teganganoutput yang diinginkan.

Memilih frekuensi switchingnya:

Sebaiknya > 20 kHz, yang memungkinkan untukmengurangi noise.

Device yang digunakan: MOSFET, IGBT dan BJT.Pilih MOSFET yang dapat mencapai frekwensi

sampai range MHz. Tentukan Lmin ; lalu pilih induktor ( L ) 10 kali Lmin

untuk memastikan operasi kontinyu penuh.



ITC-2009

Prosedur merancang buck converter

Hitung nilai C untuk perbaikan ripple faktor.

Pertimbangan ukuran kawat

Rating normalnya adalah pada kondisi RMS. NilaiRMS untuk I

Ladalah sebagai berikut:

2

3

22

+=

L ∆i

L I

L,RMS I

PROSEDUR 2 UNTUK MERANCANGKONVERTER BUCK

Dari persamaan di atas kita dapatkan:

Sehingga nilai induktornya adalah

DT L

VoV i s L ×

−=∆

Ls

oos

L

os

iV

V V V

f L

i f DV V L

∆××−×=

∆×××−=

1)(

1

11)(



ITC-2009

Untuk kondisi tidak ideal:

o L

L f s

f o

os

I i

iV V

V V V V

f L

×−≈∆

∆×

+

+×−×=

%40%10

1)(

1

(max)

(max)

Soal-soal

1. Sebuah buck converter diberi sumber tegangandari baterai 50 V. Diketahui L=400 uH, C=100uF, R=20 ohm, f=20 kHz, dan D=0.4. Hitunglah:

a) Tegangan output

b) Arus induktor maksimum dan minimum

c) Ripple Tegangan output



ITC-2009

2. Sebuah buck converter mempunyaitegangan input 50 V dan output 25 V.Frekuensi switchingnya 10 kHz. Daya outputadalah 125 Watt. Tentukan:

a. Duty cycle

b. Nilai L yang menghasilkan arus induktor 6.25 A

c. Nilai C yang menghasilkan tegangan rippleoutput 0.5 %

3. Desain sebuah buck converter sepertiketentuan berikut. Tegangan output 28 Vsaat inputnya 48 V. Bebannya adalah 8ohm. Desain converter ini berada padamode continous current. Tegangan outputripple harus tidak lebih dari 0.5 %.Tentukan frekuensi dan nilai setiap

komponen (L dan C). Gunakan metode 1dan 2. Bandingkan



ITC-2009

4. Rancang sebuah buck converter untukmensuplai beban bertegangan 20 voltdengan daya minimum 75 watt dan dayamaksimum 100 watt dari sumber tegangandc 80 volt sd 100 volt. Keluaran rippleharus kurang dari 0.1 % untuk tegangandan 10 % untuk arus. Jika frekuensiswitching sebesar 40kHz, tentukan dutycycle, nilai induktor dan kapasitor

KONVERTER BOOST(step-up converter )

Rangkaian Konverter boost

Disebut sebagai konverter boost karena teganganoutputnya lebih besar daripada tegangan inputnya

Vs

S

C RL Vo

L D



ITC-2009

Analisa Konverter Boost

ketika saklar ON (tertutup)

Jika saklar tertutup, dioda terbias mundur (off),

maka output terisolasi dari input. Input mensuplaienergi ke induktor.

L

V

DT

i

t

i s L L=

∆=

∆

∆

L

DT V

Ls

closed i =∆ )(

Tegangan induktor :

L

V

dt

dior

dt

di LV V s L L

s L ===

Perubahan arus induktor:

Penyelesaian untuk ∆iL padasaat saklar tertutup adalah:



ITC-2009

Jika saklar terbuka, sisi output menerima energi

dari dua sumber yaitu dari input dan dari induktor.Maka sisi output menjadi besar.

Analisa Boost pada saat

saklar OFF (terbuka)

Vs C RL Vo

L

S

L

V V

T D

i

t

i

dt

di os L L L −=

−

∆=

∆

∆=

)1(

L

T DV V

opened Losi

)1)(()(

−−=∆

Tegangan induktor :

Perubahan arus induktor:

Penyelesaian untuk ∆iL padasaat saklar terbuka adalah:

L

V V

dt

di

dt

di LV V V

os L

Los L

−=

=−=



ITC-2009

D

V V

L

T DV V

L

DT V

ii

so

oss

opened Lclosed L

−=

=−−

+

=∆+∆

1

0)1)((

0)()(

Operasi keadaan tunak

(Steady–state operation)

Konverter Boost memproduksi tegangan outputyang lebih besar dibanding tegangan inputnya

R D

V

R

D

V

I V

R

V I V

s

s

Ls

o

ss

2

2

2

2

)1(

1

−

=

−

=

=

R D

V I s

L 2)1( −

=

Arus rata-rata, Arus minimum;Dan Arus maksimum

Daya Input = Daya Output

Arus induktor rata-rata:



ITC-2009

L

DT V

R D

V i I I ss L

L2)1(2

2min −−

=∆

−=

L

DT V

R D

V i I I

ss L

L2)1(2 2max +

−=

∆

+=

Arus maksimum:

Arus minimum:

Untuk operasi keadaan kontinyu:

f

R D D L

TR D D L

L

DT V

R D

V

I

ss

2

)1(

2)1(

02)1(

0

2

min

2

min

2

min

−=

−=

≥−−

≥

min10 L L ×=

RCf

D

V

V r

RCf

DV

RC

DT V

V

o

o

oo

o

=∆

=

==∆

Ripple Tegangan Output

Ripple factor:

o

o V C DT R

V Q ∆=

=∆

Perubahan muatan kapasitor:V s

V s -V o



ITC-2009

Metode lain untuk menentukan

nilai induktor

Maka nilai induktor adalah:

L

T DV i s L

××=∆

Lo

sso

Lo

so

s

L

s

iV

V V V

f L

iV

V V V

f L

i DV

f L

∆×

×−×=

∆

×

−××=

∆×××=

1)(

1

11

11

Dari persamaan sebelumnya:

Untuk kondisi tidak ideal:

o L

L f o

ss f o

I i

iV V

V V V V

f L

×−≈∆

∆×

+×−+×=

−

−

%40%10

1)(

1min

min



ITC-2009

Soal-soal

1. Sebuah konverter boost diberi sumbertegangan dari baterai 24 V. Diketahui L=500uH, C=200 uF, R=100 ohm, f=40 kHz, danD=30%. Hitunglah:

a) Tegangan output

b) Arus induktor maksimum dan minimum

c) Ripple Tegangan output

2. Desain sebuah konverter boost sepertiketentuan berikut. Tegangan output 48 Vsaat inputnya 12 V. Bebannya adalah 25ohm. Operasi konverter ini berada padamode arus kontinyu. Ripple teganganoutput harus tidak lebih dari 0.2 %.Tentukan frekuensi dan nilai setiap

komponen (L dan C). Gunakan metode 1dan 2. Bandingkan



ITC-2009

3. Rancang sebuah konverter boost untukmensuplai beban bertegangan 24 voltdengan daya minimum 45 watt dan dayamaksimum 60 watt dari sumber tegangandc 9 volt s.d 15 volt. Keluaran ripple haruskurang dari 0.4 % untuk tegangan dan 15% untuk arus. Jika frekuensi switchingsebesar 50 kHz, tentukan duty cycle, nilaiinduktor dan kapasitor

RANGKAIAN SNUBBER

Rangkaian Snubber adalah rangkaian yang berisikankomponen diode ultra fast recovery, resistor dan kapasitoryang digunakan untuk mengatasi atau meredamtegangan dan arus spike (tegangan dan arus impuls) padakondisi transisi ON-OFF switching frekwensi tinggipada komponen switching



ITC-2009

Arus dan tegangan pada komponen switching

Fungsi Rangkaian Snubber :

• Mengurangi rugi daya saat switching pada daerah saturasi

• Mengurangi spike voltage / stress voltage / inpulsevoltage



ITC-2009

Rangkaian Snubber pada Konverter Buck

snubber

snubber

C

DT R

×

⟨2

OFF

fallON

snubber V

t I C

×

×≈

2

Rangkaian Snubber pada Konverter Buck

Contoh:

Desain Rangkaian Snubber untuk Konverter Buckdengan parameter sebagai berikut:Vi=24VoltVo=12 Volt

Io=3Afs=40kHzMenggunakan MOSFET IRFP460 dengantfall=43ns



ITC-2009

s f

T Peride

Dcycle Duty

Volt V V A I I

s

ioff

oON

µ 251040

11:

5.024

12:

243

3=

⋅==

==

====

nF C

nF C

C

V

t I C

snubber

snubber

snubber

OFF

fallON

snubber

7.2

69.2

242

10433

2

9

≈

=

×

⋅×

=

×

×≈

−

Diketahui bahwa:

Kapasitor Snubber :

Resistor snubber:

Ω≈

Ω⟨⋅×

⋅×⟨

×⟨

−

−

1100

2315

107.22

10255.0

2

9

6

snubber

snubber

snubber

snubber

snubber

R

R

R

C

DT R

Contoh dioda snubber adalah fast recoverydiode tipe FR307



ITC-2009

Rangkaian Snubber pada Konverter Boost

snubber

snubber

C

DT R

×

⟨2

OFF

fallON

snubber V

t I C

×

×≈

2

Rangkaian Snubber pada Konverter Boost

Contoh:

Desain Rangkaian Snubber untuk Konverter Boostdengan parameter sebagai berikut:Vi=12VoltVo=24 Volt

Io=2Afs=40kHzMenggunakan MOSFET IRFP460 dengan tfall=43ns



ITC-2009

s f

T Peride

V

V Dcycle Duty

Volt V V

A

V

V I I I

s

o

i

ooff

i

ooiON

µ 251040

11:

5.024

1211:

24

4

12

242

3=

⋅==

=−=−=

==

=×=×==

nF C

C

V

t I C

snubber

snubber

OFF

fallON

snubber

6.3

24210434

2

9

=

×

⋅×=

×

×≈

−

Diketahui bahwa:

Kapasitor Snubber :

Resistor snubber:

Ω≈

Ω⟨⋅×

⋅×⟨

×⟨

−

−

850

1736

106.32

10255.0

2

9

6

snubber

snubber

snubber

snubber

snubber

R

R

R

C

DT R




ITC-2009

Rangkaian Snubber pada Konverter Buck-Boost

snubber

snubber

C

DT R

×

⟨2

OFF

fallON

snubber V

t I C

×

×≈

2

Rangkaian Snubber pada Konverter Buck-Boost

Contoh:

Desain Rangkaian Snubber untuk Konverter Buck-Boostdengan parameter sebagai berikut:Vi=9 VoltVo=14,5 Volt

Io=2Afs=40kHzMenggunakan MOSFET IRFP460 dengan tfall=43ns



ITC-2009

s f

T Peride

V

V Dcycle Duty

Volt V

A DV I V

DV P I I

s

o

i

off

i

oo

i

o LON

µ 251040

11:

5.024

1211:

5.23

444.65.0925.14

3=

⋅==

=−=−=

=

=×

×=×

×=×

==

nF C

C

V

t I C

snubber

snubber

OFF

fallON

snubber

6

5.232

1043444.6

2

9

=

×

⋅×

=

×

×≈

−

Diketahui bahwa:

Kapasitor Snubber :

Resistor snubber:

Ω≈

Ω⟨⋅×

⋅×⟨

×⟨

−

−

500

1042

1062

10255.0

2

9

6

snubber

snubber

snubber

snubber

snubber

R

R

R

C

DT R




ITC-2009

69

Pulsa

70

Parameter Pulsa

Amplitudo : Nilai Maksimum atau nilai puncak Periode : jarak satu siklus pengulangan Frekwensi : laju pengulangan (repetition rate), yaitu

jumlah siklus per detik (hertz, Hz). MARK (Lebar Pulsa) : Waktu keadaan High dari pulsa SPACE (Jarak Pulsa) : Waktu keadaan Low dari pulsa

Duty Cycle : perbandingan waktu High dengan periodagelombang



ITC-2009

71

Contoh:

Bangkitkan dan gambarkan pulsa padaosiloskop dengan spesifikasi berikut :

Amplitudo = 10 Volt; frekwensi = 50 kHz;

Duty cycle = 40 %.

Jika digunakan : Volt/div=200 mV;Time/div= 5 µs; Peredaman Probe =10x

PWM (PULSE WIDTH MODULATION)

Disebut PWM karena pulsa dapat dimodulasi lebarnya(diatur lebarnya sehingga duty cyclenya bisa diubah-ubah)

Dibangkitkan dengan membandingkan sinyal segitigaatau ramp (Vcar) dengan tegangan dc (Vcontrol) melaluikomparator

Dengan amplitudo dan frekwensi tegangan segitigayang tetap, duty cycle PWM bisa berubah denaganmengatur besarnya tegangan dc



ITC-2009

Rangkaian dasar

PWM

Pada komparator dengan tegangan dc pada terminal

non inverting dan tegangan segitiga pada terminalinverting

Jika Vdc > Vtri maka HIGH

Jika Vdc < Vtri maka LOW

PWM dengan D = 40%



ITC-2009

PWM dengan D = 20

%

CONTOH RANGKAIAN PWMRangkaian PWM ini menggunakan IC NE555. IC ini menghasilkantegangan ramp yang kemudian dibandingkan dengan tegangan dc

yang dapat menghasilkan pulsa dengan duty cycle antara 0 – 100%.



ITC-2009

RANGKAIAN DRIVER MOSFET

Totempole ( Double emitter follower )Fungsi :

• Current AmpifierJika PWM High Q1 = ON; Q2 = OFF sehingga

MOSFET ONJika PWM Low Q1 = OFF; Q2 = ON sehingga

MOSFET OFF

• Buffer to source (Pengaman)

Totempole dengan opto coupler

choperbnajar

Documents

Transcript of choperbnajar