PERANCANGAN DAN IMPLEMENTASI DC-DC

INTERLEAVED BUCK CONVERTER DENGAN

KAPASITOR KOPLING

Singgih Supramono

2210100157

Dosen Pembimbing

Dedet Candra Riawan, ST.,M.Eng., Ph.D.

Ir. Arif Musthofa, MT.

Latar Belakang 1

Rasio Konversi Penurunan Tegangan DC Rendah

Interleaved Buck Converter

Konvensional

Ripple Arus Keluaran Besar Tegangan Masukan Rendah

Rugi-Rugi Daya Besar Akibat Pensaklaran atau Switching

Interleaved Buck Converter dengan Kapasitor Kopling

Tujuan 2

Mengetahui hal-hal yang berkaitan dengan rangkaian DC-DC Interleaved Buck Converter dengan Kapasitor Kopling

Merancang dan mengimplementasikan rangkaian DC-DC Interleaved Buck Converter dengan Kapasitor Kopling

Membandingkan dan menganalisis unjuk kerja rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling dengan rangkaian DC-DC IBC Konvensional

Rangkaian DC-DC Interleaved Buck

Converter Konvensional

3

Gabungan dua buck converter secara paralel, dimana tegangan masukan serta tegangan keluarannya satu

Rangkaian DC-DC Interleaved Buck

Converter dengan Kapasitor Kopling

4

Gabungan dua buck converter secara paralel, dimana tegangan masukan serta tegangan keluarannya satu. Akan tetapi, dua switch atau saklar aktifnya dihubungkan seri dan kapasitor kopling ditambahkan pada rangkaian. Dua switch atau saklar aktif penyalaannya memiliki pergeseran 180𝑜

Mode Operasi 1 5

Analisis Kondisi Tunak

Induktor 1 (L1) mengalami charge Persamaan matematis induktor 1 (L1)

𝑉𝐿1𝑡𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 = VS

- VCB - Vo

∆𝑖𝐿1𝑡𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 =

𝑉𝑆 − 𝑉𝐶𝐵

− 𝑉𝑜

𝐿1𝐷𝑇

Induktor 2 (L2) mengalami discharge

Persamaan matematis induktor 2 (L2)

𝑉𝐿2𝑡𝑑𝑖𝑠𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 = −Vo

∆𝑖𝐿2𝑡𝑑𝑖𝑠𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 = −

𝑉𝑜

𝐿21 − 𝐷 𝑇

6 Analisis Kondisi Tunak

Mode Operasi 2

Induktor 1 (L1) mengalami discharge

Persamaan matematis induktor 1 (L1)

𝑉𝐿1𝑡𝑑𝑖𝑠𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 = −Vo

∆𝑖𝐿1𝑡𝑑𝑖𝑠𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 = −

𝑉𝑜

𝐿11 − 𝐷 𝑇

Induktor 2 (L2) mengalami discharge

Persamaan matematis induktor 2 (L2)

𝑉𝐿2𝑡𝑑𝑖𝑠𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 = −Vo

∆𝑖𝐿2𝑡𝑑𝑖𝑠𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 = −

𝑉𝑜

𝐿21 − 𝐷 𝑇

7 Analisis Kondisi Tunak

Mode Operasi 3

Induktor 2 (L2) mengalami charge

Persamaan matematis induktor 2 (L2)

𝑉𝐿2𝑡𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 = VCB −Vo

∆𝑖𝐿2(𝑡𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒) =

(𝑉𝐶𝐵 −𝑉𝑜)

𝐿2𝐷𝑇

Induktor 1 (L1) mengalami discharge

Persamaan matematis induktor 1 (L1)

𝑉𝐿1𝑡𝑑𝑖𝑠𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 = −Vo

∆𝑖𝐿1𝑡𝑑𝑖𝑠𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 = −

𝑉𝑜

𝐿11 − 𝐷 𝑇

Persamaan matematis induktor 1 (L1)

𝑉𝐿1𝑡𝑑𝑖𝑠𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 = −Vo

∆𝑖𝐿1𝑡𝑑𝑖𝑠𝑐ℎ𝑎𝑟𝑔𝑒 = −

𝑉𝑜

𝐿11 − 𝐷 𝑇

8 Analisis Kondisi Tunak

Mode Operasi 4

Mode operasi 4 ini memiliki prinsip kerja yang sama dengan

mode operasi 2 yang telah dijelaskan sebelumnya

Mode operasi 4 ini memiliki prinsip kerja yang sama dengan mode operasi 2 yang telah dijelaskan

sebelumnya

Bentuk Gelombang Operasi 9

Berdasarkan 4 mode operasi yang telah

dijelaskan sebelumnya didapatkan bentuk

gelombang tegangan dan arus seluruh komponen

selama satu periode

Blok Diagram Rangkaian DC-DC

IBC dengan Kapasitor Kopling

10

Parameter Rangkaian DC-DC IBC

dengan Kapasitor Kopling

11

Parameter Nilai

Daya Keluaran 24 Watt

Tegangan Masukan 60 V

Tegangan Keluaran 12 V

Beban Resistansi 6 Ω

Frekuensi Switching 20 kHz

Ripple Arus Induktor 35 %

Ripple Kapasitor Kopling 0.75 %

Ripple Kapasitor Keluaran 0.1 %

Parameter Perancangan

Penentuan Nilai Duty Cycle (D)

12 Rasio Konversi DC

𝐷 = 2 ×𝑉𝑜

𝑉𝑠= 2 ×

12

60= 0.4

Penentuan Nilai Rasio Konversi Penurunan (M)

𝑀 =𝐷

2=

0.4

2= 0.2

13

Penentuan Nilai Induktor 1 (𝐿1) dan Induktor 2 (𝐿2)

Parameter LC filter

𝐿2 = 𝐿1 =(𝑉𝑠2 −

𝑉𝑜) × 𝐷

∆𝑖𝐿 × 𝑓 =

(602 − 12) × 0.4

0.7 × 20000= 514.29 𝜇𝐻

𝐼𝐿 =𝐼𝑜

2=

2

2= 1 A

∆𝐼𝐿= 𝑃𝑟𝑜𝑠𝑒𝑛𝑡𝑎𝑠𝑒 𝑟𝑖𝑝𝑝𝑙𝑒 (%) × 𝐼𝐿 × 2 = 0.35 × 1 × 2 = 0.7 A

Penentuan Nilai Kapasitor Keluaran (𝐶𝑜) 14

Parameter LC filter

𝑉𝐶𝑂

= 𝑉𝑂 = 12 𝑉

∆𝑉𝐶𝑂= 𝑃𝑟𝑜𝑠𝑒𝑛𝑡𝑎𝑠𝑒 𝑟𝑖𝑝𝑝𝑙𝑒 % × 𝑉𝐶𝑂

× 2 = 0.1% × 12 × 2 = 0.024 V

𝐶𝑜 =𝐷 0.5𝑉𝑠 − 𝑉𝑜

4∆𝑉𝐶𝑜𝐿𝑓2 =

0.4 0.5 × 60 − 12

4 × 0.024 × 514.29 × 10−6 × 20000 2 = 364.58 𝜇𝐹

Penentuan Nilai Kapasitor Kopling (𝐶𝐵) 15

𝑉𝐶𝐵=

𝑉𝑆

2=

60

2= 30 V

∆𝑉𝐶𝐵= 𝑃𝑟𝑜𝑠𝑒𝑛𝑡𝑎𝑠𝑒 𝑟𝑖𝑝𝑝𝑙𝑒(%) × 𝑉𝐶𝐵

× 2 =0.75

100× 30 × 2 = 0.45 V

𝐶𝐵 = 𝐼𝑜 × 𝐷

2 × ∆𝑉𝐶𝐵× 𝑓

= 2 × 0.4

2 × 0.45 × 20000 = 44.44 𝜇𝐹

Nilai Komponen Rangkaian DC-DC IBC

dengan Kapasitor Kopling

16 Nilai Komponen

Komponen Perhitungan Real

Kapasitor Kopling 44.44 𝜇𝐹 47 𝜇𝐹

Induktor 1 514.29 𝜇𝐻 598.1 𝜇𝐻

Induktor 2 514.29 𝜇𝐻 605.5 𝜇𝐻

Kapasitor Keluaran 364.58 𝜇𝐹 400 𝜇𝐹

Beban Resistansi 6 Ω 6 Ω

Mosfet 1 & 2

500 V, 20 A

Dioda 1 & 2 600V, 10A

Rangkaian DC-DC IBC dengan

Kapasitor Kopling pada simulasi

17 Gambar Rangkaian Simulasi

Implementasi Rangkaian DC-DC IBC

dengan Kapasitor Kopling

18 Gambar Implementasi Rangkaian

Kapasitor Keluaran

Induktor 1

Induktor 2

Dioda 1

Kapasitor Kopling

Dioda 2

Mosfet 1

Mosfet 2

Implementasi Rangkaian DC-DC IBC dengan

Kapasitor Kopling Secara Keseluruhan

19 Gambar Implementasi Rangkaian

POWER SUPPLY 18 VOLT

OPTOCOUPLER &

TRANSISTOR GATE DRIVER

LCD & KEYPAD

MIKROKONTROLER IBC

KONVENSIONAL

INPUT POWER SUPPLY 60V

IBC dengan KAPASITOR

KOPLING

BEBAN RESISTANSI

RANGKAIAN SNUBBER

Gambar Gelombang Tegangan dan Arus dari Komponen Hasil Pengujian

Desain dan Simulasi Rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling

20 Pengujian Desain dan Simulasi

(Saklar 1 & 2) (Dioda 1 & 2)

(Arus Induktor 1 & 2)

(Kapasitor Kopling )

Parameter pengujian :

Tegangan Masukan 60V, Beban Resistansi 6Ω, Duty Cycle 40%

𝐼𝑄1

𝑉𝑄1

𝐼𝑄2

𝑉𝑄2 𝑉𝐷2

𝐼𝐷2

𝑉𝐷1

𝐼𝐷1

𝐼𝐿2 𝐼𝐿1

𝐼𝐶𝐵

𝑉𝐶𝐵

Tabel Hasil Pengujian Simulasi Rangkaian DC-DC IBC

dengan Kapasitor Kopling terhadap Perubahan Beban

21

Pengujian Simulasi terhadap Perubahan Beban

𝑽𝒊𝒏 (V)

𝑰𝒊𝒏 (mA)

𝑽𝒐𝒖𝒕 (V)

𝑰𝒐𝒖𝒕 (A)

𝑷𝒊𝒏 (Watt)

𝑷𝒐𝒖𝒕 (Watt)

Beban (Ω)

𝑷𝒐𝒖𝒕 (%)

60 401 12.01 2.002 24.06 24.044 6 100

60 323 12.01 1.601 19.38 19.23 7.5 80

60 243 12.01 1.201 14.58 14.42 10 60

60 162 12.01 0.801 9.72 9.62 15 40

60 80.4 12.01 0.400 4.824 4.804 30 20

Data hasil simulasi ternyata tidak dapat digunakan untuk menentukan nilai efisiensi karena semua komponen didalam simulasi berada pada kondisi ideal

22

Gambar hasil Pengujian Simulasi Rangkaian DC-DC IBC

dengan Kapasitor Kopling terhadap Perubahan Beban

Pengujian Simulasi terhadap Perubahan Beban

Pada kondisi daya keluaran 100 % atau beban resistansi 6 Ω

𝑉𝑜𝑢𝑡

𝐼𝑜𝑢𝑡

𝐼𝑖𝑛

23

Tabel Hasil Pengujian Simulasi Rangkaian DC-DC IBC

dengan Kapasitor Kopling terhadap Perubahan Duty Cycle

Duty Cycle (%)

𝑽𝒊𝒏 (V)

𝑰𝒊𝒏 (mA)

𝑽𝒐𝒖𝒕 (V)

𝑰𝒐𝒖𝒕 (A)

𝑽𝒐𝒖𝒕 Teori

(V)

Error (%)

10 60 24.99 3 0.5 3 0

15 60 55.9 4.5 0.75 4.5 0

20 60 100 6 1 6 0

25 60 156 7.5 1.25 7.5 0

30 60 225 9 1.5 9 0

35 60 306 10.5 1.75 10.5 0

40 60 405 12 2 12 0

45 60 506 13.5 2.25 13.5 0

50 60 626 15 2.5 15 0 Duty cycle dinaikkan maka tegangan keluaran akan semakin besar. Selain itu, error tegangan keluaran bernilai nol pada semua duty cycle

Pengujian Simulasi terhadap Perubahan Duty Cycle

24

Gambar hasil Pengujian Simulasi Rangkaian DC-DC IBC

dengan Kapasitor Kopling terhadap Perubahan Duty Cycle

Pada saat duty cycle 40 %

Pengujian Simulasi terhadap Perubahan Duty Cycle

𝑉𝑜𝑢𝑡

𝐼𝑜𝑢𝑡

𝐼𝑖𝑛

Gambar Gelombang Tegangan dan Arus dari Komponen Hasil

Pengujian Desain dan Implementasi Prototype Rangkaian DC-DC

IBC dengan Kapasitor Kopling

25 Pengujian Desain dan Implementasi

(Saklar 1 & 2) (Arus Induktor 1 & 2)

(Dioda 1 & 2)

(Kapasitor Kopling)

Parameter pengujian :

Tegangan Masukan 60V, Beban Resistansi 6Ω, Duty Cycle 40%

26

Gambar Gelombang Tegangan dan Arus dari Komponen Hasil

Pengujian Desain dan Implementasi Prototype

Rangkaian DC-DC IBC Konvensional

Pengujian Desain dan Implementasi

Parameter pengujian :

Tegangan Masukan 60V, Beban Resistansi 6 Ω, Duty Cycle 20 %

(Saklar 1 & 2) (Dioda 1 & 2)

(Arus Induktor 1 & 2 )

27 Analisis Rugi-Rugi Pensaklaran

Gambar Gelombang Tegangan dan Arus Saklar atau Switch 1 dan 2

Prototype Rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling

𝐼𝑄1

𝑉𝑄1

𝑉𝑄2

𝐼𝑄1

0.5𝑉𝑠

𝑉𝑠

0.5𝑉𝑠 Sebelum di “ ON ” Setelah di “ OFF ”

Analisis Rugi-Rugi Pensaklaran

Gambar Gelombang Tegangan dan Arus Saklar atau Switch 1 dan 2

Prototype Rangkaian DC-DC IBC Konvensional

28

𝑉𝑄1

𝑉𝑄2

𝐼𝑄1

𝐼𝑄2

𝑉𝑠

𝑉𝑠

29

Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Beban

Tabel Hasil Pengujian Prototype Rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling terhadap Perubahan Beban

𝑽𝒊𝒏 (V)

𝑰𝒊𝒏 (mA)

𝑽𝒐𝒖𝒕 (V)

𝑰𝒐𝒖𝒕 (A)

𝑷𝒊𝒏 (Watt)

𝑷𝒐𝒖𝒕 (Watt)

Beban (Ω)

𝑷𝒐𝒖𝒕 (%)

Eff (%)

60 495 12.2 2.1 29.7 25.62 6 100 86.26

60 386 12 1.67 23.16 20.04 7.5 80 86.53

60 292 12.1 1.27 17.52 15.37 10 60 87.71

60 190 11.9 0.846 11.4 10.07 15 40 88.31

60 101 12 0.434 6.06 5.21 30 20 85.94

Nilai efisiensi dari prototype yang tertinggi adalah 88.31 % yang terjadi pada daya keluaran 40 %. Sedangkan nilai efisiensi yang terendah adalah 85.94 % yang terjadi pada daya keluaran 20 %.

30 Grafik Daya Keluaran terhadap Efisiensi dari Prototype Rangkaian

DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling

Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Beban

Grafik efisiensi merupakan grafik hasil regresi

Gambar Hasil Pengujian Prototype Rangkaian DC-DC IBC

dengan Kapasitor Kopling saat Daya Keluaran 100 %

31

Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Beban

𝑉𝑖𝑛

𝐼𝑖𝑛

𝐼𝑂𝑢𝑡

𝑉𝑂𝑢𝑡

Tabel Hasil Pengujian Prototype Rangkaian DC-DC

IBC Konvensional terhadap Perubahan Beban

𝑽𝒊𝒏 (V)

𝑰𝒊𝒏 (mA)

𝑽𝒐𝒖𝒕 (V)

𝑰𝒐𝒖𝒕 (A)

𝑷𝒊𝒏 (Watt)

𝑷𝒐𝒖𝒕 (Watt)

Beban (Ω)

𝑷𝒐𝒖𝒕 (%)

Eff (%)

60.1 540 12 2.19 32.45 26.28 6 100 80.98

59.9 426 12 1.73 25.52 20.76 7.5 80 81.36

60 328 12 1.35 19.68 16.2 10 60 82.32

60 251 12 0.97 15.06 11.64 15 40 77.29

59.9 149 12 0.561 8.93 6.73 30 20 75.43

32

Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Beban

Nilai efisiensi yang tertinggi adalah 82.32 % yang terjadi pada daya keluaran 60 %. Sedangkan nilai efisiensi yang terendah adalah 75.43 % yang terjadi pada daya keluaran 20 %

Grafik Daya Keluaran terhadap Efisiensi dari Prototype IBC

dengan Kapasitor Kopling dan Prototype IBC Konvensional

33

Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Beban

Nilai efisiensi dari prototype rangkaian DC-DC IBC Konvensional lebih rendah daripada nilai efisiensi dari prototype rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling pada daya keluaran yang sama

Gambar Hasil Pengujian Prototype Rangkaian DC-DC

IBC Konvensional saat Daya Keluaran 60 %

34

Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Beban

𝐼𝑖𝑛

𝑉𝑖𝑛

𝑉𝑜𝑢𝑡

𝐼𝑜𝑢𝑡

Tabel Hasil Pengujian Prototype Rangkaian DC-DC IBC

dengan Kapasitor Kopling terhadap Perubahan Duty Cycle

35

Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Duty Cycle

Duty Cycle (%)

Vin (V)

Iin (mA)

Vout (V)

Iout (A)

Vout Teori/Simulasi

(V)

Error (%)

10 60 82.3 1.37 0.237 3 54.33

15 60 116 3.45 0.592 4.5 23.33

20 60 172 5.41 0.922 6 9.83

25 60 259 7.06 1.2 7.5 5.87

30 60 266 8.41 1.43 9 6.55

35 60 328 10 1.67 10.5 4.76

40 60 386 11.5 1.97 12 4.17

45 60 562 13 2.17 13.5 3.7

50 60 698 14.7 2.45 15 2 Duty cycle dinaikkan maka tegangan keluaran semakin besar. Akan tetapi, error tegangan keluaran semakin kecil

Grafik Duty Cycle terhadap Tegangan Keluaran Hasil Pengujian Simulasi dan Prototype Rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling

36

Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Duty Cycle

37

Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Duty Cycle

Gambar Hasil Pengujian Prototype Rangkaian DC-DC IBC

dengan Kapasitor Kopling saat Duty Cycle 40 %

𝑉𝑖𝑛

𝐼𝑜𝑢𝑡

𝑉𝑜𝑢𝑡

𝐼𝑖𝑛

38

Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Duty Cycle

Tabel Hasil Pengujian Prototype Rangkaian DC-DC IBC

Konvensional terhadap Perubahan Duty Cycle

Duty Cycle (%)

Vin (V)

Iin (A)

Vout (V)

Iout (A)

Vout Teori

(V)

Error (%)

10 60 0.150 5.12 0.953 6 14.67

15 60 288 8.37 1.57 9 7

20 60 0.534 11.8 2.07 12 1.67

25 60 0.800 14.9 2.59 15 0.67

30 60 1.10 17.6 3.15 18 2.22

35 60 1.49 20.5 3.69 21 2.38

40 60 1.91 23.7 4.20 24 1.25

45 60 2.34 26.7 4.72 27 1.11

50 60 2.89 29.7 5.27 30 1

Nilai error tegangan keluaran sangat kecil. Hal ini disebabkan karena prototype rangkaian DC-DC IBC Konvensional dilengkapi dengan rangkaian snubber

39

Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Duty Cycle

Nilai tegangan keluaran dari prototype rangkaian DC-DC IBC Konvensional dua kali lebih besar daripada nilai tegangan keluaran dari prototype rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling pada duty cycle yang sama

Grafik Duty Cycle terhadap Tegangan Keluaran Hasil Pengujian Prototype IBC dengan Kapasitor Kopling dan Prototype IBC Konvensional

40

Pengujian Implementasi terhadap Perubahan Duty Cycle

Gambar Hasil Pengujian Prototype Rangkaian DC-DC

IBC Konvensional saat Duty Cycle 25 %

𝑉𝑜𝑢𝑡

𝑉𝑖𝑛

𝐼𝑜𝑢𝑡

𝐼𝑖𝑛

Kesimpulan Nilai tegangan pada semua komponen dari rangkaian DC-DC IBC

dengan Kapasitor Kopling bernilai setengah dari tegangan masukan saat saklar atau switch 2 belum di “on”-kan dan setelah di “off “-kan ketika beroperasi dengan duty cycle ≤ 50%. Akibatnya, rugi-rugi dari rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling dapat direduksi.

Rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling memiliki efisiensi yang lebih tinggi daripada rangkaian DC-DC IBC Konvensional. Hasil pengujian didapatkan efisiensi dari prototype rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling yang tertinggi sebesar 88.31 %. Sedangkan efisiensi dari prototype rangkaian DC-DC IBC Konvensional yang tertinggi sebesar 82.32 %.

Rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling memiliki rasio konversi penurunan tegangan DC lebih tinggi daripada rasio konversi penurunan tegangan DC dari rangkaian DC-DC IBC Konvensional pada duty cycle yang sama. Hasil pengujian pada duty cycle 40 % dan tegangan masukan 60 V, didapatkan nilai tegangan keluaran dari prototype rangkaian DC-DC IBC dengan Kapasitor Kopling sebesar 11.5V. Sedangkan tegangan keluaran dari prototype rangkaian DC-DC IBC Konvensional sebesar 23.7 V.

41