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.
5/8/2018 choperbnajar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/choperbnajar 2/39
ITC-2009
Diagram Blok:
Aplikasi Konverter DC-DC
Switch mode power supply (SMPS)
5/8/2018 choperbnajar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/choperbnajar 3/39
ITC-2009
Switch mode power supply (SMPS)
Catu daya peralatan elektronik
Catu daya peralatan teknologiinformatika dan telekomunikasi (ICT)
Konverter sistem sel surya atau angin
Switch mode power supply (SMPS)
5/8/2018 choperbnajar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/choperbnajar 4/39
ITC-2009
Aplikasi Konverter DC-DC
Kontrol motor DC
,
DC motor control,battery chargers
Kontrol motor DC
5/8/2018 choperbnajar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/choperbnajar 5/39
ITC-2009
Aplikasi Konverter DC-DC
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
5/8/2018 choperbnajar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/choperbnajar 6/39
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
5/8/2018 choperbnajar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/choperbnajar 7/39
ITC-2009
T Lo R I P2
=
Regulator Switching
Model dari regulator switching
5/8/2018 choperbnajar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/choperbnajar 8/39
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
5/8/2018 choperbnajar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/choperbnajar 9/39
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
5/8/2018 choperbnajar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/choperbnajar 10/39
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
.)(
−=∆
−=
∆=
∆
∆=
5/8/2018 choperbnajar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/choperbnajar 11/39
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(
−
−=∆
−=−
∆=
∆
∆=
5/8/2018 choperbnajar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/choperbnajar 12/39
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:
5/8/2018 choperbnajar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/choperbnajar 13/39
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 :
5/8/2018 choperbnajar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/choperbnajar 14/39
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 .
5/8/2018 choperbnajar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/choperbnajar 15/39
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:
5/8/2018 choperbnajar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/choperbnajar 16/39
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.
5/8/2018 choperbnajar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/choperbnajar 17/39
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)(
5/8/2018 choperbnajar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/choperbnajar 18/39
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
5/8/2018 choperbnajar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/choperbnajar 19/39
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
5/8/2018 choperbnajar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/choperbnajar 20/39
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
5/8/2018 choperbnajar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/choperbnajar 21/39
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:
5/8/2018 choperbnajar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/choperbnajar 22/39
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
−=
=−=
5/8/2018 choperbnajar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/choperbnajar 23/39
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:
5/8/2018 choperbnajar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/choperbnajar 24/39
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
5/8/2018 choperbnajar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/choperbnajar 25/39
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
5/8/2018 choperbnajar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/choperbnajar 26/39
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
5/8/2018 choperbnajar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/choperbnajar 27/39
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
5/8/2018 choperbnajar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/choperbnajar 28/39
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
5/8/2018 choperbnajar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/choperbnajar 29/39
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
5/8/2018 choperbnajar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/choperbnajar 30/39
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
5/8/2018 choperbnajar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/choperbnajar 31/39
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
5/8/2018 choperbnajar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/choperbnajar 32/39
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
Contoh dioda snubber adalah fast recoverydiode tipe FR307
5/8/2018 choperbnajar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/choperbnajar 33/39
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
5/8/2018 choperbnajar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/choperbnajar 34/39
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
Contoh dioda snubber adalah fast recoverydiode tipe FR307
5/8/2018 choperbnajar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/choperbnajar 35/39
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
5/8/2018 choperbnajar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/choperbnajar 36/39
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
5/8/2018 choperbnajar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/choperbnajar 37/39
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%
5/8/2018 choperbnajar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/choperbnajar 38/39
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%.
5/8/2018 choperbnajar - slidepdf.com
http://slidepdf.com/reader/full/choperbnajar 39/39
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