JITEL (Jurnal Ilmiah Telekomunikasi.
Elektronika, dan Listrik Tenag.
Vol.
No.
September 2024, pp.
DOI: https://doi.
org/10.
35313/jitel.
p-ISSN: 2774-7972 e-ISSN: 2775-6696 Analisis kondisi tunak dan simulasi konverter DC-DC buck-boost Sofyan Muhammad Ilman1*.
Febi Ariefka Septian Putra2 Jurusan Teknik Elektro.
Politeknik Negeri Bandung Jl.
Gegerkalong Hilir Ds.
Ciwaruga.
Bandung Barat 40559.
Indonesia muhammad@polban.
id, 2febi.
ariefka@polban.
ABSTRAK
Energi baru terbarukan mengalami perkembangan yang sangat pesat, terutama pada teknologi yang ada pada Dengan mengalisis operasi kerja dari suatu konverter tersebut, maka kita dapat mengetahui karakteristik dari konverter.
Pada penelitian ini penulis melakukan analisis keadaan tunak tegangan keluaran pada konverter DC-DC buck-boost yang mana konverter ini memiliki dua mode kerja saat mengatur besarnya persentase dari duty Tahap pertama yang dilakukan adalah mencari persamaan ketika sakelar konverter dalam kondisi ON dan OFF kemudian dimodelkan dalam persamaan kirchhoff voltage law (KVL) yang kemudian ketika persamaan tersebut diperoleh, maka tahap selanjutnya adalah mensubtitusikan persamaan KVL ketika sakelar ON dan OFF dalam waktu satu periode kemudian mengintegralkan dan menyederhanakannya.
Sebagai bentuk validasi dari penurunan persamaan tersebut maka dilakukan simulasi menggunakan software PSIM.
Hasil yang diperoleh adalah ketika tegangan pada induktor dengan waktu switching nol sampai ycNycuycu adalah sebesar ycOyc dan ketika waktu switching ycNycuycu sampai ycN sebesar OeycOycu , dan ketika duty cycle dibawah 50% konverter akan sebagai mode buck, ketika duty cycle diatas 50% konverter akan sebagai mode boost.
Kata kunci: keadaan tunak, buck-boost, duty cycle ABSTRACT New renewable energy is experiencing very rapid development, especially in the technology involved such as converter technology.
By analyzing how a converter works, we can find out the characteristics of the converter.
In this research the author carried out a steady state analysis of the output voltage on a DC-DC buck-boost converter, where this converter has two working modes when setting the duty cycle percentage.
The first step is to find the equation for the converter switch when it is on and off, then model it using the Kirchhoff voltage law (KVL) equation, then after obtaining this equation, the next step is to substitute the KVL equation when the switch is ON and OFF in one period, then integrate, which then simplifies it.
As a form of validation of the derivative equation, a simulation was carried out using PSIM software.
The results obtained are that when the voltage on the inductor with the transition time from zero to ycNycuycu is ycOyc and when the transition time from ycNycuycu to T is OeycOycu , and when the duty cycle is below 50 % the converter will enter buck mode, when the duty cycle is above 50% the converter will enter boost mode.
Keywords: steady state, buck-boost, duty cycle PENDAHULUAN Pada era abad dua puluh satu ini pertumbuhan energi baru terbarukan (EBT) semakin pesat.
Dengan menekan pertumbuhan EBT di dunia ketenagalistrikan maka akan menekan pula penggunaan energi fosil yang lambat laun akan semakin habis dan tidak bisa diperbaharui.
Sistem tersebut tumbuh dalam rangka megurangi ketergantungan terhadap penggunaan energi fosil tersebut.
Berbagai macam sistem yang telah dikembangkan dalam sistem ketenagalistrikan saat ini, diantaranya adalah sistem pembangkit listrik tenaga solar surya, tenaga bayu .
, tenaga mikro hidro, tenaga panas bumi dan lain Dengan keunggulan dalam sistem yang ramah lingkungan, tidak menyebabkan polusi untuk lingkungan sekitar, dan mempunyai jangka panjang dalam energi yang berkelanjutan dimasa depan.
Dan juga dalam perkembangan penyaluran energi dari berbagai sistem pembangkitan sudah mulai berkembang, salah satunya adalah sistem mikro grid.
Dalam sistem besar yang terintegrasi dengan berbagai sumber pembangkitan baik skala kecil maupun besar, maka grid ini akan tumbuh dalam sistem Berbagai macam jenis grid, salah satunya adalah mikro grid DC dari heterogen jenis pembangkitan atau homogen dengan tujuan untuk mengurangi rugi-rugi dijaringan ketika jarak antara Naskah diterima tanggal 28 Januari 2024, disetujui tanggal 30 Oktober 2024 *E-mail korespondensi Sofyan Muhammad Ilman: Analisis kondisi tunak dan simulasi A Vol.
4 No.
3 September 2024 sumber pembangkitan dan beban terlampau sangat jauh .
Selain dari pengembangan teknologi grid, maka setiap pembangkitan yang menghasilkan catu daya DC akan membutuhkan sebuah konverter untuk mengkonversi sebuah daya.
DC ke DC yang lebih tinggi atau DC ke AC.
Untuk sistem PLTS daya yang dibangkitkan dari solar panel adalah berupa daya arus searah/DC.
Jika kebutuhan untuk integrasi DC grid antar PLTS agar memiliki tegangan tinggi DC diperlukan konverter DC-DC yang memiliki rasio tinggi yang dapat mengeluarkan tegangan sesuai dengan grid tersebut .
Berbagai jenis konverter yang digunakan dalam sistem EBT, konverter DC-DC konvensional seperti boost converter, buck converter, dan buck-boost converter yang mana penggunaan konverter tersebut sesuai kebutuhan.
Untuk menaikkan tegangan DC maka digunakan jenis boost, menurunkan tegangan maka digunakan jenis buck sedangkan untuk menaikkan atau menurunkan menggunakan buck-boost.
Dengan teknik modifikasi topologi konverter dapat dilakukan untuk menaikkan peforma dari konverter tersebut, seperti konverter Buck-Boost buck dengan mode arus kontinus untuk menjaga agar riak arus kecil di sisi masukan dan keluaran yang mana daya masuk berasal dari PV sedangkan keluaran menuju sistem penyimpanan baterai yang terintegrasi .
Modifikasi konverter Buck-Boost dengan dual output, yaitu keluaran DC dan AC, untuk sisi keluaran AC konverter diintegrasikan dengan inverter tiga fasa .
Polaritas terminal keluaran dari konverter Buck-Boost secara umum terbalik dari polaritas masukannya, namun dapat dirubah dengan modifikasi dengan jenis non-inverting .
Analisa konverter Buck-Boost berbasis penyaklaran kapasitor yang kemudian konverter dianalisa kinerja secara kondisi tunak .
teady stat.
, pemodelan ruang keadaan .
tate spac.
Modifikasi dan analisa konverter dengan orde tinggi dimaksudkan untuk mengetahui karakteristik, mengurangi riak arus sisi sumber dengan analisa state space, small signal, dan transfer function.
Yang mana mode operasi arus bersifat kontinu .
Penelitian ini bertujuan untuk menganalisis penurunan persamaan tegangan keluaran pada konverter DC-DC Buck-Boost (B-B) dengan mengacu dari kerja pensakelaran ketika dalam kondisi ON dan OFF dalam kondisi steady state.
Dengan menggunakan persamaan kirchoff voltage law (KVL) pada kedua kodisi sakelar tersebut, kemudian dari persamaan KVL tersebut diubah kedalam bentuk integral dalam waktu satu periode pensakelaran yang kemudian disederhanakan untuk mendapatkan persamaan tegangan keluaran konverter.
Dari hasil analisa tersebut akan dilakukan pengujian konverter Buck-Boost (B-B) menggunakan software PSIM sebagai bentuk validasi dari analisa, dengan pengaturan konverter menggunakan sinyal pulse width modulatio (PWM).
METODE PENELITIAN
Metode penelitian yang akan dilakukan dibagi menjadi dua tahap, yaitu analisa secara matematis dari konverter B-B, dan simulasi dengan PSIM.
Untuk operasi kerja pada konverter ketika kondisi sakelar on dan off, lalu di analisa kondisi steady state dari tegangan keluaran hingga penurunan persamaan praktis dan tahapan selanjutnya adalah memodelkan topologi Konverter B-B ke dalam software simulasi.
1 Analisa Steady State Konverter B-B Konverter B-B berfungsi sebagai penurun dan penaik tegangan dengan tegangan keluaran lebih besar atau lebih kecil dari tegangan masukan.
Topologi dasar konverter diberikan dalam Gambar 1.
Pengaturan tegangan keluaran dari konverter tesebut adalah dengan cara mengatur besarnya duty cycle pada komponen pensakelaran, dalam hal ini komponen pensakelaran berupa MOSFET.
Pada Gambar 2.
merupakan siklus kerja dari Konverter B-B.
Beban Gambar 1.
Topologi dasar konverter DC-DC buck-boost JITEL (Jurnal Ilmiah Telekomunikasi.
Elektronika, dan Listrik Tenag.
Vol.
4 No.
3 September 2024 Sofyan Muhammad Ilman: Analisis kondisi tunak dan simulasi A Beban Beban .
Gambar 2.
Siklus kerja konverter DC-DC buck-boost: .
sakelar ON, .
sakelar OFF Berdasarkan Gambar 2, ketika sakelar dalam keadaan on atau menutup, reverse-bias terjadi pada dioda (D.
, akan menjadi, ycOyc = ycOya = ya yccycnya Untuk sakelar dalam keadaan keadaan off, maka forward bias akan terjadi pada dioda, maka persamaan KVL menjadi, yccycn ycOycu = ycOya = ya yccycya Dari persamaan .
, jika dalam satu siklus keadaan .
akelar on dan of.
besarnya ycOya akan menjadi seperti Gambar 3.
Gambar 3.
Gelombang tegangan pada induktor Gambar 3 merupakan besarnya tegangan induktor dengan satu siklus pensakelaran sampai ycN.
Dengan persamaan .
jika disubtitusikan dalam satu periode, maka akan menjadi, 1 ycN O ycO yccyc=0 ycN 0 ya .
1 ycNycuycu O ycOyc yccyc OycN ycOycu yccyc =0 ycN 0 cO .
0ycuycu ycOycu .
ycNycNycuycu ) =0 ycN yc Dari persamaan .
jika dijabarkan menjadi.
Maka jika persamaan .
diturunkan menjadi, .
cO .
cNycuycu Oe .
ycOycu .
cN Oe ycNycuycu )) =0 ycN yc JITEL (Jurnal Ilmiah Telekomunikasi.
Elektronika, dan Listrik Tenag.
Sofyan Muhammad Ilman: Analisis kondisi tunak dan simulasi A Vol.
4 No.
3 September 2024 Dari persamaan .
maka, .
cO ycN ycOycu ycN Oe ycOycu ycNycuycu ) =0 ycN yc ycuycu ycOyc ycNycuycu ycOycN ycO ycN ycuycN Oe ycuycNycuycu =0 ycN ycN Dari persamaan .
jika dilakukan penyederhanaan yang mana besarnya ycuycu = ya maka, ycN ycOyc ya ycOycu Oe ycOycu ya =0 .
Dari persamaan .
jika disederhanakan menjadi, ycO .
ya 1Oeya ycOycC = - ycI Persamaan .
merupakan analisis keadaan tunak tegangan keluaran pada Konverter B-B.
Tabel 1 berikut merupakan spesifikasi dari konverter.
Tabel 1.
Parameter konverter B-B Jenis Komponen Induktor .
Kapasitor (C) Frekuensi switching Tegangan Keluaran-Mode Buck .
cOycu ) Tegangan Keluaran-Mode Boost .
cOycu ) Tegangan Masukan .
cOyc ) Beban Resistor (R) Nilai 32,68 Satuan AAH
AAF
Tabel 1 merupakan spesifikasi dari Konverter B-B.
Tahapan selanjutnya adalah memverifikasi hasil analisa kedalam bentuk model simulasi pada PSIM.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pembahasan hasil ini dibuktikan dengan perangkat lunak PSIM untuk melihat tegangan keluaran ketika diberi tegangan sumber yang telah ditentukan diawal.
Skema pengujian dengan cara memberi sinyal PWM pada MOSFET dengan duty cycle dibawah 50%, sama dengan 50%, dan diatas 50%.
Dari persamaan .
menyatakan bahwa besarnya tegangan keluaran tergantung nilai dari duty cycle.
Pengujian pertama adalah ketika duty cycle dibawah 50% dengan sumber tegangan tetap, pengujian kedua duty cycle diatas 50% dengan tegangan sumber dan beban tetap.
1 Pengujian Tegangan Keluaran Dengan Duty Cycle Dibawah 50% Saat pengujian ini dilakukan beban bersifat tetap, sumber tegangan dibuat tetap, sinyal PWM memicu MOSFET untuk bekerja.
Frekuensi switching yang diberikan sebesar 20 kHz dengan beban berupa resistor.
Dengan skema pengujian ini maka akan diketahui operasi kerja dari konverter.
Pada Gambar dibawah ini merupakan rangkaian konverter dan hasil yang diperoleh dari simulasi.
JITEL (Jurnal Ilmiah Telekomunikasi.
Elektronika, dan Listrik Tenag.
Vol.
4 No.
3 September 2024 Sofyan Muhammad Ilman: Analisis kondisi tunak dan simulasi A Gambar 4.
Konverter B-B dengan kendali PWM Gambar 4 menunjukkan rangkaian dari konverter yang dikendalikan oleh PWM untuk proses Sinyal PWM dibangkitkan oleh hasil summing antara sinyal DC dan sinyal segitiga yang mana dengan mengatur besarnya sinyal DC maka, duty cycle pada sinyal PWM dapat berubah.
Pengaturan frekuensi dilakukan pada sinyal segitiga yang mana diberi frekuensi switching sebesar 20kHz.
Pada Gambar 5 gelombang sinyal DC, sinyal segitiga dan PWM dari rangkaian tersebut dengan besarnya duty cycle sebesar 40%.
Gambar 5.
Gelombang sinyal PWM .
, segitiga .
dan DC .
Gambar 5 menunjukkan gelombang sinyal PWM dengan duty cycle sebesar 40%.
Arti dari 40% adalah besarnya persentase ycNycuycu .
Untuk melihat besarnya tegangan keluaran konverter dengan duty cycle 40% terlihat pada Gambar 6.
JITEL (Jurnal Ilmiah Telekomunikasi.
Elektronika, dan Listrik Tenag.
Sofyan Muhammad Ilman: Analisis kondisi tunak dan simulasi A Vol.
4 No.
3 September 2024 Gambar 6.
Tegangan sumber .
dan keluaran ketika D < 50% .
Gambar 6 menunjukkan tegangan sumber dan keluaran konverter dengan duty cycle 40%.
Jika mengacu pada persamaan .
bahwasannya polaritas sisi keluaran terbalik dengan sisi masukan.
Kemudian dengan duty cycle dibawah 50%, maka besarnya tegangan sisi keluaran lebih kecil dari tegangan sumber dan konverter bersifat buck .
enurun teganga.
Bentuk gelombang dari tegangan pada induktor adalah sebagai berikut.
Gambar 7.
Tegangan pada induktor Gambar 7 merupakan bentuk gelombang dari teganga pada induktor.
Yang mana pada besarnya tegangan induktor pada waktu 0 sampai ycNycuycu sebesar ycOyc dan ketika waktu ycNycuycu sampai ycN sebesar OeycOycu .
2 Pengujian Tegangan Keluaran Dengan Duty Cycle Sama Dengan 50% Pada skema ini besarnya tegangan sumber dan beban dibuat sama, namun duty cycle diatur mencapai sama dengan 50%.
Maka sinyal DC pada sisi pembentukan sinyal PWM diatur setengah dari besarnya sinyal gelombang segitiga.
Dalam skema ini diartikan bahwa besarnya persentase ycNycuycu = 50% dan ycNycuyceyce = 50% .
Gambar 8 menunjukkan hasil percobaan skema tersebut.
JITEL (Jurnal Ilmiah Telekomunikasi.
Elektronika, dan Listrik Tenag.
Vol.
4 No.
3 September 2024 Sofyan Muhammad Ilman: Analisis kondisi tunak dan simulasi A Gambar 8.
Tegangan keluaran ketika D = 50% Gambar 8 menunjukkan besarnya tegangan keluaran ketika D=50%, maka sesuai dengan persamaan .
D=50% maka besarnya tegangan keluaran sama dengan tegangan sumber, hanya saja pada tegangan keluaran polaritas terbalik.
3 Pengujian Tegangan Keluaran Dengan Duty Cycle Diatas 50% Pada pengujian ini besarnya duty cycle diatur pada 60%, dengan nilai tegangan sumber dan beban yang tetap.
Sinyal DC pada sisi pembentukan sinyal PWM diatur sebesar 6v dari besarnya sinyal gelombang segitiga yang mencapai 10v.
Dalam skema ini diartikan bahwa besarnya persentase ycNycuycu = 60% dan ycNycuyceyce = 40% .
Gambar 9 menunjukkan hasil percobaan.
Gambar 9.
Tegangan keluaran ketika D>50% Gambar 9.
adalah keluaran konverter dengan duty cycle 60%.
Pada persamaan .
bahwasannya polaritas sisi keluaran terbalik dengan sisi masukan.
Kemudian dengan duty cycle diatas 50%, maka besarnya tegangan sisi keluaran lebih besar dari tegangan sumber dan konverter bersifat boost .
enaik KESIMPULAN Pada penelitian ini penulis menganalisa steady state tegangan keluaran dari hasil kondisi Analisa yang dilakukan mulai dari menentukkan persamaan KVL dari rangkaian konverter ketika dalam kondisi ON dan OFF, kemudian dari persamaan tersebut persamaan di subtitusikan kedalam bentuk persamaan integral dari tegangan yang ada pada induktor yang kemudian JITEL (Jurnal Ilmiah Telekomunikasi.
Elektronika, dan Listrik Tenag.
Sofyan Muhammad Ilman: Analisis kondisi tunak dan simulasi A Vol.
4 No.
3 September 2024 dilakukan penyederhanaan persamaan.
Dalam tahap verifikasi hasil dari analisa tersebut dilakukan pengujian berupa simulasi dengan tiga skema pengujian yaitu ketika duty cycle dibawah, sama dengan, dan diatas kondisi ycNycuycu = 50%.
Hasil menunjukkan bahwa ketika tegangan pada induktor dengan waktu switching nol sampai ycNycuycu adalah sebesar ycOyc , ketika waktu switching ycNycuycu sampai ycN sebesar OeycOycu , dan ketika duty cycle dibawah 50% konverter akan sebagai mode buck, ketika duty cycle diatas 50% konverter akan sebagai mode boost dengan tegangan keluaran dari konverter B-B memiliki polaritas yang berlawanan dengan polaritas di sisi masukan, sesuai dengan persamaan yang telah dianalisis.
REFERENSI