Konverter DC-DC
1.Pendahuluan
Sistem catu-daya yang bekerja dalam mode pensaklaran (switching) mempunyai efisiensi yang jauh lebih tinggi dibanding sistem catu-daya linier. Oleh karenanya, hampir semua catu-daya modern bekerja dalam mode switching atau dikenal sebagai SMPS (Switched Mode Power Supply). Komponen utama dari sistem catu-daya adalah konverter dc-dc yang berfungsi untuk mengkonversikan daya elektrik bentuk dc (searah) ke bentuk dc lainnya.
Secara umum, ada tiga rangkaian (topologi) dasar konverter dc-dc, yaitu buck, boost, dan buck-boost. Rangkaian lain biasanya mempunyai kinerja mirip dengan topologi dasar ini sehingga sering disebut sebagai turunannya. Contoh dari konverter dc-dc yang dianggap sebagai turunan rangkaian buck adalah forward, push-pull, half-bridge, dan full-bridge. Contoh dari turunan rangakain boost adalah konverter yang bekerja sebagai sumber arus. Contoh dari turunan rangkaian buck-boost adalah konverter flyback.
Pada tahun 1980-an, ditemukan dan dipatenkan ratusan rangkaian baru konverter dc-dc. Rangkaian baru ini ditawarkan dengan bermacam kelebihan yang diklaim bisa menggantikan peran rangkaian konvensional. Para insinyur baru sering sekali pusing dan menghabiskan banyak waktu untuk memilih dan mencoba rangkaian baru ini. Akan tetapi setelah banyak menghabiskan waktu dan biaya, sering sekali terbukti bahwa rangkaian baru tersebut sangat susah untuk diproduksi. Sebagai akibatnya, sampai saat ini, hampir semua industri masih menawarkan topologi dasar dalam jajaran produknya. Pengecualian mungkin ditemui pada penerapan yang sangat khusus. Akan tetapi, hampir semua insinyur biasanya mencoba lebih dulu menggunakan rangkaian dasar untuk bermacam keperluan. Kalau diperlukan, kinerja yang khusus dicoba dipenuhi dengan menggunakan beberapa rangkaian dasar yang dihubungkan seri, paralel, atau kaskade.
Kondisi ini tidak berarti bahwa konverter dc-dc tidak mengalami perkembangan selama tiga-puluh tahun terakhir ini. Perkembangan pesat terjadi di bidang integrasi, produksi, saklar semikonduktor, dan teknik untuk mengurangi rugi-rugi penyaklaran. Tulisan ini akan mencoba mengkaji beberapa topologi dasar konverter daya yang banyak dipakai di industri. Dengan memahami kinerja konverter dasar ini, para insinyur yang bekerja di industry konverter daya bisa dengan baik memilih topologi yang sesuai untuk hampir semua keperluan. Pekerjaan selanjutnya tinggal menentukan ukuran tapis dan rangkaian kendalinya.
Sistem catu-daya yang bekerja dalam mode pensaklaran (switching) mempunyai efisiensi yang jauh lebih tinggi dibanding sistem catu-daya linier. Oleh karenanya, hampir semua catu-daya modern bekerja dalam mode switching atau dikenal sebagai SMPS (Switched Mode Power Supply). Komponen utama dari sistem catu-daya adalah konverter dc-dc yang berfungsi untuk mengkonversikan daya elektrik bentuk dc (searah) ke bentuk dc lainnya.
Secara umum, ada tiga rangkaian (topologi) dasar konverter dc-dc, yaitu buck, boost, dan buck-boost. Rangkaian lain biasanya mempunyai kinerja mirip dengan topologi dasar ini sehingga sering disebut sebagai turunannya. Contoh dari konverter dc-dc yang dianggap sebagai turunan rangkaian buck adalah forward, push-pull, half-bridge, dan full-bridge. Contoh dari turunan rangakain boost adalah konverter yang bekerja sebagai sumber arus. Contoh dari turunan rangkaian buck-boost adalah konverter flyback.
Pada tahun 1980-an, ditemukan dan dipatenkan ratusan rangkaian baru konverter dc-dc. Rangkaian baru ini ditawarkan dengan bermacam kelebihan yang diklaim bisa menggantikan peran rangkaian konvensional. Para insinyur baru sering sekali pusing dan menghabiskan banyak waktu untuk memilih dan mencoba rangkaian baru ini. Akan tetapi setelah banyak menghabiskan waktu dan biaya, sering sekali terbukti bahwa rangkaian baru tersebut sangat susah untuk diproduksi. Sebagai akibatnya, sampai saat ini, hampir semua industri masih menawarkan topologi dasar dalam jajaran produknya. Pengecualian mungkin ditemui pada penerapan yang sangat khusus. Akan tetapi, hampir semua insinyur biasanya mencoba lebih dulu menggunakan rangkaian dasar untuk bermacam keperluan. Kalau diperlukan, kinerja yang khusus dicoba dipenuhi dengan menggunakan beberapa rangkaian dasar yang dihubungkan seri, paralel, atau kaskade.
Kondisi ini tidak berarti bahwa konverter dc-dc tidak mengalami perkembangan selama tiga-puluh tahun terakhir ini. Perkembangan pesat terjadi di bidang integrasi, produksi, saklar semikonduktor, dan teknik untuk mengurangi rugi-rugi penyaklaran. Tulisan ini akan mencoba mengkaji beberapa topologi dasar konverter daya yang banyak dipakai di industri. Dengan memahami kinerja konverter dasar ini, para insinyur yang bekerja di industry konverter daya bisa dengan baik memilih topologi yang sesuai untuk hampir semua keperluan. Pekerjaan selanjutnya tinggal menentukan ukuran tapis dan rangkaian kendalinya.
DC-DC converter digunakan untuk mengubah input DC yang tidak dikontrol (unregulated) mejadi output DC yang terkontrol (regulated) pada level tegangan tertentu (desired voltage). Adapun sistem DC-DC converter bisa dilihat pada gambar di bawah ini. Tegangan AC 1-phase atau 3-phase disearahkan melalui rangkaian dioda penyearah menjadi tegangan dc yang tidak terkontrol, kemudian masuk ke rangkaian filter untuk mengurangi tegangan ripple dan tetap tegangan DC tersebut masih belum terkontrol. Untuk menjadi tegangan DC yang terkontrol maka rangkaian DC-DC converter perlu ditambahkan sebelum tegangan DC tak terkontrol tersebut digunakan pada beban (load). Dengan demikian tegangan tidak stabil akibat beban bisa dihindari karena tegangan output dikontrol.
DC-DC converter ini banyak diaplikasikan pada regulated switch-mode dc power supply dan dc motor drive. Tentunya penggunaan DC-DC converter pada aplikasi tersebut akan sangat berpengaruh pada jenis DC-DC converter yang digunakan. Untuk aplikasi switch-mode DC power supply biasanya menggunakan electrical isolation transformer dan untuk aplikasi dc motor drive biasanya tidak menggunakan electrical isolation transformer
2. Konverter Forward
Jika penerapan mensyaratkan adanya isolasi galvanis antara sisi masukan dan keluaran atau bekerja dengan rasio tegangan yang sangat tinggi maka konverter jenis forward bisa menjadi pilihan. Skema dari konverter dc-dc jenis forward diperlihatkan di Gb. 2(a). Jika saklar MOSFET menutup maka beban akan merasakan tegangan yang besarnya sebanding dengan tegangan masukan dikalikan rasio jumlah lilitan trafonya. Jika saklar MOSFET menutup maka tegangan bebannya sama dengan nol. Akibatnya, nilai rata-rata tegangan beban bisa diatur dengan mengatur faktor-kerja saklar. Rasio tegangan yang tinggi didapat dengan memilih rasio jumlah lilitan trafo yang seusai.
Pada Gb. 2(a), trafo dilengkapi dengan belitan tersier dan dioda. Rangkaian ini berperan saat saklar MOSFET terbuka. Belitan bantu dan dioda ini berfungsi untuk menjamin bahwa fluksi magnetik di inti trafo telah turun kembali menjadi nol sebelum saklar MOSFET kembali ditutup. Tegangan maksimum yang dirasakan saklar aktif adalah tegangan sumber ditambah tegangan primer trafo (tegangan beban dikalikan rasio jumlah lilitan primer terhadap sekunder). Selain itu untuk menjamin bahwa fluksi magnetik selalu kembali menjadi nol selama saklar aktif terbuka, saklar aktif tidak boleh dioperasikan dengan faktor-kerja lebih dari 50%. Pada saat ini, konverter forward seperti di Gb. 2(a) banyak dipakai untuk daya sampai 100 Watt.
Untuk daya yang lebih besar, rangkaian konverter forward dimodifikasi menjadi seperti terlihat di Gb. 2(b). Dengan topologi ini, tegangan maksimum yang dirasakan saklar menjadi berkurang. Topologi ini cocok untuk daya sampai 1000 Watt. Untuk daya kecil, topologi ini tidak cocok karena susut daya di empat saklar yang digunakan menjadi sangat membebani sistem.
Pada Gb. 2(a), trafo dilengkapi dengan belitan tersier dan dioda. Rangkaian ini berperan saat saklar MOSFET terbuka. Belitan bantu dan dioda ini berfungsi untuk menjamin bahwa fluksi magnetik di inti trafo telah turun kembali menjadi nol sebelum saklar MOSFET kembali ditutup. Tegangan maksimum yang dirasakan saklar aktif adalah tegangan sumber ditambah tegangan primer trafo (tegangan beban dikalikan rasio jumlah lilitan primer terhadap sekunder). Selain itu untuk menjamin bahwa fluksi magnetik selalu kembali menjadi nol selama saklar aktif terbuka, saklar aktif tidak boleh dioperasikan dengan faktor-kerja lebih dari 50%. Pada saat ini, konverter forward seperti di Gb. 2(a) banyak dipakai untuk daya sampai 100 Watt.
Untuk daya yang lebih besar, rangkaian konverter forward dimodifikasi menjadi seperti terlihat di Gb. 2(b). Dengan topologi ini, tegangan maksimum yang dirasakan saklar menjadi berkurang. Topologi ini cocok untuk daya sampai 1000 Watt. Untuk daya kecil, topologi ini tidak cocok karena susut daya di empat saklar yang digunakan menjadi sangat membebani sistem.
3. Konverter Jenis Jembatan
Masalah utama yang dihadapi konverter forward adalah penggunaan trafo yang kurang efisien. Penggunaan trafo kurang efisien karena trafo dimagnetisasi secara tak simetris (gelombang tegangan trafo bukan gelombang bolak-balik). Untuk mengatasi masalah ini, kita bisa menggunakan topologi setengah-jembatan (half-bridge) seperti terlihat di Gb. 3(a). Jika saklar S1 ditutup maka trafo merasakan tegangan positif sedangkan jika saklar S2 ditutup maka trafo merasakan tegangan negatif. Kelemahan utama dari topologi ini adalah tidak cocok untuk dioperasikan dalam mode arus terkendali. Inilah alasan utama mengapa topologi ini tidak banyak digunakan.
Untuk mengatasi masalah pada konverter setengah-jembatan, kita bisa menggunakan topologi jembatan-penuh (full-bridge). Skema konverter ini diperlihatkan di Gb. 3(b). Untuk memahami kinerja konverter jembatan-penuh, kita bisa menganggap sebagai dua konverter setengah-jembatan seperti terlihat di Gb. 4. Masing-masing konverter setengah-jembatan menghasilkan gelombang persegi yang berbeda fasa. Belitan primer trafo akan merasakan selisih tegangan yang dihasilkan oleh dua konverter setengah-jembatan tersebut. Selisih tegangan ini tergantung pada besarnya beda fasa antara dua gelombang tegangan yang dihasilkan.
Dengan mode kerja seperti di Gb. 4, konverter jembatan-penuh bisa dirancang agar bekerja dalam mode pensaklaran lunak (soft switching). Pada mode kerja ini, pembukaan dan penutupan saklar selalu terjadi saat tegangan pada saklar sama dengan nol. Akibatnya, rugi-rugi daya pensaklaran (rugi-rugi daya yang terjadi selama proses penutupan dan pembukaan saklar) bisa ditekan menjadi sangat rendah.
Konverter daya jenis jembatan penuh ini cocok untuk penerapan daya besar sampai 5000 Watt. Walaupun komponen yang digunakannya banyak, manfaat yang didapat bisa mengalahkan kerugiannya.
Untuk mengatasi masalah pada konverter setengah-jembatan, kita bisa menggunakan topologi jembatan-penuh (full-bridge). Skema konverter ini diperlihatkan di Gb. 3(b). Untuk memahami kinerja konverter jembatan-penuh, kita bisa menganggap sebagai dua konverter setengah-jembatan seperti terlihat di Gb. 4. Masing-masing konverter setengah-jembatan menghasilkan gelombang persegi yang berbeda fasa. Belitan primer trafo akan merasakan selisih tegangan yang dihasilkan oleh dua konverter setengah-jembatan tersebut. Selisih tegangan ini tergantung pada besarnya beda fasa antara dua gelombang tegangan yang dihasilkan.
Dengan mode kerja seperti di Gb. 4, konverter jembatan-penuh bisa dirancang agar bekerja dalam mode pensaklaran lunak (soft switching). Pada mode kerja ini, pembukaan dan penutupan saklar selalu terjadi saat tegangan pada saklar sama dengan nol. Akibatnya, rugi-rugi daya pensaklaran (rugi-rugi daya yang terjadi selama proses penutupan dan pembukaan saklar) bisa ditekan menjadi sangat rendah.
Konverter daya jenis jembatan penuh ini cocok untuk penerapan daya besar sampai 5000 Watt. Walaupun komponen yang digunakannya banyak, manfaat yang didapat bisa mengalahkan kerugiannya.
4. Konverter Push-Pull
Topologi turunan buck lain yang cukup popular adalah push-pull seperti terlihat di Gb. 5. Keuntungan utama dari topologi ini adalah dua saklar yang digunakan bisa dikendalikan dengan dua rangkaian gate yang referensinya sama. Ini akan sangat menyederhanakn rangkaian kendali yang diperlukan sehingga bisa dibuat dalam satu chip.
Topologi push-pull cocok untuk penerapan dengan tegangan masukan yang rendah karena saklar akan merasakan tegangan sebesar dua kali tegangan masukannya. Akibatnya, rangkaian ini cocok untuk konverter daya yang dipasok dengan battery. Topologi ini banyak dipakai untuk daya sampai 500 Watt.
Topologi push-pull cocok untuk penerapan dengan tegangan masukan yang rendah karena saklar akan merasakan tegangan sebesar dua kali tegangan masukannya. Akibatnya, rangkaian ini cocok untuk konverter daya yang dipasok dengan battery. Topologi ini banyak dipakai untuk daya sampai 500 Watt.
5. Konverter Flyback
Dalam industri, topologi yang sering dipakai adalah turunan buck-boost yang lebih popular disebut konverter flyback. Skema konverter ini diperlihatkan di Gb. 9. Pada konverter ini, energi tersimpan di trafo akan naik saat saklar MOSFET ditutup. Saat saklar dibuka, energi tersimpan di trafo akan dikirim ke beban melalui dioda. Konverter ini sering dipakai untuk menghasilkan banyak level tegangan keluaran dengan menggunakan beberapa belitan sekunder trafo.
Konverter flyback biasa dipakai untuk daya sampai 100 Watt. Keuntungan utama dari konverter flyback adalah menggunakan komponen yang paling sedikit dibanding konverter jenis lainnya. Kelemahan utama dari topologi ini adalah tingginya tegangan yang dirasakan oleh saklar.
Konverter flyback biasa dipakai untuk daya sampai 100 Watt. Keuntungan utama dari konverter flyback adalah menggunakan komponen yang paling sedikit dibanding konverter jenis lainnya. Kelemahan utama dari topologi ini adalah tingginya tegangan yang dirasakan oleh saklar.
8. Kombinasi Konverter
Untuk penerapan yang sangat khusus, kita bisa mengkombinasikan beberapa konverter dasar sehingga didapat kinerja yang diinginkan. Untuk mendapatkan hasil yang diinginkan, kita bisa menganggap konverter sebagai two-port network yang direpresentasikan seperti terlihat di Gb. 10. Jika konverter bisa dianggap sebagai two-port network seperti di Gb. 10 maka empat macam kombinasi seperti terlihat di Gb. 11 bisa didapat. Konverter yang dikombinasikan bisa lebih dari dua. Konverter yang dikombinasikan tidak harus mempunyai topologi yang sama. Dengan kombinasi semacam ini, keuntungan dari beberapa jenis konverter bisa digabung dan membuang kelemahannya.
Tergantung pada topologi dasar yang dipakai untuk membentuk two-port network tidak semua empat macam kombinasi seperti di Gb. 11 bisa didapat. Tidak adanya isolasi galvanis antara sisi masukan dan keluaran pada beberapa topologi menyebabkan tidak semua kombinasi di Gb. 11 bisa diimplementasikan. Kombinasi semacam ini juga berlaku untuk konverter dc-ac, ac-dc, dan ac-ac.
Tergantung pada topologi dasar yang dipakai untuk membentuk two-port network tidak semua empat macam kombinasi seperti di Gb. 11 bisa didapat. Tidak adanya isolasi galvanis antara sisi masukan dan keluaran pada beberapa topologi menyebabkan tidak semua kombinasi di Gb. 11 bisa diimplementasikan. Kombinasi semacam ini juga berlaku untuk konverter dc-ac, ac-dc, dan ac-ac.
Secara umum, kebutuhan akan sistem catu daya selalu bisa dipenuhi dengan menggunakan topologi dasar konverter daya, yaitu buck, boost, dan buck-boost serta turunannya. Untuk keperluan khusus, kita bisa mengkombinasikan beberapa konverter daya dalam konfigurasi seri-paralel. Topologi khusus sebaiknya dihindari untuk mempermudah proses fabrikasi.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar