Tugas Elektronika Daya II
Nama      : reza haykal nafis
NIM        : 1102160025
Kelas       : EL 40-P1

DEFINISI
Pengubah daya DC-DC (DC-DC Converter) tipe pensaklaran atau dikenal dengan sebutan DC Chopper  dimanfaatkan untuk menghasilkan tegangan keluaran DC yang bervariasi sesuai dengan beban. Daya masukan dari proses DC-DC tersebut adalah berasal dari sumber daya DC yang biasanya memiliki tegangan yang tetap.Macam-macam topologi DC Chopper : 1.      Buck (menurunkan tegangan)
2.      Boost (menaikan tegangan)
3.      Buck-Boost (menaik-turunkan)
4.      Cuk (menaik-turunkan)
5.      Zeta (menaik-turunkan)
6.      SEPIC (menaik-turunkan)
7.      Two Quadrant Converters
8.      Full Bridge Converter
Komponen yang digunakan untuk menjalankan fungsi pensaklaran tersebut tidak lain adalah solid state electronic switch seperti misalnya Thyristor, MOSFET, IGBT, GTO. Secara umum ada dua fungsi pengoperasian dari DC Chopper yaitu tegangan keluaran yang dihasilkan lebih tinggi dari tegangan masukan, atau tegangan keluaran lebih rendah dari tegangan masukan.
PRINSIP DASAR
Untuk lebih memahami keuntungan dari tipe pensaklaran, kita lihat kembali prinsip pengubahan daya DC-DC.
1.    Pada tipe linier, pengaturan tegangan keluaran dicapai dengan menyesuaikan arus pada beban yang besarannya tergantung dari besar arus base-nya transistor.
2.     Pada tipe pensaklaran, terlihat fungsi transistor sebagai electronic switch yang dapat dibuka (off) dan ditutup (on). Dengan asumsi bahwa switch tersebut ideal, jika switch ditutup maka tegangan keluaran akan sama dengan tegangan masukan, sedangkan jika switch dibuka maka tegangan keluaran akan menjadi nol.
3.   Parameter D dikenal sebagai Duty ratio yaitu rasio antara lamanya waktu switch ditutup (ton) dengan perioda T dari pulsa tegangan keluaran.
TOPOLOGI PENURUN TEGANGAN (BUCK CONVERTER)
Konverter jenis buck merupakan konverter penurun tegangan yang mengkonversikan tegangan masukan DC menjadi tegangan DC lainnya yang lebih rendah. Seperti terlihat pada gambar 2, rangkaian ini terdiri terdiri atas satu saklar aktif (MOSFET), satu saklar pasif (diode), kapasitor dan induktor sebagai tapis keluarannya.

Gambar 2 Rangkaian konverter DC-DC tipe buck
Untuk tegangan kerja yang rendah, saklar pasif (dioda) sering diganti dengan saklar aktif (MOSFET) sehingga susut daya pada saklar bisa dikurangi. Apabila menggunakan 2 saklar aktif, kedua saklar ini akan bekerja secara bergantian, dan hanya ada satu saklar yang menutup setiap saat. Nilai rata-rata tegangan keluaran konverter sebanding dengan rasio antara waktu penutupan saklar (saklar konduksi/ON) terhadap periode penyaklarannya. Biasanya nilai faktor daya ini tidak lebih kecil dari 0.2, karena jika dioperasikan pada rasio tegangan yang lebih tinggi, saklar akan bekerja dibawah keandalannya dan menyebabkan efisiensi konverter turun. Untuk rasio (Vd/Ed) yang sangat tinggi, biasanya digunakan konverter DC-DC yang terisolasi atau topologi yang dilengkapi dengan trafo.
Tegangan rata-rata buck converter

Persamaan tegangan buck converter

Analisis riak arus keluaran diperlukan untuk bisa mendesain tapis atau filter keluaran konverter DC-DC. Dari persamaan di bawah ini, terlihat bahwa untuk mendapatkan riak arus keluran konverter buck yang kecil, diperlukan tapis induktor (L) yang nilainya akan semakin kecil dengan meningkatkan frekuensi penyaklaran. Riak arus keluaran konverter DC-DC akan bernilai maksimum apabila konverter bekerja pada duty cycle (d) = 0,5.
Analisis riak arus buck 

Gambar dibawah ini adalah kondisi arus yang mengalir di tapis induktor pada saat konverter DC-DC bekerja pada kondisi kritis. Yang dimaksud dengan kondisi kritis disini adalah kondisi dimana arus di induktor mengalir ke beban sampai tepat bernilai nol pada saat saklar OFF, atau induktor bekerja sebagai sumber arus. Dari gambar terlihat bahwa arus yang mengalir di induktor sebanding dengan nilai  dari riak arus keluaran. Pada kondisi ini, dari gambar terlihat bahwa nilai riak arus keluran rata-rata sebanding dengan 1/2 riak arus puncak ke puncak yang dapat dihitung dengan persamaan sebagai berikut:
Penyaklaran pada kondisi kritis

Bentuk gelombang kondisi diskontinu
TOPOLOGI PENAIK TEGANGAN (BOOST CONVERTER) 
Konverter boost berfungsi untuk menghasilkan tegangan keluaran yang lebih tinggi dibanding tegangan masukannya, atau biasa disebut dengan konverter penaik tegangan. Konverter ini banyak dimanfaatkan untuk aplikasi pembangkit listrik tenaga surya dan turbin angin.
Skema konverter jenis ini dapat dilihat pada gambar 3 dan gambar 4, dimana komponen utamanya terdiri atas MOSFET, dioda, induktor, dan kapasitor. Jika saklar MOSFET pada kondisi tertutup, arus akan mengalir ke induktor sehingga menyebabkan energi yang tersimpan di induktor naik. Saat saklar MOSFET terbuka, arus induktor ini akan mengalir menuju beban melewati dioda sehingga energi yang tersimpan di induktor akan turun. Rasio antara tegangan keluaran dan tegangan masukan konverter sebanding dengan rasio antara periode penyaklaran dan waktu pembukaan saklar. Keunggulan dari konverter boostadalah mampu menghasilkan arus masukan yang kontiniu.

Gambar 3 Rangkaian konverter DC-DC tipe boost
Karena arus masukan konverter dapat dijaga kontinu, pada saat konverter ini diserikan dengan penyearah dioda, konverter ini tidak menimbulkan harmonisa pada arus sumber penyearah dioda. Atau dengan kata lain, arus sumber mempunyai bentuk gelombang mendekati sinusoidal dengan faktor daya sama dengan satu.

Gambar 4 Rangkaian konverter DC-DC tipe boost + penyearah dioda (faktor daya satu)
Persamaan umum boost

Persamaan riak arus boost

Efek Parasitik Komponen

TOPOLOGI PENURUN-PENAIK TEGANGAN (BUCK-BOOST CONVERTER)
Konverter buck-boost dapat menghasilkan tegangan keluaran yang lebih rendah atau lebih tinggi daripada sumbernya. Skema konverter ini dapat dilihat pada gambar 4. Rangkaian kontrol daya penyaklaran akan memberikan sinyal kepada MOSFET. Jika MOSFET OFF maka arus akan mengalir ke induktor, energi yang tersimpan di induktor akan naik. Saat saklar MOSFET ON energi di induktor akan turun dan arus mengalir menuju beban. Dengan cara seperti ini, nilai rata-rata tegangan keluaran akan sesuai dengan rasio antara waktu pembukaan dan waktu penutupan saklar. Hal inilah yang membuat topologi ini bisa menghasilkan nilai rata-rata tegangan keluaran/bebn bisa lebih tinggi maupun lebih rendah daripada tegangan sumbernya.

Gambar 5 Rangkaian konverter DC-DC tipe buck-boost
Persamaan umum dan persamaan riak arus keluaran buck boost

Masalah utama dari konverter buck-boost adalah membutuhkan tapis induktor dan kapasitor yang besar di kedua sisi masukan dan keluaran konverter, karena konverter dengan topologi seperti ini menghasilkan riak arus yang sangat tinggi. Adapun yang perlu diperhatikan juga disini adalah tegangan keluaran konverter buck-boost bernilai negatif atau berkebalikan dengan sumber tegangan masukan.
TOPOLOGI CUK
Seperti halnya tipe buck-boost, konverter DC-DC topologi ini juga dapat menghasilkan tegangan keluaran yang lebih kecil ataupun lebih besar daripada sumber tegangan. Dengan tambahan induktor dan kapasitor pada sisi masukan, membuat topologi ini menghasilkan riak arus yang lebih kecil daripada topologi buck-boost.

Gambar 6 Konverter DC-DC tipe cuk 
TOPOLOGI SEPIC
Konverter topologi ini adalah perbaikan dari topologi konverter DC-DC tipe cuk. Konverter topologi ini memungkinkan untuk menghasilkan tegangan keluaran yang berpolaritas sama dengan sumber tegangan masukan.

Gambar 7 Konverter DC-DC tipe SEPIC

CONTOH SOAL

1.      Sebuah DC chopper buck, dengan beban R = 10 Ohm,

Tegangan input Vs = 220 V (dc)

Pada saat chopper On terdapat tegangan jatuh Vch = 2 volt.

Frekuensi Chopping f= 1 KHz.

Duty cycle (k) = 50 & 80 %,

Ditanya :

a) Vo rata-rata

b) Vo rms

c) Daya dan Effisiensi chopper

d) Ri (tahanan input effektif dilihat dari sumber)

e) tentukan waktu konduksi saklar Ton dan Toff pada kedua nilai k tsb.

Jawab :

a) Vo rata-rata = k .(220-2) = 0,5 . 218 = 109 Volt

b) Vo rms = (0.5)^0,5 .218 = 154 Volt ( tegangan yang terukur oleh voltmeter)

c) P out = k ((Vs-Vch)^2)/R =2376.2 Watt

Pin= k Vs (Vs-Vch)/R =2398 Watt

Eff = Pout/Pin

    = 99.09 %

d)Ri = R/k = 20 Ohm.

e)untuk k =50% --> ton=toff=0,5ms

  untuk k = 80% -->ton=0,8 ms

                   toff=1-0,8=0,2ms

2.      Diketahui.

Vs = 5 Volt (10 Volt)

Vo = Va = 15 Volt  (jika tegangan ingin menjadi 25,( 45) volt, bagaimana caranya)

Average load current, Ia = 0.5A

Switching frequency = 25 kHz

if L = 150 uH, C= 220 uF

Determine:

a. Duty cycle (k)

b. Ripple current of inductor

c. Peak current of inductor

d. Ripple voltage of filter Capacitor

Solution:

a.      Duty cycle (k); Vo =Vin/(1-D)

1-D = 10/45=2/9 ; D = 7/9

1-k =Vs/Va = 10/45 =2/9,   k= 7/9  ( 0,78)

thus k =2/3 =0,67 = 67%

b.      Ripple current of inductor = Ir

= (Vs.k)/(f.L) = 0.89 A

Ir = 10 * 0,78/25000.150.10^-6 =  =7,8 / 3.7= 2,1

Ier/2=1,05

c.       Peak current of inductor

Is = Ia/(1-k) =1.5 A ( arus masukan)

( Vs.Is = Va.Ia)

10 x Is = 45x 0,5

Is=2,25 A

Ip=2,25+ 1,05 =3,35 Ampere

d. Ripple voltage of filter Capacitor

Vc = (Ia.k)/f.C

   = (0.5 x 0.67)/(25000 x 220 x 10^-6)

   = 0.061 V = 61 mV

   = (0.5 * 0.78)/(25000 * 220 * 10^-6)

   = 0,070 Volt = 70 mV