Desain Konverter DC/DC Zero Voltage Switching dengan...
Transcript of Desain Konverter DC/DC Zero Voltage Switching dengan...
Desain Konverter DC/DC Zero Voltage Switching dengan Perbaikan Faktor Daya sebagai Charger Baterai untuk Kendaraan Listrik
BAGUS PRAHORO TRISTANTIO, MOCHAMAD ASHARI, SOEDIBJO JURUSAN TEKNIK ELEKTRO, FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI, INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER (ITS)
JL. ARIEF RAHMAN HAKIM, SURABAYA 60111 E-MAIL: [email protected], [email protected],
LATAR BELAKANG Charger baterai dengan efisiensi yang tinggi sangat dibutuhkan
terutama untuk kendaraan listrik. Charger yang umum digunakan terdiri dari sebuah rangkaian AC
ke DC (penyearah) untuk memperbaiki faktor daya dan sebuah konverter DC ke DC yang berfungsi mengubah tegangan DC sesuai dengan tegangan pengisian yang sesuai dengan rating tegangan baterai.
PFCDIGUNAKAN UNTUK MENJAMIN BAHWA POWER FACTOR
DARI SISTEM MENDEKATI UNITY
POWER FACTOR = 1
DC/DC KONVERTERDIDESAIN DENGAN EFISIENSI TINGGI MENGGUNAKAN ZVS.
DIGUNAKAN UNTUK MEMBUAT TEGANGAN DC SESUAI
DENGAN TEGANGAN PENGISIAN PADA BATERAI DAN DAPAT DIGUNAKAN SEBAGAI CONTACTLESS
CHARGER
GRID
PERUMUSAN Perumusan masalah : Desain perbaikan faktor daya Besarnya Total Harmonics Distortion (THD) sebelum dan
setelah pemasangan perbaikan faktor daya Analisa gelombang sebelum dan setelah penggunaan
soft switching. Total rugi daya yang mungkin terjadi akibat
pensakelaran Efisiensi dengan dan tanpa menggunakan soft
switching.
BATASAN MASALAH Batasan masalah dalam tugas akhir ini adalah sebagai berikut : 1. Pada tugas akhir ini tidak membahas tentang
contactless charger 2. Analisa efisiensi dan soft switching tidak melibatkan
perbaikan faktor daya, efisiensi ditujukan hanya untuk converter DC/DC tipe full bridge.
3. Pada desain perbaikan faktor daya menggunakan penyearah VIENNA dengan Hysteresis Curreny Control.
PENYEARAH 3 FASA VIENNA Penyearah VIENNA merupakan
penyearah tipe boost yang berfungsi menaikkan tegangan pada output penyearah.
Terdiri dari 6 buah dioda dimana pada titik tengah masing-masing dioda tiap fasanya dihubungkan dengan switch dua arah ke titik tengah dari kapasitor output.
Rangkaian VIENNA rectifier merupakan modifikasi dari penyearah 6 pulsa dengan menggunakan dioda. Sehingga analisanya dapat menggunakan analisa penyearah 6 pulsa dengan menggunakan dioda.
3 P
hase S
in
S1 S2 S3
TEGANGAN DAN ARUS PFC (VIENNA)
Tegangan dan arus rms minimum :
𝑉𝐷𝐷−𝑟𝑟𝑟 =9𝜋 (𝑉𝑉 𝑠𝑠𝑠 𝜔𝜔)22𝜋3
𝜋3
𝑑𝜔𝜔
𝑉𝐷𝐷−𝑟𝑟𝑟 = 1,655 𝑉𝑉
𝐼𝐷𝐷−𝑟𝑟𝑟 =1.655 𝑉𝑉
𝑅
Tegangan dan arus rata-rata minimum :
𝑉𝐷𝐷−𝑎𝑎𝑎 = 62𝜋 ∫ 3𝑉𝑉 𝑠𝑠𝑠 𝜔𝜔 𝑑𝜔𝜔
2𝜋3
𝜋3
𝑉𝐷𝐷−𝑎𝑎𝑎 = 1.654 𝑉𝑉
𝐼𝐷𝐷−𝑎𝑎𝑎 =1.654 𝑉𝑉
𝑅
Hysteresis current control (kontrol arus histeresis) Metode arus histeresis menggunakan arus referensi (Iref) dan arus
aktual (Ifasa) dari konverter 3 fasa yang digunakan. Sinyal error hasil pengurangan dari arus referensi dengan arus fasa
digunakan untuk membuat pola pensakelaran dari masing-masing sakelar Iref1
Ifasa
Iref2
Ifasa
Iref3
Ifasa
S1
S2
S3
FULL BRIDGE DC/DC KONVERTER
M1
M2
M3
M4
VDCRo
TRAFO
SEBELUM PENAMBAHAN SOFT SWITCHING (LLC RESONAT)
M1
M2
M3
M4
Lr
Cr
Lm
VDCRo
TRAFO
SETELAH PENAMBAHAN SOFT SWITCHING (LLC RESONAT)
Hard Switching Vs Soft Switching Hard Switching Soft Switching
VDS IDS
• TIDAK ADA RUGI-RUGI AKIBAT PENSAKELARAN • EFISIENSI MAKSIMAL
DIAGRAM BLOK SISTEM
SUMBER 3 FASA Penyearah 3 fasa tipe vienna
DC/DC Konverter dengan ZVS
Hysteresis current control
PWM GENERATOR
BEBAN
IfasaIref
PWM GERNERATOR
PERBAIKAN FAKTOR DAYA
3 P
ha
se
Sin
S1 S2 S3
RANGKAIAN SISTEM
3 Phase Sin
S1 S2 S3
M1
M2
M3
M4
Lr
Cr
Lm
VDCRo
TRAFO
Hysteresis Current Control
Iref
Iphase
PWM GERNERATOR
S1 S2 S3
Arus Referensi Arus referensi merupakan arus sinus rms pada sisi input AC. Arus
referensi didapatkan dengan mengalikan magnitud arus rms ac dengan sinyal sinus referensi. Sinyal sinus referensi tersebut merupakan sinyal sinus referensi dari tegangan.
𝑃𝐷𝐷 = 𝑃𝐴𝐷 = 3.𝑉𝐴𝐷−𝑟𝑟𝑟. 𝐼𝐴𝐷−𝑟𝑟𝑟 𝑃𝐷𝐷−𝑟𝑟𝑟 = 𝑉𝐷𝐷−𝑟𝑟𝑟. 𝐼𝐷𝐷−𝑟𝑟𝑟
𝐼𝐴𝐷−𝑟𝑟𝑟 =𝑉𝐷𝐷−𝑟𝑟𝑟.𝐼𝐷𝐷−𝑟𝑟𝑟
3.𝑉𝐴𝐷−𝑟𝑟𝑟
𝐼𝑟𝑟𝑟 = 𝐼𝐴𝐷−𝑟𝑟𝑟 2(sin𝜔𝜔)
𝐼𝑟𝑟𝑟 = 𝐼𝑟(sin𝜔𝜔)
Blok Kalkulasi Arus Sinus Referensi
Perancangan Hysteresis current control Hysteresis current control didapatkan dengan mengurangi arus
referensi dengan arus fasa input dari penyearah. Gelombang arus input akan dikontrol sehingga mengikuti gelombang arus referensi tersebut.
Hysteresis Current Control dengan Pita Hysteresis
DC/DC Zero Voltage Switching
M1
M2
M3
M4
Lr
Cr
Lm
VDCRo
TRAFO
SETELAH PENAMBAHAN SOFT SWITCHING (LLC RESONAT)
Hold up time
Dikarenakan adanya kebutuhan hold-up time pada DC/DC konverter dimana kapasitor pada sisi DC mensuplay energi ke beban melalui konverter selama 20 ms pada saat sumber seolah-olah hilang. Maka dibutuhkan VDC minimum selama hold-up time yang didefenisikan sebagai :
𝑉𝐷𝐷𝑟𝐷𝐷 = 𝐷𝐷𝐷−𝑏𝑏𝑏(𝐷𝐷𝐷−𝑏𝑏𝑏.𝑉𝐷𝐷−𝑛𝑛𝑛2−2.𝑃𝑛.𝑡ℎ𝑏)𝐷𝐷𝐷−𝑏𝑏𝑏
Dimana :
CDC-bus = Kapasitansi dari DC-bus kapasitor VDC-nor = Tegangan input normal Po = Daya output DC/DC konverter Thu = Hold-up time
Frekuensi kerja dan impedansi resonan Frekuensi kerja dari system haruslah diantara dua frekuensi berikut yaitu :
𝑓1 =1
2𝜋 𝐿𝑟𝐶𝑟
dan,
𝑓2 = 12𝜋 (𝐿𝑛+𝐿𝑚)𝐷𝑛
Impedansi equivalen dari sistem pada sisi jembatan H dapet dirumuskan sebagai berikut.
𝑍 = 𝑗𝜔𝐿𝑟 + 1𝑗𝑗𝐷𝑛
+ 𝑗𝜔𝐿𝑟||𝑅
= 𝑅 1−𝑗2 𝐿𝑚+𝐿𝑛 𝐷𝑛 +𝑗𝑗𝐿𝑚(1−𝑗2𝐿𝑛𝐷𝑛)𝑗𝑗𝐷𝑛(𝑅+𝑗𝑗𝐿𝑚)
AC
Cr Lr
LmReq
Vout
Rasio Induktansi (kL) dari LLC resonan
Efek dari resonansi didapatkan dengan nilai Lm yang tetap. Dimana nilai Lm didefenisikan sebagai :
𝐿𝑟 = 𝑅𝑒𝑒𝑗𝑛
dengan 𝜔𝑟 = 2.𝜋. 𝑓𝑟
𝑓𝑟 = 12.𝜋. 𝐿𝑛𝐷𝑛
𝑘𝐿 = 𝐿𝑚𝐿𝑛
Penguatan dari LLC resonan
Dari gambar fungsi transfer dari penguatan tegangan pada LLC resonan dapat dirumuskan :
𝐺𝐺𝑠𝑠𝐿𝐿𝐷 = 1
1+ 𝐿𝑛𝐿𝑚
− 𝐿𝑛𝑓𝑛
2.𝐿𝑚+𝑗.𝑄. 𝑟𝑛−
1𝑓𝑛
Dimana :
𝑓𝐷 = 𝑟𝑏𝑟𝑛
𝑄 =𝐿𝑛
𝐷𝑛
𝑅𝑒𝑒= 2.𝜋.𝑟𝑛.𝐿𝑛
𝑅𝑒𝑒
Dengan mengkombinasikan persamaan maka penguatan tegangan pada LLC resonan dapat ditulis sebagai berikut : 𝐺𝐺𝑠𝑠𝐿𝐿𝐷 = 1
1+ 1𝑘𝐿+ 1𝑓𝑛
2𝑘𝐿
2+ 1
𝑘𝐿
2. 𝑟𝑛−
1𝑓𝑛
2
Kurva Gain LLC terhadap frekuensi natural
Spesifikasi Dari LLC resonan
Spesifikasi dan parameter
Nilai
Tegangan DC bus 300-500 Volt Tegangan keluaran converter
200-400 Volt
Daya keluaran konverter DC/DC
4 kW
Req 20-25 Ω Lr – Cr frekuensi resonan (fr)
100 kHz
Rasio transformer 1.6 : 1 Penguatan tegangan maksimum
1.44
Parameter Nilai
Induktor resonansi paralel (Lm)
39.8 µH
Induktor resonansi seri (Lr) 9.95 µH
Kapasitansi resonansi seri (Cr)
254 nF
Rasio transformer 1.6 : 1
MOSFET IPB60R160C6
Hasil Simulasi dan Analisa Pengukuran system terdiri dari : PFC (penyearah VIENNA)
1. Tegangan dan arus pada sisi output (DC) 2. THD arus input 3. Faktor daya (PF) pada sisi input
DC/DC converter 1. Tegangan dan arus output (beban) 2. Rugi-rugi pada MOSFET sebelum dan setelah pemasangan LLC
resonan 3. Efisiensi sebelum dan setelah pemasangan LLC resonan.
Pengujian THD 1. Dengan Histeresis minimum Parameter Nilai
Boost Inductor (L) 7.45 mH Kapasitor (C) 1000 µF Daya output 5 kW THD :
IR IS IT
6.73% 6.73% 6.73%
Lebar Pita
THD
IR IS IT
0.5 7.46% 7.46% 7.46%
1 9.8% 9.8% 9.8%
1.5 11.2% 11.2% 11.2%
2 17,8% 17,8% 17,8%
2.5 18,79% 18,79% 18,79%
2. Dengan pengaturan lebar pita histeresis
Beban (watt) THD(%) 1000 18.01 2000 13.26 3000 7.34 4000 7.12 5000 6.67 10000 5.43
3. Dengan Perubahan Beban
Bentuk Arus Input PFC dengn HCC
a. Arus Input dengan beban 1 kW b. Arus Input dengan pita hysteresis 0,5
C. FFT Arus Input dengan pita hysteresis 0,5
PENGUJIAN FAKTOR DAYA
Lebar Pita Histeresis
Faktor Daya
0.5 0.999
1 0.995
2 0.986
3 0.976
4 0.970
Beban (watt)
Faktor daya
1000 0.95 2000 0.98 3000 0.99 4000 0.99 5000 0.99
10000 0.99
Fasa R Fasa S Fasa T 0.9958 0.9958 0.9958
a. Faktor daya dengan hysteresis minimum
b. Faktor daya dengan pengaturan lebar pita histeresis
c. Faktor daya dengan beban berubah-ubah
Bentuk arus input dan tegangan input
Pengujian converter DC/DC tanpa soft switching a. Tegangan Drain-Source dan arus Drain-source tanpa ZVS
b. Disipasi daya pensakelaran tanpa soft switching
Total disipasi daya dan energy yang hilang selama pensakelaran
Frekuensi Switching
Lama waktu
Psw (watt)
Esw (mJ)
104 125 150
5ms 5ms 5ms
111.24 132.28 150.02
556.2 661.4 750.1
DC/DC converter dengan soft switching
F = 104 kHz
F = 125kHz
F = 150 kHz
Total disipasi daya dan energy yang hilang selama pensakelaran dengan soft switching
Frekuensi Switching
Lama waktu
Psw (watt)
Esw (mJ)
104 125 150
5ms 5ms 5ms
40.2 53.187 142.7
201 265.93 738.5
Perbandingan efisiensi Frek (kHz) PSW (Watt) Total PSW (Watt) VO (V) Eff (%)
Tanpa ZVS 104 111.24 449.96 400 88.87 125 132.28 529.12 320 86.77 150 150.02 600.08 250 85
Dengan ZVS 104 40.22 201.1 400 94.9 125 53.12 212.48 320 94.7 150 142.7 570.8 250 85.75
808284868890929496
2 2.5 3 3.5 4
Efisi
ensi
Daya Output
Perbandingan efisiensi dengan dan tanpa soft switching
tanpa LLC Dengan LLC
KESIMPULAN
Telah didapatkan system charging baterai dengan efisiensi tinggi dan faktor daya yang baik. Charger baterai ini terdiri atas dua komponen utama yaitu penyearah VIENNA sebagai perbaikan faktor daya yang menjamin faktor daya system mendekati unity power factor serta full bridge DC/DC converter untuk mendapatkan tegangan pengisisn yang sesuai, menghasilkan isolasi elektris, serta mampu digunakan sebagai contactless battery charger dengan efisiensi yang tinggi. Sistem yang disimulasikan memiliki tegangan DChasil penyearahan sebesar 500 Volt dengan output tegangan pada beban bervariasi dari 200-400 Volt. Hasil-hasil simulasi dapat disimpulkan sebagai berikut : Penyearah VIENNA dengan HCC dapat memperbaiki faktor daya dari
penyearah. Faktor daya 0.99 didapatkan dengan lebar pita histeresis minimum. Semakin
lebar pita histeresis, maka semakin besar pula THD arus input. Frekuensi switching akan semakin rendah. Namun faktor daya tetap bernilai 0.99.
LLC resonan yang diterapkan pada rangkaian full bridge DC/DC konverter dapat menciptakan zero voltage switching. Efisiensi dari konverter sebesar 94% atau lebih besar 7% tanpa menggunakan soft switching.
TERIMA KASIH