basic design of cuk converter
DESCRIPTION
how to design DC-DC converterTRANSCRIPT
-
ELEKTRONIKA DAYA
PERANCANGAN CK CONVERTER
Disusun Oleh :
Lalu Arya Repatmaja 2213105054
BIDANG STUDI TEKNIK SISTEM TENAGA
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI
INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER
2014
-
PERANCANGAN CK CONVERTER
Ck converter adalah converter dc dc yang dapat menghasilkan tegangan keluaran
yang lebih kecil atau lebih besar dibandingkan tegangan masukan, tetapi polaritas tegangan
keluaran berlawanan dengan polaritas tegangan masukan. Ck converter ini didasarkan pada
pemindahan energi pada kapasitor. Akibatnya, arus masukan menjadi kontinyu. Pada tugas
ini dilakukan perancangan tentang ck converter dengan menentukan nilai-nilai dari
komponen-komponen penyusun ck converter tersebut menggunakan perhitungan matematis
dan simulasi. Simulasi pada perancangan ini menggunakan software PSIM.
Spesifikasi Ck Converter yang diinginkan :
Daya maksimal : 10 watt I : 8.4 % x IL
Vin : 12 volt Vo : 4.1 %
Vout : 5 32 volt VC1 : 4.1 %
Switch Frequency : 10 KHz
A. Perhitungan secara matematis menggunakan rumus
Untuk mencari R sesuai spesifikasi yang diinginkan maka harus dicari nilai arusnya
terlebih dahulu.
Nilai Arus
Rumus : I=P
V
Daya (maks) Vout Arus
10 Watt
5 volt 2 A
10 volt 1 A
15 volt 0.67 A
20 volt 0.5 A
25 volt 0.4 A
32 volt 0.3125 A
-
Nilai R
Rumus : R=V
I
Vout Arus R
5 volt 2 A 2.5 ohm
10 volt 1 A 10 ohm
15 volt 0.67 A 22.39 ohm
20 volt 0.5 A 40 ohm
25 volt 0.4 A 62.5 ohm
32 volt 0.3125 A 102.4 ohm
Untuk memastikan harga tahanan ( R ) menghasilkan daya maksimal 10 watt maka
dilakukan perhitungan dengan memasukkan nilai R yang telah didapat.
R = 2.5 ohm
R Vout Arus Daya
2.5 ohm
5 volt 2 A 10 W
10 volt 4 A 40 W
15 volt 6 A 90 W
20 volt 8 A 160 W
25 volt 10 A 250 W
32 volt 12.8 A 409.6 W
R = 10 ohm
R Vout Arus Daya
10 ohm
5 volt 0.5 A 2.5 W
10 volt 1 A 10 W
15 volt 1.5 A 22.5 W
20 volt 2 A 40 W
25 volt 2.5 A 62.5 W
32 volt 3.2 A 102.4 W
-
R = 22.39 ohm
R Vout Arus Daya
22.39 ohm
5 volt 0.22 A 1.1 W
10 volt 0.45 A 4.5 W
15 volt 0.67 A 10.05 W
20 volt 0.89 A 17.8 W
25 volt 1.12 A 28 W
32 volt 1.43 A 45.76 W
R = 40
R Vout Arus Daya
40 ohm
5 volt 0.125 A 0.625 W
10 volt 0.25 A 2.5 W
15 volt 0.375 A 5.625 W
20 volt 0.5 A 10 W
25 volt 0.625 A 15.625 W
32 volt 0.8 A 25.6 W
Untuk R = 62.5
R Vout Arus Daya
62.5 ohm
5 volt 0.08 A 0.4 W
10 volt 0.16 A 1.6 W
15 volt 0.24 A 3.6 W
20 volt 0.32 A 6.4 W
25 volt 0.4 A 10 W
32 volt 0.512 A 16.38 W
-
Untuk R = 102.4 ohm
R Vout Arus Daya
102.4 ohm
5 volt 0.049 A 0.245 W
10 volt 0.098 A 0.98 W
15 volt 0.146 A 2.19 W
20 volt 0.195 A 3.9 W
25 volt 0.244 A 6.1 W
32 volt 0.3125 A 10 W
Resistor 2.5 ohm, 10 ohm, 22.39 ohm, 40 ohm, dan 62.5 ohm ini melebihi daya
maksimal yang telah ditentukan yaitu 10 W, oleh karena itu resistor tidak dapat
digunakan. Resistor 102.4 ohm dapat digunakan dikarenakan masih dalam daya 10 W.
Duty Cycle (D)
Duty cycle adalah perbandingan lama waktu suatu signal/ pulsa berada dalam
kondisi High dengan lama waktu periodenya (kondisi saat High + Low). Duty cycle yang
digunakan ada 2 yaitu pada saat Vout minimum (5 V) dan pada saat Vout maksimum (32
V). Vin sesuai spesifikasi yang diinginkan yaitu 12 V.
Rumus : Vout
Vin=
D
1D
Nilai D minimum : Nilai D maksimum :
5
12=
D
1D
12D = 5 5D
Dmin = 0.29
Jadi range untuk duty cycle adalah D = 0.29 0.73
Nilai L
Untuk mencari nilai L harus dicari I beban yang melewati hambatan. Nilai induktor
yang akan didapatkan ada 2 kemungkinan yaitu pada saat duty cycle minimum dan duty
cycle pada saat maksimum. Untuk mencari nilai L maka dicari terlebih dahulu nilai VC1
dengan menggunakan kedua duty cycle tersebut.
VC1 =1
1D x Vin
32
12=
D
1D
12D = 32 32D
Dmaks = 0.73
-
Untuk D minimum : Untuk D maksimum :
Mencari nilai L1 dan L2 minimum :
Ts = 1
fs
= 1
10x1000=1x10-4
Untuk D = 0.29; Vout = 5 V : Untuk D = 0.73; Vout = 32 V :
Nilai L1 minimum
Untuk D min = 0.29 ; VC1 = 16.9 V Untuk D maks = 0.73 ; VC1 = 44.4 V
VC1 =1
10.73 x 12
= 44.4 volt
Iload = Vout
R
= 32
102.4
= 0.3125 A
IL2 rata-rata 1 = iout
IL2 rata-rata 1 = 0.3125 A
Arus yang melewati L2
IL2 ratarata1
IL1 ratarata2=
1D
D
0.3125
IL1 ratarata2 =
10.73
0.73
0.2281 = IL1 rata-rata2 0.73 IL1 rata-rata2
0.2281 = 0.27 IL1 rata-rata2
IL1 rata-rata2 = 84.48 mA
I = 8.4
100 x 0.8448 = 0.071 A
IL1 =VC1Vin
L1 (1 D) x Ts
84.48 x 10-3 =44.412
L1 (1 0.73) x 1x10-4
L1 x 84.48 x 10-3 = 8.748x10-4
L1 min = 10.35 mH
Iload = Vout
R
= 5
102.4
= 0.049 A
IL2 rata-rata 1 = iout
IL2 rata-rata 1 = 0.049 A
Arus yang melewati L2
IL2 ratarata1
IL1 ratarata2=
1D
D
0.049
IL1 ratarata2 =
10.29
0.29
14.21 x 10-3 = IL1 rata-rata2 0.29 IL1 rata-rata2
14.21 x 10-3 = 0.71 IL1 rata-rata2
IL1 rata-rata2 = 20.01 mA
I = 8.4
100 x 0.2001 = 0.017 A
VC1 =1
10.29 x 12
= 16.9 volt
IL1 =VC1Vin
L1 (1 D) x Ts
20.01 x 10-3 =16.912
L1 (1 0.29) x 1x10-4
L1 x 20.01 x 10-3 = 3.479x10-4
L1 min = 17.38 mH
-
Untuk memilih konduktor agar dihasilkan gelombang yang kontinyu dan dapat
digunakan pada kedua duty cycle yang berbeda maka induktor diatas disimulasikan
menggunakan software PSIM.
Menggunakan nilai L1 min = 17.38 mH
Hasil Gelombang Kontinyu
0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1
Time (s)
0
-0.2
-0.4
0.2
0.4
0.6
0.8
IL1
-
Menggunakan nilai L1 min = 10.35 mH
Hasil Gelombang Diskontinyu
Hasil simulasi pada PSIM didapatkan bahwa L1 min yang sesuai adalah 17.38 mH.
Mencari nilai L2 minimum
Untuk D min = 0.29 ; Vout = 5 V Untuk D maks = 0.73 ; Vout = 32 V
IL2 =Vout
L2 (1 D) x Ts
0.3125 =32
L2 (1 0.73) x 1x10-4
L2 x 0.3125 = 3.96x10-4
L2 min = 2.76 mH
IL2 =Vout
L2 (1 D) x Ts
0.049 =5
L2 (1 0.29) x 1x10-4
L2 x 0.049 = 3.55x10-4
L2 min = 7.24 mH
-
Untuk memilih konduktor agar dihasilkan gelombang yang kontinyu dan dapat
digunakan pada kedua duty cycle yang berbeda maka induktor hasil perhitungan diatas di
simulasikan lagi seperti pada L1 min.
Menggunakan nilai L2 min = 7.24x10-3
Hasil Gelombang Kontinyu
-
Menggunakan nilai L2 min = 2.76x10-3
Hasil Gelombang Diskontinyu
Hasil simulasi pada PSIM didapatkan bahwa L2 min yang sesuai adalah 7.24 mH.
Nilai C
Untuk D = 0.73
Vo
Vo=
D
RCfs
0.041 = 0.73
102.4xCx10000
41984 C = 0.73
C2 = 17.38 F
Untuk D = 0.29
Vo
Vo=
D
RCfs
0.041 = 0.29
102.4xCx10000
41984 C = 0.29
C2 = 6.91 F
-
Dengan menggunakan 2 duty cycle yang berbeda, maka didapatkan 2 nilai
kapasitor. Untuk mendapatkan nilai C yang bila disimulasikan akan menghasilkan
gelombang yang kontinyu, maka C tersebut dicoba dengan duty cycle yang berbeda.
Untuk D = 0.29; C2 = 17.38F
Vo
Vo=
D
RCfs
0.041 = 0.29
102.4x17.38x10000
= 1.63x10-2
= 1.63%
Untuk D = 0.73; C2 = 6.91F
Vo
Vo=
D
RCfs
0.041 = 0.73
102.4x6.91x10000
= 0.1031
= 10.31%
Mencari nilai C1 digunakan data minimum.
Dengan menggunakan 2 duty cycle, maka didapatkan dua buah nilai Kapasitor.
Untuk mendapatkan C yang bila disimulasikan akan menghasilkan gelombang yang
kontinyu maka C tersebut dicoba dengan duty cycle yang berbeda. Dapat dilihat dengan
cara berikut.
Kapasitor ini memenuhi ripple yang telah
ditentukan (4.1%), saat C ini menggunakan duty
cycle minimum menghasilkan ripple 1.63% dan
saat menggunakan duty cycle maksimum
menghasilkan ripple 4.1%.
Kapasitor ini tidak memenuhi ripple yang telah
ditentukan (4.1%), saat C ini menggunakan duty
cycle minimum menghasilkan ripple 4.1% dan
saat menggunakan duty cycle maksimum
menghasilkan ripple 10.31%. Tidak dapat
digunakan karena melebihi ripple peak to peak
nya (4.1%).
Untuk D = 0.73; VC1 = 4.1%
VC1
VC1=
1
C x IL1 (1-D)Ts
0.041 = 1
C x 20.01m (1-0.73) 1x10-4
0.041C = 5.4027x10-7
C1 = 13.18F
Untuk D = 0.29; VC1 = 4.1%
VC1
VC1=
1
C x IL1 (1-D)Ts
0.041 = 1
C x 20.01m (1-0.29) 1x10-4
0.041C = 1.42x10-7
C1 = 34.65F
-
Untuk C1 = 13.18F; D = 0.29
VC1
VC1=
1
C x IL1 (1-D)Ts
= 1
13.18 x 20.01m (1-0.29) 1x10-4
= 0.1078
= 10.78%
Untuk C1 = 34.65F; D = 0.73
VC1
VC1=
1
C x IL1 (1-D)Ts
= 1
34.65 x 20.01m (1-0.73) 1x10-4
= 0.0156
= 1.56%
Dari data nilai masing-masing komponen yang telah didapatkan diatas maka
rangkaian ck converter dapat digambarkan sebagai berikut :
Gambar rangkaian ck converter hasil perancangan
Kapasitor ini tidak memenuhi ripple
yang telah ditentukan (4.1%). Saat C ini
menggunakan duty cycle maksimum
menghasilkan ripple 4.1% dan saat
menggunakan duty cycle minimum
menghasilkan ripple 10.78%. Tidak
dapat digunakan karena melebihi ripple
peak to peak yaitu 4.1%.
Kapasitor ini memenuhi ripple yang
telah ditentukan (4.1%). Saat C ini
menggunakan duty cycle minimum
menghasilkan ripple 4.1% dan saat
menggunakan duty cycle maksimum
menghasilkan ripple 1.56%.
-
B. Hasil Simulasi pada PSIM
Bentuk gelombang output
Duty Cycle 0.73
Duty Cycle 0.29
-
Perbandingan gelombang IL1 dan IL2
-
C. Perbandingan antara Perhitungan dan Rumus
Parameter Hasil Perhitungan Hasil Simulasi
Vout untuk D=0.73 32 volt -31.6783 volt
Vout untuk D=0.29 5 volt -5.25631 volt
IL1 0.8448 A 0.899801 A
IL2 0.3125 A 0.315082 A
Cara Kerja Ck converter :
Cara kerja terdapat 2 mode :
Mode 1 (t=0), dimulai ketika MOSFET (Q1) off. Kapasitor C1 charging dari input
supply dan arus yang tersimpan di induktor L2 ditransfer menuju beban. Dioda dan
MOSFET saling bergantian kondisi saat MOSFET on Dioda Reverse begitu sebaliknya.
Kapasitor C1 adalah media untuk mentransfer energi dari sumber ke beban.
Aplikasi Ck converter pada Battery Control Unit di Instalasi Tenaga Surya