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: TRISTANTIO.BAGUS11@MHS.EE.ITS.AC.ID, ASHARIMD65@GMAIL.COM,

SOEDIB@EE.ITS.AC.ID

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