analisis perbandingan double gain buck-boost converter

ANALISIS PERBANDINGAN DOUBLE GAIN BUCK-BOOST

CONVERTER DENGAN BUCK-BOOST CONVERTER

SKRIPSI

TEKNIK ELEKTRO KONSENTRASI TEKNIK ENERGI ELEKTRIK

Ditujukan untuk memenuhi persyaratan

memperoleh gelar Sarjana Teknik

WIRA RAJA SITINJAK

NIM. 155060300111012

UNIVERSITAS BRAWIJAYA

FAKULTAS TEKNIK

MALANG

2019

Teriring Ucapan Terima Kasih kepada:

Ayah dan Ibu tercinta

serta keluarga besar

PERNYATAAN ORISINALITAS SKRIPSI

Saya menyatakan dengan sebenar-benarnya bahwa sepanjang pengetahuan saya dan

berdasarkan hasil penelusuran berbagai karya ilmiah, gagasan dan masalah ilmiah yang diteliti

dan diulas di dalam Naskah Skripsi ini adalah asli dari pemikiran saya. Tidak terdapat karya

ilmiah yang pernah diajukan oleh orang lain untuk memperoleh gelar akademik di suatu

Perguruan Tinggi, dan tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan

oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis dikutip dalam naskah ini dan disebutkan dalam

sumber kutipan dan daftar pustaka.

Apabila ternyata di dalam naskah Skripsi ini dapat dibuktikan terdapat unsur-unsur

jiplakan, saya bersedia Skripsi dibatalkan, serta diproses sesuai dengan peraturan

perundangundangan yang berlaku (UU No. 20 Tahun 2003, pasal 25 ayat 2 dan pasal 70).

Malang, 18 Oktober 2019

Mahasiswa,

Wira Raja Sitinjak

NIM. 155060300111012

RIWAYAT HIDUP

Wira Raja Sitinjak, lahir di Banjar Sitolu-tolu, 17 Agustus 1997, anak dari Ayah Bakti

Sitinjak dan Ibu Kartini Manalu, SD dan SMP di kabupaten Tapanuli Utara, SMA di

kabupaten Humbang Hasundutan dan lulus pada tahun 2015, menempuh/masuk program

sarjana Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Brawijaya Tahun 2015. Pengalaman kerja

sebagai asisten laboratorium di Laboratorium Mesin Elektrik Universitas Brawijaya tahun

2016 hingga 2019.

Malang, Oktober 2019

Penulis

RINGKASAN

Wira Raja Sitinjak, Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Brawijaya,

September 2019, Analisis Perbandingan Double Gain Buck-Boost Converter dengan Buck-

Boost Converter, Dosen Pembimbing : Hery Purnomo, Lunde Ardhenta.

Penelitian ini membahas tentang analisis perbandingan kinerja simulasi pada rangkaian

double gain buck-boost converter dengan buck-boost converter. Double gain buck-boost

converter memiliki konfigurasi yang berbeda dengan buck-boost converter. Konfigurasi

dilakukan dengan tujuan untuk mendapatkan range tegangan keluaran yang lebih besar

dibandingkan dengan buck-boost converter. Perbandingan yang dilakukan adalah dengan

membandingkan gain tegangan, efisiensi konverter dan topologi konverter. Kedua konverter

akan diuji dengan spesifikasi yang sama dengan tujuan untuk mengetahui bagaimana

perbandingan keluaran antara kedua konverter. Spesifikasi yang dimaksud adalah tegangan

masukan, frekuensi dan duty cycle dimana tegangan masukan bernilai 12 V, frekuensi 30 kHz,

duty cycle 20% untuk operasi buck dan 66,67% untuk operasi boost. Hasil pengujian

menunjukan bahwa double gain buck-boost converter memiliki gain tegangan yang lebih

besar yaitu dua kali lipat dari buck-boost converter dan memiliki efisiensi yang sangat baik

meskipun bekerja pada duty cycle yang tinggi.

Kata kunci : double gain, buck-boost, converter.

SUMMARY

Wira Raja Sitinjak, Electrical Engineering Department, Engineering Faculty, Brawijaya

University, September 2019, Analysis Comparison of Double Gain Buck-Boost Converter with

Buck-Boost Converter, Academic Supervisor : Hery Purnomo, Lunde Ardhenta.

This research describes the analysis and performance comparison between double

gain buck-boost converter and buck-boost converter. Double gain buck-boost converter has a

different configurarion with buck-boost converter. The configuration is done in order to get a

wider range of output voltages compared to a buck-boost converter. The comparison that will

be made is comparing the voltage gain, converter efficieny and converter topology. Both

converters will be tested with the same specifications in order to find out how the output ratio

between the two converters. Where the input voltage is 12 V, 30 kHz frequency, 20% duty

cycle for buck operation and 66,67% for boost operation. The test results show that double

gain buck-boost converter has a greater voltage gain that is doubled from buck-boost

converter and has very good efficiency even though it works at a high duty cycle.

Keyword : double gain, buck-boost, converter.

i

PENGANTAR

Puji dan syukur kepada Tuhan Yang Mahakuasa dalam nama Yesus Kristus karena

atas berkat-Nya skripsi berjudul “Analisis Perbandingan Double Gain Buck-Boost Converter

dengan Buck-Boost Converter” dapat terselesaikan. Dalam kesempatan ini diucapkan terima

kasih kepada yang telah berkenan memberikan bantuan secara langsung maupun tidak

langsung kepada:

1. Bapak Ir. Hadi Suyono, S.T., M.T., Ph.D., IPM. selaku Ketua Jurusan Teknik

Elektro.

2. Ibu Ir. Nurussa’adah, M.T. selaku Sekretaris Jurusan Teknik Elektro.

3. Ibu Rahmadwati S.T., M.T., Ph.D. selaku Ketua Program Studi Jurusan Teknik

Elektro.

4. Ibu Dr. Rini Nur Hasanah, S.T., M.Sc. selaku Ketua Kelompok Dosen Keahlian

Teknik Energi Elektrik.

5. Bapak Ir. Hery Purnomo selaku dosen pembimbing pertama skripsi atas segala

bimbingan, kritik, dan saran yang telah diberikan.

6. Bapak Lunde Ardhenta,S.T.,M.Sc. selaku dosen pembimbing kedua skripsi atas

segala bimbingan, kritik, dan saran yang telah diberikan.

7. Bapak Dr. Eng. Panca Mudjirahardjo,S.T.,M.T. selaku dosen pembimbing

akademik, beserta seluruh dosen dan karyawan Jurusan Teknik Elektro yang selalu

membantu selama perkuliahan.

8. Keluarga tercinta Ayah Almarhum St.Drs.Bakti Sitinjak, Ibu Kartini Manalu,S.Pd.,

kakak-kakak dan abang saya serta semua keluarga yang selalu mendoakan dan

mendukung saya selama ini.

9. Seluruh teman-teman angkatan 2015 (Servo), teman-teman konsentrasi teknik

energi elektrik, dan keluarga Laboratorium Mesin atas bantuannya selama proses

perkuliahan.

10. Keluarga, guru-guru, dan teman-teman saya dari SD Negeri 173387 Simamora,

SMP Negeri 1 Pagaran, dan SMA Negeri 2 Lintongnihuta yang membantu dan

mendidik saya selama ini.

11. Keluarga kontrakan Sigura-gura (SGG 27E) yang sudah menemani selama proses

perkuliahan.

ii

12. Keluarga PMK Yehezkiel dan NHKBP Malang yang selalu memberikan dukungan

moral dan rohani.

13. Teman seperjuangan dari kampung tercinta Simamora Nabolak yang kuliah di

Malang.

14. Semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu persatu sehingga penelitian ini

dapat diselesaikan dengan baik.

Penulis menyadari bahwa dalam skripsi ini masih banyak kekurangan, karena

keterbatasan ilmu dan kendala-kendala lain yang terjadi selama pengerjaan penelitian ini.

Oleh karena itu saran dan kritik mengenai penelitian ini diharapkan oleh penulis agar

penelitian ini dapat menjadi karya tulis yang lebih baik dan berguna. Semoga kedepannya

laporan ini dapat bermanfaat dan digunakan untuk pengembangan lebih lanjut.

Malang, Oktober 2019

Penulis

iii

DAFTAR ISI

PENGANTAR ........................................................................................................................ i

DAFTAR ISI ........................................................................................................................ iii

DAFTAR TABEL ................................................................................................................. v

DAFTAR GAMBAR ............................................................................................................ vi

DAFTAR LAMPIRAN ...................................................................................................... viii

BAB I PENDAHULUAN ...................................................................................................... 1

1.1 Latar Belakang ............................................................................................................... 1

1.2 Rumusan Masalah .......................................................................................................... 2

1.3 Batasan Masalah ............................................................................................................ 2

1.4 Manfaat Penelitian ......................................................................................................... 2

1.5 Tujuan Penelitian ........................................................................................................... 3

1.6 Sistematika Penulisan .................................................................................................... 3

BAB II TINJAUAN PUSTAKA ........................................................................................... 5

2.1 Switching Konverter ........................................................................................................ 5

2.2 Konverter Buck-Boost ..................................................................................................... 6

2.3.1 Analisis Ketika Saklar Tertutup ......................................................................... 7

2.3.2 Analisis Ketika Saklar Terbuka .......................................................................... 9

2.3 Hukum Kirchoff ............................................................................................................ 11

2.3.1 Hukum Kirchoff I (Kirchoff’s Current Law) .................................................... 11

2.3.2 Hukum Kirchoff II (Kirchoff’s Voltage Law) .............................................................. 12

2.4 Perhitungan Nilai Induktor dan Kapasitor pada Buck-Boost Converter .......................... 13

2.5 Analisis Rangkaian Double Gain Buck-Boost Converter ............................................... 14

2.4.1 Rangkaian Saat Switch On (Mode 1) ................................................................ 14

2.4.2 Rangkaian Saat Switch Off (Mode 2) ................................................................ 15

2.4.3 Perhitungan Tegangan ..................................................................................... 16

iv

2.4.4 Perhitungan Arus ............................................................................................. 18

2.6 Power Losses dan Efisiensi Buck-Boost Converter ......................................................... 19

BAB III METODOLOGI PENELITIAN .......................................................................... 21

3.1 Perhitungan Nilai Komponen ......................................................................................... 22

3.4.1 Perhitungan Nilai Komponen Pada Rangkaian Double Gain Buck-Boost

Converter ........................................................................................................ 22

3.4.2 Perhitungan Nilai Komponen Pada Rangkaian Buck-Boost Converter ............. 24

3.2 Penentuan Spesifikasi Rangkaian ................................................................................... 26

3.3 Simulasi Rangkaian Double Gain Buck-Boost Converter ............................................... 26

BAB IV ............................................................................. 29 HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Double Gain Buck-Boost Converter ............................................................................... 29

4.1.1 Simulasi Rangkaian Double Gain Buck-Boost Converter ................................. 29

4.2 Buck-Boost Converter .................................................................................................... 38

4.2.1 Spesifikasi dan Rangkaian Buck-Boost Converter ............................................ 39

4.2.2 Simulasi Rangkaian Buck-Boost Converter Mode Boost .................................. 39

4.2.3 Simulasi Rangkaian Buck-Boost Converter Mode Buck ................................... 43

4.3 Perbandingan Double Gain Buck-Boost Converter dengan Buck-Boost Converter........... 46

4.3.1 Perbandingan Gain Tegangan .......................................................................... 46

4.3.2 Perbandingan Efisiensi .................................................................................... 46

4.3.3 Perbandingan Topologi dan Komponen ........................................................... 49

BAB V PENUTUP .............................................................................................................. 51

5.1 Kesimpulan ................................................................................................................... 51

5.2 Saran ............................................................................................................................. 51

DAFTAR PUSTAKA.......................................................................................................... 53

LAMPIRAN ........................................................................................................................ 56

v

DAFTAR TABEL

No Judul Halaman

Tabel 3. 1 Spesifikasi rangkaian ............................................................................................ 26

Tabel 4. 1 Spesifikasi rangkaian buck-boost converter……………………………………….39

Tabel 4. 2 Komponen ESR dan parameter internal ............................................................... 47

Tabel 4. 3 Hasil perhitungan efisiensi double gain buck-boost converter ............................... 47

Tabel 4. 4 Hasil perhitungan efisiensi buck-boost converter .................................................. 48

Tabel 4. 5 Perbandingan topologi .......................................................................................... 49

vi

DAFTAR GAMBAR

No. Judul Halaman

Gambar 2. 1 Rangkaian dasar DC-DC switching converter ..................................................... 5

Gambar 2. 2 Tegangan keluaran rangkaian dasar DC-DC switching converter........................ 5

Gambar 2. 3 Rangkaian buck-boost converter ........................................................................ 6

Gambar 2. 4 Rangkaian ekuivalen ketika saklar tertutup ........................................................ 7

Gambar 2. 5 Rangkaian ekuivalen ketika saklar terbuka ......................................................... 9

Gambar 2. 6 Hukum Kirchoff I ............................................................................................ 11

Gambar 2. 7 Hukum Kirchoff II ........................................................................................... 12

Gambar 2. 8 Rangkaian double gain buck-boost converter ................................................... 14

Gambar 2. 9 Rangkaian saat switch on ................................................................................. 14

Gambar 2. 10 Rangkaian saat switch off ............................................................................... 15

Gambar 3. 1 Diagram alir penelitian ...................................................................................... 21

Gambar 3. 2 Langkah-langkah perhitungan komponen ......................................................... 22

Gambar 4. 1 Rangkaian double gain buck-boost converter .................................................... 29

Gambar 4. 2 Arus induktor 1 (iL1) rangkaian double gain pada mode boost .......................... 30

Gambar 4. 3 Arus induktor 2 (iL2) rangkaian double gain pada mode boost .......................... 30

Gambar 4. 4 Tegangan kapasitor 1 (VC1) rangkaian double gain pada mode boost ................ 31

Gambar 4. 5 Tegangan kapasitor 2 (VC2) rangkaian double gain pada mode boost ................ 31

Gambar 4 .6 Tegangan kapasitor 3 (VC3) rangkaian double gain pada mode boost ................ 32

Gambar 4. 7 Tegangan keluaran (Vo) rangkaian double gain pada mode boost .................... 32

Gambar 4. 8 Arus keluaran (io) rangkaian double gain pada mode boost............................... 33

Gambar 4. 9 Arus masukan (iin) rangkaian double gain pada mode boost ............................. 33

Gambar 4. 10 PWM mode boost........................................................................................... 34

Gambar 4. 11 Arus induktor 1 (iL1) rangkaian double gain pada mode buck ......................... 34

Gambar 4. 12 Arus induktor 2 (iL2) rangkaian double gain pada mode buck ......................... 35

Gambar 4. 13 Tegangan kapasitor 1 (VC1) rangkaian double gain pada mode buck ............... 35



Gambar 4. 16 Tegangan keluaran (Vo) rangkaian double gain pada mode buck .................... 37

Gambar 4. 17 Arus keluaran (io) rangkaian double gain pada mode buck .............................. 37

vii

Gambar 4. 18 Arus masukan (iin) rangkaian double gain pada mode buck ............................. 38

Gambar 4. 19 PWM mode buck ............................................................................................ 38

Gambar 4. 20 Arus induktor mode boost pada buck-boost converter ..................................... 40

Gambar 4. 21 Tegangan kapasitor mode boost pada buck-boost converter ............................ 40

Gambar 4. 22 Arus masukan mode boost pada buck-boost converter .................................... 41

Gambar 4. 23 Tegangan keluaran mode boost pada buck-boost converter ............................. 41

Gambar 4. 24 Arus keluaran buck-boost converter mode boost ............................................. 42

Gambar 4. 25 Bentuk PWM buck-boost converter mode boost ............................................. 42

Gambar 4. 26 Arus induktor buck-boost converter mode buck .............................................. 43

Gambar 4. 27 Tegangan kapasitor buck-boost converter mode buck ..................................... 43

Gambar 4. 28 Arus masukan buck-boost converter mode buck.............................................. 44

Gambar 4. 29 Tegangan keluaran buck-boost converter mode buck ...................................... 44

Gambar 4. 30 Arus keluaran buck-boost converter mode buck .............................................. 45

Gambar 4. 31 Bentuk PWM buck-boost converter mode buck .............................................. 45

Gambar 4. 32 Grafik perbandingan gain tegangan ................................................................ 46

Gambar 4. 33 Grafik efisiensi double gain buck-boost converter dan buck-boost converter .. 48

viii

DAFTAR LAMPIRAN

No. Judul Halaman

Lampiran 1 Spesifikasi laptop ........................................................................................... 56

Lampiran 2 Spesifikasi software ........................................................................................ 57

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Seiring dengan berkembangnya pembangkit yang menggunakan

energi terbarukan beberapa waktu terakhir ini maka hal tersebut juga

berdampak kepada perkembangan konverter. Akhir-akhir ini konverter

elektronika daya telah banyak digunakan dalam berbagai aplikasi. Hal ini

menimbulkan kekhawatiran tentang keandalan konverter daya dan oleh karena itu

desain yang optimal telah banyak menarik perhatian (Zarrin, 2016). Konverter

biasa digunakan pada pembangkit dengan energi terbarukan untuk menaikkan

atau menurunkan tegangan seperti yang diinginkan. Banyak sekali penelitian

yang telah dilakukan pada konverter ini. Salah satu tujuannya adalah untuk

meningkatkan efisiensi baik dari segi biaya pembuatan dan daya yang dihasilkan.

Konverter DC-DC merupakan peralatan yang menghasilkan tegangan

atau arus DC yang berasal dari sumber DC (Ashari, 2012). Peralatan ini bisa

berfungsi untuk menaikkan atau menurunkan tegangan dan arus DC.

Untuk menaikkan atau menurunkan nilai tegangan DC maka konverter yang

dipilih disesuaikan dengan tipenya. Salah satu tipe dari konverter DC yaitu buck-

boost converter dan cuk converter. Buck-boost dan cuk merupakan konverter DC

yang dapat bekerja sebagai penaik maupun penurun tegangan yang dapat

disesuaikan dengan aplikasi lainnya yang membutuhkan tegangan keluaran

bervariasi dan dapat berfungsi juga untuk meningkatkan kualitas daya dan

efisiensi (Rashid, 1993). Konverter DC mengubah level tegangan DC yang tetap

menjadi tegangan DC yang variabel dengan mengatur waktu on dan waktu off

(duty cycle) pada konverter dengan rangkaian kontrol PWM. Komponen yang

berfungsi sebagai penghubung tersebut adalah switch seperti thyristor, MOSFET,

IGBT, GTO, dll (Wildi, 2002).

Pada buck-boost converter rangkaian terdiri dari beberapa komponen seperti

satu switch, satu induktor, satu kapasitor, satu dioda, dan satu beban yang

biasanya berupa resistor sebagai keluaran. Komponen-komponen tersebut

memiliki fungsi masing-masing. Induktor berfungsi sebagai filter untuk

mengurangi ripple arus. Kapasitor berfungsi untuk mengurangi ripple tegangan.

Dioda berfungsi untuk mengalirkan arus balik saat sumber tegangan dihilangkan,

2

sehingga arus tetap mengalir ke induktor. MOSFET berfungsi sebagai saklar. Komponen-

komponen tersebut disusun sedemikian rupa sehingga bisa menghasilkan tegangan keluaran

yang lebih besar atau lebih kecil dari tegangan masukannya (Hart, 2011).

Pada penelitian ini akan dilakukan perancangan double gain buck-boost converter dengan

satu switch. Karena hanya menggunakan sebuah power switch, topologi ini bisa mengurangi

rugi-rugi daya switching (Banaei, 2014). Rangkaian akan disimulasikan dengan aplikasi PSIM

dengan tujuan untuk membandingkan hasil kerja rangkaian double gain buck-boost converter

dengan rangkaian buck-boost converter. Perbandingan keduanya ditentukan oleh beberapa

parameter seperti tegangan, topologi, dan efisiensi.

1.2 Rumusan Masalah

Sesuai dengan latar belakang yang telah diuraikan di atas maka rumusan masalah untuk

penelitian ini adalah :

1. Berapa besar perbandingan tegangan keluaran double gain buck-boost converter

dengan buck-boost converter.

2. Bagaimana perbandingan topologi rangkaian double gain buck-boost converter dengan

buck-boost converter.

3. Bagaimana perbandingan efisiensi double gain buck-boost converter dengan buck-

boost converter.

1.3 Batasan Masalah

Pembahasan masalah pada penelitian ini dibatasi pada hal-hal berikut.

1. Pada penelitian ini tegangan masukkan ditentukan sebesar 12 V dan tegangan keluaran

yang diinginkan sebesar 48 V dan 6 V.

2. Pada penelitian ini rangkaian disimulasikan dengan PSIM.

3. Komponen diasumsikan dalam keadaan ideal.

4. Analisis rangkaian hanya pada saat kondisi Continuous Conduction Mode (CCM).

1.4 Manfaat Penelitian

Adapun manfaat dari penelitian ini adalah sebagai berikut:

1. Bagi penulis, pembaca, dan akademisi mampu memberikan wawasan mengenai cara

kerja rangkaian double gain buck-boost converter serta sebagai rujukan untuk

penelitian selanjutnya mengenai pengembangan buck-boost converter.

3

1.5 Tujuan Penelitian

Mensimulasikan rangkaian double gain buck-boost converter pada aplikasi PSIM untuk

dapat membandingkan tegangan, arus, topologi, dan efisiensi antara double gain buck-boost

converter dengan buck-boost converter.

1.6 Sistematika Penulisan

Sistematika penulisan laporan penelitian ini terdiri dari lima bab, yaitu:

BAB I PENDAHULUAN

Bab ini berisikan tentang latar belakang, rumusan masalah, manfaat dan tujuan penelitian,

metode penelitian, dan sistematika penulisan.

BAB II DASAR TEORI

Bab ini berisi tentang hasil dari studi pustaka yang akan digunakan sebagai pedoman

dasar dalam penelitian ini.

BAB III METODOLOGI PENELITIAN

Bab ini berisi tentang sumber data, bahan dan alat penelitian, serta prosedur dan langkah-

langkah penelitian dengan metode simulasi.

BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN

Bab ini membahas serta menganalisis hasil dari pengujian riak tegangan dengan teori serta

hasil pengujian pembebanan.

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

Bab ini berisi tentang kesimpulan dari penelitian ini dan juga saran yang diberikan dari

hasil pengujian.

5

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Switching Konverter

Rangkaian alternatif untuk regulator dengan efisiensi yang lebih baik dapat menggunakan

rangkaian switching konverter. Pada switching konverter terlihat fungsi transistor sebagai

electronic switch yang dapat dibuka (OFF) dan ditutup (ON). Sehingga adanya saturasi dan

cutoff. Rangkaian ini bisa disebut sebagai DC Chopper (Hart, 2011). Rangkaian dasar

switching converter ditunjukkan dalam Gambar 2.1.

Gambar 2.1 Rangkaian dasar DC-DC switching converter

Sumber : Daniel W. Hart (2011: 197).

Dengan mengasumsikan bahwa switch tersebut ideal, jika switch ditutup maka tegangan

keluaran akan sama dengan tegangan masukkan, sedangkan jika switch dibuka maka tegangan

keluaran akan menjadi nol. Dengan demikian tegangan yang dihasilkan akan berbentuk pulsa

seperti pada Gambar 2.2 (Hart, 2011).

Gambar 2.2 Tegangan keluaran rangkaian dasar DC-DC switching converter


Besaran rata rata atau komponen DC dari tegangan keluaran dapat diturunkan dari persamaan

berikut.

6

𝑉𝑜 = 1

𝑇∫ 𝑉𝑜(𝑡)𝑑𝑡 =

1

𝑇∫ 𝑉𝑠𝑑𝑡 =

𝐷𝑇

0𝑉𝑠𝐷

𝑇

0 ............................................................................ (2-1)

Komponen DC dari tegangan output dikontrol dengan mengatur rasio D (Duty Cycle) yang

merupakan fraksi dari periode pensaklaran ketika saklar tertutup. Persamaan Duty Cycle

ditunjukkan dalam persamaan berikut.

𝐷 =𝑡𝑜𝑛

𝑡𝑜𝑛+𝑡𝑜𝑓𝑓=

𝑡𝑜𝑛

𝑇= 𝑡𝑜𝑛𝑓 ................................................................................................ (2-2)

D (duty cycle) adalah perbandingan dari periode on dibandingkan dengan periode on ditambah

dengan off pada saklar. 𝑓 adalah frekuensi pensaklaran. Tegangan keluaran dari tegangan

keluaran akan lebih kecil atau sama dengan tegangan masukan rangkaian. Daya yang terserap

pada saklar ideal adalah nol, ketika saklar terbuka tidak ada arus yang mengalir pada saklar.

Ketika saklar tertutup, tidak ada tegangan pada saklar. Semua daya diserap oleh beban dan

efiesiensi 100 %. Pada kenyatannya rugi-rugi tetap ada karena nilai tegangan tidak akan nol

ketika saklar tertutup (Hart, 2011).

2.2 Konverter Buck-Boost

Konverter DC adalah alat penyesuai level tegangan searah yang berfungsi ketika beban

membutuhkan tegangan atau arus DC pada level tertentu, sedangkan sumber yang tersedia

hanya mampu menyediakan tegangan DC padal level lain (Wahyu, 2018). Buck-boost

converter adalah konverter elektronika daya dengan masukan tegangan DC dan keluaran

tegangan DC dimana nilai tegangan keluarannya bisa lebih besar atau lebih kecil dari tegangan

sumbernya. Konverter ini termasuk kedalam konverter tipe peralihan (switching) yang bekerja

dengan membuka dan menutup saklar elektronik. Konverter ini menggunakan komponen

induktor, dioda, kapasitor dan MOSFET atau IGBT yang berfungsi sebagai saklar elektronik.

Rangkaian buck-boost converter ditujukkan seperti Gambar 2.3 (Hart, 2011).

Gambar 2. 3 Rangkaian buck-boost converter


7

Fungsi komponen yang ada pada buck boost converter yaitu:

1. Sumber Tegangan Arus Searah (𝑉𝑆).

2. Induktor (𝐿), berfungsi sebagai filter untuk mengurangi ripple arus.

3. Kapasitor (C), berfungsi untuk mengurangi ripple tegangan.

4. Dioda (D), berfungsi untuk mengalirkan arus balik saat sumber tegangan dihilangkan,

sehingga arus tetap mengalir ke induktor.

5. MOSFET berfungsi sebagai saklar yang diatur oleh pengendali.

Untuk memudahkan analisa, maka diasumsikan konverter ini:

1. Rangkaian beroperasi dalam keadaan steady state.

2. Arus induktor kontinyu.

3. Kapasitor cukup besar untuk tegangan keluaran konstan sebesar 𝑉𝑜.

4. Periode switching sebesar T. Saklar menutup selama DT, dan saklar terbuka selama (1-

D)T.

5. Semua komponen ideal.

D (duty cycle) merupakan perbandingan dari periode on dengan jumlah periode on dengan off

pada saklar.

2.3.1 Analisis Ketika Saklar Tertutup

Induktor mendapatkan tegangan dari input dan mengakibatkan adanya arus yang melewati

induktor bedasarkan waktu dan dalam waktu yang sama kapasitor dalam kondisi discharge

dan menjadi sumber tegangan dan arus pada beban. Rangkaian buck-boost converter switch on

ditunjukkan Gambar 2.4.

Gambar 2. 4 Rangkaian ekuivalen ketika saklar tertutup

Sumber : Daniel W. Hart (2011: 221)

Analisis ketika switch on, tegangan pada induktor dapat dihitung dari

𝑉𝐿 = 𝑉𝑠 = 𝐿𝑑𝑖𝐿

𝑑𝑡 ................................................................................................(2-3)

8

Persamaan (2-3) didiferensialkan sehingga didapatkan persamaan (2-4)

𝐿𝑑2𝑖𝐿

(𝑑𝑡)2=0 ................................................................................................................ (2-4)

Tegangan keluaran adalah

𝑉0 = 𝑣𝑐 =1

𝑐∫ 𝐼𝑜𝑑𝑡 ................................................................................................. (2-5)


0 = 𝐼𝑜

𝑐 ................................................................................................................... (2-6)

𝐼𝑜 = 0 ................................................................................................................... (2-7)

Persamaan karakteristik dari persamaan (2-4) adalah :

𝑚2 + 0 = 0 ........................................................................................................... (2-8)

Akar-akar persamaan karakteristik dari persamaan (2-4) adalah :

𝑚1,2 = 0 ................................................................................................................ (2-9)

Sehingga didapatkan penyelesaian untuk arus keluaran yaitu :

𝐼0(𝑡) = 𝑐1 + 𝑐2𝑡 .................................................................................................... (2-10)

Dengan :

𝑉𝐿 = Tegangan pada induktor (volt)

𝑉𝑠 = Tegangan sumber (volt)

𝑉𝑐 = Tegangan pada kapasitor (volt)

Vo = Tegangan keluaran (volt)

Io = Arus keluaran (ampere)

L = Nilai induktor (henry)

C = Nilai kapasitor (farad)

Nilai c1 dan c2 didapatkan melalui kondisi awal rangkaian Besarnya perubahan arus induktor

konstan, menunjukkan bahwa arus induktor naik secara linier ketika saklar tertutup. Perubahan

arus induktor dihitung dari

∆𝑖𝐿

∆𝑡=

∆𝑖𝐿

𝐷𝑇=

𝑉𝑠

𝐿 ....................................................................................................... (2-11)

D = Duty cycle

T = Periode switching (sekon)

∆𝑖𝐿 = Perubahan arus pada induktor

Dengan menyelesaikan persamaan di atas, maka didapatkan ∆𝑖𝐿 untuk saklar tertutup

(∆𝑖𝐿)𝑐𝑙𝑜𝑠𝑒𝑑 =𝑉𝑠

𝐿𝐷𝑇 ............................................................................................... (2-12)

9

2.3.2 Analisis Ketika Saklar Terbuka

Ketika saklar terbuka tegangan input terputus menyebabkan mulainya penurunan arus dan

menyebabkan ujung dioda bernilai negatif dan induktor mensuplai kapasitor dan beban. Pada

saat switch on arus beban disuplai oleh kapasitor, pada switch off disuplai oleh induktor.

Rangkaian buck boost converter switch off ditujukkan Gambar 2.5.

Gambar 2. 5 Rangkaian ekuivalen ketika saklar terbuka

Sumber : Daniel W. Hart (2011: 221)

Analisis ketika switch off, tegangan pada induktor dapat dihitung dari

𝑉𝐿 = 𝑉𝑜 = 𝐿𝑑𝑖𝐿

𝑑𝑡 ...................................................................................................... (2-13)

𝑑𝑖𝐿

𝑑𝑡=

𝑉𝑜

𝐿 ..............................................................................................(2-14)

Tegangan pada kapasitor adalah

𝑉0 = 𝑣𝑐 =1

𝑐∫(𝐼𝐿 − 𝐼𝑜)𝑑𝑡 .......................................................................................(2-15)


0 = (𝐼𝐿−𝐼𝑜)𝑡

𝑐 ............................................................................................................ (2-16)

𝐼𝐿 = 𝐼𝑂 .................................................................................................................. (2-17)

Persamaan (2-13) dideferensialkan sehingga didapatkan persamaan (2-18)

𝐿𝑑2𝑖𝐿

(𝑑𝑡)2=0 .............................................................................................. (2-18)

Persamaan karakteristik dari persamaan (2-18) adalah :

𝑚2 + 0 = 0 ........................................................................................................... (2-19)

Akar-akar persamaan karakteristik dari persamaan (2-19) adalah :

𝑚1,2 = 0 ................................................................................................................ (2-20)

Sehingga didapatkan penyelesaian untuk arus keluaran yaitu :

10

𝐼0(𝑡) = 𝑐1 + 𝑐2𝑡 .............................................................................................. (2-21)

Nilai c1 dan c2 didapatkan melalui kondisi awal rangkaian Besarnya perubahan arus induktor

konstan, menunjukkan bahwa arus induktor berkurang secara linear. Perubahan arus induktor

ketika saklar terbuka dapat dihitung dari

∆𝑖𝐿

∆𝑡=

∆𝑖𝐿

(1−𝐷)𝑇=

𝑉𝑜

𝐿 ................................................................................................. (2-22)

(∆𝑖𝐿)𝑜𝑝𝑒𝑛 = (𝑉𝑜(1−𝐷)𝑇

𝐿)......................................................................................... (2-23)

Untuk operasi steady-state arus induktor harus sama dengan nol selama siklus

pensaklaran. Maka didapatkan,

(∆𝑖𝐿)𝑐𝑙𝑜𝑠𝑒𝑑 + (∆𝑖𝐿)𝑜𝑝𝑒𝑛 = 0

(𝑉𝑠𝐷𝑇

𝐿) + (

𝑉𝑜(1−𝐷)𝑇

𝐿) = 0 ....................................................................................... (2-24)

Sehingga untuk mendapatkan 𝑉𝑜,

𝑉𝑜 = −𝑉𝑠 (𝐷

1−𝐷) .............................................................................................. (2-25)

Tegangan rata-rata induktor sama dengan nol dalam gelombang periodik ditunjukkan dalam

persamaan berikut.

𝑉𝐿 = 𝑉𝑠𝐷 + 𝑉𝑜(1 − 𝐷) = 0 ................................................................................... (2-26)

Dengan menyelesaikan persamaan (2-26) didapatkan persamaan untuk rasio duty cycle (D)

𝐷 =𝑉𝑜

𝑉𝑠+𝑉𝑜 .............................................................................................. (2-27)

Untuk mendapatkan tegangan rata-rata induktor dapat dilakukan dengan mengintegralkan

persamaan (2-3) sehingga didapatkan

T

L

T

L diLdtV00

.................................................................................................... (2-28)

)0()(0

LL

T

L iTiLdtV ....................................................................................... (2-29)

Ripple tegangan pada buck boost converter, tegangan keluaran pada buck boost converter

di filter dengan kapasitor yang memiliki kapasitansi C dan ESR (Equivalent Series

Resistances) rc. Selain itu kapasitor juga sebagi penyimpan energi pada saat switch off.

|∆𝑄| = (𝑉𝑜

𝑅) 𝐷𝑇 = 𝐶∆𝑉𝑜 .............................................................................................. (2-30)

Untuk mendapatkan ∆𝑉𝑜,

∆𝑉𝑜 =𝑉𝑜𝐷𝑇

𝑅𝐶=

𝑉𝑜𝐷

𝑅𝐶𝑓 .............................................................................................. (2-31)

11

Atau

∆𝑉𝑜

𝑉𝑜=

𝑉𝑜𝐷

𝑅𝐶𝑓 ...............................................................................................................(2-32)

2.3 Hukum Kirchoff

Hukum Kirchoff adalah salah satu hukum yang terdapat di dalam ilmu elektronika yang

memiliki fungsi untuk menganalisis arus dan tegangan di dalam rangkaian elektronika. Hukum

Kirchoff di perkenalkan oleh seseorang ahli fisika di Jerman bernama Gustav Robert

Kirchhoff (1824-1887) di tahun 1845. Hukum Kirchoff juga terbagi atas dua bagian, yaitu

hukum Kirchoff I dan hukum Kirchoff II.

2.3.1 Hukum Kirchoff I (Kirchoff’s Current Law)

Jumlah arus yang memasuki suatu percabangan atau node atau simpul sama dengan arus

yang meninggalkan percabangan atau node atau simpul tersebut. Dengan kata lain, jumlah

aljabar semua arus yang memasuki sebuah percabangan atau node atau simpul samadengan

nol.

Secara matematis :

Σ Arus pada satu titik percabangan = 0

Σ Arus yang masuk percabangan = Σ arus yang keluar percabangan

Hukum Kirchoff I dapat digambarkan dalam Gambar 2.6 sebagai berikut :

Gambar 2. 6 Hukum Kirchoff I

Sumber : Mohamad Ramdhani (2008)

Pada Gambar 2.6 diperoleh :

∑ 𝑖 = 0 ..................................................................................................................... (2-33)

𝑖2 + 𝑖4 − 𝑖1 − 𝑖3 = 0 ................................................................................................ (2-34)

dapat dituliskan juga sebagai berikut :

12

∑ 𝑎𝑟𝑢𝑠 𝑚𝑎𝑠𝑢𝑘 = ∑ 𝑎𝑟𝑢𝑠 𝑘𝑒𝑙𝑢𝑎𝑟 ........................................................................... (2-35)

𝑖2 + 𝑖4 = 𝑖1 + 𝑖3 ...................................................................................................... (2-36)

2.3.2 Hukum Kirchoff II (Kirchoff’s Voltage Law)

Jumlah tegangan pada suatu lintasan tertutup sama dengan nol, atau penjumlahan

tegangan pada masing-masing komponen penyusunnya yang membentuk satu lintasan tertutup

akan bernilai sama dengan nol.

Secara matematis :

∑ 𝑉 = 0

Hukum Kirchoff II dapat diilustrasikan dalam Gambar 2.7 sebagai berikut :

Gambar 2. 7 Hukum Kirchoff II

Sumber : Mohamad Ramdhani (2008)

Pada Gambar 2.7 diperoleh :

Lintasan a-b-c-d-a:

𝑉𝑎𝑏 + 𝑉𝑏𝑐 + 𝑉𝑐𝑑 + 𝑉𝑑𝑎 = 0 ..................................................................................... (2-37)

−𝑉1 + 𝑉2 − 𝑉3 + 0 = 0 ........................................................................................... (2-38)

𝑉2 − 𝑉1 − 𝑉3 = 0 ..................................................................................................... (2-39)

Lintasan a-d-c-b-a:

𝑉𝑎𝑑 + 𝑉𝑑𝑐 + 𝑉𝑐𝑏 + 𝑉𝑏𝑎 = 0 ...................................................................................... (2-40)

0 + 𝑉3 − 𝑉2 + 𝑉1 = 0 .............................................................................................. (2-41)

𝑉3 − 𝑉2 + 𝑉1 = 0 ..................................................................................................... (2-42)

13

2.4 Perhitungan Nilai Induktor dan Kapasitor pada Buck-Boost Converter

Tegangan keluaran pada buck-boost converter di filter dengan kapasitor yang memiliki

kapasitansi C dan komponen ESR (Equivalent Series Resistances) rc. Kapasitor juga berguna

sebagai penyimpan energi pada saat rangkaian switch OFF. Untuk perhitungan nilai kapasitor

minimum (Cmin) pada buck-boost converter dalam mode DCM dapat dilihat pada persamaan

(2-43) (Kazimierczuk, 2008).

𝐶𝑚𝑖𝑛 =𝑉𝑜𝐷

𝑅 ∆𝑉0 𝑓 ........................................................................................................(2-43)

Dengan keterangan:

∆V0 = Ripple tegangan keluaran (volt)

V0 = Tegangan keluaran (volt)

D = Duty Cycle

R = Resistansi beban (Ohm)

C = Kapasitansi (Farad)

f = Frekuensi (Hz)

Komponen induktor pada buck-boost converter berfungsi sebagai penyimpan energi dan

mengurangi ripple arus. Arus yang melewati induktor pada rangkaian buck-boost converter

dapat dilihat pada persamaan (2-44) (Kazimierczuk, 2008).

𝐼𝐿 =𝑉𝑜

2

𝑉𝑠𝑅𝐿 𝑚𝑎𝑥 𝐷𝑚𝑖𝑛=

𝑉𝑠 𝐷𝑚𝑖𝑛

𝑅𝐿 𝑚𝑎𝑥 (1−𝐷𝑚𝑖𝑛)2 ....................................................................... (2-44)

Mengacu pada persamaan (2-44), perhitungan nilai Lmin pada buck-boost converter dapat

dilihat sebagai berikut:

𝐿𝑚𝑖𝑛 =(1−𝐷)2𝑅

2 𝑓.......................................................................................................(2-45)

14

2.5 Analisis Rangkaian Double Gain Buck-Boost Converter

Gambar 2. 8 Rangkaian double gain buck-boost converter

Gambar 2.8 menunjukkan rangkaian double gain buck-boost converter yang terdiri dari

beberapa komponen seperti 1 switch, 2 induktor (L1,L2), 2 dioda (D1,D2), 3 kapasitor

(C1,C2,C3),dan 1 beban (R). Rangkaian ini bekerja dalam 2 kondisi saat keadaan Continuous

Conduction Mode (CCM), yaitu pada saat switch on dan switch off. Dalam analisis rangkaian

ini diasumsikan bahwa komponen dalam keadaan ideal.

2.4.1 Rangkaian Saat Switch On (Mode 1)

Gambar 2. 9 Rangkaian saat switch on

Gambar 2.9 menunjukkan rangkaian pada saat switch on. Pada interval ini (0 < t < DT),

switch dalam keadaan on dan dioda (D1,D2) dalam keadaan off. Seperti ditunjukkan pada

Gambar 2.9, induktor L1 mendapat energi dari tegangan input. L2 juga termagnetisasi oleh

15

kapasitor C1, C3, dan tegangan input. Selain itu energi yang tersimpan dalam kapasitor C2 dan

C3 dilepas ke beban.

Dengan menggunakan metode KVL (Kirchoff Voltage Law) maka dapat dicari beberapa

persamaan berikut:

VL1 –Vin = 0

VL1 = Vin ..............................................................................................(2-46)

VC3+VL2-VC1-Vin = 0

VL2 = VC1+Vin-VC3 ......................................................................................................................................................... (2-47)

Vo-VC3-VC2 = 0

Vo = VC2 + VC3 ......................................................................................................................................................... (2-48)

Dengan menggunakan metode KCL (Kirchoff Current Law) maka dapat dicari beberapa

persamaan berikut:

IC1 = IL1-Iin ..............................................................................................(2-49)

IC2 = -Io ..............................................................................................(2-50)

IC3 = IL2-Io ..............................................................................................(2-51)

IC2-IC3 = IL1-Iin ..............................................................................................(2-52)

2.4.2 Rangkaian Saat Switch Off (Mode 2)

Gambar 2. 10 Rangkaian saat switch off

16

Gambar 2.10 menunjukkan rangkaian pada saat switch off. Pada interval ini (DT < t < T)

switch dalam keadaan off sehingga kapasitor C1 dan C2 mengalami charging oleh induktor L1

dan kapasitor C3 mengalami charging oleh induktor L2. Semua induktor demagnetisasi selama

mode ini.

Dengan menggunakan metode KVL (Kirchoff Voltage Law) maka dapat dicari beberapa

persamaan berikut:

VC2+VL1 = 0

VL1 = -VC2 .............................................................................................. (2-53)

-VC1-VL1 = 0

VL1 = -VC1 .............................................................................................. (2-54)

VC3+VL2 = 0

VL2 = -VC3 .............................................................................................. (2-55)

-VC2+Vo-VC3 = 0

Vo = VC2 +VC3

Dengan menggunakan metode KCL (Kirchoff Current Law) maka dapat dicari beberapa

persamaan berikut:

IC1 = IL1-ID2 ................................................................................................ (2-56)

IC1 = ID1-IL2 ................................................................................................ (2-57)

IC2 = ID2-Io ................................................................................................ (2-58)

IC3 = IL2-Io ................................................................................................ (2-59)

IC2-IC3 = IL1-ID1 ................................................................................................ (2-60)

2.4.3 Perhitungan Tegangan

Untuk menentukan voltage gain, metode IVSB (Inductor Voltage-Second Balance)

digunakan untuk persamaan saat switch on dan persamaan saat switch off. Persamaan IVSB

adalah sebagai berikut:

4,3,2,1;01

0

ndtVdtV

T

T

DTLn

DT

Ln

dengan memasukkan persamaan (2-46) dan (2-53) ke dalam persamaan IVSB maka

didapatkan :

17

1

𝑇(∫ (𝑉𝐿1)𝑑𝑡 + ∫ (𝑉𝐿1)𝑑𝑡

𝑇

𝐷𝑇

𝐷𝑇

0

) = 0

VinD = VC2 –VC2D

VC2 = 𝑉𝑖𝑛𝐷

(1−𝐷) ..............................................................................................(2-61)

substitusi persamaan (2-46) dan (2-54) ke dalam persamaan IVSB didapatkan :

1

𝑇(∫ (𝑉𝐿1)𝑑𝑡 + ∫ (𝑉𝐿1)𝑑𝑡

𝑇

𝐷𝑇

𝐷𝑇

0

) = 0

VinD-VC1+VC1D = 0

VinD = VC1(1-D)


(1−𝐷) ..............................................................................................(2-62)

substitusi persamaan (2-47) dan (2-55) ke dalam persamaan IVSB didapatkan :

1

𝑇(∫ (𝑉𝐿2)𝑑𝑡 + ∫ (𝑉𝐿2)𝑑𝑡

𝑇

𝐷𝑇

𝐷𝑇

0

) = 0

VinD+VC1D-VC3 = 0

VC3 = D (Vin+VC1) ..............................................................................................(2-63)

substitusi persamaan (2-62) ke (2-63) didapatkan :

VC3 = D (Vin + 𝑉𝑖𝑛𝐷

(1−𝐷))


(1−𝐷) ..............................................................................................(2-64)

Vo = VC2 + VC3

Vo = 𝑉𝑖𝑛𝐷

(1−𝐷) +

𝑉𝑖𝑛𝐷

(1−𝐷)

Vo = 2𝐷

(1−𝐷) Vin ......................................................................................................................................................... (2-65)

Jadi didapatkan nilai gain tegangan 𝑉𝑜

𝑉𝑖𝑛 =

2𝐷

(1−𝐷)

18

2.4.4 Perhitungan Arus

Untuk menentukan gain arus, metode CASB (Current Ampere-Second Balance)

digunakan untuk persamaan saat switch on dan persamaan saat switch off. Persamaan CASB

adalah sebagai berikut :

6,5,4,3,2,1,0;01

0

ndtIdtI

T

T

DTCn

DT

Cn

memasukkan persamaan (2-49) dan (2-56) ke dalam persamaan CASB didapatkan :

1

𝑇(∫ (𝐼𝐶1)𝑑𝑡 + ∫ (𝐼𝐶1)𝑑𝑡

𝑇

𝐷𝑇

𝐷𝑇

0

) = 0

-IinD + IL1-ID2(1-D) = 0............................................................................................ (2-66)


1

𝑇(∫ (𝐼𝐶1)𝑑𝑡 + ∫ (𝐼𝐶1)𝑑𝑡

𝑇

𝐷𝑇

𝐷𝑇

0

) = 0

ID1(1-D) = IL2(1-D) + IinD - IL1D.............................................................................. (2-67)


1

𝑇(∫ (𝐼𝐶2)𝑑𝑡 + ∫ (𝐼𝐶2)𝑑𝑡

𝑇

𝐷𝑇

𝐷𝑇

0

) = 0

Io = ID2 (1-D) .............................................................................................. (2-68)


1

𝑇(∫ (𝐼𝐶3)𝑑𝑡 + ∫ (𝐼𝐶3)𝑑𝑡

𝑇

𝐷𝑇

𝐷𝑇

0

) = 0

IL2 = Io .............................................................................................. (2-69)


1

𝑇(∫ (𝐼𝐶2 − 𝐼𝐶3)𝑑𝑡 + ∫ (𝐼𝐶2 − 𝐼𝐶3)𝑑𝑡

𝑇

𝐷𝑇

𝐷𝑇

0

) = 0

-IinD+IL1-ID1(1-D) =0 .............................................................................................. (2-70)


-IinD +IL1 –Io = 0

IL1 = IinD+Io .............................................................................................. (2-71)

19


-IinD + IL1 – Io(1-D) – IinD + IL1D = 0

Io = (1−𝐷)

2 Iin

Jadi didapatkan nilai gain arus 𝐼𝑜

𝐼𝑖𝑛 =

(1−𝐷)

2 .......................................................................(2-72)

2.6 Power Losses dan Efisiensi Buck-Boost Converter

Power losses atau rugi-rugi daya adalah perhitungan untuk memperkirakan nilai efisiensi

dari buck-boost converter yang akan dibuat. Sehingga dari hasil perhitungan didapatkan

sebuah nilai sebagai acuan perkiraan untuk menentukan komponen yang sesuai dengan

spesifikasi dan karakteristik rangkaian buck-boost converter (Kazimierczuk, 2008).

Power losses (Ploss) merupakan penjumlahan dari rugi-rugi daya pada rDS, switching

(pensaklaran), dioda, induktor dan kapasitor. Ploss dapat dinyatakan seperti pada persamaan (2-

73).

CL rrDswloss PPPPP ....................................................................................... (2-73)

Rugi-rugi pada switch (MOSFET) terdapat hambatan dalam (rDS). Rugi-rugi daya pada

hambatan dalam switch (MOSFET) dapat dinyatakan dari persamaan (2-74).

DSrmsinr rIPDS

2

, ....................................................................................................... (2-74)

Asumsi bahwa kapasitansi output transistor linear, maka rugi-rugi daya ketika switching

dinyatakan dalam persamaan (2-75).

ssinsfs fCVP2

......................................................................................................... (2-75)

Disipasi daya total pada switch (MOSFET) adalah penjumlahan antara rugi-rugi daya PrDS dan

rugi-rugi daya Psfs. Disipasi daya total pada switch dapat dilihat pada persamaan (2-76).

sfsrsw PPPDS ........................................................................................................ (2-76)

Rugi-rugi daya pada dioda terdapat RF dimana merupakan hambatan dalam dioda saat forward

biased. Rugi-rugi daya pada dioda dinyatakan pada persamaan (2-77).

D

RIIVPPP Fo

oFRFVFD

1

2

............................................................................... (2-77)

20

Rugi-rugi daya yang terjadi dalam induktor yang diakibatkan oleh resistansi internal pada

induktor dapat dilihat pada persamaan (2-78).

LrmsLr rIPL

2

, .......................................................................................................... (2-78)

Rugi-rugi daya yang terjadi dalam kapasitor yang diakibatkan oleh resistansi internal pada

kapasitor dapat dilihat pada persamaan (2-79).

CrmsCr rIPC

2

, .......................................................................................................... (2-79)

Efisiensi total pada buck-boost converter adalah sebagai berikut:

%100

losso

o

PP

P ................................................................................................. (2-80)

21

BAB III

METODOLOGI PENELITIAN

Metode penelitian yang digunakan pada penyusunan penelitian ini ditunjukkan dalam

diagram alir pada Gambar 3.1.

Mulai

Menentukan spesifikasi untuk rangkaian

double gain buck-boost converter

Memasukkan nilai-nilai komponen pada rangkaian


Mensimulasikan rangkaian double gain buck-boost

converter dengan PSIM

Menentukan spesifikasi untuk rangkaian

buck-boost converter

Memasukkan nilai-nilai komponen pada rangkaian

buck-boost converter

Mensimulasikan rangkaian buck-boost converter

dengan PSIM

Menganalisa dan membandingkan hasil keluaran antara


dengan buck-boost converter

Kesimpulan dan saran

Selesai

Gambar 3. 1 Diagram alir penelitian

22

3.1 Perhitungan Nilai Komponen

Perhitungan nilai komponen terdiri atas perhitungan nilai induktor dan perhitungan nilai

kapasitor. Langkah-langkah perhitungan komponen dapat ditunjukkan pada Gambar 3.2.

Mulai

Menentukan spesifikasi nilai Vin,Vbuck,Vboost,Fsw

Menentukan nilai duty cycle

Menentukan nilai komponen induktor dan kapasitor

Selesai

Gambar 3.2 Langkah-langkah perhitungan komponen

3.4.1 Perhitungan Nilai Komponen Pada Rangkaian Double Gain Buck-Boost Converter

Pada rangkaian double gain buck-boost converter telah ditentukan beberapa spesifikasi

antara lain nilai tegangan masukan 12 V, tegangan keluaran (buck) 6 V, tegangan keluaran

(boost) 48 V, frekuensi 30 kHz, dan beban berupa resistor 150 Ω. Untuk menentukan nilai

induktor dan kapasitor maka nilai duty cycle pada setiap mode harus diketahui terlebih dahulu.

Dengan menggunakan persamaan (3-20) nilai duty cycle untuk tegangan buck pada

rangkaian double gain buck-boost converter adalah :

Vo = 2𝐷

(1−𝐷) Vin

6

12 =

2𝐷

(1−𝐷)

24D = 6-6D

Dbuck = 0,2

Dengan menggunakan persamaan (3-20) nilai duty cycle untuk tegangan boost pada

rangkaian double gain buck-boost converter adalah :

Vo = 2𝐷

(1−𝐷) Vin

23

48

12 =

2𝐷

(1−𝐷)

24D = 48-48D

Dboost = 0,667

Nilai induktor minimum untuk tegangan buck dapat dihitung sesuai dengan persamaan (2-

17):

𝐿𝑚𝑖𝑛 =(1 − 𝐷)2𝑅

2 𝑓

𝐿𝑚𝑖𝑛 =(1 − 0,2)2 𝑥 150

2 𝑥 30.000

𝐿𝑚𝑖𝑛 = 1,6 mH

Nilai induktor minimum untuk tegangan boost dapat dihitung sesuai dengan persamaan (2-

17):


2 𝑓

𝐿𝑚𝑖𝑛 =(1 − 0,667)2 𝑥 150

2 𝑥 30.000


Untuk memastikan bahwa induktor bekerja pada mode CCM maka nilai induktor yang

diambil yaitu sebesar 125% dari nilai induktor minimum. Dalam hal ini nilai induktor yang

digunakan menjadi sebesar 2 mH.

Untuk menghitung nilai kapasitor dapat menggunakan persamaan (2-15) dengan nilai duty

cycle buck sebesar 0,2, duty cycle boost 0,667, Vo (buck) 6 V, Vo (boost) 48 V, frekuensi 30

kHz, beban 150 Ω dan diasumsikan nilai ripple tegangan ∆Vc = 0,2 V. Perhitungan nilai

kapasitor minimum untuk tegangan buck dapat dihitung dengan persamaan (2-15):


𝑅 ∆𝑉0 𝑓

𝐶𝑚𝑖𝑛 =6 𝑥 0,2

150 𝑥 0,2 𝑥 30.000

𝐶𝑚𝑖𝑛 = 1,333 µF

Perhitungan nilai kapasitor minimum untuk tegangan boost dapat dihitung dengan

persamaan (2-15):

24


𝑅 ∆𝑉0 𝑓

𝐶𝑚𝑖𝑛 =48 𝑥 0,667

150 𝑥 0,2 𝑥 30.000


Nilai kapasitor yang diambil yaitu nilai kapasitor yang biasa terdapat di pasaran dan

mendekati nilai 35,57 µF. Dalam hal ini nilai kapasitor yang diambil menjadi sebesar 47 µF.

Nilai induktor dan kapasitor minimum yang telah didapatkan berdasarkan perhitungan

tersebut akan digunakan sebagai acuan untuk menentukan nilai yang akan digunakan dalam

simulasi agar rangkaian beroperasi sesuai dengan spesifikasi yang telah ditentukan.

3.4.2 Perhitungan Nilai Komponen Pada Rangkaian Buck-Boost Converter

Pada rangkaian buck-boost converter telah ditentukan beberapa spesifikasi yaitu tegangan

masukan 12 V, frekuensi sebesar 30 kHz, beban berupa resistor 150 Ω, dan tegangan keluaran

buck dan boost menyesuaikan dengan duty cycle pada rangkaian double gain buck-boost

converter yaitu sebesar 0,2 dan 0,667. Karena nilai duty cycle pada kedua mode telah diketahui

maka nilai tegangan keluaran dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan (2-9).

Nilai tegangan keluaran pada mode buck rangkaian buck-boost converter dengan

menggunakan persamaan (2-9) :


1 − 𝐷)

𝑉𝑜 = −12 (0,2

1 − 0,2)

𝑉𝑜 𝑏𝑢𝑐𝑘 = 3 V

Nilai tegangan keluaran pada mode boost rangkaian buck-boost converter dengan

menggunakan persamaan (2-9) :


1 − 𝐷)

𝑉𝑜 = −12 (0,667

1 − 0,667)

𝑉𝑜 𝑏𝑜𝑜𝑠𝑡 = 24 V

Nilai induktor minimum untuk tegangan buck dapat dihitung sesuai dengan persamaan (2-

17):

25


2 𝑓

𝐿𝑚𝑖𝑛 =(1 − 0,2)2 𝑥 150

2 𝑥 30.000


Nilai induktor minimum untuk tegangan boost dapat dihitung sesuai dengan persamaan (2-

17):


2 𝑓

𝐿𝑚𝑖𝑛 =(1 − 0,667)2 𝑥 150

2 𝑥 30.000


Untuk menghitung nilai kapasitor dapat menggunakan persamaan (2-15) dengan nilai duty

cycle buck sebesar 0,2, duty cycle boost 0,667, Vo (buck) 3 V, Vo (boost) 24 V, frekuensi 30

kHz, beban 150 Ω dan diasumsikan nilai ripple tegangan ∆Vc = 0,2 V. Perhitungan nilai

kapasitor minimum untuk tegangan buck dapat dihitung dengan persamaan (2-15):


𝑅 ∆𝑉0 𝑓

𝐶𝑚𝑖𝑛 =3 𝑥 0,2

150 𝑥 0,2 𝑥 30.000


Perhitungan nilai kapasitor minimum untuk tegangan boost dapat dihitung dengan

persamaan (2-15):


𝑅 ∆𝑉0 𝑓

𝐶𝑚𝑖𝑛 =24 𝑥 0,667

150 𝑥 0,2 𝑥 30.000


Nilai induktor dan kapasitor minimum yang telah didapatkan berdasarkan perhitungan

tersebut akan digunakan sebagai acuan untuk menentukan nilai yang akan digunakan dalam

simulasi agar rangkaian beroperasi sesuai dengan spesifikasi yang telah ditentukan.

26

3.2 Penentuan Spesifikasi Rangkaian

Berdasarkan hasil perhitungan nilai komponen yang telah dilakukan pada bagian

sebelumnya maka didapatkan spesifikasi rangkaian yang akan disimulasikan seperti ditunjukkan

pada Tabel 3.1.

Tabel 3.1 Spesifikasi rangkaian

3.3 Simulasi Rangkaian Double Gain Buck-Boost Converter

Software yang digunakan dalam perancangan sistem ini adalah PSIM untuk menganalisis

rangkaian. Software ini dipilih karena penggunaannya yang mudah, sederhana dan mudah untuk

dipelajari dibandingkan dengan software simulasi yang lain seperti MATLAB. Simulasi yang

dilakukan adalah:

1. Simulasi hasil tegangan keluaran dan tegangan tiap-tiap kapasitor untuk menganalisis

gain tegangan dari masing-masing konverter pada nilai duty cycle dan frekuensi

tertentu.

2. Simulasi hasil arus keluaran dan arus tiap-tiap induktor untuk menganalisis gain arus

dari masing-masing konverter pada nilai duty cycle dan frekuensi tertentu.

Spesifikasi Nilai Satuan

𝑉𝑖𝑛 12 V

𝑉𝑜𝑢𝑡(boost) 48 V

𝑉𝑜𝑢𝑡(buck) 6 V

𝐹𝑠𝑤 30 kHz

Duty Cycle (boost) 0,666 -

Duty Cycle (buck) 0,2 -

L1 2 𝑚𝐻

L2 2 𝑚𝐻

C1 47 𝜇𝐹

C2 47 𝜇𝐹

C3 47 𝜇𝐹

R 150 Ω

27

3. Simulasi hasil keluaran tegangan dan hasil keluaran arus untuk menganalisis bagaimana

efisiensi dari masing-masing konverter di setiap perubahan nilai duty cycle.

29

BAB IV

HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Double Gain Buck-Boost Converter

Rangkaian buck-boost converter dapat bekerja sesuai dengan hasil yang diinginkan jika

rangkaian tersebut sudah memiliki spesifikasi yang sesuai dengan perhitungan. Spesifikasi yang

dimaksud seperti tegangan masukan, frekuensi switching, nilai-nilai induktor, nilai-nilai

kapasitor, nilai beban, serta tegangan keluaran dan duty cycle pada mode buck dan boost.

Rangkaian double gain buck-boost converter yang akan disimulasikan ditunjukkan pada

Gambar 4.1. Spesifikasi rangkaian yang digunakan dalam simulasi menggunakan spesifikasi

pada Tabel 3.1

Gambar 4.1 Rangkaian double gain buck-boost converter

4.1.1 Simulasi Rangkaian Double Gain Buck-Boost Converter

Simulasi rangkaian akan dilakukan dengan dua mode yaitu pada mode buck dan mode boost.

4.1.1.1 Simulasi Rangkaian Double Gain Buck-Boost Converter Mode Boost

Simulasi yang dilakukan dengan menggunakan aplikasi PSIM menampilkan hasil sebagai

berikut:

30

1. Arus induktor 1 (iL1)

Gambar 4.2 Arus induktor 1 (iL1) rangkaian double gain pada mode boost

Gambar 4.2 menunjukkan arus induktor 1 (iL1) dimana arus mencapai puncak transien

dengan nilai 6,77 A pada saat t = 0,0025 s kemudian mencapai keadaan steady pada saat t =

0,04 s dengan nilai arus rata-rata = 1,69 A.


Gambar 4.3 Arus induktor 2 (iL2) rangkaian double gain pada mode boost



0,08 s dengan nilai arus rata-rata = 0,33 A.

31

3. Tegangan kapasitor 1 (VC1)

Gambar 4. 4 Tegangan kapasitor 1 (VC1) rangkaian double gain pada mode boost

Gambar 4.4 menunjukkan tegangan kapasitor 1 (VC1) dimana tegangan mencapai puncak

transien dengan nilai 42,75 V pada saat t = 0,005 s dan kemudian mencapai keadaan

steady mulai t = 0,05 s dengan tegangan rata-rata = 24,12 V.


Gambar 4.5 Tegangan kapasitor 2 (VC2) rangkaian double gain pada mode boost




32

5. Tegangan kapsitor 3 (VC3)

Gambar 4.6 Tegangan kapasitor 3 (VC3) rangkaian double gain pada mode boost




6. Tegangan keluaran (Vo)

Gambar 4.7 Tegangan keluaran (Vo) rangkaian double gain pada mode boost

Gambar 4.7 menunjukkan tegangan keluaran (Vout) dimana tegangan mencapai puncak


steady mulai t = 0,086 s dengan tegangan rata-rata = 48,1 V. Nilai tegangan keluaran

(Vout) mendekati nilai jumlah tegangan kapasitor 2 (VC2) dan kapasitor 3 (VC3) karena

kedua kapasitor paralel dengan beban R. Hasil ini juga sesuai dengan rumus pada

persamaan (2-20).

33

7. Arus keluaran (io)

Gambar 4. 8 Arus keluaran (io) rangkaian double gain pada mode boost

Gambar 4.8 menunjukkan arus keluaran (io) dimana arus mencapai puncak transien

dengan nilai 0,54 A pada saat t = 0,0043 s kemudian mencapai keadaan steady pada saat t

= 0,06 s dengan nilai arus rata-rata = 0,32 A.

8. Arus masukan (iin)

Gambar 4.9 Arus masukan (iin) rangkaian double gain pada mode boost

Gambar 4.9 menunjukkan arus masukan (iin) dimana arus mencapai puncak transien



34

9. PWM

Gambar 4. 10 PWM mode boost

Gambar 4.10 menunjukkan bentuk PWM dengan duty cycle 66,67% yang digunakan

pada switching mode boost rangkaian double gain buck-boost converter.

4.1.1.2 Simulasi Rangkaian Double Gain Buck-Boost Converter Mode Buck

Simulasi yang dilakukan dengan menggunakan aplikasi PSIM menampilkan hasil sebagai

berikut :


Gambar 4. 11 Arus induktor 1 (iL1) rangkaian double gain pada mode buck




35


Gambar 4. 12 Arus induktor 2 (iL2) rangkaian double gain pada mode buck


dengan nilai 0,402 A pada saat t = 0,0004 s kemudian mencapai keadaan steady pada saat

t = 0,068 s dengan nilai arus rata-rata = 0,041A.


Gambar 4. 13 Tegangan kapasitor 1 (VC1) rangkaian double gain pada mode buck

Gambar 4.13 menunjukkan tegangan kapasitor 1 (VC1) dimana tegangan mencapai

puncak transien dengan nilai 6,41 V pada saat t = 0,0017 s dan kemudian mencapai

keadaan steady mulai t = 0,034 s dengan tegangan rata-rata = 3,03 V.

36





keadaan steady mulai t = 0,034 s dengan tegangan rata-rata = 3,06 V





keadaan steady mulai t = 0,04 s dengan tegangan rata-rata = 3,03 V

37

6. Tegangan keluaran (Vo)

Gambar 4. 16 Tegangan keluaran (Vo) rangkaian double gain pada mode buck

Gambar 4.16 menunjukkan tegangan keluaran (Vout) dimana tegangan mencapai puncak


steady mulai t = 0,04 s dengan tegangan rata-rata = 6,09 V. Nilai tegangan keluaran

(Vout) mendekati nilai jumlah tegangan kapasitor 2 (VC2) dan kapasitor 3 (VC3) karena

kedua kapasitor paralel dengan beban R. Hasil ini juga sesuai dengan rumus pada

persamaan (17).

7. Arus keluaran (io)

Gambar 4. 17 Arus keluaran (io) rangkaian double gain pada mode buck

Gambar 4.17 menunjukkan arus keluaran (io) dimana arus mencapai puncak transien

dengan nilai 0,071 A pada saat t = 0,0026 s kemudian mencapai keadaan steady pada

saat t = 0,04s dengan nilai arus rata-rata = 0,0406 A.

38

8. Arus masukan (iin)

Gambar 4. 18 Arus masukan (iin) rangkaian double gain pada mode buck

Gambar 4.18 menunjukkan arus masukan (iin) dimana arus mencapai puncak transien

dengan nilai 1,03 A pada saat t = 0,0006 s kemudian mencapai keadaan steady pada saat

t = 0,06 s dengan nilai arus rata-rata = 0,021 A.

9. PWM

Gambar 4. 19 PWM mode buck

Gambar 4.19 menunjukkan bentuk PWM dengan duty cycle 20% yang digunakan pada

switching mode buck rangkaian double gain buck-boost converter.

4.2 Buck-Boost Converter

Pada penelitian ini rangkaian buck-boost converter disimulasikan sebagai rangkaian

pembanding untuk rangkaian double gain buck-boost converter. Karena itu maka simulasi

rangkaian buck-boost converter juga dibagi menjadi dua yaitu pada mode boost dan mode buck.

39

Rangkaian buck-boost converter dapat bekerja sesuai dengan hasil yang diinginkan jika

rangkaian tersebut sudah memiliki spesifikasi yang sesuai dengan perhitungan. Spesifikasi yang

dimaksud seperti tegangan masukan, frekuensi switching, nilai-nilai induktor, nilai-nilai

kapasitor, nilai beban, serta tegangan keluaran dan duty cycle pada mode buck dan boost.

4.2.1 Spesifikasi dan Rangkaian Buck-Boost Converter

Berikut ini adalah tabel yang menunjukkan spesifikasi rangkaian buck-boost converter

konvensional yang akan disimulasikan.

Tabel 4. 1 Spesifikasi rangkaian buck-boost converter

4.2.2 Simulasi Rangkaian Buck-Boost Converter Mode Boost

Hasil simulasi dari buck-boost converter melalui aplikasi powersim (PSIM) dalam mode

boost adalah sebagai berikut:

Spesifikasi Nilai Satuan

𝑉𝑖𝑛 12 V

𝑉𝑜𝑢𝑡(boost) 24 V

𝑉𝑜𝑢𝑡(buck) 3 V

𝐹𝑠𝑤 30 kHz

Duty Cycle (boost) 0,666 -

Duty Cycle (buck) 0,2 -

L1 2 𝑚𝐻

C1 47 𝜇𝐹

R 150 Ω

40

1) Arus induktor (iL)

Gambar 4.20 Arus induktor mode boost pada buck-boost converter

Gambar 4.20 menunjukkan hasil simulasi rangkaian dalam mode boost arus induktor (iL) saat

tegangan masukan diberi nilai 12 V, arus keluaran mulai naik dan mencapai transien puncak

pada t= 0,00153 s sebesar 3,84 A yang akhirnya menuju keadaan steady state dan stabil

dengan arus rata-rata 0,52 A mulai dari t= 0,07 s.

2) Tegangan kapasitor (VC)

Gambar 4.21 Tegangan kapasitor mode boost pada buck-boost converter

Gambar 4.21 menunjukkan hasil simulasi rangkaian dalam mode boost tegangan

kapasitor (VC) saat tegangan masukan diberi nilai 12 V, tegangan kapasitor mulai turun

dan mencapai transien puncak paling bawah pada t= 0,0028 s sebesar -43,55 V yang

akhirnya menuju keadaan steady state dan stabil dengan tegangan rata-rata -24 V mulai

dari t= 0,068 s.

41

3) Arus masukan (iin)

Gambar 4.22 Arus masukan mode boost pada buck-boost converter

Gambar 4.22 menunjukkan hasil simulasi rangkaian dalam mode boost arus masukan

(iin) saat tegangan masukan diberi nilai 12 V, arus masukan mulai naik dan mencapai

transien puncak pada t= 0,0015 s sebesar 3,83 A yang akhirnya menuju keadaan steady

state dan stabil dengan arus rata-rata 0,31 A mulai dari t= 0,055 s.

4) Tegangan keluaran (Vout)

Gambar 4. 23 Tegangan keluaran mode boost pada buck-boost converter

Gambar 4.23 menunjukkan tegangan keluaran (Vo) saat tegangan masukan diberi nilai

12 V, tegangan keluaran mulai turun dan mencapai transien puncak paling bawah pada

t= 0,0028 s sebesar -43,55 V yang akhirnya menuju keadaan steady state dan stabil

dengan tegangan rata-rata -24 V mulai dari t= 0,068 s.

42

5) Arus keluaran (io)

Gambar 4. 24 Arus keluaran buck-boost converter mode boost

Gambar 4.24 menunjukkan arus keluaran (io) saat tegangan masukan diberi nilai 12 V,

arus keluaran mulai naik dan mencapai transien puncak pada t= 0,0028 s sebesar 0,29 A

yang akhirnya menuju keadaan steady state dan stabil dengan arus rata-rata 0,058 A

mulai dari t= 0,12 s.

6) PWM

Gambar 4. 25 Bentuk PWM buck-boost converter mode boost

Gambar 4.25 menunjukkan bentuk PWM buck-boost converter mode boost ketika diberi

nilai duty cycle sebesar 66,67%.

43

4.2.3 Simulasi Rangkaian Buck-Boost Converter Mode Buck

Hasil simulasi dari buck-boost converter konvensional melalui aplikasi powersim (PSIM)

dalam mode buck adalah sebagai berikut:

1) Arus induktor (iL)

Gambar 4. 26 Arus induktor buck-boost converter mode buck

Gambar 4.26 menunjukkan arus induktor (iL) dimana arus mencapai puncak transien


0,04 s dengan nilai arus rata-rata = 0,027A.

2) Tegangan kapasitor (VC)

Gambar 4. 27 Tegangan kapasitor buck-boost converter mode buck

Gambar 4.27 menunjukkan hasil simulasi rangkaian dalam mode buck tegangan kapasitor

(VC) saat tegangan masukan diberi nilai 12 V, tegangan kapasitor mulai turun dan mencapai

44

transien puncak paling bawah pada t= 0,0011 s sebesar -5,75 V yang akhirnya menuju

keadaan steady state dan stabil dengan tegangan rata-rata -3 V mulai dari t= 0,0264 s.

3) Arus masukan (iin)

Gambar 4. 28 Arus masukan buck-boost converter mode buck

Gambar 4.28 menunjukkan hasil simulasi rangkaian dalam mode boost arus masukan (iin)

saat tegangan masukan diberi nilai 12 V, arus masukan mulai naik dan mencapai transien

puncak pada t= 0,0015 s sebesar 3,83 A yang akhirnya menuju keadaan steady state dan

stabil dengan arus rata-rata 0,00569 A mulai dari t= 0,055 s.

4) Tegangan keluaran (Vout)

Gambar 4. 29 Tegangan keluaran buck-boost converter mode buck

Gambar 4.29 menunjukkan tegangan keluaran (Vo) saat tegangan masukan diberi nilai 12

V, tegangan keluaran mulai turun dan mencapai transien puncak paling bawah pada t=

45

0,0011 s sebesar -5,75 V yang akhirnya menuju keadaan steady state dan stabil dengan

tegangan rata-rata -3 V mulai dari t= 0,026 s.

5) Arus keluaran (io)

Gambar 4. 30 Arus keluaran buck-boost converter mode buck

Gambar 4.30 menunjukkan arus keluaran (io) saat tegangan masukan diberi nilai 12 V,

arus keluaran mulai naik dan mencapai transien puncak pada t= 0,0011 s sebesar 0,0038

A yang akhirnya menuju keadaan steady state dan stabil dengan arus rata-rata 0,0205 A

mulai dari t= 0,024 s.

6) PWM

Gambar 4. 31 Bentuk PWM buck-boost converter mode buck

Gambar 4.31 menunjukkan bentuk PWM buck-boost converter mode boost ketika diberi

nilai duty cycle sebesar 20%.

46

4.3 Perbandingan Double Gain Buck-Boost Converter dengan Buck-Boost Converter

Dalam melakukan perbandingan antara kedua rangkaian yang dibahas dalam penelitian

ini, maka dibuat beberapa hal sebagai pembanding, antara lain :

1) Gain (penguatan) tegangan pada konverter.

2) Efisiensi konverter.

3) Topologi dan komponen pada konverter.

4.3.1 Perbandingan Gain Tegangan

Gain tegangan yang dimaksud adalah perbandingan antara tegangan keluaran dengan

tegangan masukan konverter.

Gambar 4. 32 Grafik perbandingan gain tegangan

Gambar 4.32 menunjukkan perbandingan gain tegangan antara rangkaian double gain

buck-boost converter dengan buck-boost converter. Dari grafik terlihat bahwa pada nilai

duty cycle yang sama, buck-boost converter dengan double gain mempunyai gain tegangan

yang lebih besar yakni dua kali lipat dari tegangan buck-boost converter. Hal ini berarti

buck-boost converter dengan double gain bisa menghasilkan tegangan dengan nilai dua

kali lipat dari buck-boost converter pada nilai duty cycle yang sama.

4.3.2 Perbandingan Efisiensi

Dalam melakukan perbandingan efisiensi, kedua rangkaian tidak dianggap ideal dengan

memperhitungkan komponen ESR (Equivalent Series Resistances). Hal ini bertujuan agar

perhitungan efisiensi tidak menghasilkan nilai efisiensi yang sama yaitu 100 %. Untuk dapat

mengevaluasi hasil efisiensi konverter pada kondisi real, maka pada perbandingan efisiensi

02468

101214161820

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

Gai

n t

ega

nga

n

Duty Cycle Gain Tegangan Buck-Boost topologi baru

Gain Tegangan Buck-Boost Konvensional

47

konverter ini akan diasumsikan beberapa nilai komponen ESR dan parameter internal

komponen. Nilai komponen ESR dan parameter internal ditampilkan dalam Tabel 4.2.

Tabel 4.2 Komponen ESR dan parameter internal

Komponen Nilai Satuan

rDS 20 mΩ

RF 44 mΩ

rL 20 mΩ

rC 10 mΩ

CS 1,4 nF

VF 0,525 Volt

Perhitungan nilai efisiensi pada rangkaian double gain buck-boost converter pada kondisi

tidak ideal dengan memperhitungkan nilai ESR dapat dihitung menggunakan persamaan (2-63)

hingga persamaan (2-70). Hasil perhitungan efisiensi rangkaian double gain buck-boost

converter pada kondisi real dapat dilihat pada Tabel 4.3.

Tabel 4.3 Hasil perhitungan efisiensi double gain buck-boost converter

Duty Cycle Ploss (W) Po (W) η (%)

0,1 0,0155 0,0478 75,57

0,2 0,0274 0,2420 89,82

0,3 0,0431 0,7110 94,29

0,4 0,0662 1,7174 96,29

0,5 0,1037 3,8640 97,39

0,6 0,1812 8,6905 97,96

0,7 0,4216 21,0151 98,03

0,8 1,8506 61,5360 97,08

0,9 32,2587 307,6366 90,51

Perhitungan nilai efisiensi pada rangkaian buck-boost converter pada kondisi tidak ideal

dengan memperhitungkan nilai ESR dapat dihitung menggunakan persamaan (3-27) hingga

persamaan (3-36). Hasil perhitungan efisiensi rangkaian double gain buck-boost converter

pada kondisi real dapat dilihat pada Tabel 4.4.

48

Tabel 4. 4 Hasil perhitungan efisiensi buck-boost converter

Duty Cycle Ploss (W) Po (W) η (%)

0,1 0,0111 0,0135 55,06

0,2 0,0170 0,0643 79,08

0,3 0,0250 0,1880 88,27

0,4 0,0358 0,4521 92,67

0,5 0,0519 1,0135 95,13

0,6 0,0790 2,2730 96,64

0,7 0,1377 5,4779 97,55

0,8 0,3534 15,9708 97,83

0,9 3,1906 78,8220 96,11

Hasil perhitungan efisiensi double gain buck-boost converter dan buck-boost converter

juga dapat ditampilkan dalam bentuk grafik seperti pada Gambar 4.33.

Gambar 4. 33 Grafik efisiensi double gain buck-boost converter dan buck-boost converter

Gambar 4.33 menunjukkan hasil efisiensi rangkaian double gain buck-boost converter dan

buck-boost converter. Pada double gain buck-boost converter saat duty cycle sebesar 10%

rugi-rugi daya yang paling dominan adalah rugi-rugi yang terjadi pada dioda (PDn) hal ini

terjadi karena saat duty cycle kecil maka kondisi switch OFF akan berlangsung lebih lama

daripada kondisi saat switch ON. Kondisi switch OFF merupakan kondisi saat dioda

konduksi, sehingga 90% waktu dari periode dioda akan mengalami konduksi dan saat itu juga

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9

Efis

ien

si (

%)

Duty cycle

Efisiensi BBC %

Efisiensi DGBBC %

49

dioda akan menyumbang rugi-rugi daya saat dioda konduksi dan rugi-rugi hambatan dalam

dioda Saat duty cycle besar efisiensi juga akan turun drastis dimana rugi-rugi daya paling

besar adalah rugi-rugi induktor (PLn).

Pada buck-boost converter saat duty cycle sebesar 10% rugi-rugi daya yang paling

dominan adalah rugi-rugi yang terjadi pada dioda (PD) hal ini terjadi karena saat duty cycle

kecil maka kondisi switch OFF akan berlangsung lebih lama daripada kondisi saat switch ON.

Kondisi switch OFF merupakan kondisi saat dioda konduksi, sehingga 90% waktu dari

periode dioda akan mengalami konduksi dan saat itu juga dioda akan menyumbang rugi-rugi

daya saat dioda konduksi yaitu resistant forward losses (PFR) dan voltage forward losses

(PVF). Saat duty cycle bertambah besar maka efisiensi akan terus naik hingga saat duty cycle

80% efisiensi akan mulai turun dimana rugi-rugi daya paling besar adalah rugi-rugi induktor

(PL), namun rugi-rugi yang terjadi saat duty cycle 10% dan 90% tidak sebesar pada rangkaian

double gain buck-boost converter dikarenakan komponen yang digunakan pada buck-boost

converter tidak sebanyak komponen yang ada pada rangkaian double gain buck-boost

converter.

4.3.3 Perbandingan Topologi dan Komponen

Perbandingan topologi antara double gain buck-boost converter dengan buck-boost converter

mencakup perbandingan jumlah komponen, gain tegangan yang dihasilkan, dan bentuk keluaran

tegangannya. Perbandingan topologi antara double gain buck-boost converter dengan buck-boost

converter disajikan dalam Tabel 4.6.

Tabel 4. 5 Perbandingan topologi

Pembanding Double Gain Buck-

Boost Converter Buck-Boost Converter

Jumlah switch 1 1

Jumlah Dioda 4 1

Jumlah Kapasitor 3 1

Jumlah Induktor 2 1

Total Komponen 10 4

Gain Tegangan 2𝐷

(1 − 𝐷)

𝐷

(1 − 𝐷)

Keluaran Tegangan Non-inverting Inverting

51

BAB V

PENUTUP

5.1 Kesimpulan

Dari simulasi dan analisis yang telah dilakukan, maka didapat kesimpulan sebagai

berikut:

1. Rangkaian double gain buck-boost converter dengan konfigurasi 1 switch, 2 induktor, 3

kapasitor dan 2 dioda mampu berkerja dalam menaikkan dan menurunkan tegangan dengan

gain hingga 2 kali lipat dari tegangan keluaran buck-boost converter.

2. Rangkaian double gain buck-boost converter terdiri dari 1 switch, 2 induktor, 3 kapasitor

dan 2 dioda sedangkan rangkaian buck-boost converter terdiri dari 1 switch, 1 induktor, 1

kapasitor dan 1 dioda. Hasil kerja rangkaian double gain buck-boost converter dapat

disimulasikan pada aplikasi PSIM dengain baik. Hasil simulasi rangkaian double gain buck-

boost converter mampu menghasilkan tegangan keluaran, arus keluaran, tegangan kapasitor

dan arus induktor sesuai dengan analisis perhitungan yang telah dilakukan.

3. Rangkaian double gain buck-boost converter membutuhkan jumlah komponen yang lebih

banyak dibandingkan buck-boost converter sehingga membuat efisiensi rangkaian pada duty

cycle tertentu tidak lebih baik dari buck-boost converter, namun kekurangan ini dapat

ditutupi dengan gain tegangan yang dihasilkan.

5.2 Saran

Beberapa saran yang direkomendasikan penulis untuk dapat dilakukan penelitian

selanjutnya:

1. Membuat rancang bangun dari rangkaian double gain buck-boost converter.

2. Memodifikasi rangkaian double gain buck-boost converter agar memiliki jumlah komponen

yang lebih sedikit namun tetap memiliki gain yang lebih tinggi, atau dengan jumlah

komponen yang sama mampu menghasilkan gain tegangan yang berbeda.

3. Menambahkan analisis mode DCM (Discontinous Conduction Mode) pada double gain

buck-boost converter untuk penelitian selanjutnya.

4. Membuat rangkaian kontrol untuk rangkaian double gain buck-boost converter agar

keluaran tegangan dari rangkaian lebih stabil.

53

DAFTAR PUSTAKA

Ashari, Mochamad. 2012.Sistem Konverter DC.Surabaya. ITS Press.

Banaei R.M.,Ardi H., dan Faraktor A., Analysis and Implementation of a Single Switch Buck-

Boost DC/DC Converter,IET Power Electron,.vol.7,no.7,pp.1906-1914, February 2014

Hart, D.W. 2011. Power Electronics. New York: McGraw-Hill.

Kazimierczuk, Marian K. 2016. Pulse-Width Modulated DC–DC Power Converters. Ohio :

Wiley.

Ramdhani, Mohamad. 2008. Rangkaian Listrik. Bandung : Erlangga.

Rashid, M. H. 1993. Macam-Macam DC Chopper. Power Electronics : Circuit, Devices, and

Application. New Jersey : Prentince-Hall International Inc

Wahyu,Andi. Sistem Konverter Cuk Dengan Pengendali Kalang Terbuka (Open

Loop).Universitas Islam Indonesia,Agustus.2018.

Wildi, Theodore. 2002. Electrical Machines, Drives, and Power System Fifth Edition,

Pearson Education Inc.

Zarrin A.G., Abapour M., Farakhor A.. 2015. Design Optimization of a Cuk DC/DC Converter

Based on Reliability Constraints. Turk J Elec Eng & Comp Sci, pp. 1932-1945.

55

LAMPIRAN

56

LAMPIRAN

Lampiran 1 Spesifikasi laptop

57

Lampiran 2 Spesifikasi software

analisis perbandingan double gain buck-boost converter

Documents