Presentasi Elda Revisi

7.5 Buck-boost converter

Buck-boost converter atau disebut juga step-down/step-up converter meregulasi power supply DC dimana output tegangan keluaran bisa lebih tinggi dan rendah dari tegangan masukan.

Buck-boost converter terdiri dari rangkaian kaskade konverter dasar : step-down converter dan step-up converter.

Dalam keadaan stabil, perbandingan konversi keluaran-masukan merupakan hasil dari rangkaian step up dan down secara kaskade (persamaan dari subbab sebelumnya) didapatkan;

Persamaan ini menyatakan bahwa tegangan keluaran bisa lebih rendah atau tinggi tergantung dari duty ratio D.

Ketika saklar tertutup, keseluruhan input akan mengalir ke induktor dan dioda akan reverse-bias sehingga pada saat itu inductor akan menyimpan energy dalam bentuk medan magnet. Jika pada kapasitor menyimpan energy maka pada saklar tertutup ini, energy pada kapasitor akan menyuplai load (beban).

Ketika saklar terbuka, sehingga tidak ada energi dari input yang mengalir pada interval tersebut namun energi yang tersimpan dalam induktor akan mengalir keluar. Kapasitor akan mengisi oleh tegangan yang berasal dari inductor.

7.5.1 Continuous-conduction mode

Jika arus yang melalui inductor L tak pernah bernilia nol selama siklus komutasi Konverter ini bekerja dalam Continuous-conduction mode .Pada mode ini, arus pada induktor mengalir secara kontinu, sehingga dapat dituliskan ;

Persamaan integral tegangan induktor lebih dari satu perioda waktu menuju nol, didapatkan ;

Dan

Persamaan ini menyatakan bahwa tegangan keluaran bisa lebih rendah atau tinggi tergantung dari duty ratio D.

7.5.2 Batasan antara Continuos dan Discontinuous conduction

Biasanya peubah dalam discontinuous mode ketika pada saat beban membutuhkan arus rendah dan continous mode ketika beban memiliki level arus yang tinggi.

Gambar 7.40 gelombang buck-boost converter dalam continuous-mode

Dapat disimpulkan bahwa iL menuju nol tepat pada akhir interval gelombang tegangan. Sehingga ;

Dari persamaan dalam subbab sebelumnya ;

Dari pers. [7.42] dan [7.45], didapat arus induktor rata-rata dan arus keluaran terhadap Vo

Pada gambar diatas menunjukkan bahwa Ilb dan Iob akan maksimal ktika D = 0.

Sehingga dapat diturunkan persamaan ;

Sehingga jika subtitusikan ke persamaan sebelumnya menjadi ;

7.5.3 Discontinuous-Conduction Mode

Dari gambar 7.21 dapat kita integralkan tegangan inductor lebih dari satu perioda waktu hingga nol. Maka didapatkan :

Dan

Dari gambar 7.21,

Gambar 7.21 gelombang buck-boost converter dalam discontinuous-mode

Gambar diatas menunjukkan D sebagai fungsi utuk berbagai nilai Vd/Vo. Batas antara Continuos dan Discontinuous conduction mode ditunjukkan kurva putus-putus.

Pada gambar diatas juga menunjukkan nilai Vo bernilai konstan maka nilai D akan didapatkan sebagai fungsi Arus keluaran beban untuk berbagai nilai Vd/Vo. Dengan persamaan sebelumnya didapatkan

Dibandingkan dengan keluaran yang diperoleh dari continuous mode, persamaan ini terlihat lebih rumit. Pada mode ini tegangan keluaran tak hanya dipengaruhi oleh duty cycle tapi juga inductor, tegangan masukan dan Arus keluaran.

7.5.4 Pengaruh Elemen parasit

Analisa diatas, nilai disipasi elemen (resistor) diabaikan. Itu bererti bahawa tidak ada rugi-rugi yang terjadi dari tegangan masukan hingga ke beban. Namun hambatan parasit selalu ada pada rangkaian (contohnya dari sifat resistan bahan pembentuk)

Karena sebenarnya inductor bukanlah komponen ideal maka persamaan sebelumnya

Menjadi ,

Jika hambatan inductor sama dengan 0, diatas menjadi sama dengan persamaan yang ideal. Dengan bertambahnya RL , Tegangan yang didapatkan bernilai lebih kecil dibandingkan dengan komponen ideal.

7.5.5 Ripple dari tegangan Keluaran

Ripple dari tegangan keluar bisa diperhitungkan dari gelombang yang ditunjukkan oleh Gambar 7.24 untuk continouous mode. Jika kita berasumsi keseluruhan ripple dari arus

dari iD mengalir melewati kapasitor dan itu merupakan rata- rata nilai yang mengalir melewati resistor beban.

Maka ripple dari tegangan puncak ke puncak dapat dihitung ;

7.6 Cuk dc-dc Converter

Rangkaian ini dinamakan sesuai dengan penemunya, Slobodan Ćuk , converter jenis ini memanfaatkan prinsip dualitas dari sirkuit buck-boost converter walaupun buck-boost converter menghasilkan keluaran yang selalu invers. Disini kapasitor C1 berfungsi sebagai penyimpan dan memindahkan energy dari masukan ke keluaran.

Saat keadaan stabil, tegangan inductor rata-rata Vl1 dan Vl2 adalah nol. Sesuai dengan gambar 7.25, didapat;

Ketika saklar on, arus dari masukan menuju L1 dan Saklar T (saklar disini bisa berupa Transistor), energy tersimpan dalam bentuk medan magnetic didalam L1.

Ketika Saklar T off, tegangan yang melewati L1 membalik untuk mempertahankan aliran arus.

Sebuah converter Cuk tipe non-isolated terdiri dari 2 induktor, 2 kapasitor, saklar (biasanya transistor) dan diode. Skematik rangkaian dapat dilihat pada gambar.

Kapasitor C digunakan untuk mengantarkan energy dan dihubungkan ke masukan dan ke keluaran converter melalui transistor dan dioda.

Dua inductor L1 dan l2 digunakan untuk mengkonversi masukan dari sumber (Vd) dan dari keluaran (Vo) kedalam sumber arus. Tepatnya dalam waktu yang cukup singkat, sebuah inductor berperan sebagai sumber arus untuk mempertahankan aliran arus. Konversi ini dibutuhkan karena jika kapasitor dihubungkan langsung pada sumber tegangan , arus akan terbatas hambatan (parasit), sehingga banyak energy yang hilang (rugi-rugi). Pengisian kapasitor dengan sumber arus (inductor) mencegah timbulnya arus yang terbatas dan rugi-rugi energy.

Sama halnya dengan converter lainnya (buck,boost dan buck-boost), converter ini juga dapat beroperasi dalam continuous dan discontinuous current mode. Dan kelebihannya converter ini juga dapat beroperasi pada discontinuous voltage mode (ketika tegangan pada kapasitor menjadi 0 selama siklus komutasi).

Arus inductor il1 dan il2 diasumsikan bersifat kontinu. Tegangan dan arus pada keadaan stabil dapat didapatkan dengan dua cara.

Jika kita mengasumsikan tegangan kapasitor Vcl adalah konstan, maka persamaan integral dari tegangan melewati L1 dan L2 lebih dari satu perioda waktu menuju nol didapatkan

Dari dua persamaan sebelumnya didapatkan ;

Ada cara lain untuk mendapatkan persamaan ini. Kita asumsikan bahwa arus inductor iL1 dan iL2 bebas ripple (i.e., iL1 = IL1 dan iL2 = IL2). Ketika saklar off, muatan yang dialirkan menuju C1 sama dengan IL1(1-D)Ts. Ketika saklar on, kapasitor mengalami pengosongan muatan oleh jumlah IL2DTs. Sejak berada dalam keadaan stabil the net change muatan diassosiasikan dengan C1 lebih dari saatu perioda waktu bernilai nol,

Kedua metoda analisa menghasilkan hasil yang sama. Masukan dan keluaran rata-rata sama dengan buck-boost converter.

Dalam sirkuit yang sebenarnya, asumsi nilai Vcl yang hamper konstan adalah benar. Salahsatu keuntungan dari rangkaian ini adalah baik arus masukan dan arus yang menyuplai bagian keluaran haruslah bebas ripple (tidak seperti buck-boost converter dimana arus ini sangat tidak kontinu) Sangat mungkin untuk menghilangkan ripple seca bersamaan pada iL1 dan iL2, leadingto lower external filtering requirement. Kelemahan paling signifikannya adalah syarat kapasitor yang membutuhkan ripple arus yang besar.