ELEKTRONIKA DAYA

PERANCANGAN CK CONVERTER

Disusun Oleh :

Lalu Arya Repatmaja 2213105054

BIDANG STUDI TEKNIK SISTEM TENAGA

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

2014

PERANCANGAN CK CONVERTER

Ck converter adalah converter dc dc yang dapat menghasilkan tegangan keluaran

yang lebih kecil atau lebih besar dibandingkan tegangan masukan, tetapi polaritas tegangan

keluaran berlawanan dengan polaritas tegangan masukan. Ck converter ini didasarkan pada

pemindahan energi pada kapasitor. Akibatnya, arus masukan menjadi kontinyu. Pada tugas

ini dilakukan perancangan tentang ck converter dengan menentukan nilai-nilai dari

komponen-komponen penyusun ck converter tersebut menggunakan perhitungan matematis

dan simulasi. Simulasi pada perancangan ini menggunakan software PSIM.

Spesifikasi Ck Converter yang diinginkan :

Daya maksimal : 10 watt I : 8.4 % x IL

Vin : 12 volt Vo : 4.1 %

Vout : 5 32 volt VC1 : 4.1 %

Switch Frequency : 10 KHz

A. Perhitungan secara matematis menggunakan rumus

Untuk mencari R sesuai spesifikasi yang diinginkan maka harus dicari nilai arusnya

terlebih dahulu.

Nilai Arus

Rumus : I=P

V

Daya (maks) Vout Arus

10 Watt

5 volt 2 A

10 volt 1 A

15 volt 0.67 A

20 volt 0.5 A

25 volt 0.4 A

32 volt 0.3125 A

Nilai R

Rumus : R=V

I

Vout Arus R

5 volt 2 A 2.5 ohm

10 volt 1 A 10 ohm

15 volt 0.67 A 22.39 ohm

20 volt 0.5 A 40 ohm

25 volt 0.4 A 62.5 ohm

32 volt 0.3125 A 102.4 ohm

Untuk memastikan harga tahanan ( R ) menghasilkan daya maksimal 10 watt maka

dilakukan perhitungan dengan memasukkan nilai R yang telah didapat.

R = 2.5 ohm

R Vout Arus Daya

2.5 ohm

5 volt 2 A 10 W

10 volt 4 A 40 W

15 volt 6 A 90 W

20 volt 8 A 160 W

25 volt 10 A 250 W

32 volt 12.8 A 409.6 W

R = 10 ohm

R Vout Arus Daya

10 ohm

5 volt 0.5 A 2.5 W

10 volt 1 A 10 W

15 volt 1.5 A 22.5 W

20 volt 2 A 40 W

25 volt 2.5 A 62.5 W

32 volt 3.2 A 102.4 W

R = 22.39 ohm

R Vout Arus Daya

22.39 ohm

5 volt 0.22 A 1.1 W

10 volt 0.45 A 4.5 W

15 volt 0.67 A 10.05 W

20 volt 0.89 A 17.8 W

25 volt 1.12 A 28 W

32 volt 1.43 A 45.76 W

R = 40

R Vout Arus Daya

40 ohm

5 volt 0.125 A 0.625 W

10 volt 0.25 A 2.5 W

15 volt 0.375 A 5.625 W

20 volt 0.5 A 10 W

25 volt 0.625 A 15.625 W

32 volt 0.8 A 25.6 W

Untuk R = 62.5

R Vout Arus Daya

62.5 ohm

5 volt 0.08 A 0.4 W

10 volt 0.16 A 1.6 W

15 volt 0.24 A 3.6 W

20 volt 0.32 A 6.4 W

25 volt 0.4 A 10 W

32 volt 0.512 A 16.38 W

Untuk R = 102.4 ohm

R Vout Arus Daya

102.4 ohm

5 volt 0.049 A 0.245 W

10 volt 0.098 A 0.98 W

15 volt 0.146 A 2.19 W

20 volt 0.195 A 3.9 W

25 volt 0.244 A 6.1 W

32 volt 0.3125 A 10 W

Resistor 2.5 ohm, 10 ohm, 22.39 ohm, 40 ohm, dan 62.5 ohm ini melebihi daya

maksimal yang telah ditentukan yaitu 10 W, oleh karena itu resistor tidak dapat

digunakan. Resistor 102.4 ohm dapat digunakan dikarenakan masih dalam daya 10 W.

Duty Cycle (D)

Duty cycle adalah perbandingan lama waktu suatu signal/ pulsa berada dalam

kondisi High dengan lama waktu periodenya (kondisi saat High + Low). Duty cycle yang

digunakan ada 2 yaitu pada saat Vout minimum (5 V) dan pada saat Vout maksimum (32

V). Vin sesuai spesifikasi yang diinginkan yaitu 12 V.

Rumus : Vout

Vin=

D

1D

Nilai D minimum : Nilai D maksimum :

5

12=

D

1D

12D = 5 5D

Dmin = 0.29

Jadi range untuk duty cycle adalah D = 0.29 0.73

Nilai L

Untuk mencari nilai L harus dicari I beban yang melewati hambatan. Nilai induktor

yang akan didapatkan ada 2 kemungkinan yaitu pada saat duty cycle minimum dan duty

cycle pada saat maksimum. Untuk mencari nilai L maka dicari terlebih dahulu nilai VC1

dengan menggunakan kedua duty cycle tersebut.

VC1 =1

1D x Vin

32

12=

D

1D

12D = 32 32D

Dmaks = 0.73

Untuk D minimum : Untuk D maksimum :

Mencari nilai L1 dan L2 minimum :

Ts = 1

fs

= 1

10x1000=1x10-4

Untuk D = 0.29; Vout = 5 V : Untuk D = 0.73; Vout = 32 V :

Nilai L1 minimum

Untuk D min = 0.29 ; VC1 = 16.9 V Untuk D maks = 0.73 ; VC1 = 44.4 V

VC1 =1

10.73 x 12

= 44.4 volt

Iload = Vout

R

= 32

102.4

= 0.3125 A

IL2 rata-rata 1 = iout

IL2 rata-rata 1 = 0.3125 A

Arus yang melewati L2

IL2 ratarata1

IL1 ratarata2=

1D

D

0.3125

IL1 ratarata2 =

10.73

0.73

0.2281 = IL1 rata-rata2 0.73 IL1 rata-rata2

0.2281 = 0.27 IL1 rata-rata2

IL1 rata-rata2 = 84.48 mA

I = 8.4

100 x 0.8448 = 0.071 A

IL1 =VC1Vin

L1 (1 D) x Ts

84.48 x 10-3 =44.412

L1 (1 0.73) x 1x10-4

L1 x 84.48 x 10-3 = 8.748x10-4

L1 min = 10.35 mH

Iload = Vout

R

= 5

102.4

= 0.049 A

IL2 rata-rata 1 = iout

IL2 rata-rata 1 = 0.049 A

Arus yang melewati L2

IL2 ratarata1

IL1 ratarata2=

1D

D

0.049

IL1 ratarata2 =

10.29

0.29

14.21 x 10-3 = IL1 rata-rata2 0.29 IL1 rata-rata2

14.21 x 10-3 = 0.71 IL1 rata-rata2

IL1 rata-rata2 = 20.01 mA

I = 8.4

100 x 0.2001 = 0.017 A

VC1 =1

10.29 x 12

= 16.9 volt

IL1 =VC1Vin

L1 (1 D) x Ts

20.01 x 10-3 =16.912

L1 (1 0.29) x 1x10-4

L1 x 20.01 x 10-3 = 3.479x10-4

L1 min = 17.38 mH

Untuk memilih konduktor agar dihasilkan gelombang yang kontinyu dan dapat

digunakan pada kedua duty cycle yang berbeda maka induktor diatas disimulasikan

menggunakan software PSIM.

Menggunakan nilai L1 min = 17.38 mH

Hasil Gelombang Kontinyu

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1

Time (s)

0

-0.2

-0.4

0.2

0.4

0.6

0.8

IL1

Menggunakan nilai L1 min = 10.35 mH

Hasil Gelombang Diskontinyu

Hasil simulasi pada PSIM didapatkan bahwa L1 min yang sesuai adalah 17.38 mH.

Mencari nilai L2 minimum

Untuk D min = 0.29 ; Vout = 5 V Untuk D maks = 0.73 ; Vout = 32 V

IL2 =Vout

L2 (1 D) x Ts

0.3125 =32

L2 (1 0.73) x 1x10-4

L2 x 0.3125 = 3.96x10-4

L2 min = 2.76 mH

IL2 =Vout

L2 (1 D) x Ts

0.049 =5

L2 (1 0.29) x 1x10-4

L2 x 0.049 = 3.55x10-4

L2 min = 7.24 mH

Untuk memilih konduktor agar dihasilkan gelombang yang kontinyu dan dapat

digunakan pada kedua duty cycle yang berbeda maka induktor hasil perhitungan diatas di

simulasikan lagi seperti pada L1 min.

Menggunakan nilai L2 min = 7.24x10-3

Hasil Gelombang Kontinyu

Menggunakan nilai L2 min = 2.76x10-3

Hasil Gelombang Diskontinyu

Hasil simulasi pada PSIM didapatkan bahwa L2 min yang sesuai adalah 7.24 mH.

Nilai C

Untuk D = 0.73

Vo

Vo=

D

RCfs

0.041 = 0.73

102.4xCx10000

41984 C = 0.73

C2 = 17.38 F

Untuk D = 0.29

Vo

Vo=

D

RCfs

0.041 = 0.29

102.4xCx10000

41984 C = 0.29

C2 = 6.91 F

Dengan menggunakan 2 duty cycle yang berbeda, maka didapatkan 2 nilai

kapasitor. Untuk mendapatkan nilai C yang bila disimulasikan akan menghasilkan

gelombang yang kontinyu, maka C tersebut dicoba dengan duty cycle yang berbeda.

Untuk D = 0.29; C2 = 17.38F

Vo

Vo=

D

RCfs

0.041 = 0.29

102.4x17.38x10000

= 1.63x10-2

= 1.63%

Untuk D = 0.73; C2 = 6.91F

Vo

Vo=

D

RCfs

0.041 = 0.73

102.4x6.91x10000

= 0.1031

= 10.31%

Mencari nilai C1 digunakan data minimum.

Dengan menggunakan 2 duty cycle, maka didapatkan dua buah nilai Kapasitor.

Untuk mendapatkan C yang bila disimulasikan akan menghasilkan gelombang yang

kontinyu maka C tersebut dicoba dengan duty cycle yang berbeda. Dapat dilihat dengan

cara berikut.

Kapasitor ini memenuhi ripple yang telah

ditentukan (4.1%), saat C ini menggunakan duty

cycle minimum menghasilkan ripple 1.63% dan

saat menggunakan duty cycle maksimum

menghasilkan ripple 4.1%.

Kapasitor ini tidak memenuhi ripple yang telah

ditentukan (4.1%), saat C ini menggunakan duty

cycle minimum menghasilkan ripple 4.1% dan

saat menggunakan duty cycle maksimum

menghasilkan ripple 10.31%. Tidak dapat

digunakan karena melebihi ripple peak to peak

nya (4.1%).

Untuk D = 0.73; VC1 = 4.1%

VC1

VC1=

1

C x IL1 (1-D)Ts

0.041 = 1

C x 20.01m (1-0.73) 1x10-4

0.041C = 5.4027x10-7

C1 = 13.18F

Untuk D = 0.29; VC1 = 4.1%

VC1

VC1=

1

C x IL1 (1-D)Ts

0.041 = 1

C x 20.01m (1-0.29) 1x10-4

0.041C = 1.42x10-7

C1 = 34.65F

Untuk C1 = 13.18F; D = 0.29

VC1

VC1=

1

C x IL1 (1-D)Ts

= 1

13.18 x 20.01m (1-0.29) 1x10-4

= 0.1078

= 10.78%

Untuk C1 = 34.65F; D = 0.73

VC1

VC1=

1

C x IL1 (1-D)Ts

= 1

34.65 x 20.01m (1-0.73) 1x10-4

= 0.0156

= 1.56%

Dari data nilai masing-masing komponen yang telah didapatkan diatas maka

rangkaian ck converter dapat digambarkan sebagai berikut :

Gambar rangkaian ck converter hasil perancangan

Kapasitor ini tidak memenuhi ripple

yang telah ditentukan (4.1%). Saat C ini

menggunakan duty cycle maksimum

menghasilkan ripple 4.1% dan saat

menggunakan duty cycle minimum

menghasilkan ripple 10.78%. Tidak

dapat digunakan karena melebihi ripple

peak to peak yaitu 4.1%.

Kapasitor ini memenuhi ripple yang

telah ditentukan (4.1%). Saat C ini

menggunakan duty cycle minimum

menghasilkan ripple 4.1% dan saat

menggunakan duty cycle maksimum

menghasilkan ripple 1.56%.

B. Hasil Simulasi pada PSIM

Bentuk gelombang output

Duty Cycle 0.73

Duty Cycle 0.29

Perbandingan gelombang IL1 dan IL2

C. Perbandingan antara Perhitungan dan Rumus

Parameter Hasil Perhitungan Hasil Simulasi

Vout untuk D=0.73 32 volt -31.6783 volt

Vout untuk D=0.29 5 volt -5.25631 volt

IL1 0.8448 A 0.899801 A

IL2 0.3125 A 0.315082 A

Cara Kerja Ck converter :

Cara kerja terdapat 2 mode :

Mode 1 (t=0), dimulai ketika MOSFET (Q1) off. Kapasitor C1 charging dari input

supply dan arus yang tersimpan di induktor L2 ditransfer menuju beban. Dioda dan

MOSFET saling bergantian kondisi saat MOSFET on Dioda Reverse begitu sebaliknya.

Kapasitor C1 adalah media untuk mentransfer energi dari sumber ke beban.

Aplikasi Ck converter pada Battery Control Unit di Instalasi Tenaga Surya