MENINGKATKAN EFISIENSI KONVERTER DC-DC PENAIK TEGANGAN DENGAN TEKNIK ZERO VOLTAGE SWITCHING (ZVS) UNTUK KOREKSI FAKTOR DAYA BEBAN NONLINIER

MENINGKATKAN EFISIENSI KONVERTER DC-DC PENAIK
TEGANGAN DENGAN TEKNIK ZERO VOLTAGE SWITCHING (ZVS)
UNTUK KOREKSI FAKTOR DAYA BEBAN NONLINIER
Oleh : Anung dan Rahmad Hidayat

Abstrak
Efisiensi dari dc-dc konverter idealnya 100%, tapi kenyataanya kurang dari itu. Dengan
rendahnya efisiensi dari konverter maka daya listrik yang dapat dimanfaatkan oleh beban akan
berkurang. Untuk waktu yang lama, energi listrik yang hilang pada saklar semikonduktor tidak
dapat diabaikan, apalagi dalam cakupan wilayah yang luas, misalnya untuk seluruh Indonesia.
Untuk menghasilkan konverter dc-dc dengan kerapatan daya yang tinggi, maka frekuensi
pensaklaran dinaikan. Naiknya frekuensi pensaklaran maka keperluan akan komponen reaktif
menjadi kecil, akan tetapi akibatnya daya yang hilang pada saklar semikonduktor menjadi tinggi,
terutama sewaktu turn-on dan turn-off.
Metode yang digunakan untuk mengatasi permasalahan diatas pada penelitian ini adalah metode
Zero Voltage Switching (ZVS). Metode ZVS ini menerapkan pensaklaran tegangan nol sewaktu
turn-on, dengan bantuan komponen induktor resonansi Lr dan kapasitor resonansi Cr. Untuk
memvalidasi metode yang diusulkan maka dilakukan simulasi dan pengujian subyek
penelitian di Laboratoium Elektronika Daya STT Mandala Bandung. Kegiatan penelitian, mulai
dari studi pustaka sampai pelaporan hasil penelitian dilakukan selama delapan bulan.
Dari data hasil pengujian dan analisa menunjukan bahwa terjadi peningkatan rata-rata

efisiensi konverter dc-dc penaik tegangan yang digunakan sebagai koreksi faktor daya beban
nonlinier dengan penerapan metode Zero Voltage Switching (ZVS) sebesar 4%.
Kata kunci: converter dc-dc, zero voltage switching (ZVS), efisiensi
Kenyataannya secara praktis, efisiensi
1. Pendahuluan
Efisiensi dari dc-dc konverter idealnya
dari konverter lebih kecil dari 100%, dan
100% sehingga daya keluaran dan daya
disamping itu beban yang dipikul oleh
masukan sama, atau dengan kata lain
konverter menghasilkan faktor daya (cos)
tidak terjadi daya yang hilang pada
lebih kecil dari satu pada sisi tegangan arus
konverter. Dc-dc konverter merupakan
bolak-balik (tegangan ac).
peralatan yang dapat mengkonversikan
Untuk menghasilkan konverter dc ke
energi listrik dari tegangan searah tertentu
dc dengan kerapatan daya yang tinggi,
ke tegangan searah yang diinginkan atau

maka frekuensi pensaklaran dinaikan.
teregulasi.
Dc-dc
konverter
dapat
Naiknya
frekuensi pensaklaran maka
dikelompokan menjadi tiga jenis berdasarkan
keperluan akan komponen reaktif menjadi
tegangan keluaran yang dihasilkan yaitu:
kecil, akan tetapi akibatnya daya
yang
penaik tegangan, penurun tegangan dan
hilang pada saklar semikonduktor menjadi
penaik/penurun tegangan. Beban yang
tinggi, terutama sewaktu turn-on dan turndipikul oleh konverter umumnya beban
off, sehingga efisiensi konverter menjadi
elektronik.
Idealnya
setiap

beban
turun.
mempunyai faktor daya sama dengan satu.
Dengan rendahnya efisiensi dari
ISU TEKNOLOGI STT MANDALA VOL.7 NO.1 2014

1

konverter maka daya listrik yang dapat
dimanfaatkan oleh beban akan berkurang.
Untuk waktu yang lama, energi listrik yang
hilang pada saklar semikonduktor
tidak
dapat diabaikan, apalagi dalam cakupan
wilayah yang luas, misalnya untuk seluruh
Indonesia.
Untuk mengatasi masalah diatas maka
perlu
diadakan
penelitian

secara
eksperimental, tentang penggunaan metode
zero voltage switching (ZVS) pada saklar
semikonduktor
dalam
meningkatkan
efisiensi konverter as-as yang digunakan
sebagai koreksi faktor daya.
2. Landasan Teori
2.1. Rugi-rugi Energi Pada
Saklar Semikonduktor
Rugi-rugi energy pada saklar semikonduktor
terdiri dari rugi-rugi dalam keadaan statis
yaitu dalam keadaan konduksi dan tidak
konduksi dengan rugi-rugi pada waktu
komutasi
atau
transisi dari keadaan
konduksi ke keadaan tidak konduksi dan
sebaliknya.

Rugi-rugi
tersebut
dapat
diekspresikan dalam bentuk persamaan
sebagai berikut :

pensaklaran sehingga pada frekuensi tinggi
rugi pensaklaran didominasi oleh rugi
transisi.
2.2. Rakaian Snubber
Usaha untuk mereduksi rugi-rugi
pensaklaran, agar konverter dapat beroperasi
pada frekuensi tinggi yaitu dengan
menggunakan rangkaian snubber. Terdapat
dua jenis rangkaian snubber yaitu rangkaian
turn-on snubber dan turn-off snubber.
Rangkaian
turn-on
snubber
adalah

rangkaian yang terdiri dari induktor yang
dipasang seri dengan komponen saklar
semikonduktor yang
difungsikan untuk
membuat nol tegangan pada saklar sewaktu
turn-on dan setelah itu energi yang
tersimpan di induktor dilepaskan ke resistor
melalui dioda snubber. Rangkaian turn-off
snubber adalah rangkaian yang terdiri
dari kapasitor yang dipasang paralel dengan
saklar semikonduktor, dimana sewaktu turnoff kenaikan tegangan pada saklar
semikonduktor dibatasi oleh kenaikan
tegangan pada kapasitor dan setelah itu
energi yang tersimpan di kapasitor
dilepaskan melalui dioda snubber ke
resistor.

Rugi
daya
rata-rata

pada
saklar
semikonduktor dapat ditulis dalam bentuk
persamaan sebagai berikut :
(4)
Jumlah rugi daya yang hilang selama
konduksi dan tidak konduksi dengan rugi
daya selama transisi adalah :

ISU TEKNOLOGI STT MANDALA VOL.7 NO.1 2014

2

Dari persamaan (5) terlihat bahwa rugi daya
transisi proporsional dengan frekuensi

ISU TEKNOLOGI STT MANDALA VOL.7 NO.1 2014

3


Gambar 1.
(a) rangkaian turn-on
nubber, (b) bentuk
gelombang tegangan dan arus untuk Ls yang
kecil, (c) untuk Ls yang besar

dihubungkan dengan suatu rangkaian
resonansi LC, dimana kondisi resonansi ini
akan
dimanfaatkan
oleh
saklar
semikonduktor saat turn-on maupun turnoff sehingga tidak ada penyilangan antara
tegangan dan arus. Pada gambar di bawah
ditunjukan dua jenis saklar resonansi Zero
Voltage Swithing (ZVS). Komponen LC
tidak menyerap daya aktif sehingga tidak
menyebabkan terjadinya disipasi daya.
komponen LC tersebut hanya berfungsi
sebagai penyimpan energi sementara.


Gambar 3. dua jenis saklar resonansi Zero
Voltage (ZV)

2.4. Konverter Dc-Dc Penaik Tegangan
Untuk Koreksi Faktor Daya Beban
Non Linier Tanpa ZVS

Gambar 2.
(a) Rangkaian turn-off snubber, (b) bentuk
gelombang arus dan tegangan selama turn-off

Dengan memperhatikan uraian diatas jelas
bahwa rugi transisi dapat dikurangi akan
tetapi tidak dapat meningkatkan efisiensi
konverter secara keseluruhan, karena daya
yang diserap oleh saklar semikonduktor
dialihkan ke resistor.
2.3. Konsep Dasar Saklar Resonansi
Konsep

dasar
saklar
resonansi
merupakan saklar semikonduktor yang
ISU TEKNOLOGI STT MANDALA VOL.7 NO.1 2014

Perbaikan faktor daya untuk beban
elektronik (beban non linear) dengan
menggunakan
boost
konverter
atau
konverter dc-dc penaik tegangan, dimana
rangkaian dasar yang digunakan ditunjukan
pada gambar 4. Pada gambar tersebut
terlihat bahwa kapasitor filter masukan
ditiadakan sehingga tegangan keluaran dari
penyearah jembatan berbentuk gelombang
penuh dan sefasa dengan arus masukan,
seperti ditunjukkan pada gambar 5.

Penggunaan regulator penaik tegangan
(boost konverter) setelah penyerah jembatan,
memaksa arus masukan berbentuk sinusoidal
sefasa dengan tegangan masukan dan
menghasilkan pengaturan tegangan dc yang
dapat diatur, nilai pengaturannya dapat lebih
besar
dibandingkan
dengan
puncak
gelombang sinus tegangan masukan.
4

chip perbaikan faktor daya, yang mana
tegangan Vo dideteksi dan dibandingkan
dengan internal referensi dalam sebuah eror
amplifier tegangan dc dengan lup umpan
balik negatip, menyeting Ton untuk menjaga
Vo tetap konstan pada nilai yang ditetapkan.
Gambar 4. Gambar rangkaian dasar
perbaikan faktor daya

Gambar 6. Gambar perubahan waktu on
pada setengah gelombang
Gambar 5. Gambar gelombang Vin dan Iac
yang sefasa
Tujuan
pertama
dari
rangkaian
perbaikan faktor daya menggunakan boost
konverter untuk merubah tegangan dc yang
berbentuk sinus yang berubah-rubah menjadi
tegangan dc yang konstan. Nilai pengaturan
tegangan dc dapat dilakukan, lebih tinggi
dibandingkan dengan puncak gelombang
sinus, yang pengaturannnya menggunakan
boost konverter yang bekerja dalam mode
kontinyu.
Boost konverter ini bekerja dengan
menghidupkan transistor Q1 untuk waktu Ton
dalam perioda T, saat ini terjadi pengisian
energi dalam induktor L1. Ketika Q1off,
polaritas pada L1 terbalik, dan pada titik
akhir L1 terjadi kenaikkan untuk tegangan
keluaran Vo yang lebih tinggi dibandingkan
dengan tegangan masukan Vin. Energi yang
tersimpan dalam L1 selama waktu on
dipindahkan kedioda D1, ke beban dan Co.
Waktu on sepanjang gelombang penuh
pada setengah perioda, dikontrol dengan
ISU TEKNOLOGI STT MANDALA VOL.7 NO.1 2014

Pada bagian tegangan yang Lr Io rendah
pada gelombang penuh dari Vd gambar 5,
waktu on Q1akan lebih besar C Ro untuk
menaikkan tegangan masukan yang rendah
menjadi nilai tegangan yang lebih tinggi
dibandingkan puncak tegangan
sinus.
Ketika Vin naik kearah puncak tegangan
sinus, kontrol chip perbaikan faktor faktor
daya akan secara otomatis menurunkan
waktu onQ1. Deret atau perubahan waku
on sepanjang setengah gelombang sinus
ditunjukkan pada gambar 6. Tugas kedua
dari
rangkaian perbaikan
faktor daya
adalah untuk mendeteksi arus jala-jala
masukan
dan memaksa arus jala-jala
masukan mempunyai bentuk
gelombang
sinusoidal yang sefasa dengan tegangan
masukan jala-jala. Tugas ini dikerjakan
dengan mengatur lebar dari waktu on.
Waktu on ditentukan di dalam suatu lup
umpan balik negatif yang membandingkan
suatu contoh arus jala-jala aktual dengan
amplitudo dari referensi gelombang arus
sinus yang murni. Perbedaan antara dua
gelombang sinus digunakan untuk mengatur

5

waktu on untuk memaksa dua gelombang
sinus
menjadi
sama
amplitudonya.

ISU TEKNOLOGI STT MANDALA VOL.7 NO.1 2014

6

3.

Konverter Dc-Dc Penaik Tegangan
Untuk Koreksi Faktor Daya Beban
on Linier dengan ZVS
Untuk
satu
periode pensaklaran
tegangan hasil penyearahan diasumsikan
tetap, maka gambar 4 dapat disederhanakan
menjadi gambar 7 dengan tambahan
komponen Cr dan Lr , komponen tersebut
difungsikan untuk membentuk Zero Voltage
Switching (ZVS).

(a) interval 1 (to