Topologi Konverter DC-DC

Topologi Konverter DC-DC

Pekik Argo Dahono

1. Pendahuluan

Sistem catu-daya yang bekerja dalam mode pensaklaran (switching) mempunyai efisiensi yang jauh lebih tinggi dibanding sistem catu-daya linier. Oleh karenanya, hampir semua catu-daya modern bekerja dalam mode switching atau dikenal sebagai SMPS (Switched Mode Power Supply). Komponen utama dari sistem catu-daya adalah konverter dc-dc yang berfungsi untuk mengkonversikan daya elektrik bentuk dc (searah) ke bentuk dc lainnya.
Secara umum, ada tiga rangkaian (topologi) dasar konverter dc-dc, yaitu buck, boost, dan buck-boost. Rangkaian lain biasanya mempunyai kinerja mirip dengan topologi dasar ini sehingga sering disebut sebagai turunannya. Contoh dari konverter dc-dc yang dianggap sebagai turunan rangkaian buck adalah forward, push-pull, half-bridge, dan full-bridge. Contoh dari turunan rangakain boost adalah konverter yang bekerja sebagai sumber arus. Contoh dari turunan rangkaian buck-boost adalah konverter flyback.
Pada tahun 1980-an, ditemukan dan dipatenkan ratusan rangkaian baru konverter dc-dc. Rangkaian baru ini ditawarkan dengan bermacam kelebihan yang diklaim bisa menggantikan peran rangkaian konvensional. Para insinyur baru sering sekali pusing dan menghabiskan banyak waktu untuk memilih dan mencoba rangkaian baru ini. Akan tetapi setelah banyak menghabiskan waktu dan biaya, sering sekali terbukti bahwa rangkaian baru tersebut sangat susah untuk diproduksi. Sebagai akibatnya, sampai saat ini, hampir semua industri masih menawarkan topologi dasar dalam jajaran produknya. Pengecualian mungkin ditemui pada penerapan yang sangat khusus. Akan tetapi, hampir semua insinyur biasanya mencoba lebih dulu menggunakan rangkaian dasar untuk bermacam keperluan. Kalau diperlukan, kinerja yang khusus dicoba dipenuhi dengan menggunakan beberapa rangkaian dasar yang dihubungkan seri, paralel, atau kaskade.
Kondisi ini tidak berarti bahwa konverter dc-dc tidak mengalami perkembangan selama tiga-puluh tahun terakhir ini. Perkembangan pesat terjadi di bidang integrasi, produksi, saklar semikonduktor, dan teknik untuk mengurangi rugi-rugi penyaklaran. Tulisan ini akan mencoba mengkaji beberapa topologi dasar konverter daya yang banyak dipakai di industri. Dengan memahami kinerja konverter dasar ini, para insinyur yang bekerja di industry konverter daya bisa dengan baik memilih topologi yang sesuai untuk hampir semua keperluan. Pekerjaan selanjutnya tinggal menentukan ukuran tapis dan rangkaian kendalinya.

2. Konverter Buck

Konverter jenis buck merupakan jenis konverter yang banyak digunakan dalam industri catu-daya. Konverter ini akan mengkonversikan tegangan dc masukan menjadi tegangan dc lain yang lebih rendah (konverter penurun tegangan).
Rangkaian ini terdiri atas satu saklar aktif (MOSFET) dan satu saklar pasif (diode). Untuk tegangan kerja yang rendah, saklar pasif sering diganti dengan saklar aktif sehingga susut daya yang terjadi bisa dikurangi. Kedua saklar ini bekerja bergantian. Setiap saat hanya ada satu saklar yang menutup. Nilai rata-rata tegangan keluaran konverter sebanding dengan rasio antara waktu penutupan saklar aktif terhadap periode penyaklarannya (faktor kerja). Nilai faktor kerja bisa diubah dari nol sampai satu. Akibatnya, nilai rata-rata tegangan keluaran selalu lebih rendah dibanding tegangan masukannya.
Beberapa konverter buck bisa disusun paralel untuk menghasilkan arus keluaran yang lebih besar. Jika sinyal ON-OFF masing-masing konverter berbeda sudut satu sama lainnya sebesar 360o/N, yang mana N menyatakan jumlah konverter, maka didapat konverter dc-dc N-fasa. Konverter buck N-fasa inilah yang sekarang banyak digunakan sebagai regulator tegangan mikroprosesor generasi baru. Dengan memperbanyak jumlah fasa, ukuran tapis yang diperlukan bisa menjadi jauh lebih kecil dibanding konverter dc-dc satu-fasa. Selain digunakan sebagai regulator tegangan mikroprosesor, konverter buck multifasa juga banyak dipakai dalam indusri logam yang memerlukan arus dc sangat besar pada tegangan yang rendah.

Perlu dicatat bahwa arus masukan konverter buckc selalu bersifat tak kontinyu dan mengandung riak yang sangat besar. Akibatnya pada sisi masukan, konverter buck memerlukan tapis kapasitor yang cukup besar untuk mencegah terjadinya gangguan interferensi pada rangkaian di sekitarnya. Konverter dc-dc jenis buck biasanya dioperasikan dengan rasio antara teganan masukan terhadap keluarannya tidak lebih dari 10. Jika dioperasikan pada rasio tegangan yang lebih tinggi, saklar akan bekerja terlalu keras sehingga keandalan dan efisiensinya turun. Untuk rasio yang sangat tinggi, lebih baik kalau kita memilih versi yang dilengkapi trafo.

3. Konverter Forward

Jika penerapan mensyaratkan adanya isolasi galvanis antara sisi masukan dan keluaran atau bekerja dengan rasio tegangan yang sangat tinggi maka konverter jenis forward bisa menjadi pilihan. Skema dari konverter dc-dc jenis forward diperlihatkan di Gb. 2(a). Jika saklar MOSFET menutup maka beban akan merasakan tegangan yang besarnya sebanding dengan tegangan masukan dikalikan rasio jumlah lilitan trafonya. Jika saklar MOSFET menutup maka tegangan bebannya sama dengan nol. Akibatnya, nilai rata-rata tegangan beban bisa diatur dengan mengatur faktor-kerja saklar. Rasio tegangan yang tinggi didapat dengan memilih rasio jumlah lilitan trafo yang seusai.
Pada Gb. 2(a), trafo dilengkapi dengan belitan tersier dan dioda. Rangkaian ini berperan saat saklar MOSFET terbuka. Belitan bantu dan dioda ini berfungsi untuk menjamin bahwa fluksi magnetik di inti trafo telah turun kembali menjadi nol sebelum saklar MOSFET kembali ditutup. Tegangan maksimum yang dirasakan saklar aktif adalah tegangan sumber ditambah tegangan primer trafo (tegangan beban dikalikan rasio jumlah lilitan primer terhadap sekunder). Selain itu untuk menjamin bahwa fluksi magnetik selalu kembali menjadi nol selama saklar aktif terbuka, saklar aktif tidak boleh dioperasikan dengan faktor-kerja lebih dari 50%. Pada saat ini, konverter forward seperti di Gb. 2(a) banyak dipakai untuk daya sampai 100 Watt.
Untuk daya yang lebih besar, rangkaian konverter forward dimodifikasi menjadi seperti terlihat di Gb. 2(b). Dengan topologi ini, tegangan maksimum yang dirasakan saklar menjadi berkurang. Topologi ini cocok untuk daya sampai 1000 Watt. Untuk daya kecil, topologi ini tidak cocok karena susut daya di empat saklar yang digunakan menjadi sangat membebani sistem.

4. Konverter Jenis Jembatan

Masalah utama yang dihadapi konverter forward adalah penggunaan trafo yang kurang efisien. Penggunaan trafo kurang efisien karena trafo dimagnetisasi secara tak simetris (gelombang tegangan trafo bukan gelombang bolak-balik). Untuk mengatasi masalah ini, kita bisa menggunakan topologi setengah-jembatan (half-bridge) seperti terlihat di Gb. 3(a). Jika saklar S1 ditutup maka trafo merasakan tegangan positif sedangkan jika saklar S2 ditutup maka trafo merasakan tegangan negatif. Kelemahan utama dari topologi ini adalah tidak cocok untuk dioperasikan dalam mode arus terkendali. Inilah alasan utama mengapa topologi ini tidak banyak digunakan.
Untuk mengatasi masalah pada konverter setengah-jembatan, kita bisa menggunakan topologi jembatan-penuh (full-bridge). Skema konverter ini diperlihatkan di Gb. 3(b). Untuk memahami kinerja konverter jembatan-penuh, kita bisa menganggap sebagai dua konverter setengah-jembatan seperti terlihat di Gb. 4. Masing-masing konverter setengah-jembatan menghasilkan gelombang persegi yang berbeda fasa. Belitan primer trafo akan merasakan selisih tegangan yang dihasilkan oleh dua konverter setengah-jembatan tersebut. Selisih tegangan ini tergantung pada besarnya beda fasa antara dua gelombang tegangan yang dihasilkan.
Dengan mode kerja seperti di Gb. 4, konverter jembatan-penuh bisa dirancang agar bekerja dalam mode pensaklaran lunak (soft switching). Pada mode kerja ini, pembukaan dan penutupan saklar selalu terjadi saat tegangan pada saklar sama dengan nol. Akibatnya, rugi-rugi daya pensaklaran (rugi-rugi daya yang terjadi selama proses penutupan dan pembukaan saklar) bisa ditekan menjadi sangat rendah.
Konverter daya jenis jembatan penuh ini cocok untuk penerapan daya besar sampai 5000 Watt. Walaupun komponen yang digunakannya banyak, manfaat yang didapat bisa mengalahkan kerugiannya.

5. Konverter Push-Pull

Topologi turunan buck lain yang cukup popular adalah push-pull seperti terlihat di Gb. 5. Keuntungan utama dari topologi ini adalah dua saklar yang digunakan bisa dikendalikan dengan dua rangkaian gate yang referensinya sama. Ini akan sangat menyederhanakn rangkaian kendali yang diperlukan sehingga bisa dibuat dalam satu chip.
Topologi push-pull cocok untuk penerapan dengan tegangan masukan yang rendah karena saklar akan merasakan tegangan sebesar dua kali tegangan masukannya. Akibatnya, rangkaian ini cocok untuk konverter daya yang dipasok dengan battery. Topologi ini banyak dipakai untuk daya sampai 500 Watt.

6. Topologi Boost

Topologi boost bisa menghasilkan tegangan keluaran yang lebih tinggi dibanding tegangan masukannya (penaik tegangan). Skema konverter ini diperlihatkan di Gb. 6. Jika saklar MOSFET ditutup maka arus di induktor akan naik (energi tersimpan di induktor naik). Saat saklar dibuka maka arus induktor akan mengalir menuju beban melewati dioda (energi tersimpan di induktor turun). Rasio antara tegangan keluaran terhadap tegangan masukan konverter sebanding dengan rasio antara periode penyaklaran dan waktu pembukaan saklar. Ciri khas utama konverter ini adalah bisa menghasilkan arus masukan yang kontinyu.
Pada saat ini, topologi boost banyak dipakai dalam penyearah yang mempunyai faktor-daya satu seperti terlihat di Gb. 7. Pada rangkaian ini, saklar dikendalikan sedemikian rupa sehingga gelombang arus induktor mempunyai bentuk seperti bentuk gelombang sinusoidal yang disearahkan. Dengan cara ini, arus masukan penyearah akan mempunyai bentuk mendekati sinusoidal dengan faktor-daya sama dengan satu. Pengendali konverter semacam ini sekarang tersedia banyak di pasaran dalam bentuk chip.

7. Topologi Buck-Boost

Skema konverter buck-boost diperlihatkan di Gb. 8. Jika saklar MOSFET ditutup maka arus di induktor akan naik, Saat saklar dibuka maka arus di induktor turun dan mengalir menuju beban. Dengan cara ini, nilai rata-rata tegangan beban sebanding dengan rasio antara waktu pembukaan dan waktu penutupan saklar. Akibatnya, nilai rata-rata tegangan beban bisa lebih tinggi maupun lebih rendah dari tegangan sumbernya.
Masalah utama dari konverter buck-boost adalah menghasilkan riak arus yang tinggi baik di sisi masukan maupun sisi keluarannya. Akibatnya, diperlukan tapis kapasitor yang besar di kedua sisinya. Inilah salah satu alasan mengapa konverter buck-boost jarang dipakai di industri.
Dalam industri, topologi yang sering dipakai adalah turunan buck-boost yang lebih popular disebut konverter flyback. Skema konverter ini diperlihatkan di Gb. 9. Pada konverter ini, energi tersimpan di trafo akan naik saat saklar MOSFET ditutup. Saat saklar dibuka, energi tersimpan di trafo akan dikirim ke beban melalui dioda. Konverter ini sering dipakai untuk menghasilkan banyak level tegangan keluaran dengan menggunakan beberapa belitan sekunder trafo.
Konverter flyback biasa dipakai untuk daya sampai 100 Watt. Keuntungan utama dari konverter flyback adalah menggunakan komponen yang paling sedikit dibanding konverter jenis lainnya. Kelemahan utama dari topologi ini adalah tingginya tegangan yang dirasakan oleh saklar.

8. Kombinasi Konverter

Untuk penerapan yang sangat khusus, kita bisa mengkombinasikan beberapa konverter dasar sehingga didapat kinerja yang diinginkan. Untuk mendapatkan hasil yang diinginkan, kita bisa menganggap konverter sebagai two-port network yang direpresentasikan seperti terlihat di Gb. 10. Jika konverter bisa dianggap sebagai two-port network seperti di Gb. 10 maka empat macam kombinasi seperti terlihat di Gb. 11 bisa didapat. Konverter yang dikombinasikan bisa lebih dari dua. Konverter yang dikombinasikan tidak harus mempunyai topologi yang sama. Dengan kombinasi semacam ini, keuntungan dari beberapa jenis konverter bisa digabung dan membuang kelemahannya.
Tergantung pada topologi dasar yang dipakai untuk membentuk two-port network tidak semua empat macam kombinasi seperti di Gb. 11 bisa didapat. Tidak adanya isolasi galvanis antara sisi masukan dan keluaran pada beberapa topologi menyebabkan tidak semua kombinasi di Gb. 11 bisa diimplementasikan. Kombinasi semacam ini juga berlaku untuk konverter dc-ac, ac-dc, dan ac-ac.

9. Penutup

Secara umum, kebutuhan akan sistem catu daya selalu bisa dipenuhi dengan menggunakan topologi dasar konverter daya, yaitu buck, boost, dan buck-boost serta turunannya. Untuk keperluan khusus, kita bisa mengkombinasikan beberapa konverter daya dalam konfigurasi seri-paralel. Topologi khusus sebaiknya dihindari untuk mempermudah proses fabrikasi.