Posted in Artikel

Problematika Sistem Elektronika Daya

Elektronika daya merupakan bentuk aplikasi rangkaian elektronik untuk mengontrol suatu konverter daya dengan tujuan menghasilkan suatu tegangan AC ataupun DC yang dapat diatur untuk beban yang berbeda-beda.

Pada dasarnya, suatu sistem elektronika daya tersusun dari rangkaian daya dan rangkaian elektronik. Rangkaian daya berfungsi untuk mengubah daya masukan baik itu AC maupun DC yang belum terregulasi menjadi tegangan atau arus DC/AC yang sudah terregulasi dan mengirimkannya ke beban. Sedangkan rangkaian elektronik bertugas mengatur konverter tersebut dengan cara mengendalikan tegangan ataupun arus masukan serta keluaran dan menghasilkan suatu sinyal tertentu yang kemudian akan diproses oleh rangkaian daya.

Target utama dari suatu sistem elektronika daya adalah mengirimkan daya dengan efisiensi semaksimum mungkin dan juga biaya yang serendah mungkin. Yang menjadi pokok masalah dalam perencangan suatu sistem elektronika daya adalah losses, gangguan gelombang elektromagnetik, dan harmonik.

Pada era modern ini, sistem elektronika daya menggunakan basis Pulse Width Modulation (PWM). Sinyal PWM dihasilkan dan ditransfer ke bagian power switch untuk menghasilkan gelombang yang sama untuk nilai tegangan atau arus yang berbeda. Yang mana power switch akan memotong tegangan atau arus saat power switch turn on dan turn off. Idealnya drop tegangan dan arus leakage yang muncul saat terjadi switch sama dengan nol atau bisa dikatakan tanpa rise time atau pun fall time.
capture

Namun dalam prakteknya, tidak ada power switch yang ideal sehingga saat switching akan ada keadaan transien yang mengakibatkan losses yang cukup besar terkait perubahan tegangan tiap satuan waktu (dv/dt) dan perubahan arus tiap satuan waktu (di/dt). Losses ini disebut sebagai switching loss, dimana besar losses-nya tergantung besar tegangan, arus yang mengalir, dan switching time dari switch tersebut.

Saat switch off, arus bocor yang mengalir pada switch tersebut terbilang sangat kecil sehingga kita bisa mengabaikan rugi-rugi energi yang muncul. Namun saat switch on, besar rugi-rugi energi bergantung pada arus yang melewati switch tersebut dan forward voltage switch tersebut, losses yang muncul pada kondisi ini disebut sebagai conduction loss. Berikut ini adalah rumusan untuk rugi-rugi daya akibat switching:
capture

Dimana fsw merupakan frekuensi switching, t1 dan t2 merupakan waktu saat sinyal pemicu switch on dan switch off diterapkan, tsw on dan tsw off merupakan switching times keadaan turn on dan turn off.

Semakin besar losses yang terjadi maka efisiensi dari suatu sistem elektronika daya akan semakin menurun. Selain itu, sebagian besar losses tersebut berwujud energi panas yang akan meningkatkan suhu suatu sistem elektronika daya hingga pada suatu titik ketika suhunya sudah terlalu tinggi, akan berakibat pada kerusakan piranti sistem elektronika daya. Untuk mengatasi kenaikan suhu ini biasanya rangkaian akan dilengkapi dengan heat sink. Akan tetapi hal ini akan berakibat pada membengkaknya biaya, sehingga masalah efisiensi tetap tidak terselesaikan.

Sebagai solusi lain, losses yang mana sebagian besar disebabkan oleh switching loss ini bergantung pada switching time dan frekuensi switching. Sehingga switching loss dapat dikurangi dengan mengurangi switching time, namun hal ini berakibat pada semakin cepatnya proses switching yang akan mempengaruhi dv/dt dan di/dt yang kemudian akan berimbas pada EMI noise. Berikut adalah ilustrasi dari dua nilai switching time yang berbeda:
capture

Sedangkan pengurangan frekuensi switching dapat menurunkan losses yang ditimbulkan namun akan menimbulkan ripple arus dan tegangan. Sehingga untuk meningkatkan kualitas gelombangnya diperlukan suatu filter yang lebih baik dan hal ini kembali akan meningkatkan biaya yang dibutuhkan untuk pembuatan suatu sistem elektronika daya.

Permasalahan kedua dalam perancangan suatu sistem elektronika daya adalah munculnya interferensi gelombang elektromagnetik atau EMI yang muncul terkait nilai dv/dt dan di/dt selama switching time. Nilai di/dt yang besar akan mengakibatkan terjadinya over voltage pada sistem elektronika daya, sedangkan nilai dv/dt yang terlampau tinggi akan memunculkan arus bocor yang besar pada elemen magnetik dan motor listrik.

Hal ini dapat diatasi dengan memperkecil nilai dv/dt dan di/dt yang artinya kita harus memperbesar nilai switching time. Akan tetapi peningkatan nilai switching time akan berakibat pada meningkatnya switching loss. Sehingga untuk mengatasi hal ini, perlu dilakukan optimisasi nilai switching time sehingga losses dan EMI noise yang muncul tidak terlampau besar.

Masalah ketiga dalam perancangan suatu sistem elektronika daya adalah harmonik, yang mana harmonik merupakan gejala pembentukan gelombang-gelombang dengan frekuensi berbeda yang merupakan perkalian bilangan bulat dengan frekuensi dasarnya. Pada dasarnya output dari suatu rangkaian pengendali sinyal PWM tidak bisa murni terbebas dari harmonik. Keberadaan harmonik akan berakibat pada penurunan kualitas output dari suatu sistem elektronika daya. Harmonik orde rendah dapat diminimalisir dengan meningkatkan frekuensi switching sehingga kualitas keluaran akan meningkat dan ukuran low pass filter yang harus digunakan juga menjadi lebih sederhana. Akan tetapi, dengan meningkatnya frekuensi switching akan berakibat pada meningkatnya switching loss.

Berdasar pada penjabaran di atas kita dapatkan suatu hubungan antara losses, harmonik, dan EMI noise sebagai berikut:
capture

Sehingga dapat kita simpulkan bahwa tidak mungkin output dari suatu sistem elektronika daya memiliki efisiensi 100% dengan kualitas yang 100%. Akan tetapi kita dapat melakukan optimasi sehingga efisiensi dan kualitas output dari suatu sistem elektronika daya bisa terbilang cukup baik dengan melakukan hal-hal yang telah dijelaskan di atas.

 Referensi:

Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out /  Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out /  Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out /  Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out /  Change )

Connecting to %s