Prinsip Dasar Boost Converter (Konverter Daya DC ke DC)
Boost Converter (converter step-up) adalah sebuah alat konverter daya dari DC-ke-DC dengan tegangan output yang lebih besar dari pada tegangan input. Ini termasuk switching-mode power supply (SMPS) yang mengandung setidaknya dua komponen semikonduktor (dioda dan transistor) dan setidaknya satu elemen penyimpanan energi, kapasitor, induktor, atau dua dalam kombinasi.
Filter yang terbuat dari kapasitor (biasanya dikombinasikan dengan induktor) terkadang ditambahkan ke output dari konverter untuk mengurangi riak pada output tegangan.
A. Pada saat sakelar ditutup, arus akan mengalir melalui induktor yang searah jarum jam dan induktor akan menyimpan beberapa energi dengan cara menghasilkan medan magnet.
Polaritas sisi kiri induktor positif.
B. Pada saat sakelar dibuka, arus akan menjadi berkurang dan impedansi menjadi lebih tinggi. Medan magnet yang diciptakan sebelumnya akan dihancurkan untuk mempertahankan aliran arus yang menuju ke beban. Dengan begitu polaritas akan terbalik (artinya sisi kiri induktor akan negatif). Akibatnya dua sumber akan di seri dan menyebabkan tegangan yang lebih tinggi untuk mengisi kapasitor melalui dioda D.
Apabila siklus sakelar cukup cepat, induktor tidak akan sepenuhnya discharge antara tahap pengisian dan beban akan melihat tegangan yang lebih besar daripada tegangan input itu sendiri saat sakelar terbuka. Dan saat sakelar terbuka, kapasitor yang disusun secara paralel dengan beban akan dibebankan pada tegangan gabungan ini.
Kemudian saat sakelar tertutup dan sisi kanan short dengan sisi kiri, kapasitor akan memberikan tegangan dan energi ke beban. Pada waktu tersebut, dioda blocking akan mencegah pengosongan kapasitor melalui sakelar, dan sakelar harus secepatnya dibuka untuk mencegah pengosongan kapasitor.
- Pada saat keadaan ON, sakelar S (gambar 2) tertutup, sehingga arus pada induktor akan meningkat
- Pada keadaan Off, sakelar terbuka dan satu-satunya jalan yang bisa dilalui arus menuju induktor adalah melalui flyback dioda D, kapasitor C dan R. Hal ini menyebabkan energi yang terakumulasi selama keadaan ON berpindah ke kapasitor arus pada input sama dengan arus pada induktor seperti yang bisa dilihat pada gambar 3.
- Pada saat Boost converter beroperasi secara kontinu, arus yang melalui induktor (IL) tidak pernah nol. Gambar 4 menunjukkan bentuk gelombang arus dan tegangan dalam konverter yang beroperasi dalam mode ini. Tegangan output bisa dihitung sebagai berikut; dalam kasus converter ideal (yaitu memakai komponen dengan karakter ideal) yang beroperasi dalam kondisi stabil:
- Selama dalam keadaan ON, sakelar S akan tertutup, ini yang menyebabkan tegangan input (vi) terukur di induktor, yang membuat perubahan arus (IL) mengalir melalui induktor selama periode waktu (t) dengan rumus;
RUMUS (1)
Ketika dalam keadaan ON sudah berakhir, meningkatnya IL disebabkan:
RUMUS (2)
D adalah Duty Cycle. Dan ini mewakili sebagian kecil dari periode pergantian T selama sakelar dalam keadaan ON. Oleh sebab itu D berkisar antara 0 (S tidak pernah ON) dan, 1 (S selalu ON). Selama keadaan OFF, sakelar S akan terbuka, sehingga arus induktor akan mengalir melalui beban. Apabila mempertimbangkan tegangan drop pada dioda, dan kapasitor cukup besar untuk tegangan konstan, maka rumus IL menjadi:
RUMUS (3)
Oleh karena itu, perbedaan dari IL selama periode OFF adalah:
RUMUS (4)
Untuk mempertimbangkan bahwa konverter dapat beroperasi dalam kondisi tetap, jumlah energi yang tersimpan dalam masing-masing komponennya harus sama seperti diwaktu awal dan di akhir siklus.
Secara khusus, energi yang tersimpan dalam induktor diberikan oleh:
RUMUS (5)
E= L I2L
Jadi, arus induktor harus sama pada saat di awal dan akhir siklus. Ini artinya dalam perubahan arus secara keseluruhan (jumlah rata-rata) adalah nol.
RUMUS (6)
Δ ILON + Δ ILOFF = 0
Mengganti Δ ILON dan Δ ILOFF dengan rumus berikut:
RUMUS (7)
Δ ILON + Δ ILOFF = ¿
(1-D)T}{L}=0)
Ini bisa ditulis ulang menjadi:
RUMUS (8)
Bersamaan di atas menunjukkan bahwa tegangan output selalu lebih tinggi dari tekanan input (sebagai duty cycle dari 0 ke 1), dan bahwa hal itu akan menambah nilai D, secara teoritis sampai tak terbatas sebagai pendekatan D 1.
Inilah mengapa konverter ini biasanya disebut juga dengan konverter step-up.
RUMUS (9)
Arus induktor pada awal siklus yaitu nol, dan nilai maksimumnya ILmax (ketika ¿ DT) adalah:
RUMUS (10)
Selama periode OFF, IL menjadi nol setelah δT
RUMUS (11)
Arus pada beban Io disini sama seperti rata - rata arus pada dioda ID. Seperti yang terlihat pada gambar 4, Arus pada dioda sama seperti arus yang mengalir ketika dalam keadaan OFF. Oleh sebab itu arus output bisa ditulis sebagai:
RUMUS (14)
Filter yang terbuat dari kapasitor (biasanya dikombinasikan dengan induktor) terkadang ditambahkan ke output dari konverter untuk mengurangi riak pada output tegangan.
Prinsip Kerja Boost Converter
Prinsip kerja utama dari Boost converter ini adalah kecenderungan induktor untuk melawan perubahan arus yaitu dengan menciptakan dan menghancurkan medan magnet. Dalam Boost converter, tegangan output akan selalu lebih tinggi dari tegangan input. Skema tahap meningkatkan daya ditunjukkan pada gambar 1.A. Pada saat sakelar ditutup, arus akan mengalir melalui induktor yang searah jarum jam dan induktor akan menyimpan beberapa energi dengan cara menghasilkan medan magnet.
Polaritas sisi kiri induktor positif.
B. Pada saat sakelar dibuka, arus akan menjadi berkurang dan impedansi menjadi lebih tinggi. Medan magnet yang diciptakan sebelumnya akan dihancurkan untuk mempertahankan aliran arus yang menuju ke beban. Dengan begitu polaritas akan terbalik (artinya sisi kiri induktor akan negatif). Akibatnya dua sumber akan di seri dan menyebabkan tegangan yang lebih tinggi untuk mengisi kapasitor melalui dioda D.
Apabila siklus sakelar cukup cepat, induktor tidak akan sepenuhnya discharge antara tahap pengisian dan beban akan melihat tegangan yang lebih besar daripada tegangan input itu sendiri saat sakelar terbuka. Dan saat sakelar terbuka, kapasitor yang disusun secara paralel dengan beban akan dibebankan pada tegangan gabungan ini.
Kemudian saat sakelar tertutup dan sisi kanan short dengan sisi kiri, kapasitor akan memberikan tegangan dan energi ke beban. Pada waktu tersebut, dioda blocking akan mencegah pengosongan kapasitor melalui sakelar, dan sakelar harus secepatnya dibuka untuk mencegah pengosongan kapasitor.
Prinsip Dasar Boost Converter
Prinsip dasar dari boost converter yaitu terdiri dari 2 keadaan yang berbeda yaitu:- Pada saat keadaan ON, sakelar S (gambar 2) tertutup, sehingga arus pada induktor akan meningkat
- Pada keadaan Off, sakelar terbuka dan satu-satunya jalan yang bisa dilalui arus menuju induktor adalah melalui flyback dioda D, kapasitor C dan R. Hal ini menyebabkan energi yang terakumulasi selama keadaan ON berpindah ke kapasitor arus pada input sama dengan arus pada induktor seperti yang bisa dilihat pada gambar 3.
- Pada saat Boost converter beroperasi secara kontinu, arus yang melalui induktor (IL) tidak pernah nol. Gambar 4 menunjukkan bentuk gelombang arus dan tegangan dalam konverter yang beroperasi dalam mode ini. Tegangan output bisa dihitung sebagai berikut; dalam kasus converter ideal (yaitu memakai komponen dengan karakter ideal) yang beroperasi dalam kondisi stabil:
- Selama dalam keadaan ON, sakelar S akan tertutup, ini yang menyebabkan tegangan input (vi) terukur di induktor, yang membuat perubahan arus (IL) mengalir melalui induktor selama periode waktu (t) dengan rumus;
RUMUS (1)
Ketika dalam keadaan ON sudah berakhir, meningkatnya IL disebabkan:
RUMUS (2)
D adalah Duty Cycle. Dan ini mewakili sebagian kecil dari periode pergantian T selama sakelar dalam keadaan ON. Oleh sebab itu D berkisar antara 0 (S tidak pernah ON) dan, 1 (S selalu ON). Selama keadaan OFF, sakelar S akan terbuka, sehingga arus induktor akan mengalir melalui beban. Apabila mempertimbangkan tegangan drop pada dioda, dan kapasitor cukup besar untuk tegangan konstan, maka rumus IL menjadi:
RUMUS (3)
Oleh karena itu, perbedaan dari IL selama periode OFF adalah:
RUMUS (4)
Untuk mempertimbangkan bahwa konverter dapat beroperasi dalam kondisi tetap, jumlah energi yang tersimpan dalam masing-masing komponennya harus sama seperti diwaktu awal dan di akhir siklus.
Secara khusus, energi yang tersimpan dalam induktor diberikan oleh:
RUMUS (5)
E= L I2L
Jadi, arus induktor harus sama pada saat di awal dan akhir siklus. Ini artinya dalam perubahan arus secara keseluruhan (jumlah rata-rata) adalah nol.
RUMUS (6)
Δ ILON + Δ ILOFF = 0
Mengganti Δ ILON dan Δ ILOFF dengan rumus berikut:
RUMUS (7)
Δ ILON + Δ ILOFF = ¿
Ini bisa ditulis ulang menjadi:
RUMUS (8)
Bersamaan di atas menunjukkan bahwa tegangan output selalu lebih tinggi dari tekanan input (sebagai duty cycle dari 0 ke 1), dan bahwa hal itu akan menambah nilai D, secara teoritis sampai tak terbatas sebagai pendekatan D 1.
Inilah mengapa konverter ini biasanya disebut juga dengan konverter step-up.
RUMUS (9)
3. Mode Discontinous
Apabila ripple amplitudo pada arus terlalu tinggi, induktor bisa benar-benar discharge sebelum siklus berakhir. Hal ini biasanya terjadi pada saat beban tidak berat. Dalam hal ini, arus yang melalui induktor menjadi nol saat satu periode (perhatikan bentuk gelombang pada gambar ). Walaupun sedikit, perbedaan ini mempunyai efek yang cukup kuat pada tekanan output. Hal ini bisa dihitung sebagai berikut:Arus induktor pada awal siklus yaitu nol, dan nilai maksimumnya ILmax (ketika ¿ DT) adalah:
RUMUS (10)
Selama periode OFF, IL menjadi nol setelah δT
RUMUS (11)
Arus pada beban Io disini sama seperti rata - rata arus pada dioda ID. Seperti yang terlihat pada gambar 4, Arus pada dioda sama seperti arus yang mengalir ketika dalam keadaan OFF. Oleh sebab itu arus output bisa ditulis sebagai:
RUMUS (14)