## Analisis Paralelisasi Konverter Melalui Multi

## Input - Single Output Transformator Frekuensi Tinggi dengan MatLab Simulink
Fitriadi 1* , Valdi Rizki Yandri 2 , Herisajani 3 1,2,3 Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Padang Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Padang, Jl. Limau Manih Padang, 25164, Indonesia *Corresponding Author, email: fitriadichng@gmail.com
Abstrak  Dua konverter DC/AC yang bekerja dengan secara isolated control dapat diparalelkan dengan transformator frekuensi tinggi dengan sebuah pola switching. Namun, pola switching dan teknik pengontrolan konverter tersebut perlu penelitian lebih lanjut agar proses penyaluran energi listrik pada sisi output paralelisasi dapat menghasilkan nilai optimum. Dalam penelitian ini dikembangkan  metode  paralelisasi  dua  buah  konverter  pada  sebuah  transformator  frekuensi  tinggi  dengan  kapabilitas  multi input-single output menggunakan Matlab/Simulink. Sisi input transformator terdiri dari dua buah konverter jembatan penuh, sementara  sisi  sekunder  mewakili  sisi  output  paralelisasi.  Dua  konverter  DC/AC  disimulasikan  dengan  pola  switching  phase shifted  full  bridge  (PSFB)  dan  teknik  kontrol  voltage  mode  control  (VMC).  Kondisi  penyaluran  optimum  energi  diinvestigasi dengan  melihat  pengaruh  besarnya  lama  kondisi  ON  setiap  setengah  siklus  periode  switching  masing-masing  konverter  input terhadap  lamanya  kondisi  ON  pada  terminal  belitan  transformator  pada  sisi  sekunder  (output).  Lama  kondisi  ON  setiap konverter dengan pola switching PSFB  merupakan sebuah kondisi yang bergantung pada fasa shifted/delay sinyal kontrol  gate. Hasil simulasi menunjukan kondisi ON optimum terjadi ketika fasa shifted/delay sinyal kontrol gate masing-masing konverter adalah 135 0 (α1=α2=135 0 ) jika dibandingkan pada kondisi shifted/delay sinyal kontrol gate masing-masing konverter α1 = α2= 45 0 . Hal ini menunjukan nilai optimum penyaluran dari konverter terjadi ketika nilai α kedua konverter besar.
Kata kunci : paralelisasi, konverter, transformator, coupled magnetic
Abstract  Two  parallel  converters  DC/AC  with  isolated  control  can  be  applied  by  a  high  frequency  transformer  with  a  switching pattern. However, the switching pattern and control technique of the converter needs more research so the process of electrical energy distribution on the parallel output side can produce the optimum value. Furthermore, in this research, parallelization method is applied by utilizing two converters in high frequency transformer with multi input-single output capability controlled by Matlab/Simulink. The input side of transformer consists of two full bridge converters while secondary side represents the parallelization of output side. Two converters DC/AC is simulated by phase shifted full bridge (PSFB) of switching pattern and voltage mode control (VMC) technique. The distribution condition of optimum energy is investigated by observation of influences of ON condition duration of each switching period  cycle  on  input  converter  to  ON  condition  duration  of  secondary  transformer  terminal.  The  ON  condition  duration  of  each converter with switching PSFB is the condition depends on shifted/delay phase of signal on gate control. According to this simulation, optimum ON condition occurs when shifted/delay phase of each gate control signal converter is 135  (α 1 =α 2 =135  ) and this condition is more efficient than phase of gate control signal is 45  (α 1 =α 2 =45  ). The simulation results show that larger α of converters give the optimum distribution.

## Keywords: parallelization, converter, transformer, coupled magnetic
© 2020 Elektron Jurnal Ilmiah
I. PENDAHULUAN
Persoalan  pada  aplikasi  energi  terbarukan  sebagai sumber energi listrik alternatif belum optimal dikarenakan sumber energi utama yang berfluktuasi serta ketersediaannya  tidak  selalu  ada  dalam  satu  rentang (periode  waktu)  akibatnya  suplai  daya  kebeban  tidak terjamin. Misalkan energi angin dan solar sel.
Untuk  menjamin  ketersediaan  suplai  daya  ke  beban maka  dilakukanlah  langkah  paralelisasi  dua  atau  lebih pembangkit  yang  bersumber  dari  energi  terbarukan,  baik yang  sejenis  maupun  tidak.  Sementara  itu  metode paralelisasi  yang  telah  berkembang  seperti  yang dilaporkan  pada    [1]-[3]  dimana  paralelisasi  beberapa pembangkit  energi  terbarukan  dapat  dikelompokkan berdasarkan tegangan paralelisasinya yang dikenal dengan metode DC-Coupled  Systems , AC-Coupled  Systems dan Hybrid-Coupled Systems .
Metode  lain  tetang  paralelisasi  pembangkit  sumber energi  terbarukan  yaitu hybrid  coupled  magnetic  system
dengan menggunakan transformator seperti yang dilaporkan  oleh  [2],[3].  Meskipun  topologi-topologi paralelisasi  yang  ada  memiliki  kelebihan  namun  juga memiliki  kekurangan  seperti  metode  paralelisasi  yang dikembangkan oleh [2], dimana paralelisasi dua konverter dengan  satu  inti  transformator  jauh  lebih  baik dibandingkan  dengan  tiga  inti  yang  terpisah.  Namun kelemahannya,  jumlah  konverter  pembangkit  yang diparalelisasi  terbatas  oleh  besarnya  inti  transformator yang  digunakan.  Selanjutnya  metode  paralelisasi  yang dikembangkan oleh [3], dimana dua konverter pembangkit sumber energi terbarukan diparalelisasi dengan menggunakan Interphase Transformer (IPT). Paralelisasi dengan  metode  ini  dapat  memparalelkan  lebih  banyak konverter pembangkit, namun kelemahannya kemungkinan  akan  terjadi  sirkulasi  arus  antar  konverter yang diparalelisasi. Dalam paper ini dikembangkan
metode  paralelisasi  konverter-konverter  pembangkit energi  terbarukan  dengan  menggunakan  metode hybrid coupled  magnetic  system dengan  Matlab Simulink . Paralelisasi  dua  konverter  menggunakan  transformator frekuensi  tinggi  dengan  kapabilitas multi  input-single output .  Dengan  menggunakan  transformator  frekuensi tinggi terbukti secara ukuran jauh lebih kecil dengan daya yang sama dibandingkan dengan transformator konvensional seperti yang telah dikembangkan pada [4].
Permasalahan  yang  dihadapi  dalam  metode hybrid coupled magnetic systems adalah bagaimana mentransfer energi yang optimum dari sisi primer menuju sisi sekunder transformator  frekuensi  tinggi.  Berbagai  litertur  [4],[5] menyatakan transfer energi yang optimum dapat dilakukan melalui  pengaturan  pola switching dengan  bentuk gelombangnya  persegi ( square  wave ),  serta  penggunaan material  inti  transformator  dan  frekuensi  operasinya. Namun  demikian,  kesemua  faktor  ini  masih  perlu diinvestigasi lebih lanjut.
Terkait  dengan  pola switching haruslah  memiliki desain  sehingga  dapat  menjamin  energi  yang  disalurkan dari  masing-masing  konverter  input  tersalurkan  ke  sisi sekunder.  Salah  satu  metode  membangkitkan  pola switching yang  prosfektif  diterapkan  pada  sistem paralelisasi  adalah  dengan  metode phase  shifted  full bridge . Metode ini simple dan dapat dapat direalisasikan secara  analog  maupun  secara  digital  menggunakan mikrokontroler, DSP dan peralatan kontrol digital lainya. Selanjutnya,  persoalan  lain  dari    paralelisasi  dengan metode hybrid  coupled  magnetic  systems adalah menyangkut  desain  transformator  yang  digunakan. Transformator  yang  digunakan  haruslah  memiliki kapabilitas multi input-single output dan dapat dioprasikan pada frekuensi tinggi.
Maka tujuan dari penelitian ini menginvestigasi secara simulasi tentang pola switching masing-masing konverter agar dapat menyalurkan energi listrik yang optimum pada sisi output transformator.

## II. METODE
Sebuah metode paralelisasi yang dikembangkan dalam paper ini ditunjukan oleh Gambar 1. Pada gambar terlihat dua  konverter  diparalelkan  melalui  sebuah  transformator frekuensi  tinggi  dengan  kapabilitas multi  input-single output .  Sisi input transformator  terdiri  dari  dua  buah konverter  DC/AC  yang  mewakili  konverter-konverter pembangkit  sumber  energi  terbarukan,  sementara  sisi sekunder mewakili sisi output paralelisasi.
Gambar 1. Pemodelan paralelisasi konverter dengan metode hybrid coupled magnetic systems Paralelisasi  dengan  metode coupled  magnetic  system ini dapat  dilakukan dengan  menggunakan pola switching
yang  tepat.  Untuk  menghasilkan  pola switching tersebut konverter-konverter  sisi input didesain  dengan  topologi full-bridge dan dioperasikan dengan metode phase shifted full  bridge (PSFB)  dan  teknik  kontrol voltage  mode control (VMC)  [5]-[10]  seperti  yang  ditunjukan  pada Gambar 2.
DC
Q 1 C 1 Q 2 C 2 Q 3 C 3 Q 4 C 4 C dc L 1 I d c I 1 V p1
Gambar 2. Topologi rangkaian daya full-bridge converter
Sinyal PWM dihasilkan dari sinyal repetitif berbentuk gelombang  gergaji  ( Repeating  Sequence )  dengan  besar matrik  algoritma  dan  amplitudo  untuk  satu  perioda  ( T ) gelombang  dapat  diatur  pada  sebuah  blok  parameter. Dalam  simulasi  ini  nilai  matrik  algoritma  untuk  sinyal repetitif adalah [0 0.005 0.01]*0.005, maka T = 0,01 x 0,005 = 0.00005 (1) sedangkan setengah perioda adalah. T/2 = 0,000025, (2)
sedangkan nilai matrik amplitudo gelombang [0 1 0]. Maka besarnya frekuensi switching adalah.
f = 1/ T = 50 kHz
(3)
Kemudian  sinyal repetitif ini  dibandingkan  dengan sinyal  kontrol dengan  nilai  konstan (tetap)  menggunakan Relational  Operator .  Sinyal  kontrol  diatur  sebesar  0,5 untuk mendapatkan output sinyal PWM dengan duty-cycle 50 % seperti yang ditunjukan pada Gambar 3.

## Gambar 3. Pemodelan pembangkitan sinyal PWM dengan Matlab
Konveter full-bridge yang  bekerja  dengan  teknik teknik  kontrol  VMC,  dimana  sinyal  kontrol  PWM  yang ditunjukan  oleh  Gambar  4  di- input -kan  pada  kaki  gate MOSFET secara half-bridge . Untuk leg 1 ( Q 1, Q 2) sinyal kontrol PWM dengan lebar turn-ON dan turn-OFF sebesar
β = 180 0 atau setengah  perioda dengan duty cycle 50 % pada  frekuensi  konstan  50  kHz  di- input -kan    pada Q 1, kemudian inverse dari  sinyal  kontrol  PWM Q 1  di- input - kan  pada Q 2. Untuk half-bridge konverter berikutnya leg 2 ( Q 3, Q 4) sinyal kontrol PWM dengan duty cycle 50 % pada frekuensi konstan di- delay / shifted sudut fasa sebesar α 0 terhadap sinyal kontrol PWM pada leg 1. Delay / shifted sudut  fasa  ini  agar  terjadinya overlap pada  kondisi turn - ON dalam  waktu  bersamaan  secara  diagonal.  Konverter dengan  teknik  kontrol  VMC  ini  semakin  lama  waktu overlap pada  saat turn-ON semakin  lama  pula  kondisi waktu  tegangan  di- input -kan  pada  sisi  primer  kumparan transformator,  dengan  demikian  semakin  besar  jumlah energi yang ditransfer ke sisi sekunder transformator [10].
Paralelisasi dua konverter DC/AC yang disimulasikan dengan  Matlab Simulink .  Dimana  komponen swtching MOSFET  yang  rangkai  dengan  topologi full-bridge dibangun dari SimPower System Toolbox. Transformator multi  input-single  output digunakan  dua  buah element linear transformer .  Untuk single  output disisi  sekunder
transformator kumparan diserikan seperti yang ditunjukan pada Gambar 5.
β = 180 0 Q 1 Q 2 Q 3 Q 4 α = 45 0
Gambar 4. Bentuk gelombang sinyal PWM dengan β = 180 0 dan delay / shifted sudut fasa sebesar α = 45 0
Gambar 5. Paralelisasi konverter-konverter pembangkit sumber energi terbarukan dengan Matlab Simulink

## III. HASIL DAN PEMBAHASAN
Untuk  melihat  lamanya  kondisi ON output dari masing-masing konverter, maka delay / shifted divariasikan kecil dari sudut β = 180 0 . Dalam simulasi ini delay / shifted sudut  α 0 masing-masing  konverter  adalah  45 0 nilai  ini mewakili delay / shifted seper  empat  dari T /2  dan  135 0 mewakili delay / shifted tiga per empat dari T /2. Berikut ini, bentuk gelombang  output  dari  masing-masing konverter dengan  memvariasikan delay / shifted sudut α 0 : (1) Phase shifting α1 = α2 = 45 0 ; (2) Phase-shifting α1 = 45 0 dan  α2  =  135 0 ;  (3) Phase-shifting α1  =  α2  =  135 0 adalah sebagai berikut :
1. Phase shifting α1 = α2 = 45 0
Untuk  mendapatkan  sinyal  kontrol  PWM  yang  di- delay / shifted sudut  fasa  sebesar  α1  =  α2  =  45 0 dengan mengatur  delay  pada  blok  parameter variable  time delay sebesar  (0.005*0.005*0.25)  =  0.00000625  detik.  Hasil simulasi  menunjukan  bentuk  gelombang  output  dari masing-masing konverter sama dengan kondisi ON kecil. Bentuk gelombang pada sisi primer output dari konverter dan sisi sekunder transformator dapat dilihat pada Gambar 6. Dari gambar juga terlihat bentuk gelombang output -nya sefasa dengan gelombang output konverter.
Tegangan output konverter 1 sisi primer transformator Tegangan output konverter 2 sisi primer transformator
Tegangan output sisi sekunder transformator
Gambar  6.  Bentuk  gelombang  sisi primer  dan  sisi  sekunder transformator dengan phase-shifting dan α1 = α2 = 45 0
2. Phase-shifting α1 = 45 0 dan α2 = 135 0 Simulasi  kedua  ini, delay / shifted sudut  fasa  dari masing-masing konverter daya didesain tidak sama. Pada konverter  pertama  sudut  fasa  sinyal  kontrol  PWM  di- delay / shifted sebesar  α1  =  45 0 ,  untuk  konverter  kedua sudut fasa sinyal kontrol PWM di- delay / shifted sebesar α2 =  135 0 .  Hasil  simulasi  yang  ditunjukan  pada  Gambar  7, bentuk gelombang pada sisi primer output dari konverter dan sisi sekunder transformator output dari masing-masing konverter  tidak  sefasa.  Pada  sisi  sekunder output paralelisasi menghasilkan  rugi-rugi daya yang besar.
Tegangan output konverter 1 sisi primer transformator Tegangan output konverter 2 sisi primer transformator Tegangan output sisi sekunder transformator
Gambar  7.  Hasil  simulasi  gelombang output konverter terhubung pada kumparan primer dengan phase- shifting α1= 45 0 dan α2 = 135 0 .
3. Phase-shifting α1 = α2 = 135 0
Simulasi  selanjutnya, delay / shifted sudut  fasa  dari masing-masing konverter daya dibuat sama dengan sudut fasa sinyal kontrol PWM di- delay / shifted sebesar α1 = α2 =  135 0 .  Pada  blok  parameter variable  time  delay pada
masing-masing  konverter  daya  diatur    dengan  waktu delay -nya  sebesar  (0.005*0.005*0.75)  =  0.00001875 detik.
Hasil  simulasi  dari phase-shifting α1  =  α2  =  135 0 menunjukan  bentuk  gelombang  output  dari  masing- masing  konverter  pada  kondisi ON menghasilkan  daya yang  lebih  besar  dan  juga  sefasa,  sedangkan  pada  sisi sekunder yang merupakan output paralelisasi energi yang ditransfer pada kondisi ON juga lebih besar. Dari simulasi sistem  ini  dapat  disimpulkan  semakin  besar  waktu delay / shifted sudut fasa sinyal kontrol PWM semakin lama pula tegangan saat di- input -kan kesisi primer transformator seperti yang ditunjukan oleh Gambar 8.
Simulasi  ini  menunjukan  sebuah  pola switching yang optimum untuk mentransfer energi listrik ke sisi sekunder transformator berdasarkan besarnya energi yang ditransfer adalah  dengan delay / shifted sudut  fasa  yang  paling  lebar serta  kecil  dari  sudut  β  .  Dalam  simulasi  ini  didapatkan delay / shifted sudut fasa adalah dengan nilai α1 = α2 = 135 0 menghasilkan waktu kondisi ON lebih besar di bandingan dengan nilai α1 = α2 = 45 0 hal ini juga telah dikembangkan oleh  [9].  Pola switching inilah  yang  nantinya  akan diterapkan pada konverter-konverter sisi input transformator pada tahapan realisasi prototype sistem.
Tegangan output konverter 1 sisi primer transformator Tegangan output konverter 2 sisi primer transformator Tegangan output sisi sekunder transformator
Gambar 8. Hasil simulasi gelombang output konverter terhubung pada kumparan primer dengan phase-shifting α1 = α2 = 135 0 .

## IV. KESIMPULAN
Kontribusi  yang  diberikan  dari  penelitian  ini  adalah memperlihatkan  dalam  level simulator Matlab Simulink metode hybrid coupled  magnetic system dalam memparalelisasikan  dua  konverter  dengan  transformator frekuensi  tinggi.  Hasil  simulasi  menunjukan  kondisi  ON optimum  terjadi  ketika  fasa shifted/delay sinyal  kontrol gate masing-masing konverter adalah 135 0 (α1=α2=135 0 ) jika dibandingkan pada kondisi shifted/delay α1 = α2= 45 0 . Hal  ini  menunjukan  nilai  optimum  penyaluran  dari konverter terjadi ketika nilai α kedua konverter besar

## REFERENSI
[1] Nehrir M. H., Wang C., Strunz K., Aki H., Ramakumar R., Bing
J., Miao Z., Salameh Z.; A Review of Hybrid
Renewable/Alternative  Energy  Systems  for  Electric  Power Generation:  Configuration,  Control,  and  Applications. IEEE Transactions on Sustainable Energy, Vol. 2, No. 4, October 2011, pp. 392-403.
[2] Kabalci E.; Design And Analysis Of A Hybrid Renewable Energy Plant  With  Solar  And  Wind  Power .  Energy  Conversion  and Management 72, 51–59, 2013.
[3] Krishnamoorthy H.S., Essakiappan. S., Enjeti. P. N., Balog. R. S., Ahmed. S.; A New Multilevel Converter for Megawatt Scale Solar Photovoltaic  Utility  Integration .  Twenty-Seventh  Annual  IEEE, Applied  Power  Electronics  Conference  and  Exposition  (APEC), 2012, pp. 1431-1438.
[4] Arikan.  O.,  Isen.  E.,  Durusu.  A.,  Kekezoglu.  B.,  Bozkurt.  A., Erduman.  A. Introduction  to  Hybrid  Systems  -  Yildiz  Technical University . EuroCon IEEE. 1-4 July 2013. Zagreb, Croatia.
[5] Irawan.  J.  A.,  Firmansyah.  E.,  Wijaya.  F.  D.; Perancangan Transformator  Frekuensi  Tinggi  untuk  Konverter  DC-DC  Full- Bridge  Phase-Shifted  200  W .  Seminar  Nasional  Aplikasi Teknologi Informasi (SNATI) 2013 Yogyakarta, 15 Juni 2013.
[6] Puyal.  D.,  Barragán.  L.  A.,  Acero.  J.; An  FPGA-Based  Digital Modulator  for  Full-  or  Half-Bridge  Inverter  Control .  IEEE Transactions  On  Power  Electronics,  Vol.  21,  No.  5,  September 2006.
[7] Fitriadi,  Hamid.  M.  I .;  Desain  Rangkaian  Gate-Driver  Untuk Konverter  Yang  Bekerja  Dengan  Voltage  Mode  Control .  Jurnal Nasional Teknik Elektro. Vol: 5 No. 2 Juli 2013.
[8] Arya.  P.  S.,  Chithra.  R.; Phase  Shifted  Full  Bridge  DC-DC Converter .  International  Research  Journal  of  Engineering  and Technology (IRJET). Volume: 02 Issue: 04. July-2015.
[9] Texas  Instruments.; Phase-Shifted  Full  Bridge  DC/DC  Power Converter Design Guide . May 2014.
[10]  Nene.  H.; Implementing  advanced  control  strategies  for  phase- shifted,  fullbridge  DC/Dcconverters  using  MCUs  (Part  1of  2). Systems  and  Applications,  for  Texas  Instruments  Incorporated. 2000