## DESAIN DAN IMPLEMENTASI INTERLEAVED BOOST CONVERTER UNTUK POWER FACTOR CORRECTION MENGGUNAKAN PENGENDALI LOGIKA FUZZY
Mentari Putri Jati, Era Purwanto, Bambang Sumantri, Sutedjo dan Dimas Okky Anggriawan
Politeknik Elektronika Negeri Surabaya
Departemen Elektro
Kampus PENS, Jalan Raya ITS Sukolilo, Surabaya 60111, Indonesia
E-mail: mentaripj@gmail.com, era@pens.ac.id, bambang@pens.ac.id, sutedjo@pens.ac.id, dimas@pens.ac.id

## Abstrak
Beberapa  tahun  terakhir  terjadi  peningkatan  kebutuhan  sumber  daya  tegangan  dc.  Kebanyakan  dari  rangkaian elektronika  daya  pada  sumber  tegangan  dc  menggunakan  full  wave  rectifier.  Pemasangan  nilai  kapasitor  yang cukup besar sebagai filter pada full wave rectifier dapat menyebabkan bentuk gelombang arus input menjadi tidak sinusoidal (terdistorsi). Perbedaan bentuk gelombang tegangan dan arus input berpengaruh pada besar kecilnya faktor daya. Interleaved Boost Converter (IBC) yang difungsikan sebagai Power Factor Correction (PFC) dengan menggunakan  metode  pengendali  logika  fuzzy  diterapkan  pada  sistem  untuk  mencapai  faktor  daya  mendekati unity.  IBC  bekerja  pada discontinuous  conduction  mode (DCM).  Saat  rectifier  menyuplai  beban  yang  bersifat resistif maka arus input memiliki bentuk gelombang yang sefasa dengan gelombang tegangan input. Simulasi dan implementasi  alat  menggunakan  beban  yang  bervariasi.  Hasilnya  IBC  sebagai  PFC  dapat  memperbaiki  faktor daya dari 0.67 menjadi 0.93.
Kata kunci: Interleaved Boost Converter, Power Factor Correction, Discontinuous Conduction Mode, Pengendali Logika Fuzzy

## Abstract
In recent years there is an increasing demand for closely regulated dc power supply. Most of the power electronic converters  in  these  power  supplies  used  full  wave  rectifier.  Bulky  filter  capacitor  in  rectifier  can  effect non-sinusoidal input current waveform (distorted). The difference in voltage and current waveform affected the power factor system. Interleaved Boost Converter (IBC) as Power Factor Correction (PFC) with a fuzzy logic controller  to  be  added  in  the  system  to  achieved  near  to  unity  power  factor.  IBC  operated  in  Discontinuous Conduction Mode (DCM). Power factor near to unity can be achieved while rectifier supplied resistive load, the waveform of load current through back to input source have the same form with the input voltage. Simulation and hardware implementation is used by varying loads. The experimental results with a variable load value of IBC as PFC can improve the power factor system from 0.67 to 0.93.
Keywords: Interleaved Boost Converter, Power Factor Correction, Discontinuous Conduction Mode, Fuzzy Logic Controller

## 1. Pendahuluan
Karakteristik sumber tegangan searah (DC) membuatnya  ideal  untuk  peralatan  dan  perangkat berdaya  rendah.  Dalam  beberapa  tahun  terakhir terjadi  peningkatan  dalam  penggunaan  peralatan dengan sumber DC yang mengakibatkan bertambahnya  perangkat  nonlinier.  Sebagian  besar
perangkat  elektronika  daya  menggunakan  full  wave rectifier, yang bersifat nonlinier. Kehadiran perangkat nonlinier  mengakibatkan  operasi  faktor  daya  rendah dan  distorsi  harmonik  yang  tinggi.  Peraturan Harmonik IEC 61000-3-2 mendefinisikan faktor daya dalam  beberapa  aplikasi,  seperti  alat  portabel  (kelas B), peralatan pencahayaan (kelas C), komputer (kelas D) dll [1], [2].
Vol. 12 No. 1, April 2020, 41-47
e -ISSN: 2548-9828
Harmonisa  juga  dapat  menurunkan  kualitas  sistem tenaga  listrik  yang  dapat  menyebabkan  dampak negatif terhadap peralatan – peralatan lain pada suatu instalasi [3].
Perbaikan faktor daya diperlukan dalam perangkat ini untuk  memenuhi  standar  harmonik,  umur  perangkat yang  lebih  lama  serta  kelancaran  pengoperasian perangkat  lain  dalam  sistem.  Keuntungan  lain  dari PFC termasuk peningkatan kapasitas sistem kelistrikan,  berkurangnya  rugi  –  rugi  daya  dalam sistem  distribusi,  pengurangan  tegangan  turun  yang menyebabkan  panas  berlebih  serta  kegagalan prematur  pada  kasus  beban  motor  dan  peralatan induktif lainnya [1].
Untuk  mencapai  faktor  daya  mendekati  satu  tanpa sistem  pengendali,  konverter  boost  konvensional dengan  operasi  mode  konduksi  terputus  banyak digunakan oleh industri [4].
Penggunaan  interleaved  boost  converter  (IBC)  telah menyebabkan  aliran  arus  paralel  melalui  induktor yang  menghasilkan  penggunaan  induktor  dan kapasitor  dengan  pembebanan  yang  lebih  rendah. Dengan  mengoperasikan  IBC  pada  rasio  siklus tegangan  50%,  tegangan  dan  arus  riak  telah  sangat berkurang.

## 2. Studi Pustaka
IEEE  519-2014  digunakan  untuk  mengatur  dan menerapkan  batas  harmonik  dalam  sistem  tenaga. Arus  harmonisa  ini  juga  menyebabkan  peningkatan rugi  –  rugi  daya  dan  peningkatan  temperatur  di berbagai perangkat elektromagnetik (motor, transformer,  dll.).  Standar  yang  direkomendasikan menetapkan praktek dengan tujuan  untuk  mendesain sistem  kelistrikan  yang  mencakup  beban  linier  dan nonlinier [4].
Rangkaian  perbaikan  faktor  daya  tipe  aktif  biasanya menggunakan pencacahan catu daya untuk mengurangi harmonisa arus input bolak – balik (AC) dan mengatur tegangan output searah (DC). Topologi konverter  penaik  tegangan  (boost)  terus  digunakan dalam  berbagai  aplikasi  AC  ke  DC  dan  sebaliknya. Konverter tipe boost merupakan rangkaian perbaikan faktor  daya  aktif  paling  populer.  Menurut  bentuk gelombang  arus  induktor  kontinu  atau  tidak,  mode operasi  konverter  perbaikan  faktor  daya  boost dikelompokkan ke dalam mode konduksi arus kontinu (CCM), mode konduksi arus kritis (CRM) dan mode konduksi arus diskontinyu/terputus (DCM). CRM dan DCM  konverter  boost  PFC  memiliki  keuntungan seperti  arus  nol  saat  saklar  terhubung  dan  tidak  ada arus  balik  dioda.  Frekuensi  pensaklaran/switching pada  konverter  perbaikan  faktor  daya  CRM  boost berubah – ubah. Sedangkan desain induktor dan filter EMI lebih sulit. Selain itu, konverter perbaikan faktor daya  DCM  boost  dioperasikan  dalam  frekuensi
pensaklaran konstan.
Interleaved  boost  converter  (IBC)  dengan  switching tegangan-nol  (ZVS)  dan  switching  arus-nol  (ZCS) juga  digunakan  sebelumnya  untuk  mengurangi  riak arus,  dan  riak  tegangan.  Sistem  ini  juga  memiliki kelemahan  dari  peningkatan  jumlah  komponen  serta pengendalian  yang  rumit.  Kebaruan  pendekatan kontrol  yang  didasarkan  pada  peraturan  minimisasi fungsi  energi  diusulkan  untuk  beroperasi  dengan respons  dinamis  yang  lebih  cepat.  Pada  kasus  ini memiliki  kelemahan  kompleksitas  tinggi.  Dengan menggunakan  pengendali  logika  fuzzy,  output  yang diinginkan  merupakan  peningkatan  faktor  daya  dan pengurangan riak arus [1], [5].

## 3. Metode
A. Prinsip  Kerja Interleaved  Boost  Converter
(IBC)
Konverter  yang  diusulkan  seperti  pada  gambar  1 bahwa interleaved boost converter (IBC) merupakan dua rangkaian konverter boost ysng dipasang paralel. Rangkaian  dengan  induktor  L1,  dioda  D1,  saklar  S1 membentuk  rangkaian  boost  dan  induktor  L2,  dioda D2, saklar S2 dari rangkaian paralel boost. Kapasitor Co digunakan untuk menjaga keluaran tegangan riak dan R adalah beban sistem.
Konverter boost konvensional telah digunakan untuk rangkaian  perbaikan  faktor  daya  aktif.  Namun, rangkaian baru ini menggunakan konverter dual boost yang terhubung secara paralel. Induktor L1 dan saklar S1  digunakan  sebagai  rangkaian  perbaikan  faktor daya  sedangkan  induktor  L2  dan  saklar  S2 menggantikan  filter  aktif  untuk  meningkatkan kualitas  arus  input  yang  mengandung  harmonisa. Filter  aktif  juga  mengurangi  rugi  –  rugi  akibat pensaklaran  pada  rangkaian.  Analisis  rangkaian  IBC berdasarkan  seperti  konverter  boost  tunggal  dalam mode DCM.
Gambar 1: Interleaved boost converter
1. Saklar terhubung dan dioda bias mundur [6]
(a): Selama 0<t<D1Tg
( ) L g v t v  (1) ( ) ( ) C v t i t R   (2) 2. Saklar  tak  terhubung  dan  dioda  bias  maju [6]
(b): Selama D1Tg<t<(D1+D2)Tg
( ) ( ) L g v t v v t   (3)
( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) L C C L v t i t i t R v t i t i t R    
(4)
3. Saklar tak terhubung dan dioda bias mundur [6]
(c): Selama (D1+D2)Tg<t<Tg
Gambar 2: Prinsip kerja Boost Converter ( ) 0 L v t  (5)
( ) 0 L i t  (6)
( ) ( ) C v t i t R   (7)
Dimana, VL= tegangan induktor; Vg= tegangan catu daya; V= tegangan beban; iL= arus induktor; ic= arus kapasitor.
Gambar 3: Gelombang tegangan induktor VL(t) converter boost mode konduksi arus terputus/diskontinyu
Persamaan  (1),  (3)  dan  (5)  digunakan  untuk menggambar  gelombang  tegangan  induktor  seperti pada gambar 3. Dengan tegangan per detik seimbang, gelombang  ini  tidak  mengandung  komponen  DC ketika  konverter  beroperasi  pada  kondisi  stabil  [6], [7].
Gambar 4: Gelombang konverter boost (a) arus induktor i(t) (b) arus dioda iD(t)
Pada rangkaian perbaikan faktor daya, rs dihitung dari Vg dan is setiap satu kali periode pensaklaran.
g s s v r i  (8) 1 ( ( )) 2 ( ) L s t i t DT i t R  (9)
Berdasarkan gambar 4(a) saat periode D 1 T s
( ) g L v
i t DT L 
(10)
Maka, (10) disubstitusikan ke (9)
2 1 ( ) 2 ( ) ( ) 2 g s g s v t DT DT L i t R v D T i t L   (11) Persamaan (11) disubstitusikan ke (8) 2 2 ( ) 2 2 ( ) g s g s v r t v D T L L r t D T   (12)
Dimana, rs= resistansi input; is= arus input; iL= arus induktor;  D=  persen  siklus  tegangan;  T=  waktu;  R= beban; Vg= tegangan catu daya; L= induktor;
Karena nilai L, D dan T tidak berubah, maka resistansi input  bernilai  konstan.  Berdasarkan  (8)  dengan tegangan  input  sinusoidal  dan  resistansi  input  rs konstan,  maka  arus  is  mengikuti  bentuk  gelombang input sinusoidal sehingga beban bersifat resistif yang mempunyai faktor daya mendekati satu.
B. Prinsip  Kerja Interleaved  Boost  Converter
(IBC)
Komponen  utama  konverter  merupakan  pada  desain induktor karena akan berpengaruh pada arus input dan output.  Konverter  perbaikan  faktor  daya  yang digunakan  dengan  mengacu  ketentuan  sebagai berikut:
 Tegangan input  : 28.82 volt
 Tegangan output : 48 volt
 Efisiensi
: 90%
 Frekuensi : 40 kHz
Maka, desain induktor konverter:
2 min (1 ) 2 D D R L f   (13)

## C. Pengendali Logika Fuzzy
Pengendali logika fuzzy  merupakan alternatif sistem kendali  modern  yang  tidak  memerlukan  model matematis  dari  suatu  sistem.  Pengendali  ini  tetap efektif karena memiliki respon sistem yang stabil [3].
Gambar 5: Rangkaian pengendali logika fuzzy di Simulink
TABLE I
A TURAN DASAR FUZZY
D-E\E BN SN Z SP BP BN NVB NVB NVB NB Z
SN NVB NM NS Z PB
Z NVB NS Z PS PVB SP NB Z PS PM PVB BP Z PB PVB PVB PVB
IBC  membutuhkan  pengontrol  untuk  menstabilkan tegangan  output.  Perancang  pengontrol  dalam simulasi  loop  tertutup  dengan  tegangan  input  dari rectifier.  Rangkaian  simulasi  loop  tertutup  dari  IBC ditunjukkan  pada  gambar  5.  Dengan  menggunakan fungsi  keanggotaan  segitiga  dalam  model  fuzzy Mamdani,  dapat  menghubungkan  setiap  variabel, misalnya  kesalahan  dan  perubahan  kesalahan  dalam aturan untuk memberikan output.
(a) (b) (c)
Gambar 6: Variabel fuzzy (a) input error (b) input delta error (c) output
Gambar 7: Surface variabel fuzzy Sumber AC Penyearah Interleaved Boost Converter Beban
Sensor Tegangan
Pengendali Logika Fuzzy Driver Mosfet Setpoint Mikrokontroler Mikrokontroler

## Gambar 9: Blok diagram sistem
Tabel  1  menunjukkan  aturan  fuzzy  yang  akan memberikan  perubahan  nilai  output  yang  bervariasi. Editor  FIS  digunakan  untuk  memasukkan  variabel dalam fuzzy dan ada fungsi keanggotaan segitiga

## Gambar 8: Hardware sistem

## 4. Hasil dan Pembahasan
Berdasarkan  desain,  parameter  sistem  ditunjukkan pada Tabel 2 untuk merancang IBC sebagai PFC dan regulator  tegangan.  Selain  itu,  perancangan  sistem perangkat  keras  ditunjukkan  pada  Gambar  10  yang sesuai  dengan  parameter  simulasi.  Percobaan  secara simulasi  dan  implementasi  dilakukan  dalam  2  tahap yaitu  pengujian  sistem  tanpa  dan  dengan  konverter perbaikan faktor daya.
TABLE II
P ARAMETER SISTEM Parameter Value Input voltage rectifier 20.66 Volt Input voltage IBC 18.94 Volt Output voltage 48 Volt Switching frequency 40 kHz Inductor 45 µH Switch MOSFET IRFP460 Bulk capacitor 1µF Output capacitor 330 µF TABLE III E FISIENSI KONVERTER Vs Is D Vo Io η
(Volt) (A) (Volt) (A) (%) 5 0.68 40 10.6 0.3 93.5 10 1.36 21.11 0.58 90.0 15 1.97 31.68 0.85 91.1 20 2.58 41.9 1.15 93.4 25 3.22 52.4 1.4 91.1 28.3 3.6 59 1.58 91.5
A. Simulasi Matlab
Simulasi Matlab menggunakan parameter sistem yang sama  dengan  eksperimen  agar  dapat  dibandingkan hasil  keduanya.  Blok  diagram  simulasi  Matlab ditunjukkan pada Gambar 7. Pada sistem catu daya dc dengan  kapasitor  filter  yang  besar  menghasilkan tegangan keluaran dc murni tanpa riak tetapi memiliki gelombang tegangan dan arus input tidak sefasa.
Gelombang  arus  input  berbentuk  tidak  sinus  yang diakibatkan  nilai  fundamental  bercampur  arus  dari efek pengisian dan pembuangan kapasitor. Perbedaan bentuk  gelombang  tegangan  dan  arus  menyebabkan faktor  daya  sisi  input  tidak  sesuai  standar  yang berlaku  (<85%)  seperti  yang  ditunjukkan  pada Gambar 8. Bentuk gelombang tegangan input berupa sinusoidal dan arus input terdistorsi.
Display + Controller Interleaved Boost Converter Trafo Step Down Rectifier
Penggunaan  filter  kapasitor  sisi  output  yang  besar dapat  dieliminasi  dengan  konverter  perbaikan  faktor daya  berupa  IBC.  Oleh  karena  itu,  sistem menggunakan IBC tidak memerlukan kapasitor filter yang  besar  untuk  menghasilkan  tegangan  dan  arus input  pada  fase  yang  sama.  Gelombang  arus  pada sistem  dengan  IBC  terlihat  dalam  simulasi  Matlab yang ditunjukkan pada Gambar 9.
Gambar 10: Rangkaian sistem pada simulasi Simulink/Matlab

## A. Implementasi Alat
Untuk  mengevaluasi  dan  membuktikan  keunggulan konverter perbaikan faktor daya pada aplikasi ini, alat percobaan telah dibangun.
Gambar 11:

## Gambar 12:
Pengujian  alat  menggunakan  variasi  beban  resistif berupa  lampu  220  volt  100  W  dipasang  paralel. Variasi  beban  ada  tiga  tipe  berdasarkan  jumlahnya yaitu paralel 3, 4 dan 5 lampu 100 W. Dengan beban resistif  diparalel  maka  pada  tiap  pengujian  dengan beban  yang  berbeda  menghasilkan  arus  input  dan output  berbeda  pula.  Pengujian  kinerja  konverter perbaikan faktor daya mempunyai efisiensi rata – rata 91.77%  dengan  tegangan  input  variatif  seperti  pada
tabel 3.
TABLE IV
F AKTOR DAYA SISTEM TANPA IBC ( RECTIFIER TANPA FILTER
KAPASITOR ) Beban V inAC (V) Vout (V) Iout (A) Iin AC (A) PF DPF 5 lampu 55.8 48 0.50 0.40 1 1
TABLE V
F AKTOR DAYA SISTEM TANPA IBC ( RECTIFIER DENGAN FILTER
KAPASITOR ) Beban V inAC (V) Vout (V) Iout (A) Iin AC (A) PF DPF DF 5 lampu 55.8 48 0.50 0.85 0.67 1 0.68
TABLE VI
A RUS HARMONISA TANPA IBC ( RECTIFIER DENGAN FILTER
KAPASITOR ) Beban Harmonisa 1 3 5 7 9 11 5 lampu 0.59 0.50 0.33 0.16 0.04 0.03
Gambar 13: Faktor daya tanpa IBC (a) Rectifier tanpa filter kapasitor (b) Rectifier dengan filter kapasitor
Pengujian  sistem  tanpa  IBC  dengan  parameter  yang diamati adalah gambar gelombang tegangan dan arus input, besarnya THD dan power faktor. Pengujian ini menggunakan  Power  Harmonic  Analyzer  43B. Pengujian  dilakukan  dengan  beban  lampu  220V, 100W. Percobaan pertama dengan rectifier tanpa filter kapasitor  dan  percobaan  kedua  dengan  rectifier diparalel  filter  kapasitor.  Data  hasil  pengujian ditunjukkan pada Tabel 4 dan 5.
Untuk  perhitungan  DF  (Distortion  Factor)  dengan cara  menghitung  arus  tiap  komponen  harmonisa ganjilnya.  Nilai  DF  menentukan  ukuran  suatu gelombang  yang  terdistorsi  dengan  membandingkan arus fundamental dan arus harmonisa yg terukur. Pada beban  5  buah  lampu  220  V  100  W  yang  diparalel, Tabel  6  menunjukkan  data  arus  harmonisa  ganjil. Maka  nilai  DF  untuk  beban  5  lampu  220  V  100  W
(a)                                            (b)
tanpa IBC:
5 2 2 2 2 2 2
5
0.59
0.59 0.5 0.33 0.16 0.04 0.03 0.68 DF
DF      

TABLE VII
F AKTOR DAYA SISTEM DENGAN IBC DAN BEBAN BERVARIASI
Beban
V inAC (V) Vout (V) Iout (A) Iin AC (A) PF DPF DF 5 lampu 20.66 48.1 0.50 1.30 0.93 1 0.94 4 lampu 20.66 48.1 0.40 1.09 0.91 1 0.91 3 lampu 20.66 48.1 0.30 0.61 0.90 1 0.82
TABLE VIII
A RUS HARMONISA SISTEM DENGAN IBC Beban Harmonisa 1 3 5 7 9 11 5 lampu 1.22 0.43 0.03 0.08 0.00 0.02 4 lampu 1.00 0.42 0.04 0.07 0.02 0.01 3 lampu 0.49 0.29 0.16 0.07 0.02 0.03
Gambar 14: Faktor daya sistem (a) tanpa IBC (b) dengan IBC
Selanjutnya, pengujian sistem dengan IBC tanpa filter kapasitor  output  yang  besar.  Percobaan  dilakukan dengan  rectifier  tanpa  filter  kapasitor.  Data  hasil pengujian  ditunjukkan  pada  Tabel  7  dan  8.  Faktor daya sistem ketiga beban mempunyai rata – rata 0.91. Berdasarkan  arus  harmonisa  ganjil  yang  terukur seperti pada Tabel 8, nilai DF untuk beban 3,4 dan 5 lampu 220 V 100 W tanpa IBC:
5 2 2 2 2 2 5
1.22
1.22 0.43 0.03 0.08 0.02 0.94 DF
DF      
4 2 2 2 2 2 2 4 1.22 1 0.42 0.04 0.07 0.02 0.01 0.91 DF
DF

     
3 2 2 2 2 2 2 3 0.49 0.49 0.29 0.16 0.07 0.02 0.03 0.82 DF
DF      

5. Kesimpulan
Rangkaian konverter perbaikan faktor daya menggunakan  mode  konduksi  terputus  interleaved boost  converter  (IBC)  telah  disajikan  baik  simulasi maupun eksperimental. Kompensasi faktor daya yang diusulkan  bernilai  mendekati  satu.  Hasil  simulasi  di Matlab/Simulink,  IBC  sebagai  rangkaian  perbaikan faktor  daya  dengan  pengendali  logika  fuzzy  dapat meningkatkan  faktor  daya  (pf)  menjadi  0.94.  Untuk mengevaluasi desain IBC, dibuktikan dalam implementasi  alat  dengan  berbagai  beban  dapat mencapai perbaikan faktor daya paling baik dari 0.67 ke  0.93.  Hasil  kompensasi  harmonisa  menggunakan IBC  dapat  mengurangi  THDi  dari  72.3%  menjadi 33.4%.

## References
[1] N.  Shaji  and  D.  S.  K,  “Fuzzy  Controlled Power Factor Correctionin AC/DC Interleaved  Boost  Converter,” Int.  Conf. Circuit, Power Comput. Technol. [ICCPCT] , pp. 165–173, 2016.
[2] IEEE  Power  and  Energy  Society,  “IEEE Recommended Practice and Requirements for
Harmonic Control in Electric Power Systems IEEE  Power  and  Energy  Society,” IEEE Stand. 519-2014 , vol. 2014, 2014.
[3] I. N. Dani, U. Ba’afai, and M. Ramli, “Desain Filter  Aktif  dengan  Skema  Fuzzy  Logic Controller  untuk  Mereduksi  Harmonisa,” J. Rekayasa Elektr. , vol. 11, no. 2, 2014.
[4] D.  Garinto,  “Interleaved  Boost  Converter System  for  Unity  Power  Factor  Operation,” 2007 Eur. Conf. Power Electron. Appl. , vol. 1, no. c, pp. 1–7, 2007.
[5] T.  Ajith  Bosco  Raj  and  R.  Ramesh, “Improved  Parallel  Boost  Power  Converter for  Power  Factor  Correction,” Res.  J.  Appl. Sci.  Eng.  Technol. ,  vol.  7,  no.  23,  pp. 4986–4998, 2014.
[6] M. H. Rashid, Power Electronics Handbook . Butterworth-Heinemann, 2017.
[7] R.  W.  Erickson, Fundamental  of  Power Electronics , vol. 2. 2000.
(a)                                            (b)