## DESAIN RANGKAIAN GATE-DRIVER UNTUK KONVERTER YANG BEKERJA DENGAN VOLTAGE MODE CONTROL
Fitriadi 1* dan Muh. Imran Hamid 2
1 Program Studi Teknik Listrik, Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Padang
2 Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Andalas
* Corresponding author, e-mail : fitriadichng@gmail.com
Abstrak - Dalam berbagai peralatan elektronika daya, bagian gate-driver merupakan salah satu modul yang mempunyai  peranan    sangat  penting  dalam  menentukan  kualitas  kerja  konverter.  Dalam  paper  ini diketengahkan  sebuah  desain  modul  gate-driver  yang  digunakan  pada  konverter  yang  berkerja  dengan Voltage  Mode  Control  (VMC).  Rangkaian  gate-driver  dibangun  menggunakan  IC  driver  tipe  MC33153 dengan  isolasi  cahaya  HCPL4506.  Suplai  DC  untuk  input  IC  driver  dan  optocouplers  didapatkan  dari konverter DC/DC yang terisolasi dari sistem, sehingga keempat sinyal kontrol PWM yang hasilkan oleh rangkaian gate-driver juga terisolasi  secara sistem. Pengujian  yang telah dilakukan pada konverter  yang beroperasi secara paralel pada input  sebuah transformator paralelisasi  menunjukkan   fungsi-fungsi  gate- driver  beroperasi  dengan  baik.  Secara  umum,  gate-driver  yang  dirancang  prospektif  digunakan  dalam aplikasi-aplikasi lainnya.
Kata kunci : Gate-driver, Konverter, MC33153 dan HCPL4506, Voltage Mode Control (VMC)
Abstract -  Gate-driver  is  part  of  power  electronics  equipments.  This  is  one  of  important  modules  to determine the quality of converter. This paper discusses a design of gate-driver module in converter using Voltage Mode Control (VMC). Gate-driver circuit built using IC driver type MC33153 and light isolation HCPL4506. DC Supply for IC driver and optocouplers is got from DC/DC converter output which isolated from system. Then, four PWM signals control as output of gate-driver circuit isolated in system. Testing for converter which operated parallel in input transformator parallelizes shows the functions of gate-driver operating is good. In general speaking, the gate driver in prospective design is used in other applications.
Key words: Gate-driver, Konverter, MC33153 dan HCPL4506, Voltage Mode Control (VMC)
Copyright © 2016 JNTE. All rights reserved

## 1. PENDAHULUAN
Penggunaan teknologi konverter daya menjadi  salah  satu  aspek  yang  sangat  penting dalam  mengoptimalkan  pembangkitan  energi terbarukan  [1].  Hal  ini  ditemui  misalnya  pada solar  sel  yang  membangkitkan  tegangan  DC, dalam  hal  ini,  teknologi  konverter  mengubah tegangan  DC  hasil  pembangkitan  dari  solar  sel menjadi AC.
Sebuah konverter
DC/AC
dapat dikembangkan dari rangkaian kombinasi komponen semikonduktor jenis IGBT/ MOSFET.  Konfigurasi  topologi  yang  umum adalah full  bridge sepeti  diperlihatkan  pada Gambar 1. Dalam rangkaian ini IGBT/ MOSFET berfungsi  sebagai switch ,  jika  di- input -kan sinyal kontrol PWM pada kaki gate 10-20 Volt DC [2]. Sinyal kontrol PWM yang dibangkitkan oleh mikrokontroler nilai tegangannya
maksimum  sebesar  5V  seperti  yang  ditunjukan pada  Gambar  2.  Untuk  memperkuat  sinyal output PWM dari mikrokontroler dapat digunakan sebuah rangkaian gate-driver , sehingga  sinyal  kontrol  PWM  tersebut  mampu mengerakan IGBT/MOSFET [3] dan [5].
Ada banyak IC driver yang digunakan untuk mengerakan  IGBT/MOSFET  seperti  IR2110, IR21362  dan  EXB841,  secara  karakteristik semua  IC driver tersebut  masih  memiliki kekurangan dalam memproteksi ganguan akibat dari  proses switching dan  menghasilkan  arus balik  pada  saat switching karena  suplai  daya yang tidak terisolasi dari sistem [2].
Dalam  paper  ini,  sebuah  rangkaian gate- driver dibangun  menggunakan  IC driver tipe MC33153  dengan  isolasi  cahaya  HCPL4506. Sehingga  sinyal  kontrol  PWM output dari rangkaian gate-driver terisolasi  dari  sistem. Rangkaian gate-driver ini  nantinya  dapat
digunakan  dalam  berbagai  aplikasi-aplikasi lainnya. Misalnya untuk konverter DC/AC yang bekerja dengan metode phase shifted full bridge (PSFB) dengan  teknik  kontrol voltage  mode control (VMC).
DC Q 1 C 1 Q 2 C 2 Q 3 C 3 Q 4 C 4 C dc L I dc I V p Mikrokontroler Gate Driver Q 1 Q 2 Q 3 Q 4

## VDC 5 V
Gambar 1. Topologi full bridge konverter
Gambar  2.  Bentuk  sinyal  kontrol  PWM  output mikrokontroler

## 2. TINJAUAN PUSTAKA
Sebuah  konverter  DC/AC  dengan  topologi jembatan  penuh  dapat  menghasilkan  bentuk gelombang output persegi  yang  terkontrol dengan  efisiensi  tinggi  sangat  tergantung    dari kualitas rangkaian gate-driver- nya [1] dan [6-9]. Menurut  Zheng.  W,  dkk  [2],  beberapa  kreteria yang  dapat  menetukan  kualitas  rangkaian gate- driver adalah sebagai berikut:
1. IC driver yang digunakan mampu memproteksi  ganguan  akibat  dari  proses switching . 2. Output sinyal kontrol PWM yang dihasilkan terisolasi  dari  sistem,  sehingga  arus  balik pada saat switching tidak menimbulkan efek panas pada IGBT/MOSFET.
Q 1 Q 2 V G ± 15 V V G ± 15 V R G R G V DS ± 24 V I DS A
Gambar 3. Kondisi switching MOSFET dengan sinyal kontrol PWM yang terisolasi.
Dari  Gambar  3  dapat  dijelaskan,  pada topologi  setengah  jembatan  dengan  dua  buah MOSFET ( Q 1 dan Q 2) terhubung seri. Jika Q 1 ON arus I DS mengalir ke titik A dan nertral sinyal kontrol.  Dalam  kondisi  ini,  jika  netral  sinyal kontrol  PWM  saling  terhubung  arus I DS juga mengalir ke nertral sumber hal ini menyebabkan terjadinya short circuit . Pada saat kondisi short circuit arus I DS mengalir  cukup  besar  karena tahanan drain sangat  kecil  sebesar R D =  0,1Ω dengan  besar  tegangan V DS =  24V,  sehingga besarnya arus I DS yang mengalir saat kondisi ON tersebut adalah sebesar.
𝐼 𝐷𝑆 = 𝑉 𝐷𝑆 𝑅 𝐷 = 24 0,1 = 240 𝐴 (1)
Secara karakteristik (IRF530) batas
maksimum  arus I DS yang  diperbolehkan  adalah 14 A pada temperatur 25 0 C [5]. Karena besarnya arus I DS yang mengalir pada kondisi short circuit melebihi batas maksimum hal ini menyebabkan MOSFET panas dan rusak. Dengan mengembangkan  rangkaian gate-driver yang terisolasi  secara  sistem  dapat  membuat  semua nertral sinyal kontrol tidak saling terhubung.

## 3. METODOLOGI PENELITIAN
Rangkaian gate-driver untuk  konverter DC/AC dikembangkan dari IC driver MC33153. Dimana  secara  karakteristik  komponen  ini didesain  khusus  untuk driver MOSFET/IGBT
(Gambar  4)  [2]. IC driver lainnya  yang digunakan  yaitu  HCPL4506  yang  berfungsi sebagai optocouplers . Cara kerja  komponen ini berdasarkan  transformasi  cahaya,  sehingga dapat mengisolasi sinyal input dari mikrokontroler  terhadap  sinyal output gate- driver seperti yang ditunjukan pada Gambar 5. Rangkaian gete-driver yang dapat menghasilkan  empat  buah sinyal  kontrol  PWM yang  terisolasi  dari  sistem.  Maksudnya  suplai daya  untuk  kedua  komponen  IC driver berasal dari sumber DC tidak saling terhubung satu sama lainnya.  Untuk  mendapatkan  suplai  tegangan tersebut dibutuhkan beberapa konverter DC/DC yang  dapat  menguatkan  tegangan  DC  5  Volt menjadi ± 20V.
Dalam aplikasinya untuk rancangan satu unit konverter  DC/DC  menggunakan  empat  buah komponen switching jenis transistor.  Transistor yang digunakan tipe NPN BC337 dua buah dan dua  transistor tipe PNP BC327. Sinyal switching untuk  transistor  dengan  frekuensi  1-2  MHz dihasilkan  dari  IC flip-flop HCT  7474.  Untuk sinyal clock untuk IC flip-flop dihasilkan dari IC TTL  4700.  Skema  rangkaian  dari  konverter DC/DC dapat dilihat pada Gambar 6.
Tegangan  AC  5V  frekuensi  tinggi  yang dihasilkan kemudian diinputkan pada sisi primer transformator. Dalam hal ini sebuah transformator yang dapat bekerja pada frekuensi tinggi  dikembangkan  dari  inti  transformator jenis ferrite  troidal. Kemudian kumparan transformator  dililit  sendiri  dengan  ratio perbandingan lilitan 3:20, agar dapat menghasilkan  tegangan output pada  sisi sekunder  ±20V.  Dengan  menggunakan  dioda tipe  IN4148  yang  tersusun  secara  jembatan penuh, tegangan sisi sekunder dikonversi ke DC untuk suplai daya kedua komponen IC driver .
Gambar 4. Aplikasi dari IC MC33153 [2].
Gambar 5. Aplikasi dari IC HCPL 4506 [4].
Gambar  6.  Skematik  rangkaian  konverter DC/DC untuk IC driver
Gambar  7.  Realisasi  rangkaian gate-driver dengan empat buah sinyal kontrol PWM.

## 4. HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1. Pengujian Rangkaian Gate-driver Dalam pengujian ini, empat unit rangkaian koverter DC/DC diberi input tegangan +5V dari power  supply catudaya  DC.  Tegangan output dari konverter DC/DC ini kemudian di- input -kan ke  IC driver dengan  besar  tegangan  suplai minimum +15V dan maksimum +20V. Untuk itu rancangan transformator switching yang digunakan  sangat  menentukan  sekali,  sehingga rugi-rugi  tegangan  DC  saat  diinputkan  ke  IC driver kecil. Ukuran inti yang digunakan sebagai transformator switching adalah  10mm  untuk
diameter  luar  ( od )  dan  6  mm  untuk  diameter dalam  ( id )  dengan tebal  4 mm  kemudian  dililit dengan kawat tembaga diameter 0,40 mm.
Sementara itu sinyal kontrol PWM yang di- input -kan pada rangkaian gate-driver dibangkitkan dari mikrokontroler Arduino Uno. Bentuk  gelombang output dari  rangkaian gate- driver di tunjukan pada Gambar 8.
PWM (Q1, Q2) PWM (Q3, Q4) Ch 1 : 10/div Ch 2 : 10/div α = 135 0 β = 180 0
Gambar  8.  Bentuk  gelombang output sinyal PWM    dari  rangkaian gate-driver Ch 1: 10/div, Ch2 : 10/div, t : 4.00 µs/div
Pada  Gambar  8  dapat  dijelaskan  sinyal kontrol PWM Q 1, Q 2, Q 3 dan Q 4 dengan besar amplitudo  gelombang  ±18V  dengan  satu  siklus satu kali periode gelombang 5 div (1 div = 4 µs), maka besar frekuensi switching -nya adalah:
T = 5 div × 4,00 µs = 20 µs
(2)
𝐹 = 1 𝑇 = 1 20 𝜇𝑠 = 50 𝑘𝐻𝑧 (3)
Selanjutnya sinyal kontrol PWM ini di- input - kan  ke  kaki gate MOSFET  IRF530  untuk menentukan  nilai  tahanan gate ( R G )  yang optimum  (Gambar  9).  Nilai  tahanan gate yang optimum ditentukan berdasarkan nilai delay time ( t d )  yang  paling  kecil  pada  saat  kondisi turn - OFF .
Gambar  9.  Rangkaian  pengujian switching MOSFET
Dalam  pegujian  ini,  nilai  tahanan gate ( R G ) divariasikan  dari  47Ω  sampai  dengan  1kΩ. Hasilnya  menunjukan  untuk  nilai R G yang menghasilkan  nilai t d yang  kecil  adalah  150Ω jika dibandingkan dengan nilai tahanan gate ( R G ) 1kΩ.  Bentuk  gelombang  sinyal switching hasil pengkurannya ditunjukan pada Gambar 10 a dan b.
t d(off) R G = 1 k Ω 0 T/2 T (a) t d(off) R G = 150 Ω 0 T/2 T (b)
Gambar 10. Bentuk gelombang sinyal switching pada gate MOSFET: (a) R G = 1kΩ (b) R G = 150Ω

## 4.2. Pengujian Rangkaian Gate-driver Pada
Konverter DC/AC Pengujian  kedua  dilakukan  sinyal  kontrol PWM  dari  rangkaian gate-driver digunakan untuk  masing-masing  konverter  DC/AC  yang bekerja dengan metode phase shifted full bridge
(PSFB)  dengan  teknik  kontrol voltage  mode control (VMC). Karena teknik kontrol ini dapat menghasilkan bentuk gelombang output persegi ( square  wave ),  tegangan output terkendali  dan efisiensi tinggi pada saat konverter bekerja pada frekuensi  tinggi.  Keunggulan  lainnya  adalah dapat mereduksi rugi-rugi daya yang ditimbulkan pada kondisi switching serta dapat menghasilkan electromagnetic interference (EMI) dan ripple yang rendah [1] dan [6-9].
Dalam realisasinya seperti yang
dikembangkan pada [8-9], sinyal kontrol  PWM di- input -kan pada kaki gate MOSFET ( Q 1, Q 2, Q 3  dan Q 4)  secara half  bridge konverter leg 1 dan leg 2. Untuk leg 1 ( Q 1, Q 2) sinyal kontrol PWM  dengan  lebar turn-ON dan turn-OFF sebesar β = 180 0 dengan duty cycle 50 %  pada frekuensi  konstan  di- input -kan    pada Q 1, kemudian inverse dari sinyal kontrol PWM Q 1 diinputkan  pada Q 2.
Untuk half bridge konverter berikutnya leg 2 ( Q 3, Q 4) sinyal kontrol PWM dengan duty cycle 50  %  pada  frekuensi  konstan  didelai/ shifted sudut  fasa  sebesar  α 0 terhadap  sinyal  kontrol PWM pada leg 1, delai/ 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  diinput  pada  sisi primer kumparan transformator, dengan demikian  semakin  besar  jumlah  energi  yang ditransfer ke sisi sekunder transformator [9].
Dalam pengujian ini, delai/ shifted sudut fasa α 0 sebesar  90 0 dilakukan  pada  mikrokontroler. Pengamatan bentuk gelombang output konverter DC/AC  menggunakan  Osiloskop  DIPO-3014 buatan Tektronix. Untuk mengukur kualitas dari rangkaian gate-driver ,  tegangan output dari konverter dihubungkan ke-sisi primer transformator frekuensi tinggi. Bentuk gelombang output konverter  sebelum  dan  saat dihubungkan  ke-sisi  primer  transformator ditunjukan pada Gambar 11.
Output konverter sebelum terhubung ke sisi primer transformator Output konverter terhubung ke sisi primer transformator
Gambar 11. Bentuk gelombang output konverter yang  bekerja  dengan voltage  mode control (VMC)
Gambar  11  menunjukan  bentuk  gelombang output konverter  sebelum  terhubung  ke  sisi primer  transformator spark  wave kecil  (hampir sempurna).  Saat  terhubung  ke-sisi  primer transformator  ada spark  wave. Hal  ini disebabkan  gelombang output dari  konverter pada  kondisi  transisi switch dari turn - ON ke turn-OFF terjadinya turnish .  Sebagai  akibat driver pada  kondisi switching yang  tidak sempurna. Sedangkan hasil pengujian paralelisasi  dua  konverter  pada  sisi  input transformator ditunjukan pada Gambar 12.
Konverter 1 Konverter 1 t = 2 div Output sisi sekunder HFT t = 2 div t = 2 div
Gambar 12. Bentuk gelombang output konverter DC/AC  yang  beroperasi  secara paralel pada sisi input
transformator,  Ch  1:  10/div,  Ch2  : 100/div, t : 4.00 µs/div
Pada  gambar  12,  terlihat  gelombang output dari  masing-masing  konverter  DC/AC  dengan mengunakan rangkaian gate-driver dapat menjadi sefasa. Sehingga paralelisasi konverter sisi input transformator dapat dilakukan.

## 5. KESIMPULAN
Dalam  paper  ini  telah  dipaparkan  sebuah desain  modul  gate  driver  menggunakan  IC driver tipe  MC33153  yang  diperuntukkan mengendalikan operasi komponen switch dalam suatu konverter daya. Desain yang diketengahkan menekankan aspek isolasi antara blok kontrol dan blok daya pada konverter, dan pada desain ini aspek isolasi ini diimplementasikan  menggunakan  HCPL  4506. Power  supply bagi  modul  didesain  berupa konverter DC/DC yang terisolasi dari rangkaian daya  konverter.  Oprasi gate-driver telah dicobakan  pada  konverter  paralelisasi  dan menunjukan perporma yang memuaskan.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] 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.
[2] Zheng. W., Meiying. Q.; The Application of  IGBT  Driver MC33153 .  IEEE.  978-1- 4244- 7618-3. 2010
[3] Tarmizi,  Muyassar.; Rancang  Bangun Inverter  SVM  Berbasis  Mikrokontroler
PIC  18F4431untuk  Sistem  VSD .  Jurnal Nasional  Teknik  Elektro.  Vol:  2  No.  1 Maret 2013.
[4] Avago  Technologies.; Data  sheet  HCPL
4506. www.avagotech.com
[5] Vishay  Siliconix.;  Data  sheet  Power
MOSFET IRF 530.
[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] 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.
[8] Texas Instruments.; Phase-Shifted Full
Bridge DC/DC Power Converter Design Guide . May 2014. www.ti.com [9] 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

## Biodata Penulis
Fitriadi , lahir di Padang tanggal 14 Maret 1982, mahasiswa  Pasca  Sarjana  Jurusan  Teknik Elektro  Fakultas  Teknik  Universitas  Andalas Padang,  Fungsional  Pranata  Laboratorium Pendidikan (PLP) Ahli Pertama di Laboratorium Sistem  Distribusi  dan  Proteksi  Jurusan  Teknik Elektro Politeknik Negeri Padang.