Abstrak  —  Aplikasi  dari  energi  terbarukan  semakin banyak dikembangkan terutama penelitian mengenai photovoltaic  dan  fuel  cell.  Namun,  kendala  utama  pada photovoltaic dan fuel cell yaitu memiliki tegangan keluaran yang rendah  sehingga  diperlukan  sebuah  konverter  peningkat tegangan  sebelum  dapat  diaplikasikan  untuk  inverter. Penggunaan  inverter  dengan  penambahan  topologi  peningkat tegangan  menyebabkan  rugi  –  rugi  konverter  semakin  besar. Selain itu, kendala utama pada topologi  voltage source inverter yaitu  tidak  dapat  beroperasi  sebagai  buck-boost  konverter, diperlukannya  dead  time  pada  kontrol  gate,  dan  kondisi  shoot through zero state akan menyebabkan kerusakan pada inverter. Oleh  karena  itu,  diperlukan  desain  topologi  inverter  yang memiliki  kemampuan  konversi  boost  dan  tahan  terhadap kondisi shoot through zero state. Z-Source inverter merupakan pengembangan dari voltage source inverter dengan penambahan  rangkaian  sumber  impedansi  dan  kontrol penyalaan  menggunakan  simple  boost  control.  Efisiensi  Z- Source  inverter  dapat  mencapai  88%.  Faktor  peningkatan tegangan dapat  mencapai 2.4 kali dengan  menggunakan shoot through  duty  ratio  sebesar  16%.  Z-Source  inverter  mampu mengontrol  kecepatan  motor  induksi  berdasarkan  v/f  konstan dengan  cara  merubah  nilai  shoot  through  duty  ratio  dan frekuensi  fundamental.  Jadi  inverter  ini  sangat  cocok  untuk diaplikasikan sebagai topologi dengan kemampuan meningkatkan  tegangan  input  dan  digunakan  sebagai  kontrol kecepatan motor induksi.
Kata  Kunci — Motor  Induksi,  Simple  Boost  Control,  Voltage Source Inverter, Z-Source Inverter.

## I. PENDAHULUAN
EBUTUHAN  energi  listrik  setiap  tahun  mengalami peningkatan seiring dengan laju pertumbuhan penduduk. Pengembangan dan penelitian mengenai konversi energi  listrik  menjadi  topik  utama  dari  para  peneliti  dan industri, terutama energi yang berasal dari energi terbarukan. Pada  saat  ini  sistem  energi  terbarukan  yang  paling  banyak diteliti yaitu photovoltaic dan fuel cell . Kedua sistem energi terbarukan tersebut berbasiskan energi matahari dan hidrogen yang tidak menimbulkan pencemaran lingkungan.
Photovoltaic dan fuel  cell telah  banyak  diteliti  untuk dimanfaatkan  pada  mobil  listrik.  Kendala  utama  pada photovoltaic dan fuel cell adalah pada tegangan DC keluaran yang sangat rendah sehingga diperlukan konverter peningkat tegangan  sebelum  masuk  ke  rangkaian  inverter  [1,2].  Cara yang paling umum digunakan untuk meningkatkan tegangan DC  yaitu  menggunakan  konverter Boost .  Konverter Boost adalah  alat  yang  digunakan  untuk  meningkatkan  tegangan DC  keluaran  dari photovoltaic atau fuel  cell dengan  cara mengatur duty  cycle .  Semakin  tinggi  nilai  duty  cycle  maka rasio peningkatan tegangan semakin besar.
Berbagai  topologi  inverter  telah  diusulkan  untuk mendapatkan efisiensi konversi dan rasio peningkatan  yang tinggi. Salah satunya yaitu dengan menggunakan dual stage boost  voltage  source  inverter  (VSI) atau current  source inverter (CSI). Namun kelemahan dari topologi tersebut yaitu konversi secara dual stage menyebabkan efisiensi yang turun karena rugi – rugi switching semakin besar, gate driver harus didesain  secara  khusus  agar  pengaruh  dari  medan elektromagnetik  dapat  dihindari  karena shoot  through  zero state pada  topologi voltage  source  inverter dapat  merusak komponen switching . Selain itu, pada topologi voltage source inverter tidak  dapat  beroperasi  dalam  mode buck-boost namun  hanya dapat beroperasi dalam  salah satu  mode buck atau mode boost [3].
Untuk  mengatasi  permasalahan  tersebut,  maka  penulis mengusulkan  menggunakan  topologi Z-source  inverter dengan  metode simple  boost  control . Z-source  inverter merupakan  salah  satu  topologi  yang  mampu  meningkatkan rasio  konversi  tegangan  hanya  melalui  satu  topologi rangkaian.  Dengan  diterapkannya  topologi  ini  diharapkan dapat  meningkatkan  efisiensi  dari inverter yang  digunakan untuk suplai dan kontrol kecepatan motor induksi 3 fasa.

## II. URAIAN PENELITIAN

## A. Konfigurasi Sistem
Diagram blok sistem mendefinisikan sistem keseluruhan dari Z-Source  inverter dengan  metode simple  boost  control untuk suplai motor induksi 3 fasa. Diagram blok terdiri dari sumber  DC,  sumber  impedansi,  komponen  pensaklaran, driver MOSFET, simple  boost  control dan  motor  induksi  3 fasa seperti pada gambar 1.
Gambar 1. Diagram Blok Keseluruhan Sistem Inverter
B. Z-Source Inverter 3 Fasa
Z-source converter merupakan sebuah jaringan impedansi yang  terdiri  dari  dua  buah  induktor  dan  dua  buah  kapasitor yang  terhubung  secara  silang. Z-source  converter memiliki kemampuan  sebagai  peningkat  ( boost )  maupun  penurun
Desain dan Implementasi Z-Source Inverter 3 Fasa dengan Metode Simple Boost Control untuk Suplai

## Motor Induksi
Rifki Dwisetyo Wicaksono, Dedet Candra Riawan dan Daniar Fahmi Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111
e-mail : dedet.riawan@ee.its.ac.id; daniar.fahmi@ee.its.ac.id
K
( buck )  tegangan  tanpa  memerlukan  komponen switching tambahan. Selain sebagai peningkat atau penurun tegangan, jaringan impedansi tersebut berperan sebagai filter orde dua sehingga  mampu  mereduksi ripple tegangan,  arus inrush serta harmonisa lebih baik. Jaringan impedansi tersebut dapat dihubungkan dengan sumber DC yang dapat berupa baterai, fuel cell maupun photovoltaic . Z-source converter dapat diaplikasikan sebagai konverter DC  ke  AC,  AC  ke  DC,  AC  ke  AC  dan  DC  ke  DC.  Pada umumnya, Z-Source converter digunakan sebagai converter DC  ke  AC  yang  membutuhkan  faktor  peningkatan  maupun penurunan  tegangan  pada  sisi output. Aplikasi Z-source inverter dapat  dilihat  pada  gambar  2. Z-source  inverter mampu meningkatkan tegangan output dengan menggunakan metode  pensaklaran  dengan  menambahkan shoot-through zero states pada kontrol PWM [6].
Gambar 2. Topologi Z-Source inverter 3 fasa.
Topologi Z-source inverter mampu mengatasi permasalahan pada inverter tradisional (CSI dan VSI). Pada VSI  dan  CSI, inverter tidak  dapat  beroperasi  sebagai peningkat  maupun  penurun  tegangan  satu  tingkat  namun harus menggunakan proses konversi dua tingkat yaitu dengan menambahkan buck atau boost  converter .  Selain  itu, gate driver harus didesain khusus untuk mengurangi pengaruh dari electromagnetic  interference (EMI)  yang  menyebabkan kondisi shoot  through  zero  state sehingga  menyebabkan kerusakan  pada  VSI  atau  CSI.  Topologi Z-source  inverter hanya  membutuhkan satu tingkat proses konversi tegangan, tidak memerlukan dead time dan penambahan shoot through sehingga tidak membuat inverter rusak [3,6].
Tabel  1.  Merupakan  kondisi  pensaklaran  yang  dapat digunakan pada Z - Source inverter 3 fasa. Z-source inverter 3 fasa memiliki sembilan kondisi yang dapat berlaku dalam proses  pensaklaran.  Kondisi  pensaklaran  tersebut  yang membedakan  dengan voltage  source  inverter yang  hanya memiliki delapan kondisi yang diperbolehkan [7].
Z-source  inverter memiliki  enam  kondisi  aktif  ketika sumber  DC  mengalir  melalui  beban  tiga  fasa  dan  dua  buah kondisi null yaitu ketika pada komponen pensaklaran bagian atas atau bawah mengalami kondisi hubung singkat. Kondisi kesembilan  yaitu shoot  through  zero  states yaitu  kondisi dimana pada komponen pensaklaran bagian atas dan bawah mengalami hubung singkat. Pada kondisi kesembilan tersebut merupakan  hal  yang  harus  dihindari  pada  voltage  source inverter  untuk  mencegah  terjadinya  hubung  singkat  pada inverter. Shoot  through  zero  states didapatkan  berdasarkan tujuh buah kombinasi hubung singkat yaitu melalui salah satu fasa pensaklaran, kedua buah fasa pensaklaran maupun ketiga fasa  pensaklaran.  Jaringan  impedansi  berfungsi  sebagai peningkat rasio tegangan pada saat terjadi shoot through zero states .  Terdapat  beberapa  teknik  pensaklaran  yang  dapat digunakan pada z-source inverter yaitu simple boost control,
maximum boost control, dan maximum constant boost control with third harmonic injection [4,8,9]
Tabel 1. Kondisi Pensaklaran pada Z-Source Inverter 3 Fasa (!Sx menyatakan komplemen dari Sx, dimana X = 1,3,5)
No Kondisi Kompenen pensaklaran Output voltage S1 S4 S3 S6 S5 S2 V ab V bc V ca 1
Akt if 1 0 0 1 0 1 V i 0 -V i 2 1 0 1 0 0 1 0 V i - V i 3 0 1 1 0 0 1 - V i V i 0 4 0 1 1 0 1 0 - V i 0 V i 5 0 1 0 1 1 0 0 - V i V i 6 1 0 0 1 1 0 V i - V i 0 7 Null 0 1 0 1 0 1 0 0 0 8 1 0 1 0 1 0 0 0 0 9 S h oo t T h rou gh Z er o S tat es 1 1 S3 !S3 S5 !S5 0 0 0 10 S1 !S1 1 1 S5 !S5 0 0 0 11 S1 !S1 S3 !S3 1 1 0 0 0 12 1 1 1 1 S5 !S5 0 0 0 13 1 1 S3 !S3 1 1 0 0 0 14 S1 !S1 1 1 1 1 0 0 0 15 1 1 1 1 1 1 0 0 0

## C. Mode Operasi Konverter
Berdasarkan kondisi pensaklaran pada tabel II, Z-source inverter dapat dibagi kedalam tiga buah  mode operasi  yaitu mode aktif, null dan shoot through zero states .
Gambar 3. Rangkaian Ekuivalen Z-Source Inverter pada Kondisi Aktif
Mode  I:  inveter  beroperasi  dalam  salah  satu  mode  aktif dan rangkaian ekuivalen dapat dilihat pada gambar 3. Selama dalam  kondisi  aktif,  sumber  DC  mengalir  ke  rangkaian impedansi yang terdiri dari induktor dan kapasitor. Kapasitor akan  mengalami  charge  hingga  kondisi  steady  state  dan energi  akan  mengalir  ke  beban  melalui  induktor.  Induktor mengalami discharge pada mode ini.
Gambar 4. Rangkaian Ekuivalen Z-Source Inverter pada Kondisi Null
Mode  II:  Inverter  beroperasi  dalam  salah  satu  dari  dua keadaan  null  yaitu  komponen  pensaklaran  mengalami hubung singkat pada bagian atas atau bawah. Selama  mode II, rangkaian dapat diasumsikan sebagai open circuit seperti pada  gambar  4.  Tegangan  pada  sumber  DC  akan  menuju induktor dan kapasitor.
V IN
+
V d - S1 S3 S5 S4 S6 S2 + V d - + V d - V IN V IN
Gambar  5.  Rangkaian  Ekuivalen Z-Source  Inverter pada  Kondisi Shoot Through Zero States
Mode III: Inverter beroperasi dalam salah satu dari tujuh keadaan shoot through zero states . Pada mode III, rangkaian dapat diasumsikan sebagai short circuit seperti pada gambar 5.  Selama  mode  III,  tidak  terdapat  tegangan  keluaran  pada inverter sama seperti dengan kondisi mode II. Tegangan DC kapasitor akan meningkat sesuai dengan besarnya rasio shoot through duty ratio .

## D. Analisis Penurunan Rasio Konversi
Penurunan  persamaan  pada  z-source  inverter  dilakukan dengan asumsi nilai induktor L 1 dan L 2 serta kapasitor C 1 dan C 2 memiliki nilai yang sama (L 1 = L 2 = L dan C 1 = C 2 = C). Pada  saat  kondisi shoot  through  zero  states (T 0 )  maka  arus induktor  akan  mengalami  peningkatan  dan  tegangan  pada induktor akan muncul sedangkan pada saat kondisi non shoot through  zero  states (T 1 )  maka  arus  induktor  akan  menurun dan tegangan induktor akan bernilai nol.
Gambar  6.  Sinyal  Pensaklaran  pada  Tegangan  dan  Arus  Induktor  dari Z- Source Inverter
Sehingga  persamaan  tegangan  pada  impedansi  z-source inverter dapat dituliskan sebagai berikut:
{ 𝑉 𝐿1 =   𝑉 𝐿2 =   𝑉 𝐿 𝑉 𝐶1 =   𝑉 𝐶2 =   𝑉 𝐶
(1)
Pada saat  mode III  yaitu shoot through zero states dengan interval waktu T o . Berdasakan hukum khirchoff maka persamaan tegangan dapat dituliskan sebagai berikut:
{ 𝑉 𝐿 =   𝑉 𝐶 𝑉 𝑑 =   2𝑉 𝐶 𝑉 𝑃𝑁 = 0 (𝑆ℎ𝑜𝑜𝑡 𝑇ℎ𝑟𝑜𝑢𝑔ℎ) (2.)
Pada saat mode I dan II yaitu saat kondisi aktif dan null dengan interval waktu T 1 . Berdasarkan hukum khirchoff maka persamaan tegangan dapat dituliskan sebagai berikut:
{ 𝑉 𝐿 ≠   𝑉 𝐶 , 𝑉 𝑑 =   𝑉 𝑖𝑛 =   𝑉 𝐿 +   𝑉 𝐶 𝑉 𝐿 =   𝑉 𝑖𝑛 −   𝑉 𝐶 =   𝑉 𝐶 −   𝑉 𝑃𝑁 𝑉 𝑃𝑁 =   𝑉 𝐶 −   𝑉 𝐿 =   2𝑉 𝐶 − 𝑉 𝑖𝑛 (3)
Pada saat kondisi steady state, tegangan rata  – rata pada  induktor  adalah  nol  selama  satu  periode  pensaklaran. Sehingga  persamaan  tegangan  dapat  dituliskan  sebagai berikut:
𝑉̅ 𝐿 =   𝑉 𝐶 ∗ 𝑇 𝑜 + (𝑉 𝑖𝑛 −   𝑉 𝐶 ) ∗ 𝑇 1 = 0 𝑉𝐶
𝑉𝑖𝑛 = 𝑇1 𝑇1− 𝑇0 (4)
Dimana T 1 adalah  periode  saat  kondisi non  shoot through , T o adalah periode saat shoot through zero states dan f s adalah frekuensi pensaklaran. Maka periode shoot through zero states dapat dicari menggunakan persamaan berikut:
𝐷 𝑜 =   𝑇 𝑜 ∗ 𝑓 𝑠
𝑇 𝑜 =   𝐷 𝑜 /𝑓 𝑠 (5)
Sehingga  persamaan  tegangan  DC  rata  – rata  pada masukan inverter (V PN ) dapat dituliskan sebagai berikut:
𝑉̅ 𝑃𝑁 = 𝑇0∗0+𝑇1∗(2𝑉𝐶− 𝑉𝑖𝑛)
𝑇
𝑉̅ 𝑃𝑁 = 𝑇1∗(2𝑉𝐶− 𝑉𝑖𝑛)
𝑇
𝑉̅ 𝑃𝑁 = 𝑇1 𝑇1−𝑇0 𝑉 𝑖𝑛 dengan substitusi ke persamaan 3 maka didapatkan
𝑉̅ 𝑃𝑁 = 𝑇1 𝑇1−𝑇0 𝑉 𝑖𝑛 =   𝑉 𝐶 (6)
Nilai puncak dari DC link pada kondisi non shoot through zero states yaitu
𝑉 𝑃𝑁 =   𝑉 𝐶 −   𝑉 𝐿 =   2 ∗ 𝑉 𝐶 − 𝑉 𝑖𝑛 (7)
Substitusi V C dari persamaan 6 ke persamaan 7 maka didapatkan
𝑉 𝑝𝑛 ̅̅̅̅ = 𝑇 𝑇1−𝑇0 𝑉 𝑖𝑛 = 𝐵 ∗ 𝑉 𝑖𝑛 (8)
Dimana B ada faktor peningkat tegangan
𝐵 = 𝑇 𝑇1−𝑇0 = 1 1−(2 𝑇0 𝑇 ) ≥ 1 (9)
(T 1 + T 0 = T) Sehingga tegangan maksimum fasa ke netral yaitu
𝑉 𝑎𝑐 ̅̅̅̅ = 𝑀∗𝑉𝑃𝑁 ̅̅̅̅̅̅ 2 = 𝑀∗𝐵∗𝑉𝑖𝑛 2 (10)
Dimana M adalah indeks modulasi ( 𝑀 ≤ 1)
Dengan mengubah nilai shoot through duty ratio maka faktor peningkatan tegangan ( B ) dapat diubah – ubah [4,10,11].

## E. Induktor
Pada  saat Z-Source  inverter dioperasikan  tanpa shoot through zero states maka tegangan input akan muncul pada kapasitor  sedangkan  pada  induktor  tidak  muncul  tegangan karena arus yang mengalir pada induktor adalah DC murni.
+
V d - V IN
Gambar 7. Perbandingan Tegangan Kapasitor dan Tegangan Induktor
Pada  saat Z-Source  inverter dioperasikan  menggunakan shoot  through  states  maka  induktor  berfungsi  untuk membatasi  arus  ripple  selama  mode  boost.  Selama  mode shoot  through  zero  states ,  arus  induktor  bertambah  secara linear  dan  tegangan  pada  induktor  sama  dengan  pada kapasitor seperti pada gambar 7. Pada saat mode non shoot through  zero  states (8  mode  tradisional)  maka  arus  pada induktor  akan  berkurang  secara  linear  dan  nilai  tegangan induktor tidak sama dengan tegangan input dan kapasitor.
Nilai arus rata – rata pada induktor yaitu:
𝐼 𝐿 ̅ = 𝑃 𝑉𝑖𝑛 (11)
Dimana P adalah total daya inverter
Nilai arus induktor maksimum terjadi pada saat Z-Source inverter  pada  mode  Shoot  Through  Zero  States.  Untuk menentukan nilai induktor maka perlu ditentukan nilai peak to peak arus ripple ( Δ𝐼 𝐿 ) . Nilai maksimum arus induktor: 𝐼 𝐿 ̂ =   𝐼 𝐿 ̅ +  0.5Δ𝐼 𝐿 (12)
Nilai minimum arus induktor: 𝐼 𝐿 ̌ =   𝐼 𝐿 ̅ −  0.5Δ𝐼 𝐿 (13)
Selama mode Shoot Through Zero States maka nilai V L = V C = V
𝑉 = 𝑉𝑖𝑛+𝐵∗𝑉𝑖𝑛
2
Sehingga  nilai  induktor  dapat  ditentukan  menggunakan rumus
𝐿 = 𝑉∗ 𝑇0 ∆𝐼
(14)
dimana Δ𝐼 𝐿 =   𝐼 𝐿 ̂ − 𝐼 𝐿 ̌ T 0 adalah  periode  shoot  through  zero  states  per  switching cycle dan dapat dihitung menggunakan persamaan 5.

## F. Kapasitor
Kapasitor  pada  Z-Source  Inverter  berfungsi  untuk menyerap  arus  ripple  dan  sebagai  penstabil  tegangan. Induktor  akan  diisi  oleh  kapasitor  ketika  z-source  inverter berada pada mode shoot through seperti yang telah dijelaskan pada mode III dan I L = I C . Nilai  kapasitor  dapat  dihitung  dengan  cara menentukan  peak  to  peak  ripple  tegangan  pada  kapasitor ( Δ𝑉 𝐶 ) . Sehingga nilai kapasitor dapat dihitung menggunakan rumus
𝐶 = 𝐼𝐿 ̅̅̅∗ 𝑇0 Δ𝑉𝐶
(16)

## G. Stres Tegangan dan Arus pada Komponen
Stres tegangan dan arus pada  setiap dapat dihitung pada saat  kondisi  shoot  through  zero  state  [11].  Stres  tegangan pada setiap kapasitor dan induktor dapat dicari menggunakan persamaan 6 yaitu
𝑉 𝐿 = 𝑉 𝐶 = 𝑇1 𝑇1− 𝑇0 𝑉 𝑖𝑛
𝑉 𝐿 = 𝑉 𝐶 = 1−𝐷𝑜 1−2𝐷𝑜 𝑉 𝑖𝑛 (17)
Sedangkan  nilai arus  maksimum pada induktor dapat dicari menggunakan persamaan 11
𝐼 𝐿 ̅ = 𝑃 𝑉𝑖𝑛 𝐼 𝐿𝑚𝑎𝑥 ̅̅̅̅̅̅̅ =   𝐼 𝐿 ̅ + 𝐼 𝐿 ̂ (18)
Stress  tegangan  pada  komponen  semikonduktor dioda dan mosfet dapat dicari menggunakan persamaan 8
𝑉 𝒅 = 𝑉 𝑫𝑺 = 𝑉 𝑝𝑛 ̅̅̅̅ = 𝐵 ∗ 𝑉 𝑖𝑛 (19)
Sedangkan  nilai  arus  maksimum  yang  mengalir  pada  dioda dan DC bus (V PN ) yaitu
𝐼 𝑖 = 2𝐼 𝑙 (20)
Maka arus yang mengalir pada setiap mosfet yaitu
2𝐼 𝑙 = 3∗𝑉𝑎𝑐 ̂ ∗ 𝑖𝑎𝑐 ̂ ∗𝑐𝑜𝑠𝜑 𝑉𝑖𝑛 + 𝑉𝐶∗𝐷𝑜 2𝐿𝑓𝑠 𝐼 𝑚𝑜𝑠𝑓𝑒𝑡 = 𝑉𝑎𝑐 ̂ ∗ 𝑖𝑎𝑐 ̂ ∗𝑐𝑜𝑠𝜑 𝑉𝑖𝑛 + 𝑉𝐶∗𝐷𝑜 6𝐿𝑓𝑠 (21)

## H. Simple Boost Control
Simple  boost  control merupakan  sinusoida  PWM  yang dimodifikasi dengan cara menambahkan shoot through zero state dalam satu periode switching . Shoot  through  zero  states dibatasi  dengan  besarmya kondisi  ketika  saklar  tidak  aktif  dan  kemungkinan menggantikan  sebagian  maupun  semua  kondisi  aktif  yang bergantung pada besarnya indeks modulasi. Dua buah sinyal DC digunakan untuk membuat shoot through duty ratio ( D o ). Sinyal DC yang pertama yaitu sama berada pada sisi positif dari  sinyal  refrensi  tiga  fasa,  sedangkan  sinyal  DC  yang kedua  adalah  negatif  dari  sinyal  DC  yang  pertama.  Ketika sinyal  pembawa  segitiga  lebih  besar  dari  pada  sinyal  DC positif ( V po ) dan lebih kecil dari pada sinyal DC batas bawah ( V ne )  maka  rangkaian  akan  berada  dalam  keadaan shoot through [5]. Simple boost control PWM dapat diilustrasikan pada gambar 8.

## III. DESAIN DAN IMPLEMENTASI
A. Desain
Desain inverter bertujuan  untuk  menentukan  parameter awal  dari inverter dengan  mempertimbangkan  kondisi peralatan  yang  ada  dilaboratorium  dan  ketersediaan komponen yang ada di pasaran untuk mempermudah proses implementasi inverter. Menentukan parameter awal inverter berpengaruh  terhadap  nilai  kapasitas  komponen  seperti kapasitor,  induktor  dan  nilai shoot  through duty  cycle yang digunakan  sebagai  control inverter .  Tabel  2  dibawah  ini merupakan  parameter  awal  untuk  mendesain  inverter. Tegangan input dan  daya inverter ditentukan  berdasarkan sumber DC yang tersedia pada laboratorium. Dengan adanya keterbatasan alat pembebanan motor induksi dan sumber DC di laboratorium konversi energi listrik maka desain inverter dibuat 250 W dengan tegangan masukan 48 V.
Tabel 2. Spesifikasi Awal Desain Inverter
Parameter Nilai Daya maksimum, P out_max 250 Watt Tegangan masukan, V in 48 Volt Tegangan Keluaran, V LLrms 56 Volt Frekuensi output, f o 50 Hz Indeks modulasi, M 0.8 Frekuensi Pensaklaran, f s 7.842 kHz
Ripple tegangan kapasitor, V kapasitor (ΔV C ) 0,5% Ripple arus induktor, I L peak to peak 20%
Faktor peningkatan tegangan ( B ) yang dibutuhkan untuk mendapatkan tegangan keluaran line to line sebesar 56 Vrms dan  dengan  menggunakan  nilai  indeks  modulasi  0.8  maka faktor  peningkatan  tegangan  dapat  dihitung  menggunakan persamaan 10
𝐵 = √2 56 √3 × 2 0.8∗48 𝐵 = 2.4 maka  nilai shoot  through  duty  ratio dapat  didapatkan menggunakan persamaan 9
𝐵 = 1 1−2𝐷𝑜 𝐷 𝑜 = 𝐵−1 2𝐵 𝐷 𝑜 = 2.4−1 2∗2.4 𝐷 𝑜 = 0.291 Degan menggunakan frekuensi pensaklaran 7.842 KHz maka periode shoot through dapat dihitung menggunakan persamaan 5 𝐷 𝑜 =   𝑇 𝑜 ∗ 𝑓 𝑠 𝑇 𝑜 =   𝐷 𝑜 /𝑓 𝑠 𝑇 𝑜 = 0.291 7.842∗103 = 37.1 𝜇𝑠
Nilai  induktor  minimum  untuk  memperoleh  nilai ripple pada  arus  induktor  sebesar  10%  dapat  digunakan menggunakan persamaan 12 dan 13. Pertama arus rata – rata pada induktor dapat dihitung menggunakan persamaan 11
𝐼 𝐿 ̅ = 𝑃
𝑉𝑖𝑛 𝐼 𝐿 ̅ = 250 48 = 5.21 𝐴 dengan  menentukan ripple 20  %  ( peak  to  peak )  maka  arus induktor yaitu:
𝐼 𝐿𝑚𝑎𝑥 ̅̅̅̅̅̅̅ =  5.21 + 10% = 5.731 𝐴 𝐼 𝐿𝑚𝑖𝑛 ̅̅̅̅̅̅̅ =  5.21 − 10% = 4.689 𝐴 ∆𝐼 𝐿 ̅̅̅̅ =  2 ∗ 0.521 = 2.08 𝐴
Tegangan pada komponen induktor pada saat shoot through dapat dihitung dengan menggunakan persamaan 6
𝑉 𝐿 = ( 1−𝐷𝑜 1−2𝐷𝑜 ) 𝑉 𝑖𝑛 𝑉 𝐿 = ( 1−0.291 1−2∗0.291 ) 48
𝑉 𝐿 = 81.5 𝑉 maka  dengan  menggunakan  persamaan  14  didapatkan  nilai induktor sebesar
𝐿 = 81.5∗371∗10−6
2.4 = 1.45 𝑚𝐻
Nilai  kapasitor  minimum  dapat  ditentukan  dengan menentukan besar ripple tegangan pada kapasitor. Pada saat shoot through maka nilai dari I L = I C dan dipilih ripple sebesar 0.5% . Sehingga dengan persamaan 16 maka nilai kapasitor yang dibutuhkan sebesar
𝐶 = ∆𝐼𝐿 ̅̅̅̅̅∗ 𝑇𝑜
∆𝑉𝐶 𝐶 = 5.21 ∗ 371∗10−6
81.5∗0.5% 𝐶 = 474.8 𝜇𝐹

## B. Hasil Implementasi
Berdasarkan  perhitungan  hasil  desain,  maka  komponen- komponen yang diperlukan dapat dilihat pada tabel 4.
Nilai  implementasi  komponen  disesuaikan  dengan ketersediaan  komponen  yang  ada  di  pasaran.  Nilai  pada komponen  implementasi  merupakan  nilai  yang  lebih  besar dari  nilai  komponen  yang  telah  didesain.  Hal  tersebut bertujuan untuk mengantisipasi voltage spike pada inverter .
Tabel 4. Parameter Komponen Inverter Implementasi
Komponen Z-Source Inverter Nilai Induktor L 1 dan L 2 1.6 mH Kapasitor C 1 dan C 2 416  F/400V Dioda MUR1560 Mosfet (S1 – S6) IRFP460LC Simple Boost Control dan Gate Driver Nilai Micro Controller Arduino Mega IC or Logic 74HCT04 IC not Logic 74HCT32 Gate Driver FOD3182V Gate Supply 12 Vdc
Gambar 9. Hasil Implementasi Z-Source Inverter 3 Fasa
Hasil  implementasi Z-Source  inverter dengan  metode simple boost control yang sudah dirangkai dapat dilihat pada
gambar  9.  Pada  gambar  diatas inverter dibagi  menjadi  4 rangkain utama. Bagian pertama yaitu power supply sebagai penyuplai  tegangan  pada driver MOSFET.  Bagian  kedua yaitu  MOSFET  dan  arduino  mega  2560  sebagai  sistem pensaklaran utama konverter. Bagian keempat yaitu sumber impedansi  yang  terdiri  dari  induktor  dan  kapasitor  sebagai sistem peningkat rasio konversi.

## IV. PENGUJIAN

## A. Pengujian Pada Motor Induksi 3 Fasa
Pengujian  dilakukan  untuk  mengetahui  performa  dari hasil implementasi Z-Source Inverter ke motor induksi 3 fasa. Pengujian pembebanan motor induksi dilakukan dengan cara memberikan  tegangan  input  konstan  sebesar  48  V,  indeks modulasi  sebesar  0.8,  frekuensi  output  sebesar  50  Hz  dan shoot  through  duty  ratio dinaikan  secara  bertahap  untuk menjaga tegangan output tetap konstan. Dengan keterbatasan alat  pengereman  di  laboratorium  maka  pembebanan  motor induksi dinaikan secara bertahap dari 0 N.m hingga 0.6 N.m.
Berdasarkan  hasil  pengujian Z-Source  inverter dengan motor induksi didapatkan data seperti pada tabel 5. Pada saat motor induksi tidak diberi beban maka inverter membutuhkan nilai shoot through duty ratio sebesar 0.12 dan apabila beban semakin  naik  untuk  mendapatkan  tegangan  output  konstan sebesar 56 V maka nilai shoot through duty ratio juga naik. Apabila hasil implementasi dibandingkan dengan hasil desain dan simulasi maka terdapat ketidak sesuaian. Pada desain dan simulasi  untuk  mendapatkan  tegangan  konstan  56  V dibutuhkan  nilai shoot  through  duty  ratio sebesar  0.291. Namun,  pada  implementasi  hanya  dibutuhkan  nilai shoot through  duty  ratio yang  lebih  rendah  daripada  hasil  desain. Perbedaan pada saat implementasi dan simulasi diakibatkan oleh  adanya  fenomena self  boost .  Fenomena self  boost muncul  pada Z-Source  inverter diakibatkan  memenuhi persamaan dibawah ini.
𝑀𝑐𝑜𝑠∅ < 2 3
Selama  pada  nilai  perkalian  antara  indeks  modulasi dengan faktor daya kurang dari 2/3 maka akan kondisi shoot through  zero  states yang  tidak  diharapkan.  Pada implementasi adanya pengaruh self boost secara grafik dapat dilihat pada gambar 12.
Tabel 5. Hasil pengujian Z-Source Inveter pada pembebanan motor induksi 3 fasa dengan V IN = 48 V, M = 0.8, f = 50 Hz
I IN D O RPM  PF V PN Vo Io THD P IN P O 0.9  0.12 1480 0.0 0.27 140 56 1.5 2.1 43 38 1.1  0.12
1475 0.1 0.29 140 56 1.5 2.1 53 47 1.4  0.13 1465 0.2 0.43 130 56 1.5 2.2
66 58 1.7  0.14 1457 0.3 0.46 130 56 1.6 2.3 84 74 2.1  0.16 1445 0.4 0.49 123 56 1.8 2.0 102 90 2.5  0.16 1436 0.5 0.53 120 56 2.0 2.0 120 106 3.0  0.16
1423 0.6 0.56 115 56 2.2 2.0 144 125
Pada  kurva  gambar  12  menunjukkan  bahwa  nilai perkalian antara indeks modulasi dengan faktor daya semakin mendekati  2/3  maka  nilai  peningkatan  tegangan  akan mendekati  nilai  pada  hasil  desain  dan  simulasi.  Hal  ini membuktikan  bahwa  fenomena self  boost dapat  dikurangi dengan menaikkan faktor daya beban. [17]
Gambar 12. Kurva Pengaruh Self Boost pada Z-Source Inverter

## B. Pengujian Efisiensi Z-Source Inverter
Pengujian efiseinsi dilakukan untuk mengetahui pengaruh performa  inverter  terhadap  pembebanan  yang  berubah  – ubah.  Pada  hasil  implementasi  pembebanan  motor  induksi dapat diukur efisiensi inverter dengan cara membandingkan daya input dengan daya output inverter . Pengujian efisiensi inverter  dilakukan  dengan  cara  menaikan  beban  motor induksi dari 0 N.m hingga 0.6 N.m.
Inverter memiliki  efisiensi  rata  –  rata  sebesar  88%  dan grafik  pengaruh  pembebanan  terhadap  efisiensi inverter dapat  dilihat  pada  gambar  13  Semakin  besar  pembebanan maka  efisiensi inverter akan  menurun.  Hal  ini  disebabkan adanya  rugi  –  rugi  yang  semakin  besar  karena  arus  yang mengalir  ke  rangkaian  akan  meningkat  seiring  dengan naiknya beban. Rugi –rugi yang terjadi pada inverter antara lain switching loss , rugi pada inti induktor, rugi pada dioda fast switching dan charge-dischage kapasitor.
Gambar 13. Kurva Pengaruh Pembenan terhadap Efisiensi Inverter

## C. Pengujian Faktor Peningkatan Tegangan
Pengujian  rasio  konversi  bertujuan  untuk  mengetahui faktor  peningkatan  tegagan  pada Z-Source  Inverter dengan metode simple boost control . Faktor peningkatan tegagan (B) merupakan  perbandingan  antara  tegangan  dc  bus  dengan tegangan input .  Secara  teori  semakin  besar  nilai  shoot through  duty  ratio,  maka  semakin  besar  rasio  konversi sehingga  tegangan  output  yang  dihasilkan  oleh inverter semakin  tinggi.  Pengujian  rasio  konversi  dengan  cara memberikan tegangan input konstan sebesar Vin = 48 V dan shoot through duty ratio dinaikkan secara bertahap. Z-Source inverter dibebani  dengan  motor  induksi  3  fasa  dan  torsi pembebanan 0 N.m.
Gambar  14  menunjukkan  grafik  antara  tegangan output line to line rms dengan shoot through duty ratio . Berdasarkan hasil  implementasi  didapatkan  semakin  besar  nilai shoot through  duty  ratio maka  faktor  peningkatan  tegangan semakin  meningkat.  Namun,  apabila  dibandingan  hasil
implementasi dan teori maka terdapat perbedaan. Perbedaan hasil  tersebut  diakibatkan  nilai  faktor  daya  yang  sangat rendah yaitu sebesar 0.27. Selain itu, pada setiap komponen seperti  kapasitor,  induktor,  dioda  dan  MOSFET  memiliki hambatan dalam. Resistansi pada tiap komponen mengakibatkan  drop  tegangan.  Semakin  besar  nilai shoot through duty cycle maka semakin besar pula nilai arus yang mengalir sehingga drop tegangan akan semakin besar pula.
Gambar 14. Grafik Pengujian Rasio Peningkatan Tegangan
D. Pengujian Kontrol Kecepatan Motor Induksi
Pengujian Z-Source  Inverter sebagai  kontrol  kecepatan motor  induksi  dilakukan  dengan  cara  memberi  tegangan masukan  sebesar  48  V  dan  nilai  indeks  modulasi  0.8 sedangan  nilai shoot  through  duty  ratio dan  frekuensi fundamental dibuat berubah – ubah sesuai dengan aturan V/f konstan.  Pengujian  kontrol  kecepatan  dilakukan  dengan motor induksi dalam keadaan tanpa beban.
Tabel 6. Hasil Pengujian Z-Source Inverter sebagai Kontrol Kecepatan Motor Induksi untuk V in = 48 V, M = 0.8 dan  = 0 N.m In Do f RPM PF Vpn B V rms I rms Po 0.49 0.032 25 731 0.27 80 1.6 28.0 1.5 20.8 0.57 0.056 30 882 0.28 98 2.0 34.7 1.5 24.2 0.74 0.095 40 1182 0.27 112 2.3 44.5 1.5 31.4 0.9 0.121 50 1480 0.27 140 2.9 55.6 1.5 38.3 1.12 0.139 60 1778 0.27 165 3.4 68.9 1.5 46.3 1.3 0.150 70 2082 0.25 190 4.0 78.2 1.5 54.0
Pada  hasil  percobaan  seperti  pada  tabel  6  didapatkan bahwa pada saat motor induksi dioperasikan dengan tegangan dan  kecepatan  yang  berubah  –  ubah  sesuai  dengan  V/f konstan maka nilai dari arus output rms inverter tetap sama yaitu sebesar 1.5 A. Perbandingan hasil pengujian arus output rms dapat dilihat pada gambar 15(a) hingga 15(d). Arus yang diserap  inverter  akan  semakin  meningkat  seiring  dengan bertambah cepatnya kecepatan motor induksi sehingga daya pada inverter semakin  besar  ketika  motor  induksi dioperasikan semakin cepat.
(a)
(b) (c)
(d)
Gambar  15(a).  Gelombang  Arus  Output  pada  Frekuensi  40  Hz,  Gambar 15(b).  Gelombang  Arus  Output  pada  Frekuensi  50  Hz,  Gambar  15(c). Gelombang Arus Output pada Frekuensi 60 Hz, Gambar 15(d). Gelombang Arus Output pada Frekuensi 70 Hz
Nilai shoot through duty ratio yang dibutuhkan semakin naik  seiring  dengan  naiknya  frekuensi fundamental .  Hal  ini untuk mendapatkan tegangan output sesuai perbandingan V/f konstan seperti pada gambar 16. Namun, nilai shoot through duty  ratio yang  dibutuhkan  pada  saat  impelementasi  tidak sesuai  dengan  hasil  teori  perhitungan.  Hal  ini  dikarenakan adanya fenomena self boost pada Z-Source Inverter . Kecepatan motor induksi pada saat frekuensi fundamental diubah  –  ubah.  Pada  hasil  implementasi  besar  kecepatan motor  induksi  telah  sesuai  dengan  teori  yang  ada  dimana kecepatan  motor  induksi  akan  mendekati  kecepatan sinkronnya pada saat tanpa pembebanan.
Gambar  16.  Karakteristik  V/f  Konstan  pada Z-Source  Inverter sebagai Kontrol Kecepatan Motor Induksi 3 Fasa

## V. KESIMPULAN
Berdasarkan  pengujian  yang  telah  dilakukan  terhadap simulasi dan implementasi Z-Source inverter dengan metode simple boost control untuk suplai motor induksi 3 fasa dapat disimpulkan menjadi beberapa hal sebagai berikut: 1. Topologi Z-Source inverter dengan metode simple boost control dapat  menaikan  tegangan  dengan  tanpa  adanya penambahan topologi lain.
2. Pada  implementasi  tegangan  keluaran Z-Source  inverter mengandung  frekuensi fundamental dan  frekuensi pensaklaran  sedangan  arus  keluaran  hanya  mengandung frekuensi fundamental
3. Arus  keluaran Z-Source inverter pada saat diaplikasikan ke motor induksi 3 fasa memiliki harmonisa yang sangat kecil yaitu sebesar 2%.
4. Pada implementasi Z-Source inverter akan menjadi mode DCM  apabila  diaplikasikan  ke  beban  yang  kurang  dari 20% rating inverter .
5. Efisiensi Z-Source inverter yaitu sebesar 88 %.
6. Z-Source  inverter  mampu  menjadi  kontrol  kecepatan motor induksi 3 fasa (V/f konstan) dengan cara mengubah parameter shoot  through  duty  ratio dan  frekuensi fundamental.
7. Fenomena self boost muncul pada saat Z-Source inverter diberi beban yang memiliki faktor daya sangat rendah.

## VI. SARAN
Saran  yang  diberikan  untuk  perkembangan  penelitian selanjutnya adalah:
1. Z-Source  inverter sebaiknya  diaplikasikan  untuk  beban yang memiliki faktor daya yang diatas 0.8 agar fenomena self boost dapat dihindari. [6,17]
2. Z-Source inverter sebaiknya diaplikasikan diatas 50% dari ratingnya agar terhindar dari mode DCM.
3. Z-Source  inverter sebaiknya  diberi  tambahan  filter  pada sisi  keluaran  sehingga  bentuk  tegangan  dapat  berupa sinusoidal.
4. Kontrol penyalaan Z-Source inverter dapat menggunakan metode  lainnya  seperti maximum  boost  control maupun constant  maximum  boost  control  with  third  harmonic injection untuk  mereduksi stress tegangan  pada  setiap komponen. [8,9,10] 5. Penambahan snubber pasif  atau  aktif  pada Z-Source inverter dapat  dilakukan  untuk  mengurangi spikes tegangan pada MOSFET. [11,18] 6. Komponen induktor pada Z-Source inverter dapat diganti dengan  induktor  terkopel  untuk  memperingkas  dan menghemat biaya pembuatan. [17]

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Gajanayake,  C.J.,  Vilathgamuwa,  D.M.,  et  al:  ‘Z-Source  Inverter Based  Flexible  Distributed  Generation  System  Solution  for  Grid Power Quality Improvement’. IEEE Trans on Energy Conv., Vol. 24, No.3, pp. 695-703, September 2009.
[2] Peng, F.Z. Shen, M., Holland K., ‘Application of Z-Source Inverter for  Traction  Drive  of  Fuel  Cell-Battery  Hybrid  Electric  Vehicles’. IEEE  Trans  Power  Electron,  Vol.  22,  No.3,  pp.  1054-1061.  May 2007.
[3] Peng, F.Z. ‘Z-Source  Inverter’.  IEEE Trans. Ind. Appl., 2003. Vol. 39, pp.504-510
[4] Rashid, M.H.  ‘Power  electronics:  circuit devices  and  applications’.
(Prentice Hall), 1993
[5] Mohan, N., Undeland, T.M., and Robbins, W.P. ‘Power Electronics: Converters, Applications, and Design’. Canada. 1995. John Wiley & Sons, Inc.
[6] Hanif, M., Basu, M., Gaughan, K. ‘Understanding the Operation of a Z-Source  Inverter  for  Photovoltaic  Application  with  a  Design Example’. IET Power Electron. 2011. Vol. 4. Iss. 3. Pp. 278- 287
[7] Loh, P.C., Vilathgamuwa, D.M., Lai, Y.S., Chua, G.T., et al.: ‘Pulse- width modulation of Z-source inverters’. Industry Applications Conf.,
39th IAS Annual Meeting, 3 – 7 October 2004, pp. 148 – 155
[8] Peng,  F.Z.,  Shen, M.,  Qian,  Z.:  ‘Maximum  boost  control  of the  Z- source inverter’, IEEE Trans. Power Electron., 2005, 20, (4), pp. 833
– 838
[9] Shen,  M.,  Wang,  J.,  Joseph,  A.,  Peng,  F.Z.,  Tolbert,  L.M.,  Adams,
D.J.:  ‘Maximum  constant  boost  control  of  the  Z  source  inverter’. Proc. IEEE IAS ’04, 2004, p. 147
[10]  Pham  C.T,  Shen  A,  Dzung  P.Q,  Anh  N.B,  and  Phu  N.X.,  ‘A Comparison  of  COntrol  Methods  for  Z-Source  Inverter’.  Scientific Research., Energy adn Power Engineering., no. 4, pp. 187-195, June 2012.
[11]  Haiping, X., Peng, F.Z., Lihua, C., et al: ‘Analysis and Design of Bi- Directional  Z-Source  Inverter  for  Electrical  Vehicles’.  23 rd Annual Applied Power Electronics Conf. and Exposition, 2008. APEC 2008, 2008, pp. 1252-1257
[12]   Chapman, S. J.: ‘Electric Machinery Fundamentals 4 th ed’. New York. 2005. The McGraw-Hill Companies.
[13]   Qahhar,  M.,  Riawan,  D.C.,  Asfani,  D.A.,  ‘Penurunan  Rating Tegangan  pada  Belitan  Motor  Induksi  3  Fasa  Dengan  Metode Rewinding Untuk Aplikasi Kendaraan Listrik’. Tugas Akhir., Institut Teknologi Sepuluh Nopember., Juli 2013.
[14]  Diana  L.R.,  “Practical  Magnetic  Design:  Inductors  and  Coupled Inductors”., IEEE., pp 1-20.
[15]  TDK.,  “Ferrites  and  Accessories  E65/32/27”.,  EPCOS  AG,  June 2013.
[16]  TDK., “Ferrites and Accessories SIFERRIT material N27”., EPCOS AG, September 2006
[17]  ‘Z-Source  inverter  for  fuel  cell  vehicles’,  prepared  by  Oak  Ridge National Laboratory, Mitch Olszewski, Program Manager, for Energy Efficiency  and  Renewable  Energy,  FreedomCAR  and  Vehicle Technologies, Vehicle Systems Team, Susan A. Rogers, Technology Department Manager, September 2005
[18]   Shuai, D., Qianfan, Z., Chaowei, Z.: ‘Analysis and Design of Snubber Circuit for Z-Source Inverter Applications’. IET Power Electron. vol. 9, iss. 5, pp. 1083-1091. December 2015.