## Prototipe Power Supply Gate Driver untuk Multilevel Inverter dengan Menggunakan Flyback Converter Multi Output
Novie Ayub Windarko 1 , Akhmad Puryanto 2 , Rachma Prilian Eviningsih 3 , Moh. Zaenal Efendi 4 , Eka Prasetyono 5 , Bambang Sumantri 6
1,2,3,4,5,6 Departemen Teknik Elektro, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya 1 ayub@pens.ac.id, 2 akhmad.puryanto97@gmail.com, 3 rachmaevin@pens.ac.id, 4 zen@ pens.ac.id, 5 eka@pens.ac.id, 6 bambang@pens.ac.id

## Abstrak
Dengan perkembangan konverter elektronika daya, kebutuhan untuk memperkecil ukuran dan  keandalan  semakin  meningkat.  Dengan  meningkatnya  frekuensi  switching  pada konverter,  maka  dv/dt  yang  tinggi  dapat  menyebabkan  kesalahan  dalam  turn-on  ataupun turn-off  switching  devices.  Masalah-masalah  tersebut  dapat  diatasi  dengan  menerapkan tegangan bias negatif untuk melakukan turn-off switching devices. Makalah ini mengusulkan prototipe power supply gate driver yang dikhususkan untuk Multi Level Inverter (MLI). Sebuah prototipe power supply gate driver yang menggunakan satu unit konverter flyback dengan multi output untuk tegangan bias positif dan negatif, serta terisolasi galvanis sebanyak switching devices MLI. Dengan menggunakan topologi dasar flyback maka konverter ini memiliki isolasi galvanis melalui trafo frekuensi tinggi. Dari hasil eksperimen proses switching bisa berubah dari kondisi dari on menuju off dan dari off menuju on bisa berjalan secara sempurna.
Kata kunci: power supply, gate driver, MLI, flyback, multioutput.

## Abstract
As the power electronic converters develop rapidly, the need of compactness and reliability increases accordingly. Higher switching frequency may leads to faulty when turning on and off the switching devices. These problems can be solved by applying negative bias voltage when turning off switching devices. This study proposes  gate driver power supply prototype specially  designed  for  Multi  Level  Inverter  (MLI).  This  prototype  used  a  flyback converter with multioutput for positive and negative bias voltage, and also isolated by galvanic as many as the MLI switching devices.  By using flyback topology, the converter has galvanic isolation through high frequency transformer. The experiments show that the switching process from- on-to-off and from-off-to-on works perfectly.
Keywords: power supply, gate driver, MLI, flyback, multioutput.

## 1. Pendahuluan
Dalam  beberapa  dekade  ini,  konverter  daya  dc  ke  ac,  atau  biasa  disebut  inverter, memainkan  peran  penting  dalam  variable  frequency  drives,  air  conditioning,  uninterruptible power  supplies,  induction  heating,  high-voltage  dc  power  transmission,  penggerak  kendaraan listrik, filter aktif, dan pemanfaatan sumber daya energi terbarukan [1]. Berdasarkan sifat
bentuk  gelombang  output,  inverter  dapat  diklasifikasikan  sebagai:  square  wave  inverters, quasi-square wave inverters, two-level pulse width modulation (PWM) inverters, and multilevel inverters (MLI) [2].
Dalam  beberapa  tahun  terakhir,  multilevel  inverter  telah  menjadi  semakin  menarik karena sesuai untuk aplikasi tegangan tinggi, efisiensi tinggi dan EMI yang rendah, sesuai untuk  aplikasi  daya  besar,  tegangan  output  distorsi  rendah  dan  respon  dinamik  yang baik[3].  Efisiensi  tinggi  dan  EMI  yang  rendah  dapat  dihasilkan  karena  switching  devices turn-on  dan  turn-off  hanya  satu  kali  per  siklus.  MLI  didesain  untuk  menghasilkan  daya yang  besar  meskipun  dengan  menggunakan  switching  devices  semikonduktor  dengan rating tegangan rendah.
Prinsip  kerja  MLI  adalah  melakukan  konversi  daya  dengan  menghasilkan  tegangan tangga yang menyerupai gelombang sinus. MLI menggunakan beberapa sumber tegangan DC yang dijumlahkan untuk menghasilkan tegangan AC. Kapasitor, baterai, dan sumber tegangan  energi  terbarukan  dapat  digunakan  sebagai  sumber  tegangan  DC  pada  MLI. Semakin  banyak  sumber  tegangan  DC,  maka  tegangan  output  mendekati  mendekati bentuk  gelombang  sinusoidal.  Oleh  sebab  itu  rugi  daya  switching  menjadi  rendah  dan komponen  penyaklaran  tidak  mengalami  stress  tegangan  yang  tinggi  [4].  Namun, Multilevel  inverter  memiliki  beberapa  kelemahan.  Salah  satu  kelemahan  khusus  adalah banyaknya  kekuatan  switching  semikonduktor  diperlukan.  Meski  tingkat  komponen switching  devices  bertegangan  rendah  dapat  digunakan  dalam  Multilevel  inverter,  namun masing-masing  switching  devices  membutuhkan  gate  driver.  Hal  ini  dapat  menyebabkan keseluruhan  sistem  menjadi  lebih  mahal  dan  kompleks.  Untuk  implementasi  praktis, sangat penting untuk mengurangi jumlah switching devices dan gate driver. Lebih jauh telah diteliti beberapa aplikasi MLI baru dengan pengoperasian yang efisien, ukuran yang lebih kecil, gate driver lebih sedikit serta biaya rendah[5]-[6].
Beberapa peneliti tertarik untuk mengembangkan power supply untuk gate driver pada inverter. Khususnya untuk MLI, sebagian besar switching devices pada posisi mengambang, sehingga  jumlah  power  supply  yang  dibutuhkan  cukup  banyak.  Hal  ini  menimbulkan kerumitan tersendiri pada rangkaian.
Gambar 1. Inverter 13 level dengan power supply gate driver per 4 switching devices
Beberapa  peneliti  menggunakan  prinsip  Bootstrap  charge  pump  untuk  power  supply gate  driver  pada  MLI  [7].  Power  supply  bertegangan  rendah  bisa  dari  kapasitor  dc  link. Namun topologi ini dapat menyebabkan permasalahan EMI dan asimetri dari sisi pandang topologi  maupun  pengoperasian  [8].  Sebagian  peneliti  menggunakan  DC-DC  Converter On-chip  [9]-[10]  sebagai  solusi  yang  efektif,  ditunjukkan  pada  Gambar  1.  Namun penggunaan On-Chip menyebabkan biaya yang mahal [11].
Dengan  perkembangan  konverter  elektronika  daya,  kebutuhan  untuk  memperkecil ukuran dan keandalan semakin meningkat. Pada konverter yang menggunakan induktor atau  transformator,  dimensi  komponen  magnetik  biasanya  berbanding  terbalik  dengan
Prototipe Power Supply Gate Driver untuk Multilevel Inverter dengan Menggunakan Flyback Converter Multi Output
Novie Ayub Windarko, Akhmad Puryanto, Rachma Prilian Eviningsih, Moh. Zaenal Efendi, Eka Prasetyono, Bambang Sumantri
frekuensi  switching.  Dengan  meningkatnya  frekuensi  switching,  maka  dv/dt  yang  tinggi dapat menyebabkan kesalahan dalam turn-on ataupun turn-off switching devices. Masalah- masalah tersebut dapat diatasi dengan menerapkan bias negatif untuk melakukan turn-off switching devices [12].
Pada  makalah  ini  dipaparkan  tentang  prototype  power  supply  gate  driver  yang dikhususkan  untuk  MLI.  Prototype  menggunakan  satu  unit  konverter  flyback  dengan multi  output  untuk  bias  tegangan  positif  dan  negatif,  serta  terisolasi  galvanis  sebanyak switching  devices  MLI.  Prototype  ini  diharapkan  bisa  berbentuk  rangkaian  sederhana, namun tetap bisa berfungsi dengan baik.

## 2. Metode

## 2.1.   Rangkaian Flyback Converter Multi Output
Gambar 2. Flyback multioutput dengan tegangan bias positif dan negatif
Gambar 2 menunjukkan konverter yang diusulkan untuk memenuhi kebutuhan power supply  gate  driver.  Sesuai  dengan  kebutuhan  pada  MLI,  konverter  tersebut  menyediakan multioutput  dan  menyediakan  tegangan  bias  positif  dan  negatif.  Konverter  yang digunakan  adalah  tipe  flyback.  Dengan  menggunakan  topologi  dasar  flyback  maka konverter ini memiliki isolasi galvanis melalui trafo frekuensi tinggi.

## 2.2    Prinsip Kerja Flyback Converter Multi Output
Flyback terdiri dari trafo isolasi frekuensi tinggi antara input dan output, satu switching devices di sisi primer, diode penyearah pada sisi sekunder dan filter C pada sisi sekunder dan  tersier,  seperti  ditunjukkan  Gambar  3.  Prinsip  kerja  Flyback  adalah  memanfaatkan induktansi magnetic dari trafo sebagai penyimpan energi pada saat konversi daya. Prinsip kerja dianalisis berdasarkan switching devices tertutup dan terbuka.
Saat  switching  devices  tertutup,  sumber  tegangan  V s akan  paralel  dengan  tegangan kumparan primer V 1 . Pada sisi primer trafo arus akan mengalir ke L m dan kumparan N 1 . Sehingga:
Bila dinyatakan dalam perubahan arus pada L m maka:
(2)
di mana DT adalah periode atau durasi waktu selama switching devices tertutup.
Gambar 3. Analisa rangkaian flyback multioutput
Arus  yang  mengalir  ke  L m akan  disimpan  sebagai  energi.  Maka  perubahan  arus  selama switching devices tertutup sebesar:
(3)
Pada sisi sekunder dan tersier arus tidak dapat mengalir  karena arah arus bias mundur terhadap diode D 1 dan D 2 . Pada kondisi ini beban R 1 dan R 2 disuplai arus  dari C 1 dan C 2 . Di mana:
(4)
(5)
(6) (7) (8)
Di  mana  V d1 dan  V d2 adalah  tegangan  pada  diode  D 1 dan  D 2 .  Vop  adalah  tegangan  bias positif, dan Von adalah tegangan bias negatif.
Saat  switching  devices  terbuka,  pada  sisi  primer  trafo,  arus  akan  mengalir  dari  L m ke kumparan N 1 . Arus yang mengalir di kumparan N 1 akan transfer ke kumparan sekunder N 2 dan kumparan tersier N 3 . Diode D 1 dan D 2 mendapatkan arus bias maju, sehingga arus
Prototipe Power Supply Gate Driver untuk Multilevel Inverter dengan Menggunakan Flyback Converter Multi Output
Novie Ayub Windarko, Akhmad Puryanto, Rachma Prilian Eviningsih, Moh. Zaenal Efendi, Eka Prasetyono, Bambang Sumantri
mengalir ke C 1 , C 2 , R 1 dan R 2 . Dengan mengasumsikan tegangan output V op dan V on tetap konstan, maka tegangan kumparan sekunder N 2 dan kumparan tersier N 3 menjadi sama dengan V op dan V on
(9)
(10)
Tegangan  ini  akan  berimbas  ke  tegangan  kumparan  primer  yang  paralel  terhadap  L m , sehingga:
(11)
atau
(12) (13) (14)
Bila dinyatakan dalam perubahan arus pada L m maka:
(15)
atau
(16)
Di mana (1-D)T adalah periode/durasi waktu selama switching devices terbuka.
Arus L m yang mengalir merupakan pelepasan energi. Maka perubahan arus L m selama switching devices terbuka sebesar:
(17)
atau
(18)
Dalam satu periode total arus yang mengalir pada L m adalah nol.
(19)
Sehingga tegangan output dapat dinyatakan dengan:
(20)
atau
(21)

## 3. Hasil Dan Pembahasan
Gambar 4. Rangkaian pengujian alat beserta alat ukur dan pendukung
Pengujian  konverter  yang  diusulkan  tampak  pada  Gambar  4.  Rangkaian  flyback multioutput diujikan pada rangkaian inverter yang terdiri dari MOSFET yang beroperasi sebagai  switching  devices  low  side  dan  high-side.  Pada  pengujian  ini  respon  tegangan  dan arus direkam dengan osiloskop DL850 Yokogawa.
Konverter didesain untuk menghasil tegangan bias positif sebesar 14 V dan tegangan bias negatif sebesar -6 V. Dengan desain untuk digunakan pada MLI tiga tingkat [13], maka konverter  didesain  dengan  4  output  dengan  sepasang  tegangan  bias  positif  dan  negatif untuk setiap output. Pada Gambar 5 nampak konverter yang menggunakan satu inti trafo frekuensi tinggi dengan kumparan sekunder 4 buah, di mana kumparan untuk tegangan bias positif dan negatif dalam satu kumparan dengan  centre tap. Hasil pengukuran trafo dengan menggunakan LCR meter ditunjukkan pada Tabel 1. Flyback dioperasikan dengan frekuensi switching sebesar 40 kHz.
Gambar 5. Rangkaian Flyback multioutput
Osiloskop Rangkaian Flyback Multioutput Rangkaian MOSFET Inverter DC Power supply
Terminal Multioutput Trafo Frekuensi Tinggi
Prototipe Power Supply Gate Driver untuk Multilevel Inverter dengan Menggunakan Flyback Converter Multi Output
Novie Ayub Windarko, Akhmad Puryanto, Rachma Prilian Eviningsih, Moh. Zaenal Efendi, Eka Prasetyono, Bambang Sumantri
Tabel 1. Spesifikasi trafo frekuensi tinggi pada flyback Kumparan Trafo Nilai Primer N 1 =42, R=0,5 Ω, L m =2,23 mH
Sekunder 1 N 2 =27, R_N 2 =0,6 Ω, L_N 2 =2,14 mH N 3 =12, R_N 3 =0,4 Ω, L_N 3 =0,22 mH
Sekunder 2 N 2 =27, R_N 2 =0,6 Ω, L_N 2 =2,03 mH N 3 =12, R_N 3 =0,4 Ω, L_N 3 =0,22 mH
Sekunder 3 N 2 =27, R_N 2 =0,6 Ω, L_N 2 =2,15 mH N 3 =12, R_N 3 =0,4 Ω, L_N 3 =0,23 mH Sekunder 4 N 2 =27, R_N 2 =0,6 Ω, L_N 2 =2,05 mH N 3 =12, R_N 3 =0,4 Ω, L_N 3 =0,20 mH
Gambar 6 menunjukkan respon output konverter flyback yang diamati selama 0,5 detik. Osiloskop dioperasikan dengan V/div=5 volt/div dan time/div sebesar 50ms/div. Respon tegangan bias positif pada Gambar 6a menunjukkan kondisi steady state pada tegagan 14,68 volt  converter  memerlukan  waktu    rise  time  sebesar  28,01ms  dengan  overshoot  sebesar 3,28%. Sedangkan pada Gambar 6b menunjukkan respon tegangan bias negatif steady state pada tegangan -6k53 V, rise time sebesar 29k80 ms dengan overshoot sebesar 0,70%.
Pada  Gambar  7,  konverter  diujikan  untuk  menyuplai  daya  gate  driver  pada  inverter. Inverter dioperasikan dengan frekuensi switching 10 KHz menggunakan  modulasi PWM dengan duty  50%. Gambar 7a menunjukkan respon tegangan Vgs dan Gambar 7b respon tegangan  Vgs  pada  MOSFET  dengan  pengoperasian  osiloskop  time/div=20us/div  dan V/div=5V/div. Respon MOSFET menunjukkan tidak ada permasalahan dalam proses turn- on dan turn-off pada switching device.
(a) (b)
Gambar 6. Respon tegangan: (a) bias positif Vop dan (b) bias negatif Von
(a) (b)
Gambar 7. Pengujian gate driver: (a) respon pada Vgs dan (b) Vds MOSFET
Gambar 8. Respon Vds MOSFET dengan gambar diperbesar
(a) (b)
Gambar 9. Kinerja Flyback berdasarkan duty cycle: (a) Tegangan output positif dan (b) Tegangan output negatif
diperb esar Proses Off Mosfet
Prototipe Power Supply Gate Driver untuk Multilevel Inverter dengan Menggunakan Flyback Converter Multi Output
Novie Ayub Windarko, Akhmad Puryanto, Rachma Prilian Eviningsih, Moh. Zaenal Efendi, Eka Prasetyono, Bambang Sumantri
Pada  Gambar  8  menunjukkan  respon  V ds MOSFET  dengan  time/div=5  ms/div  dan V/div=10  v/div.  Untuk  Gambar  8  bawah  adalah  gambar  atas  yang  diperbesar  dengan time/div=1  μs/div.  Pada  Gambar  8  bawah  bisa  dilihat  proses  switching  mosfet  berubah dari kondisi dari on menuju off  secara sempurna.
Pada  Gambar  9  dapat  dilihat  bahwa  tegangan  keluaran  flyback  cenderung  konstan pada  saat  duty  cycle  mencapai  30%.  Pada  Gambar  9a  pengujian  output  tegangan  bias positif, semakin besar duty cycle nilai tegangan output flyback semakin besar secara linear. Namun  pada  saat  duty  cycle  30%  output  teganganya  relatif  stabil  dan    tidak  banyak mengalami  perubahan.  Untuk  tegangan  pada  VS2+  memiliki  sedikit  perbedaan dibandingkan VS1+, VS3+, VS4+. Pada Gambar 9b juga menunjukkan hal yang sama, VS1- menghasilkan  tegangan  bias  negatif  paling  rendah.  Hal  ini  disebabkan  oleh  lilitan kumparan yang tidak ideal.

## 4.   Kesimpulan
Makalah ini menjelaskan tentang konverter flyback multioutput untuk menghasilkan tegangan bias positif dan negatif untuk suplai daya gate driver. Aplikasi dari konverter ini khususnya  untuk  suplai  daya  gate  driver  pada  multilevel  inverter  yang  membutuhkan banyak  unit  suplay  daya  untuk  gate  driver.  Diharapkan  desain  ini  dapat  diaplikasikan dengan menggunakan komponen SMD yang ukurannya cukup kecil sehingga konverter bisa lebih ringkas.

## Daftar Pustaka
[1]  M. Hagiwara, K. Nishimura, and H. Akagi, “A Medium-Voltage Motor Drive with A Modular Multilevel PWM Inverter,” IEEE Trans. Power Electron., vol. 25, no. 7, pp. 1786 –1799, Jul. 2010.
[2]  E.  Najafi  and  A.  H.  M  Yatim,  ”Design  and  Implementation  of  A  New  Multilevel Inverter  Topology,” IEEE  Transactions  On  Industrial  Electronics, vol.  59,  no.  11,  pp. 4148-4154, 2011.
[3]  F. Z. Peng, W. Qian, and D. Cao,” Recent Advances in Multilevel Converter/Inverter Topologies  and  Applications,”  In Proc.    IEEE  2010  International  Power  Electronics Conference-ECCE ASIA , pp. 492-501, June 2010.
[4]  E. Babaei and S. S. Gowgani, ”Hybrid Multilevel Inverter Using Switched  Capacitor Units,” IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 61, no. 9, pp. 4614-4621, 2013.
[5]  M. R. Banaei and S. Ebrahim, "New Multilevel Inverter with Reduction of Switches and Gate Driver," J. of Energy Conversion and Management, vol. 52, no. 2, pp. 1129-1136, 2011.
[6]  M. Schweizer and J. W. Kolar, “Design and Implementation of a Highly Efficient Three- Level  T-Type  Converter  for  Low-Voltage  Applications,”  IEEE Trans.  Power  Electron., vol. 28, no. 2, pp. 899–907, Feb. 2013.
[7]  Y.  Ye  and  K.  E.  Cheng,  ”Bootstrap  Gate  Driver  and  Output  Filter  of  an  SC-based Multilevel Inverter for Aircraft APU,” In Proc. IEEE 6th International Conference on Power Electronics Systems and Applications (PESA), pp. 1-5, December 2015.
[8]  A. Stillwell and R. C. N. Pilawa-Podgurski, ”A Five-Level Flying Capacitor Multilevel Converter With Integrated Auxiliary  Power supply and Start-Up,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 34, no. 3, pp. 2900-2913, 2018.
[9]  C. B. Barth, T. Foulkes, W. H. Chung, T. Modeer, P. Assem, Y. Lei, and R. C. Pilawa- Podgurski, “Design and Control of a GaN-based, 13-level, Flying Capacitor Multilevel Inverter,”  In Proc.  IEEE  17th  Workshop  on  Control  and  Modeling  for  Power  Electronics (COMPEL), pp. 1-6, June 2016.
[10] Z. Liao, Y. Lei, and R. C Pilawa-Podgurski, “A GaN-based Flying-Capacitor Multilevel Boost  Converter  for  High  Step-Up  Conversion,”  In Proc.  IEEE  Energy  Conversion Congress and Exposition (ECCE, pp. 1-7), September 2016.
[11] Z.  Ye,  Y.  Lei,  W.  Liu,  P.  S.  Shenoy,  and  R.  C.  N.  Pilawa-Podgurski,  “Design  and Implementation  of  a  Low-Cost  and  Compact  Floating  Gate  Drive  Power  Circuit  for GaN-based  Flying  Capacitor  Multi-level  Converters,”In  Proc.  IEEE  Applied  Power Electronics Conference and Exposition (APEC), pp. 2925-2931, 2017 .
[12] R. Zhao, D. Gladwin, X. Mou, and D. A. Stone, “A Non-Isolated Bipolar Gate Driver with  Self-Driven  Negative  Bias  Generator  in  High-Side-Only  Application,”  In  Proc. IECON 2018 - 44th Annual Conference of the IEEE Industrial Electronics Society, pp. 1362-
1367 , Oct 2018 .
[13] M. A. B. Nugroho, N. A. Windarko, and B. Sumantri, ”Perancangan Kendali Multilevel Inverter  Satu  Fasa  Tiga  Tingkat  dengan  PI+  Feedforward  pada  Beban Nonlinier,” ELKOMIKA:  Jurnal  Teknik  Energi  Elektrik,  Teknik  Telekomunikasi,  &  Teknik
Elektronika, vol. 7, no. 3, pp. 493-507, 2019.