Abstrak —  Baterai  adalah  sebuah  peralatan  listrik  yang berfungsi  untuk  menyimpan  energi  pada  peralatan  elektrik, elektronik, maupun peralatan otomotif. Perkembangan teknologi pembangkitan  tenaga  listrik  dengan  memanfaatkan  sumber energi  terbarukan  saat  ini  berkembang  pesat  sehingga diharapkan  mampu  menjadi  sumber  listrik  alternatif.  Untuk membuat  sistem  yang  diharapkan  dilakukan  dengan  cara menggabungkan  sumber-sumber  energi  listrik  yang  ramah lingkungan  dan  melimpah  seperti  sel  surya  dan  turbin angin.Tujuan  dari  penggunaan  teknologi  Konverter multi-input ( MIC )  adalah  untuk  menggabungkan  keluaran  tegangan  panel surya dan turbin angin agar kedua sumber dapat bekerja secara mandiri  atau  pun  bersama-sama.  Konverter multi-input adalah konverter  yang  mempunyai input lebih  dari  satu.  Pada  Tugas Akhir ini daya yang dihasilkan dari MIC akan digunakan untuk pengisian  baterai.  Pengoperasian MIC dilakukan  dengan mengatur duty  cycle yang  berupa  modulator  PWM  yang dipasang  pada  sakelar  masing-masing  sumber.  Sedangkan tegangan  keluaran  dari MIC dijaga  konstan  untuk  pengisian baterai dengan mode constant voltage. Dalam implementasi dapat dibuktikan  bahwa  dengan  menggunakan  dua  sumber input tegangan dan  beban resistor, tegangan  keluaran  konverter tetap terjaga konstan
Kata  Kunci :  Panel  surya,  Baterai,  konverter  DC-DC, Konverter multi-input

## I. PENDAHULUAN
Perkembangan  pemanfaatan  sumber  energi  terbarukan seperti  energi  surya  dan  energi  angin  menjadi  energi  listrik saat  ini  yang  telah  meningkat  secara  signifikan.  Penggunaan energi  terbarukan  tersebut  juga  diiringi  oleh  petumbuhan teknologi  elektronika  daya  yang  cepat  dan  semakin  canggih, namun  ketersedian  energi  matahari  dan  energi  angin bergantung pada waktu, cuaca dan musim. Contoh kasus yang pertama  adalah  saat  musim  kemarau,  energi  matahari berlimpah akan tetapi kecepatan angin pelan, yang kedua saat musim  penghujan,  karena  mendung  cahaya  matahari  tertutup awan  sedangkan  angin  tertiup  kencang.  Karena  melihat kenyataan  itu  dibuatlah  teknik hybrid dimana  tenaga  panel surya dan turbin angin dipadukan sehingga lebih handal untuk menyuplai  tenaga  secara  kontinu  dari  pada  bekerja  secara terpisah[1]-[2].
Teknik  hybrid  yang  sekarang  banyak  digunakan  adalah menggabungkan  beberapa  jenis  pembangkit  listrik  yang  tidak
dapat  diperbaharui  maupun  yang  dapat  diperbaharui, Contohnya seperti pembangkit energi angin, surya, dan diesel. Kontribusi  dari  tugas  akhir  ini  adalah  Konverter  multi-input (MIC) digunakan sebagai solusi alternatif untuk mengkombinasi  sumber  energi  terbarukan  yang  ada  sehingga dapat  menyederhanakan  dalam  mengatur  dua  sumber  yang tersedia,  menyederhanakan  desain  dan  mengurangi  biaya. Terdapat  sebuah  kontrol  dengan  PWM  pada  setiap  sumber agar  dapat  bekerja  bergantian  sesuai  Duty  cycle  masing- masing  [3].  Kedua  input  dimasukan  kedalam  konverter buck dimana tegangan keluaran akan lebih kecil dari tegangan input sehingga  dapat  dikondisikan  untuk  beban  yang  mempunyai daya kecil[4].
Dengan  mengacu  pada  rentang  tegangan  pengisian  baterai lead  acid,  bisa  ditentukan  nilai  tegangan  keluaran  konverter yang  akan  dikeluarkan  nantinya.  Dimana  tegangan  keluaran konverter harus lebih besar daripada tegangan baterai. Dengan begitu pengisian baterai dapat dilakukan[5]-[6].

## II. URAIAN PENELITIAN

## A. Konverter DC-DC multi-input konverter buck
DC DC Vo R C + - I L I C L V L + - D 1 D 2 I L S 1 S 2

## Gambar 1. Topologi Konverter.
Ketika  sakelar  pertama S 1 dan  sakelar  kedua S 2 dimatikan, dioda D1 dan D2 akanakan  memberikan  jalan by  pass agar arus  induktor  mengalir  terus  menerus.Dengan  menerapkan skema  Kontrol  PWM  untuk  menyalakan  sakelar S 1 dan S 2 , multi-input yang  direncanakan  bisa  mengalirkan  dua  sumber tegangan secara sendiri-sendiri maupun gabungan.
Zainul Arifin, Dedet Candra Riawan, ST., M.Eng., Ph.D dan Heri Suryoatmojo, ST., MT., Ph.D Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111
E-mail : zainul12@mhs.ee.its.ac.id ; dedet@ee.its.ac.id ; suryomgt@ee.its.ac.id

## Perancangan dan Implementasi Multi-Input
Konverter Buck Untuk Pengisian Baterai Menggunakan Panel Surya dan Turbin Angin
Gambar 2. Operasi konverter buck multi -input (a) mode 1 (b) mode 2, (c) mode 3, (d) mode 4
B. Mode Operasi Konverter
Konverter  DC-DC multi-input  buck  converter memiliki empat  mode operasi dalam satu periode penyakelaran. Dalam melakukan  analisis  terhadap  mode  operasi  konverter, diasumsikan bahwa semua komponen dianggap dan konverter beroperasi secara continuous-continuous conduction mode (C- CCM) atau arus induktor i L selalu kontinu [3].
1. Mode 1
Pada saat (S1 : ON / S2 : OFF) sakelar satu (S1) diaktifkan dan  sakelar  dua  (S2)  dimatikan.  S1  konduksi,  Dioda  D1 bekerja reverse bias dan dianggap sebagai rangkaian  terbuka, dan disisi lain V2 mati sehingga dioda D2 akan menyediakan jalur by pass  untuk induktor sesuai ditunjukan pada Gambar 2 (a).  Dalam  mode  ini  V1  akan  menyuplai  komponen penyimpanan  daya  induktor  L  dan  kapasitor  (C)  serta  beban (R).
2. Mode 2
Pada saat (S1 : OFF / S2 : ON) sakelar satu (S1) dimatikan dan  sakelar  dua  (S2)  diaktifkan.  S2  konduksi,  Dioda  D2 bekerja reverse bias dan dianggap sebagai rangkaian  terbuka, dan disisi lain V1 mati sehingga dioda D1 akan menyediakan jalur by pass  untuk induktor sesuai ditunjukan pada Gambar 2 (b).  Dalam  mode  ini  V2  akan  menyuplai  komponen penyimpanan  daya  induktor  L  dan  kapasitor  (C)  serta  beban (R).
3. Mode 3 Pada saat (S1 : ON / S2 : ON) sakelar satu (S1) dan sakelar dua  (S2)  diaktifkan.  Sakelar  S1  dan  S2  konduksi,  Dioda  D1 dan  dioda    D2  bekerja reverse  bias dan  dianggap  sebagai rangkaian  terbuka,  dan  disisi  lain  V1  dan  V2  tersusun  seri
sesuai ditunjukan pada Gambar 2 (c).pada mode ini V1dan V2 yang  tersusun  seri  menyuplai  komponen  penyimpanan  daya induktor L dan kapasitor (C) serta beban (R).
4. Mode 4 Pada  saat  (S1  :  OFF  /  S2  :  OFF)  sakelar  satu  (S1)  dan sakelar  dua  (S2)  dimatikan.  Sakelar  S1  dan  S2  isolasi,  Dioda D1 dan dioda  D2 bekerja forward bias dan dianggap sebagai rangkaian terbuka. Disisi lain V1 dan V2 mati sehingga dioda D1  dan  dioda  D2  akan  menyediakan  jalur  by  pass    untuk induktor sesuai ditunjukan pada Gambar 2(d). Dalam mode ini V1 dan V2 tidak menyuplai ke beban namun ada arus sisa dari induktor menyuplai kapasitor (C) dan beban (R).

## C. Analisis Persamaan konverter multi-input
Untuk  menentukan  besar  nilai  komponen  yang  digunakan pada konverter multi- input buck converter seperti duty cycle 1 D 1 ,  duty  cycle  2  D 2 , kapasitor C,  induktor  L,  ripple arus (  I L ) maupun ripple tegangan  keluaran (  V o ) keempat  mode sebelumnya akan digunakan. Adapun mode 1 dapat diperoleh persamaan sebagai berikut :
(2.1)
(2.2)
(2.3)
(2.4)
Selanjutnya pada mode 2 yang ditunjukan pada Gambar 2 (b) didapatkan persamaan sebagai berikut:
(2.5) (2.6)  (2.7)
Selanjutnya pada mode 3 yang ditunjukan pada Gambar 2 (c) didapatkan persamaan sebagai berikut:
(2.8) (2.9) (2.10)  (2.11)
Dari  persamaan  2.11  bisa  diketahui  nilai  dari  ripple  arus induktor (  I L ).Selanjutnya pada mode 4 yang ditunjukan pada Gambar 2 (d) didapatkan persamaan sebagai berikut:
(2.12) (2.13)    (2.14)  (2.15)
Dengan mengaplikasikan prinsip induktor volt-second balance dan  mengkobinasikan  persamaan  (2.8),  (2.5)  dan  (2.12) dihasilkan persamaan:
∫ ∫ ∫ (2.16)
Dari  persamaan  2.16  diatas  diperoleh  persamaan  dasar  untuk konverter buck multi- input seperti persamaan:
(2.17)
Induktor diasumsikan mempunyai induktansi besar sehingga ripple arus  diabaikan.  Ketika  S 1 dan  S 2 aktif  arus yang  dihasilkan V 1 dan V 2 ( I 1 dan I 2 )  sama  dengan  arus  yang mengalir  di  induktor  ( I L )  sehingga  arus  rata-rata  yang  dapat dimasukan dapat ditulis dalam persamaan :
(2.18) (2.19)

## III. DESAIN, SIMULASI DAN IMPLEMENTASI

## A. Desain
Desain  konverter  dilakukan  untuk  menentukan  parameter rangkaian  dengan  memperhitungkan  peralatan  yang  terdapat di  laboratorium  dan  komponen  yang  tersedia  di  pasaran, sehingga  mempermudah  proses  implementasi prototype konverter. Tabel 1 di bawah ini menunjukkan parameter awal yang digunakan sebagai acuan dalam proses desain konverter.
Tabel 1. Spesifikasi Awal Desain Konverter Parameter Nilai Daya Output  P O 30 Watt Tegangan Output V O 13.8 Volt Tegangan Input 1 V1 Tegangan Input 2 V2 17 Volt 24 Volt Switching Frequency ( f ) 40 kHz
Ripple V O ( ΔV O ) 1 % Ripple I L ( ΔI L ) 30 %
Tegangan output multi- input  buck  converter harus  dijaga konstan  sebesar  13.8  Volt  dengan  bekerja-samanya  dua duty cycle .  Konverter multi-input ini  bekerja  pada  tegangan input V 1 =17  Volt  dan V 2 =  24  Volt.  Diasumsikan duty  cycle 1 D 1 = 50%  Dari  persamaan  2.17  dapat  diperoleh  persamaan duty cycle sebagai berikut:
(3.1) (3.2)
Dari persamaan 2.11 ,jika tegangan input 1 V1 ditambahkan dengan  tegangan input 2 V 2 sama  dengan V sumber  Vs, V 1 +V 2 =Vs diperoleh  persamaan  dan  perhitungan  sebagai berikut :
( ) (3.3)

## (
)
Dalam implementasinya nilai induktor dibuat lebih besar dari perhitungan dan dibuat induktor dengan  nilai sebesar 800µH
Dari persamaan muatan yang tersimpan pada tegangan output . Adapun persamaan umtuk memperoleh nilai kapasitor adalah sebagai berikut : (3.4)   (3.5)
 
(3.6)
Jika perubahan pengisian pada  Q adalah segitiga diatas sumbu X maka dihasilkan persamaan :
 ( ) (  )  (3.7)
 
(3.8)

(3.9)

(3.10)
(  )
(3.11)
Dalam implementasinya nilai kapasitor disesuaikan dengan kapasitor yang tersedia di pasaran, maka dua kapasitor 10µF disusun seri sehingga menghasilkan nilai 5µF.

## B. Simulasi
Simulasi  dilakukan  menggunakan software dengan  nilai dari  parameter-parameter  yang  telah  dihitung.  Untuk  nilai induktansi bocor L KP dimasukkan sebesar 5 μH yang diperoleh dari pengukuran induktor-kopel hasil implementasi menggunakan  LCR  meter.  Simulasi  dilakukan  dalam  kondisi tunak dengan V 1 = 17 Volt, V 2 = 24 Volt, D 1 = 0,6 dan secara perhitungan diperoleh nilai D 2 = 0.22.
Gambar 3. Gelombang Arus Induktor dan Tegangan Kapasitor.

## C. Implementasi
Implementasi dilakukan untuk mengetahui kinerja konverter  berdasarkan  desain  dan  simulasi  yang  telah dilakukan.  Tabel  2  menunjukkan  spesifikasi  komponen  yang digunakan.  Nilai  ini  diperoleh  dari  hasil  perhitungan  dan disesuaikan dengan komponen yang tersedia di pasaran.
Tabel  2 .
Spesifikasi Komponen Rangkaian Konverter
Komponen Nilai Induktor L 1 800 μH Kapasitor C 5uF/100 V Dioda MUR1560 MOSFET IRF540
Sesuai  dengan  komponen  pada  Tabel  2,  Gambar  4  di dibawah  menunjukkan hasil implementasi dari konverter DC- DC rasio tinggi dengan induktor-kopel dan dioda-kapasitor.
(a) (b)
Gambar 4. Hasil Implementasi Alat (a) Tampak samping (b) Tampak atas

## IV. PENGUJIAN

## A. Pengujian Gelombang Pensakelaran
Pengujian  sinyal  PWM  dan  pensakelaran    dilakukan  untuk mengetahui pakah bentuk gelombang output PWM dan proses pensakelaran  pada  dioda  dan  MOSFET  sudah  bekerja sebagaimana mestinya. Pengujian dilakukan dengan menggunakan  osiloskop  dengan  memberikan  tegangan input pertama  V 1 =  15  V,  tegangan input kedua  V 2 =  20  V, duty cycle pertama D1 = 0.28% dan duty cycle kedua D 2 = 0.48 % sebagaimana  yang  tertera  pada  Tabel  1  .  frekuensi  switching yang  digunakan  adalah  40  kHz,  sehingga  besar  periode gelombang PWM dan pensakelaran konverter adalah 25 µs.

## B. Pengujian Arus induktor terhadap duty cycle
Dari  Gambar  4.2  dapat  diketahui  bahwa  dioda  D1  dan  D2 sudah  bekerja  sebagaimana  mestinya  yaitu  sesuai  dengan mode  operasi  konverter  dan  hasil  simulasi.  Saat  tegangan MOSFET G-S 1 atau V GS1 dalam kondisi high  ( V GS1 =8.6 V) maka  kondisi  dioda  D1 reverse  bias .  Begitu  juga  saat tegangan  MOSFET  G-S  2  ( V GS1 )    atau  V GS1 dalam  kondisi high  (V GS1 = 11 V) maka kondisi dioda D 2 juga reverse bias . Saat tegangan MOSFET G-S 1( V GS1 ) dalam kondisi low  ( V GS1 =0V) proses sebaliknya terjadi. Begitu pula pada V GS2 dan D 2 .
Gambar 5. Bentuk Gelombang Penyakelaran pada Dioda dan MOSFET

## C. Pengujian Arus Induktor dan Tegangan Kapasitor
Bentuk  gelombang  hasil  pengujian  arus  induktor  (IL)  saat konverter  diberi  tegangan input V1  =15  V  ;  V2  =  20  V  dan duty  cycle 1  =28%  ; duty  cycle 2  =48%  dapat  dilihat  pada Gambar  6.  Dari  Gambar  tersebut  dapat  dianalisis  bahwa  saat VGS  konduksi,  tegangan  Induktor  VL  bernilai  poisitif. Induktor mengalami charging energi sehingga arus induktor IL mengalami  peningkatan.  Sedangkan  saat  VGS  pada  kondisi low tegangan induktor V L bernilai negatif. Induktor mengalami discharging  energi  sehingga  arus  induktor  IL  mengalami penurunan.  Selain  itu  nilai  arus  induktor  selalu  positif  (lebih dari  0).  Hal  ini  membuktikan  bahwa  konverter  beroperasi secara  C-CCM  (Continuous  -  Continuous  Conduction  Mode) sesuai dengan desain dan simulasi yang telah dibahas dibab 3.
Gambar 6. Bentuk Gelombang tegangan induktor (V L )  danarus induktor ( I L ) terhadap MOSFET

## D. Pengujian Rasio Konversi
Pengujian  rasio  konversi  dilakukan  dengan  menggunakan tegangan input V 1 =15 V, V 2 =20 V dan duty cycle dinaikkan secara  bertahap, output terjaga  konstan.  Gambar  7  di  bawah ini  menunjukkan  grafik  hasil  pengujian  rasio  konversi konverter.
Gambar 7. Pada saat D 1 diatur 10-85% dan D 2 mengikuti persamaan 3.2 tegangan output dijaga konstan.
Dari  grafik  diatas,  dapat  dilihat  ketika  konverter  bekerja pada  semua  perubahan duty  cycle , output tetap  terjaga konstan.

## E. Pengujian Efisiensi
Pengujian efisiensi dilakukan pada tegangan input V1 = 17 Volt dan V 2 = 24 Volt dengan tegangan output dijaga konstan sebesar  ±13.8  Volt.  Grafik  di  bawah  menunjukkan  hasil pengujian efisiensi konverter.

## Gambar 8. Grafik Efisiensi Konverter
Dari  Gambar  8  dapat  diketahui  bahwa  efisiensi  tertinggi konverter  adalah  saat  beban  maksimal.  Selain  itu  semakin tinggi tegangan input , semakin tinggi pula efisiensi konverter.

## F. Pengujian Menggunakan Modul Fotovoltaik
Pengujian menggunakan modul fotovoltaik dilakukan untuk mengetahui  bahwa  tegangan output konverter  dapat  dijaga konstan pada tingkat iradiasi yang berbeda.Gambar 9 di bawah menunjukkan  hasil  pengujian  yang  dilakukan  pada  pukul 09.00  hingga  11.00.  Pengujian  tidak  dilanjutkan  dikarenakan pada jam 11.00 hujan.
Gambar 9. Grafik Pengujian Menggunakan Modul PV
Dari  Gambar  9  dapat  diketahui  bahwa  tegangan output konverter  dapat  dijaga  konstan  pada  tegangan  ±13.8  Volt dengan  mengubah duty  cycle konverter  meski  tegangan input konverter  berubah-ubah  akibat  perubahan  intensitas  cahaya matahari yang diserap sel surya.

## V. KESIMPULAN
Berdasarkan  analisis  data  hasil  simulasi  dan  pengujian implementasi  konverter buck  multi-input dengan  sumber fotovoltaik  dan  turbin  angin,  dapt  disimpulkan  beberapa  hal seperti berikut :
1. Konverter buck multi-input yang  dipakai  adalah  1  (satu) konverter buck yang  mempunyai  2  (dua) input yang berkolaborasi menjaga tegangan output tetap konstan.
2. Pengujian efisiensi  konverter dilakukan dengan beban 10 - 100%  dari daya 30 W dan mengalami kenaikan efisiensi saat 20 – 100 %.
3. Duty  cycle pertama  dan  kedua  berkolaborasi  untuk menjaga output tetap konstan sesuai nilai (besar) tegangan input .

## VI. DAFTAR PUSTAKA
[1]. Nugroho. Aditya.  2012. “Konverter multi- input Untuk
Sistem Pembangkit Hybrid Panel surya Dan Turbin Angin”. Surabaya : Institut Teknologi Sepuluh
Nopember
[2]. Y.-M. Chen., S.-C Hung., C,-S.Cheng., and Y.-C.Liu., 2005. “ Multi-input Inverter for Grid-Connected Hybrid
PV/Wind Power Sistem ” IEEE Transaction ON 0-7803- 8975
[3]. Lalit Kumar, Shailendra Jain., 2013. “ A multiple source DC/DC converter topology ” Electrical Power and Energi Systems 51 (2013) 278–291
[4]. Miguel Rodr´ıguez., Pablo Fernandez-Miaja., Alberto Rodrıguez., February 2010. “ A Multiple-Input Digitally
Kontrolled Konverter Buck For Envelope Tracking Applications In Radio frequency Power Amplifiers ”, IEEE Transaction ON POWER ELECTRONICS, VOL. 25, NO. 2
[5]. H. Rashid. Muhammad. 2011. “ Power Electronics Handbook 3rd Edition ”.Butterworth-Heinemann. Florida
: University of  West Florida
[6]. Hart. Daniel W. 2010. “ Power Electronics ”. Valparaiso.
Indiana : Valparaiso University