e-ISSN : 2715-5064

## Reduksi Rugi-Rugi Pensaklaran Pada Konverter Dc-Dc Zeta Dengan Teknik Zero Voltage Transition
Anung 1 , Givy Devira Ramady 2 , Muchamad Sobri Sungkar 3 , Yoddy Agung Nuhgraha 4 , Agung Wirjawan 5 1,2,5 Jurusan Teknik Elektro, Sekolah Tinggi Teknologi Mandala, Bandung
3 Jurusan Teknik Elektronika, Politeknik Harapan Bersama, Tegal
4 Jurusan Teknik Mesin, Politeknik TEDC, Cimahi
1,2,5 Jln. Soekarno-Hatta no 597, Kota Bandung, 40284, Indonesia
3 Jln.Mataram No 9, Kota Tegal, 52147, Indonesia
4 Jln.Pesantren KM.2, Kota Cimahi, Indonesia
email: 1 anungstmt@gmail.com , 2 givy.d.ramady@gmail.com , 3 sobrisungkar@gmail.com , 4 yan_nuhgraha@poltektedc.ac.id , 5 agung.wrwan@gmail.com
Abstract   This paper presents a dc-dc ZETA converter with reduced  switching  loses  at  the  main  switch.  Reducing switching  loses  is  obtained  by  application  of  a  resonance switch,  where turn-on by the zero voltage  and  rising  voltage at turn-off is limited by capacitor that it’s placed parallel with main switch. The operational principle of the proposed dc-dc ZETA  converter  with  reduced  switching  loses  has  been analyzed  under  different  modes  of  switching  operation.  To validate  the  proposed  converter,  the  implementation  is carried  out  using  PSIM  software.  Simulation  result  shows that the main switch  turn-on at  the zero  voltage  and  turn-off at  the  main  switch  voltage  increase  in  a  quadratic  function, so  that  the  result  of  the  voltage  and  current  multiplying  is lower, on the other hand the loses of the main switch can be reduced.
Keywords:  ZETA  converter,  switching  loses,  Zero  voltage, switching transition
Abstrak  Makalah  ini  menyajikan  konverter  dc-dc  ZETA dengan  reduksi  rugi  pencaklaran  pada  saklar  utama. Pengurangan  rugi  pensaklaran  diperoleh  dengan  aplikasi saklar  resonan,  dimana  sewaktu  turn-on  tegangan  nol  dan kenaikan  tegangan  sewaktu  turn-off  dibatasi  oleh  kenaikan tegangan  kapasitor  yang  diletakkan  parallel  dengan  saklar utama.  Prinsip  kerja  dari  konverter  dc-dc  ZETA  dengan pengurangan  rugi  pensaklaran  telah  dianalisi  pada  mode operasi  pensaklaran  yang  berbeda.  Untuk  mempalidasi konverter  yang  diusulkan,  implementasi  dilakukan  dengan menggunakan  perangkat  lunak  PSIM.  Hasil  simulasi menunjukan  bahwa  saklar  utama  trun-on  tegangan  nol  dan kenaikan  tegangan  sewaktu  turn-off  dibatasi  oleh  kapasitor, dengan  kata  lain  rugi  energy  sewaktu  turn-on  dan  turn-off dapat dikurangi.
Kata  Kunci  :  Konverter  ZETA,  Rugi-rugi  pensaklaran, Tegangan Nol, Transisi pensaklaran

## I. PENDAHULUAN
Dc-dc  konverter  banyak  digunakan  pada  catu  daya tegangan  mode pensakalaran dan sebagai pengerak  motor dc.
Tegangan masukan ke konverter merupakan tegangan dc yang tidak  diatur.  Tegangan  dc  tersebut  merupakan  hasil penyearahan tegangan ac,  yang berfluktuasi akibat perubahan tegangan jala-jala. Catu daya dc mode pensaklaran digunakan untuk  mengkonversikan  tegangan  dc  masukan  yang  tidak teregulasi menjadi tegangan keluaran dc yang terkendali.
Berdasarkan  tegangan  keluaran  untuk    dc-dc  konverter yang  tidak  terisolasi  elektrik  dapat  dikelompokan  menjadi lima  jenis  yaitu  :  penurun  tegangan (buck) konverter,  penaik tegangan (boost) konverter,  penaik-penurun  tegangan (buck- boost) konverter,  Cuk  konverter,  ZETA  konverter,  SEPIC konverter dan Full-brige konverter.
Efisiensi  dari  dc-dc  konverter  idealnya  100%  sehingga daya  keluaran  dan  daya  masukan sama,  atau  dengan  kata lain    tidak    terjadi    daya    yang    hilang    pada    konverter. Kenyataannya  secara  praktis,  efisiensi  dari  konverter  lebih kecil dari 100%.
Untuk menghasilkan konverter dc ke dc dengan kerapatan daya  yang  tinggi,  maka  frekuensi  pensaklaran    dinaikan. Naiknya    frekuensi    pensaklaran    maka    keperluan    akan komponen  reaktif   menjadi kecil, akan tetapi akibatnya daya yang  diserap  oleh    saklar  semikonduktor  menjadi  tinggi, terutama  sewaktu turn-on dan turn-off .  Dimana  proses sewaktu turn-on adalah pertama-tama arus naik  setelah  itu diikuti    tegangan    turun,    begitupun    juga    sewaktu turn-off arus    turun    kemudian  tegangan    naik,    sehingga    terjadi persilangan    antara    arus    dan    tegangan    sewaktu    transisi. Besar  kecilnya  persilangan  antara  arus  dan  tegangan menunjukan  besar  kecilnya  daya  listrik  yang  diserap  oleh komponen  saklar  semikonduktor.  Pada  waktu  beban  naik persilangan  tersebut  semakin  tinggi  sehingga    saklar semikonduktor    mengalami    pemanasan    berlebih,    untuk menyetabilkan  temperaturnya    jangan    sampai    terjadi kerusakan    pada    saklar    semikonduktor    maka    diperlukan pendingin,    akibatnya    bobot    dari    konverter   menjadi    naik atau  dengan  kata  lain  Watt/kg  menurun disamping itupun juga akan menyebabkan terjadinya penurunan efisiensi secara keseluruhan.
Dengan  rendahnya  efisiensi  dari  konverter  maka  daya listrik yang dapat dimanfaatkan oleh beban  akan  berkurang. Untuk  waktu  yang  lama,  energi  listrik  yang  hilang  pada saklar  semikonduktor  tidak  dapat  diabaikan,  apalagi  dalam cakupan  wilayah    yang  luas,    misalnya  untuk  seluruh
e-ISSN : 2715-5064
Indonesia. Salah  satu  alternatif  pemecahan   masalah   yang mungkin    dilakukan    adalah    dengan  merekayasa    lintasan arus    dan    tegangan    pada    saklar    semikonduktor    sewaktu transisi turn-on maupun sewaktu turn-off .
Pada  makalah  ini  disajikan  penerapan zero  voltage transition (ZVT) pada saklar utama (S u ) untuk konverter dc- dc Zeta.
*) penulis korespondensi : Anung Email: anungstmt@gmail.com

## II. PENELITIAN YANG TERKAIT
Penelitian  terkait  atau  penelitian  terdahulu  adalah  salah satu  acuan  bagi  peneliti  dalam  melakukan  penelitian. Beberapa  penelitian  terkait  yang  digunakan  sebagai  bahan referensi  dalam  penelitian  ini  diantaranya  adalah:  -pada referensi  [1]  telah  dilakuan  penelitian  mengenai  simulasi konverter  Zeta  pada  operasi  konduksi  kontinyu;  -pada referensi  [2]  telah  dilakukan  analisis,  perancangan  dan implementasi  pensaklaran-tegangan  nol  pada  konverter penurun  tegangan.;  -pada  referensi  [3]  telah  dilakukan perancangan Zeta  Converter  p ada  pelacakan  titik  daya maksimum photovoltaic menggunakan  algoritma  modifikasi hill  climbing.;  - pada  referensi  [4]  telah  dilakukan  penelitian mengenai  Perancangan  Zeta  Converter  Yang  Dilengkapi Power Factor Correction Pada Aplikasi Pengaturan Kecepatan Motor Brushless DC.;dan  -pada referensi [7] telah dilakukan penelitian  mengenai  implementasi  pensaklaran  tegangan  nol untuk konverter Sepic/Zeta

## III. PERANCANGAN SISTEM
3.1. Konverter dc-dc Zeta Pada Konduksi Kontinyu
Topologi  rangkaian  konverter  dc-dc  Zeta  telah  dibahas pada referensi [1] sampai referensi [9]  dan gambar rangkaian diperlihatkan pada gambar 1.
+ V L1 - + - S V V S V C1 V L2 I L1 I L1 C 2 + - V O i C i O
Gambar 1. Rangkaian daya konverter as-as Zeta
Pada  gambar  2,  ditunjukan  bentuk  gelombang  tegangan dan arus untuk kondisi konduksi kontinyu.
Selama  saklar  konduksi  arus  I L1 dan  arus  I L2 mengalir melalui  saklar,  dioda  tidak  konduksi  karena  dibias  terbalik. Tegangan V L1 sama dengan V dan tegangan V L2 sama dengan V  +  V C1 -V O ,  tegangan  tersebut  menyebabkan  arus  pada induktor L 1 dan induktor L 2 naik secara linier.
Sewaktu saklar di-off-kan arus I L1 dan arus I L2 tetap mengalir karena terdapatnya energy yang tersimpan di induktor L 1 dan induktor  L 2 dan  arus  ini  sekarang  mengalir  melalui  diode.
Karena diode D konduksi kontinyu maka tegangan V L1 = V C1 dan tegangan V L2 = -V O selama interval off.
Dalam keadaan tunak tegangan rata-rata pada induktor L 2 dan  pada  induktor  L 2 sama  dengan  nol  untuk  satu  perioda pensaklaran, maka:
a. Persamaan tegangan rata-rata di induktor L 1 adalah
(1)
Dengan definisi: T s = t on + t off , D= t on /T s , t on = DT s dan t off = (1-D)T s
Dari  persamaan  (1)  dan  berdasarkan  gambar  2.  maka persamaan tegangan rata-rata di L 1 adalah:
(2)
Dengan menyelesaikan persamaan (2) maka diperoleh
(3)
V L1 V L2 i L1 i L2 DT S (1-D)T S I L1 I L2 t t t t V ON OFF -V C1 V+V C1 -V o ON OFF + V L1 - + - S V V C1 V L2 I L1 I L2 C 2 + - V O i C i O (a) Rangkaian ekivalen selama saklar ON V C1 + V L1 - + - V S V L2 I L1 I L2 C 2 + - V O i C i O
(b)Rangkaian ekivalen selama saklar OFF
Gambar 2. Bentuk gelombang arus dan tegangan dari konverter dc-dc Zeta
e-ISSN : 2715-5064
I o ids id- Su S u D Sb S b Lr D Su C s V DS-Su turn-on S u t-on-S u I DS-Su t t I DS-Su ( b )
b. Tegangan rata-rata di induktor L 2 adalah
(4)
Dengan  mensubstitusikan  persamaan  (3)  ke  dalam persamaan (4), setelah diuraikan maka diperoleh:
(5)
Dengan  mengasumsikan  tidak  terjadi  rugi-rugi  pada konverter,  maka  hubungan  arus  keluaran  dan  arus masukan diperoleh sebagai berikut:

## (6)

## 3.2 Rugi-rugi energy pada saklar semikonduktor
Rugi-rugi  energy  pada  saklar  semikonduktor  terdiri  dari rugi-rugi dalam keadaan statis yaitu dalam keadaan konduksi dan  tidak  konduksi  dengan  rugi-rugi  pada  waktu  komutasi atau transisi dari keadaan konduksi ke keadaan tidak konduksi dan sebaliknya [10-11]. Rugi-rugi tersebut dapat diekspresikan dalam bentuk persamaan sebagai berikut:
(7) (8) (9)
Rugi  daya  rata-rata  pada  saklar  semikonduktor  dapat ditulis dalam bentuk persamaan sebagai berikut:
(10)
Jumlah rugi daya yang hilang selama konduksi dan tidak konduksi dengan rugi daya selama transisi adalah :
(11)
Dari  persamaan  (11)  terlihat  bahwa  rugi  transisi propsional  dengan  frekwensi  pensaklaran  sehingga  pada frekwensi  tinggi  rugi  pensaklaran  didominasi  oleh  rugi transisi.

## 3.3. Saklar transisi tegangan nol
Saklar  transisi  tegangan  nol  ditunjukan  pada  gambar  3  di bawah ini
I o ids id- Su C s S u D Sb S b Lr D Su
Gambar 3 Topologi rangkaian saklar transisi tegangan nol
Penjelasan kerja dari rangkaian pada garbar 3 adalah a. Proses turn-on Sebelum  saklar  S u di-on-kan  terllebih  dahulu  saklar  S b di-on-kan.  Dengan  di-on-kan-nya  saklar  S b maka  terjadi resonansi  antara  kapasitor  C s dan  inductor  L r . tegangan  pada kapasitor snubber Vcs,  menurun  menuju  nol  dan  arus resonansi  mengalir  melalui  Cs.  sewaktu  tegangan  Vcs  sama dengan  nol  arus  resonan  mengalir  melalui  diode  D  dan tegangan Vds dibatasi sama dengan nol, saklaer Su di-on-kan diantara internal konduksi-nya diode D pada kondisi tegangan nol,  setelah  itu  kemudian  saklar  S b di-off-kan.  Rangkaian ekivalen  untuk  proses turn-on dan  pulsa  diagram  dari  saklar transisi tegangan nol diperhatikan pada gambar 4.
(a)
Gambar 4 . Proses turn-on dari saklar transisi tegangan nol: (a) rangkaian ekivalen
(b)Pulsa diagram tegangan dan arus pada saklar Su saat turn-on
Topologi  rangkaian  dan  pulsa  diagram  untuk  konverter dc-dc Zeta yang diusulkan, ditunjukan pada gambar 5.
V d S b L r i Lr S u I DS I CS C S V C1 I o C 2 V o + - V CS + - + - V L1 + - I L1 V L2 + - I L2 D (a)
e-ISSN : 2715-5064
V Sb
V Su V CS I Lr I DS t t t t t (b)
Gambar 5 Konverter dc-dc Zeta (a) Saklar transisi tegangan nol (ZVT)
(b) Pulsa diagram untuk saklar (ZVT)

## IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
Untuk  memvalidasi  rangkaian  yang  diusulkan  maka dilakukan  simulasi  dengan  menggunakan  perangkat  lunak PSIM. Gambar rangkaian pengujian ditunjukan pada gambar 6.
Gambar  6.  Rangkaian  konverter  dc-dc  Zeta  yang  dilengkapi dengan Zero Voltage Transition (ZVT)
Bentuk  gelombang  arus  dan  tegang  pada  saklar  utama ditunjukan pada gambar di bawah ini.
Gambar 7. Bentuk gelombang tegangan dan arus pada saklar utama
Dari  gambar  7  terlihat  bahwa  saklar  utama  melakukan pensaklaran transisi tegangan nol sewaktu turn-on .

## V. KESIMPULAN
Dari  hasil  pengujian  dapat  disimpulkan  bahwa  saklar utama dari konverter dc-dc Zeta melakukan transisi tegangan nol  sewaktu turn-on .  Arus  negatif  pada  saklar  utama menunjukan  bahwa  arus  tersebut  mengalir  melalui  dioda  di dalam  MOSFET  dan  selanjutnya  mosfet  tersebut  di-on-kan dalam  keadaan  tegangan  nol.  Sedangkan  saklar  tersebut meakukan  turn-off  dimana  kenaikan  tegangannya  dibatasi oleh kenaikan tegangan pada kapasitor.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Sujo  Oommen,  Adithya  Ballaji,  Burri  Ankaiah,  and  Ananda  M  H,
“ Zeta  Converter  Simulation  For  Continuous  Current  Mode Operation ,” IJARET, Volume 10, Issue 1 , pp. 243-248, 2019
[2] Irfan  Jamil,  Zhao  Jinquan  and  Rehan  Jamil,  “ Analysis,  Design  And
Implementation  Of  Zero-Current-Switching  Resonant  Converter  Dc-
Dc  Buck  Converter ”,  International  Journal  of  Electrical  and Electronics Engineering (IJEEE), Vol. 2, Issue 2, ,pp. 1-12, 2013
[3] Irwan  Mahmudi,  Jumiyatun,  Baso  Mukhlis,  Lukman,  “Perancangan Zeta  Converter Pada  Pelacakan  Titik  Daya  Maksimum Photovoltaic Menggunakan Algoritma  Modifikasi Hill  Climbing,” Jurnal  Ilmiah  Foristek  Jurusan
Teknik Elektro UNTAD Vol 11, No. 1, Maret 2021
[4] Adhika  Prajna  Nandiwardhana,  Heri  Suryoatmojo,  Dan  Mochamad
Ashari, “ Perancangan Zeta Converter Yang Dilengkapi Power Factor
Correction  Pada  Aplikasi  Pengaturan  Kecepatan  Motor  Brushless DC ,” Jurnal Teknik ITS Vol. 5, No. 2, 2016
[5] Ashvini Admane and Dr.Harikumar Naidu, “ Analysis  And  Design  Of Zeta  Converter ,”  International  Journal  For  Innovative  Research  In Multidisciplinary Field Volume - 4, Issue - 4, 2018
[6] J.  Gnanavadivel et  al,  “Design  and  implementation  of  zeta  converter for LED driver applications ,” J. Phys.: Conf. Ser. 2325 012037, 2022 [7] Venmathi Mahendran and Ramaprabha Ramabadran, “ Implementation Of  Zero  Voltage  Switched  Sepic/Zeta  Bidirectional  Converter  For Low  Power Applications Using Fpga ,” Turk J Elec Eng & Comp Sci 25: 319 – 336 , 2017 [8] Mrs.  J  Jency  Josepha,  Dr.  F.T.Josh  ,  Ronaldo  Lamare  ,  Blessen Varghese  Mathew,  “ Analysis  of  Power  Electronic  Converters  for
e-ISSN : 2715-5064
Electric Vehicle Applications ,” Journal of Physics: Conference Series 1362 (2019) 012104
[9] Mohamed  Salem1,  Awang  Jusoh2,  Nik  Rumzi  Nik  Idris3,  Tole Sutikno4, Yonis. M. Yonis  Buswig5, “ Phase-shifted  Series  Resonant Converter  with  Zero  Voltage  Switching  Turn-on  and  Variable Frequency  Control ,”  International  Journal  of  Power  Electronics  and Drive  System  (IJPEDS)  Vol.  8,  No.  3,  September  2017,  pp. 1184~1192
[10]    Syafruddin,  R.,  et  al.  "Brush  DC  Geared  Servomotor  Control  with Microcontroller."  Journal  of  Physics:  Conference  Series.  Vol.  1933. No. 1. IOP Publishing, 2021.
[11]    Syafruddin,  R.,  et  al.  "Conventional  Switching  to  Drive  A  Brush  DC
Geared  Servomotor."  Journal  of  Physics:  Conference  Series.  Vol. 1933. No. 1. IOP Publishing, 2021.