## IMPLEMENTASI CURRENT FED PUSH PULL CONVERTER MENGGUNAKAN KONTROL PI PADA APLIKASI RUMAH MANDIRI
Syechu Dwitya Nugraha 1 , Ony Asrarul Qudsi 2 , Diah Septi Yanaratir 3 , Kenno Robby Pradana 4
1,2,3,4 Program Studi Teknik Elektro Industri, Departemen Teknik Elektro, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya, Kampus PENS Sukolilo Surabaya 60111
Email: syechu@pens.ac.id 1 , ony@pens.ac.id 2 , diahsepti@pens.ac.id 3

## Abstrak
Aplikasi  dari  pemanfaatan  energi  matahari  adalah  sebuah  mikrogrid  skala  rumah.  Pada  mikrogrid  khususnya  menggunakan  panel  surya  atau Photovoltaic (PV) sebagai sumber energi utama. Pada aplikasinya tegangan keluaran dari PV dinaikkan atau diturunkan dengan DC-DC konverter. Akan  tetapi  permasalahan  yang  terjadi  adalah  daya  atau  tegangan  keluaran  dari  PV  mudah  berubah  terhadap  irradiasi  matahari  sehingga  perlu dinaikkan  dengan  rating  kelipatan  tegangan  yang  tinggi  mencapai  400  V  untuk  suplai  DC  bus  bar.  Maka  dari  itu  pada  penelitian ini  akan mengaplikasikan Current Fed push pull Converter dengan menggunakan kontrol PI yang dapat menaikkan tegangan masukan yang bernilai 70V - 95 V menjadi 400 V dan distabilkan menggunakan metode PI. Dari hasil implementasi, sistem mampu menaikkan tegangan keluaran 400 V dan menjaga tegangan tersebut tetap stabil walaupun tegangan masukannya berubah-ubah.
Kata Kunci — Home-Scale Microgrid, DC-DC Converter, Current Fed push pull Converter.

## Abstract
The application of solar energy utilization is a home-scale microgrid. In microgrids in particular use solar panels or Photovoltaic (PV) as the main energy source. In the application the output voltage of the PV is raised or lowered by a DC-DC Converter. However, the problem is that the power or output voltage of the PV is susceptible to changes in solar irradiation, so it needs to be raised with a High Voltage multiplier rating of up to 400 V for DC bus bar supply. Therefore, in this research will apply Current Fed push pull Converter by using PI control that can increase input voltage value 70V - 95 V to 400 V and stabilized using PI method. From the results of the implementation, the system is able to raise the output voltage of 400 V and keep the voltage remains stable even though the input voltage is changing.
Keywords - Home-Scale Microgrid, DC-DC Converter, Current Fed push pull Converter.

## 1. PENDAHULUAN
Listrik  merupakan  kebutuhan  yang  sangat penting untuk kehidupan sehari-hari.
Kebutuhan energi listrik selama ini bergantung pada  energi  fosil,  sedangkan  ketersediaan energi  fosil  semakin  menipis  seiring    dengan meningkatnya kebutuhan listrik di masyarakat. Untuk  mengatasi  masalah  tersebut  mulai banyak  dikembangkan  dan  diteliti  seumber energi  pengganti  dari  energi  fosil  berupa sumber  energi  terbarukan,  salah  satunya  yaitu sumber energi matahari. Aplikasi dari pemanfaatan  energi matahari  salah  satunya adalah sebuah sistem mikrogrid skala rumah.
Pemanfaatan  energi  terbarukan  (matahari) adalah Photovoltaic (PV)  yang  memanfaatkan energi  dari  radiasi  matahari.  PV  memiliki beberapa  keuntungan,  yaitu  tidak  ada  polusi (tanpa  emisi),  tidak  ada  suara,  sedikit perawatan  dan  tersedia  dalam  jumlah  yang banyak  [1-2]. Photovoltaic dapat  menghasil daya dan tegangan keluaran relatif cukup kecil dan  belum  stabil  sehingga  dibutuhkan  alat untuk menstabilkan dan menaikkan tegangannya  yaitu  berupa  DC-DC Converter. Push-Pull  Converter adalah  salah  satu  jenis topologi  DC-DC Converter yang  fungsinya untuk menaikkan tegangan DC dan juga dapat menaikkan  tegangan  hingga  5  kali  lipat  dari tegangan  input[3-5].  Pada  penelitian  ini
menggunakan  rangkaian Current  Fed  push pull dengan zero voltage Clamped atau passive snubbers yang  dibutuhkan  untuk  menyerap surge voltage didalam push-pull[6]. Kelebihan yang  lain  adalah  pada  rangkaian  dapat menggunakan  semikonduktor  dengan rating tegangan  input  yang  kecil  dapat  juga digunakan untuk menghubungkan low voltage DC  bus  dengan High  Voltage DC  bus  untuk arus yang tinggi.
Pada penelitian ini menggunakan Kontroler Proporsional  lIntegral (PI). Kontroler  ini memiliki  parameter - parameter  pengontrol, yaitu  constant  aproporsional (Kp),  konstanta waktu  integral (Ti)  dan  kontroler derivative, ketiga  parameter  tersebut  diturunkan  dari perhitungan matematis.

## 2. METODE DAN DESAIN

## Penelitian  Zero Voltage Switching Current
Fed push pull Converter pada aplikasi Rumah Mandiri  ini  menggunakan PV  135  WP berjumlah  2  buah  yang  diseri.  Tegangan  dan arus  keluaran  PV  ini  disensing  oleh  sensor tegangan  dan  sensor  arus.  Tegangan  ini digunakan  untuk  pengaturan duty  cycle switching konverter  dan  digunakan  untuk umpan  balik  untuk  kontrol  PI.  Selanjutnya Current  Fed  push  pull Converter ini  sebagai rangkaian yang berfungsi untuk menaikan dan menurunkan tegangan tanpa merubah polaritas tegangan  yang  dihasilkan  dan  lcd  digunakan menampilkan  tegangan  keluaran  dan  arus keluaran dari rangkaian.
Blok  diagram  system  yang  diajukan  dapat dilihat  pada  Gambar  1.  Gambar  tersebut menjelaskan  tentang  urutan  dari  system  yang digunakan

## Gambar 1 Blok diagram sistem
Pada  Rancangan  sistem  ini  menggunakan dua  buah  PV  yang  diseri,  satu  buah  PV  dapat menghasilkan tegangan sekitar 40 hingga 60 V DC,  jika  diseri  maka  estimasi  tegangan keluaran yang didapat di PV adalah 70 hingga 95 V DC selanjutnya dinaikan menjadi 400 V yang  akan  disalurkan  ke  DC  busbar  dengan cara  mengatur duty  cycle pada  PWM,  dengan menggunakan  mikrokontroler  Arm  STMF234 dengan kontroler jenis PI.
A. Photovoltaic (PV)
Panel surya adalah perangkat rakitan sel-sel fotovoltaik yang mengkonversi irradiasi matahari  menjadi  listrik.  Ketika  memproduksi panel  surya,  produsen  harus  memastikan bahwa  sel-sel  surya  saling  terhubung  secara elektrik  antara  satu  dengan  yang  lain  pada sistem tersebut. Sel surya juga perlu dilindungi dari  kelembaban  dan  kerusakan  mekanis karena  hal  ini  dapat  merusak  efisiensi  panel surya secara signifikan, dan menurunkan masa pakai  dari  yang  diharapkan.  Panel  surya biasanya  memiliki  umur  20  tahun  yang biasanya dalam jangka waktu tersebut pemilik panel  surya  tidak  akan  mengalami  penurunan efisiensi yang signifikan.
Daya  listrik  yang  dihasilkan  panel  surya ketika  mendapat  cahaya  diperoleh  dari kemampuan  perangkat  panel  surya  tersebut untuk memproduksi tegangan. Kemampuan ini mempresentasikan  dalam  kurva  arus-tegangan (I-V)  dan  kurva  daya-tegangan  (P-V)  sesuai pada Gambar 2[7].
Gambar 2 Kurva karakteristik I-V dan P-V panel surya

## B. Current Fed push pull Converter
Push-Pull  Converter merupakan  salah  satu jenis  dari isolated dc-dc Converter dimana antara  sisi  input  dengan  output  teroisalasi karena  ada  transformator.  Output  tegangan Push-Pull Converter bervariasi dengan memvariasikan duty cycle. Rasio
transformator  tegangan  ditentukan  apakah konverter  merupakan step-up atau step  down. Pada  Gambar  3 ditunjukkan rangkaian  push- pull Converter.
Gambar 3 Rangkaian Current Fed Push Pull
Pada Gambar 3 ditunjukkan  sebuah rangkaian  yang  merupakan  modifikasi  dari konverter push-pull.  Induktor (Lx) telah dipindahkan  dari  sisi output dari  trafo  ke  sisi input.  Sebuah  induktor  besar  dalam  posisi  ini membentuk  sumber  arus  hampir  konstan.  S1 off mengarahkan  arus  melalui  lilitan primer (P1),  dan  S2 off mengarahkan  arus  melalui lilitan sekunder  (P2).  Dengan  kedua switch ditutup, saat ini membagi secara merata antara gulungan.

##  S1 On dan S2 Off
Arus  induktor  IL  mengalir  melalui  lilitan primer  P1  dan  melalui  D1,  ketika  S1 On dan S2  Off,  D1  dalam  keadaan  On,  D2  off  dan persamaannya
(1)
(2) (3) (4)
 S1 Off dan S2 On
Dengan S1 off dan S2 On, IL mengalir melalui lilitan  primer  P2  dan  melalui  D2  di  sekunder. D1 dalam keadaan off dan D2 On dan berikut persamaannya:
(5) (6)
(7)
(8)
 S1 dan S2 off secara bersamaan Ketika kedua switch off bersamaan, Ilx terbagi diantara  dua  lilitan  dan  D1  dan  D2  dalam keadaan off. Tegangan dimasing-masing lilitan primer adalah nol: VP1 =VP2 =0 (9) Tegangan induktor : Vlx= Vs (10)
Tegangan  rata-rata  yang  melalui  Lx  harus  nol untuk kondisi steady state, hingga satu periode switching, vLx-Vs - Vo(NP/NS)  untuk  dua interval dari  (1 - D)T ketika hanya satu switch off dan, VLx-Vs dalam satu waktu,T -2(1 - D)T - (2D - 1)T.
Tegangan rata-rata Induktor ( dapat dilihat:
(11)
Penyelesaian untuk  tegangan keluaran (Vo),
(12)
Duty  cycle harus melebihi  dari  0,5  untuk menghindari short circuit pada rangkaian.
C. Desain Current Fed push pull Converter Data – data  yang  digunakan  dalam mendesain Current  Fed  push  pull Converter adalah sebagai berikut.
Tegangan masukan, Vin = 70-95 V DC Tegangan Keluaran, Vout = 400 V DC Daya maksimum keluaran, Pout = 210 W Frekuensi Switching, Fs = 40 KHz Menentukan nilai duty cycles Vct ≅ 1.05 x VinMax ≅ 1.05 x 95 ≅ 99,75 V Dengan  Vin Min =  70  V,  nilai  duty  cycles maksimum diperoleh dari:
Dengan  Vin Max =  95  V,  nilai  duty  cycles minimum diperoleh dari:
Jumlah perbandingan lilitan transformer

## D. Desain Induktor
Banyak  faktor  yang  mempengaruhi  untuk mendesain  peralatan  magnetic.  Puncak flux density inti tidak boleh saturasi. Puncak ac flux density juga harus cukup kecil, selain itu faktor kualitas  harus  diperhatikan.  Celah  udara dibutuhkan  untuk  peralatan  yang  menyimpan energi  atau  filter  seperti  induktor  pada rangkaian push – pull Converter.  Celah  udara tersebut juga berguna untuk mendapatkan nilai faktor kualitas yang baik (Q>10).
Nilai inductor minimum didapatkan sebesar
Sedangkan  jumlah  lilitan  yang  harus  dibuat untuk menghasilkan inductor dengan spesisifikasi tersebut adalah
E. Desain Induktor dan Capasitor
Bagian  yang  paling  menentukan  berhasil atau tidaknya suatu push-pull DC-DC Converter tersebut  bekerja  baik  adalah  desain transformernya.  Transformer  harus  didesain sedemikian  rupa  sehingga  memiliki  nilai magnetizing inductance (Lm) sebesar mungkin dan  leakage  inductance  (Lk)  yang  sekecil mungkin.  Lm yang  besar  maka  akan mengurangi  spike  dari  tegangan  induksi transformer.  Dan  Lk  yang  kecil  akan meningkatkan  performansi  dari  transformer pada Current  Fed  push  pull ini  menggunakan dua  transformer  dengan  nilai  rasio  dan  lilitan yang sama dan dihubung seri.
Jumlah lilitan primer diperoleh dari:
Sedangkan jumlah lilitan sekunder sebesar:
Nilai kapasitor yang dipasang agar nilai ripple tegangan output sebesar 2% adalah

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN

## Pada  pengujian Current  Fed Push-Pull
Converter digunakan  PWM  dari  ARM32F4 sebagai switching.  Pengujian  ini  bertujuan untuk  mengetahui  fungsi Current  Fed Push- Pull  Converter sebagai  dc-dc Converter yang digunakan  untuk  menaikkan  tegangan  atau boost mode. Pengujian Current Fed Push-Pull Converter dengan  cara fungsional  dilakukan untuk  mengetahui  apakah  konverter  bekerja sesuai  fungsinya  sebagai  penaik  dan  penurun tegangan.  pengujian  ini  diberikan  tegangan masukan  sebesar  10  V  hingga  95  V  dengan frekuensi switching 40  kHz  dan duty  cycle yang  bervariasi  dengan  beban  2  buah  lampu
pijar 220V 100W yang diseri yang ditunjukkan pada  Gambar  4.  Hasil  pengujian  perangkat keras Current Fed Push-Pull Converter secara fungsional ditunjukkan pada Tabel 1.
Setelah  melakukan  uji  fungsi dari Current Fed Push-Pull Converter,  dilanjutkan  dengan uji sistem yang terintegrasi. Tabel 2 menunjukkan data uji integrase yang dilakukan  pada  pukul  10.00  sampai  dengan 13.00  dengan  sumber Photovoltaic. dari  hasil pengujian  dihasilkan  tegangan  output  konstan yaitu  400  V  dengan  tegangan  masukan yang berubah  dari  66  V  hingga  76  V.  Daya  input tertinggi sebesar 195 W serta efisiensi rata-rata sistem sebesar 85,7%.
Tabel 1 Data pengujian perangkat keras Current Fed push pull Converter secara fungsional
No Vin (V) Iin (A) Vo (V) Io (A) µ (%) 1 10 0.6 35 0.1 58.33 2 20 0.9 80 0.15 66.67 3 30 1.2 105 0.2 58.33 4 40 1.4 145 0.24 62.14 5 50 1.6 190 0.26 61.75 6 60 1.8 235 0.3 65.28 7 70 2 275 0.32 62.86 8 80 2.1 320 0.32 64.76 9 95 2.4 400 0.3 70.17
Tabel 2 Hasil pengujian integrasi Current Fed Push-Pull Converter dengan sumber Photovoltaic
No Waktu Vin (V) Iin (A) Pin (W) Vout (V) Iout (A) Pout (W) 1 10 70 2.45 171.5 400 0.38 152 2 10.15 69 2.55 175.95 400 0.39 156 3 10.3 70.9 2.5 177.25 400 0.39 156.39 4 10.45 69.5 2.6 180.7 400 0.392 156.8 5 11 70.5 2.6 183.3 400 0.393 157.2 6 11.15 69 2.65 182.85 400 0.392 156.8 7 11.3 66.5 2.8 186.2 400 0.394 158 8 11.45 67.4 2.8 188.72 400 0.389 155.6 9 12 76.5 2.55 195.075 400 0.39 156 10 12.15 68 2.7 183.6 400 0.38 152 11 12.3 70.1 2.5 175.25 400 0.38 152 12 12.45 69.5 2.45 170.27 400 0.37 148
No Waktu Vin (V) Iin (A) Pin (W) Vout (V) Iout (A) Pout (W) 13 13 72 2.2 158.4 399 0.35 138.6
Gambar 4 Pengujian Current Fed Push-Pull Converter

## 4. KESIMPULAN
Dari  penelitian  yang  dilakukan,  dapat disimpulkan bahwa:
Current  Fed  push  pull konverter  dapat menaikkan  tegangan  hingga  4  kali  dari tegangan  masukan  dari Photovoltaic sebesar 66 Volt hingga 76 Volt menjadi 400 V
Penerapan kontroler PI berhasil menstabilkan  tegangan  keluaran Current  Fed push  pull sebesar  400  V  meskipun  tengan  PV berubah-ubah
Daya  input  tertinggi  sebesar  195  W  dengan efisiensi rata-rata sistem sebesar 85.7%

## UCAPAN TERIMA KASIH
Terima  kasih  kepada  PENS  yang  telah mendukung dan membiayai penelitian ini.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] S. c. Zheng and L. y. Wang, "Research on charging control for battery in
Photovoltaic system,"  2011  6th  IEEE
Conference  on  Industrial  Electronics  and Applications,  Beijing,  2011,  pp.  2321-
2325.
[2] S.  D.  Nugraha,  E.  Wahjono,  E.  Sunarno,
D.  O.  Anggriawan,  E.  Prasetyono  and  A. Tjahjono, "Maximum power point tracking  of Photovoltaic module  for battery charging based on modified firefly algorithm," 2016 International Electronics Symposium  (IES),  Denpasar,  2016,  pp. 238-243
[3] A.  Rabello,  C.  Marcio,  G.  Sousa,  and  J. Vieira,  1997  “A  fully  protected  pushpull current-fed  dc-dc Converter ,”  in  Conf. Rec. IECON, pp. 587 – 592, IEEE
[4] P.  Xuewei  and  A.  K.  Rathore,  "Naturally Clamped  Zero-Current  Commutated  Soft- Switching  Current-Fed  Push – Pull  DC/DC Converter: Analysis,
Design, and
Experimental
Results," in IEEE
Transactions  on  Power  Electronics,  vol. 30, no. 3, pp. 1318-1327, March 2015.
[5] S.  D.  Nugraha,  O.  A.  Qudsi,  D.  S. Yanaratri,  E.  Sunarno  and  I.  Sudiharto, "MPPT-Current  Fed  push  pull Converter for  DC  bus  source  on  solar  home application,"  2017  2nd  International conferences  on  Information  Technology, Information Systems and Electrical
Engineering (ICITISEE), Yogyakarta, 2017, pp. 378-383.
[6] Vijayan,  A.,  Deepa,  K.,  Kumar,  M.,  Soft Switching  Scheme  for  a  Post-Regulated Current-Fed  Push-Pull Converter,  (2013) International  Review  on  Modelling  and Simulations  (IREMOS),  6  (2),  pp.  317- 322.
[7] M.  A.  Elgendy,  B.  Zahawi  and  D.  J. Atkinson,  "Assessment  of  Perturb  and Observe MPPT Algorithm Implementation Techniques for PV Pumping Applications," in IEEE
Transactions  on  Sustainable  Energy,  vol. 3, no. 1, pp. 21-33, Jan. 2012.