## JIUBJ
Jurnal Ilmiah Universitas Batanghari Jambi, 21(2), Juli 2021, 714-718 Lembaga Penelitian dan Pengabdian kepada Masyarakat universitas Batanghari Jambi ISSN 1411-8939 (Online), ISSN 2549-4236 (Print) DOI 10.33087/jiubj.v21i2.1534

## Desain Rangkaian Gate Driver Analog untuk Dual Mosfet Drivers

## Hendi Matalata*, Rozlinda Dewi
Fakultas Teknik, Universitas Batanghari *Corresponding email: hendi.matalata@unbari.ac.id
Abstrak .  Teknik  pensaklaran  terus  berkembang  hingga  saat  ini,  diantaranya  adalah sinusoidal PWM (P ulse  Width Modulation ), space  vector PWM, current  tracking PWM, harmonic  elimination PWM  dan  lain  –  lain.  Setiap  metode memiliki kelebihan dan kekurangan, namun metode yang paling umum digunakan adalah sinusoidal PWM dan space vector PWM.  PWM  yang  dibangkitkan    menggunakan  mikrokontroler  maupun  komponan  IC  analog  umumnya  mempunyai  nilai tegangannya  maksimum  sebesar  5V,  untuk  itu  dalam  memperkuat  gelombang  PWM  dibutuhkan  sebuah  rangkaian gate-driver , sehingga  gelombang  kontrol  PWM  tersebut  mampu  mengerakan  IGBT/MOSFET.  Pada  paper  ini,  perancangan  rangkaian  gate driver menggunakan komponen IC analog yang dimulai dari pembangkitan dua buah gelombang yaitu  gelombang sinusoidal dan sumber DC untuk di bandingkan ( Comparator ) sehingga dapat menghasilkan gelombang PWM. Kemudian gelombang PWM ini di  isolasi  menggunakan optocoupler dan IC driver MOSFET guna membatasi gangguan pada proses switching pada suplai daya tinggi. dari hasil penelitian, disimpulkan bahwa output gelombang kontrol PWM dari rangkaian gate-driver terisolasi dari sistem dan dapat diperuntukan pada keperluan perancangan sebuah konverter daya dan aplikasi lainnya
Kata Kunci : Comparator; PWM; Gate Driver
Abstract. Switching techniques have been continued to develop, including sinusoidal PWM, space vector PWM, current tracking PWM,  harmonic  elimination  PWM  and  others.  Each  method  has  advantages  and  disadvantages,  but  the  most  commonly  used methods are sinusoidal PWM and space vector PWM. PWM that is generated using  a microcontroller or analog  IC component generally  has  a  maximum  voltage  value  of  5V.  To  strengthen  the  PWM  wave,  a  gate-driver  circuit  is  needed,  so  that  the  PWM control wave is able to move the IGBT / MOSFET. On this paper, the design of gate driver circuit use An analog IC, which starts from  the  generation  of  two  waves,  namely  a  sinusoidal  wave  and  a  DC  source  to  be  compared  (Comparator)  so  that  it  can produce a PWM wave. Then this PWM wave is isolated using an optocoupler and MOSFET driver IC to limit interference in the switching  process  on  high  power  supplies.  Based  on  the  results,  it  can  be  cancluded  PWM  control  wave  output  from  the  gate- driver circuit is isolated from the system intended for designing a power converter and other applications.

## Keywords: Comparator; PWM; Gate Driver

## PENDAHULUAN
Dewasa  ini  penggunaan  teknologi  konverter  daya menjadi  salah  satu  aspek  yang  sangat  penting  dalam sebuah  perangkat  peralatan  listrik.  Misalnya  dapat ditemui  pada  teknologi  konverter  daya  mengubah tegangan DC - DC dan DC - AC. Sebuah konverter DC - DC  dan  DC  -  AC  umumnya  menggunakan  rangkaian kombinasi  komponen  semikonduktor  jenis  IGBT/ MOSFET yang berfungsi sebagai komponen saklar daya, prinsip  kerja  komponen  saklar  daya  umumnya menggunakan  gelombang  kontrol  PWM ( Pulse-width modulation )  yang  dapat  dibangkitkan  menggunakan mikrokontroler  dan  juga  komponen  rangkaian  IC ( Integrated  Circuit )  analog.  PWM  merupakan  teknik pensaklaran  yang    menawarkan  metode  simpel  untuk kontrol  digital  dan  telah  banyak  digunakan  pada aplikasi variable speed drive (VSD), power converter dan uninterupable  power  supply (UPS)  (Datta  et  al, 2014).  Teknik  pensaklaran  terus  berkembang  hingga saat  ini,  diantaranya  adalah sinusoidal PWM, space vector PWM, current  tracking PWM, harmonic elimination PWM  dan  lain  –  lain.  Setiap  metode memiliki  kelebihan  dan  kekurangan,  namun  metode yang  paling  umum  digunakan  adalah sinusoidal PWM  dan space  vector PWM  [2][3].  PWM  yang
dibangkitkan    menggunakan  mikrokontroler  maupun komponan  IC  analog  umumnya  mempunyai  nilai tegangannya  maksimum  sebesar  5V,  untuk  itu  dalam memperkuat  gelombang  PWM  dibutuhkan  sebuah rangkaian gate-driver ,  sehingga  gelombang  kontrol PWM  tersebut  mampu  mengerakan  IGBT/MOSFET (Tarmizi, 2013 dan Vishay).
Dalam  paper  ini,  perancangan  rangkaian  gate driver  menggunakan  komponen  IC  analog  yang  dimulai dari pembangkitan dua buah gelombang yaitu gelombang  sinusoidal  dan  sumber  DC  untuk  di bandingkan  ( Comparator )  sehingga  dapat  menghasilkan gelombang  PWM.  Kemudian  gelombang  PWM  ini  di isolasi  menggunakan  optocoupler  dan  IC  driver MOSFET  guna  membatasi  gangguan  pada  proses switching pada  suplai  daya  tinggi.  Pada  penelitian  ini sebuah rangkaian gate-driver dibangun menggunakan IC D ual MOSFET Drivers MC34151  dengan  isolasi optocoupler  PC817.  Sehingga  gelombang  kontrol  PWM output dari  rangkaian gate-driver terisolasi  dari  sistem. yang nantinya dapat digunakan dalam berbagai aplikasi- aplikasi lainnya (Hamid, 2016).

## Tinjauan Pustaka
Rangkaian gate-driver terisolasi  menurut  Zheng. W, dkk (2010), beberapa kreteria yang dapat menetukan kualitas rangkaian gate- driver adalah sebagai berikut: 1. IC driver yang  digunakan  mampu  memproteksi ganguan akibat dari proses switching . 2. Output gelombang  kontrol  PWM  yang  dihasilkan terisolasi  dari  sistem,  sehingga  arus  balik  pada  saat switching tidak  menimbulkan  efek  panas  pada IGBT/MOSFET.
Gambar 1 . Gate Driver MOSFET terisolasi (Hamid, 2016)

## Pulse Width Modulation (PWM)
Untuk membangkitkan gelombang PWM menggunakan    rangkaian  Analog  maka  dibutuhkan  dua buah  gelombang,  yaitu  gelombang Reference dan gelombang Carrier. Pada proses PWM kedua gelombang  ini  dibandingan  untuk  mendapatkan  kondisi ON dan kondisi OF pada sebuah gelombang PWM.
t on t off V carrier Vr eferensi V t V t T V sat Gambar 2 . Proses PWM (Mohan, 2012)
𝐷 = 𝑡 𝑜𝑛 (𝑡 𝑜𝑛 +𝑡 𝑜𝑓𝑓 ) ......................................... (1)

## METODE
Pada  paper  perancangan  Gate  Driver  untuk mendapatkan  dua  buah  gelombang  dengan  perbedaaan pergeseran phasa maka masing-masing harus mempunyai  delay  agar  tidak  bekerja  secara  serentak (Hendi  dan  Hamid,  2016).  Delay  dari  gelombang  PWM dapat  diatur  pada  rangkaian  pembangkitan  gelombang sinus,  adapun  blok  diagram  gate  driver  diperlihatkan pada gambar 3 dibawah.
Comparator Comparator MOSFET DRIVER Hin Lin Lo Ho IC IC Sinyal DC Sinyal DC Sinyal Sinus Sinyal Sinus MOSFET Gambar 3 . Blok Diagram Gate Driver (Hendi dan Hamid, 2016)

## Gelombang Sinus
Perancangan rangkaian analog untuk membangkitkan gelombang sinus umumnya
menggunakan  sebuah  IC  analog,  salah  satunya  adalah IC  LM  358  seperti  diperlihatkan  pada  gambar  4 dibawah.
R1 R2 C1 C2 C3 R3 R4 R5 P1 Vout 10V 10V SINWAVE J1 1 2 3 4 5 6 7 8 LM358
Gambar 4 . Rangkaian Pembangkit Gelombang Sinus
Pada  rangkaian  pembangkit  gelombang  sinus gambar  4  diatas,  untuk  mendapatkan  besar  frekuensi  50 Hz diatur menggunakan potensio (P1)

## Phase Shift
Karena  terdapat  dua  buah  gelombang  PWM  yang akan  dibangkitkan  maka  untuk  mengatur  pergesaran Phasa  dari  salah  satu  gelombang  PWM  digunakan rangkaian phase Shift seperti diperlihatkan pada gambar 5 dibawah.
P1 C1 IN SINWAVE OUT SINWAVE J1 J2 Gambar 5 . Rangkaian Phase Shift

## Non Inverting
Non  Inverting  adalah  penguat  gelombang  sinus yang  telah  dibangkitkan  IC  LM  358  seperti  dijalaskan diatas, adapun rangkaian non inverting menggunakan IC LM 741 seperti diperlihatkan gambar 6 dibawah.
VOUT SINWAVE 1 2 3 4 5 6 7 8 LM741 10V 10V R2 R1 VIN SINWAVE J2 J3
Gambar 6 . Rangkaian Non Inverting

## Regulator DC
Regulator DC merupakan gelombang carrier yang akan  di  bandingkan  dengan  gelombang  referensi (gelombang  sinus)  untuk  mendapatkan  gelombang PWM,  rangkaian  regulator  DC  menggunakan  IC  LM 317.
LM 317 R1 P1 C1 C2 3 1 2 OUT Gambar 7 . Rangkaian Regulator DC

## Comparator
Proses comparator untuk pembangkitan gelombang  PWM  menggunakan  IC  LM  393 yang  mana pada  rangkaian  ini  gelombag  input  adalah  gelombang sinus  dan  sumber  DC  (regulator)  adapun  rangkaian comparator diperlihatkan pada gambar 8 dibawah.
J4 1 2 3 4 5 6 7 8 LM393 R2 R3 R1 R4 10V VDC OUT PWM J5

## Optocoupler
Gelombang PWM yang dihasilkan pada rangkaian comparator kemudian di isolasi menggunakan rangkaian Optocoupler PC 817.
PC 817 3 4 1 2 R2 10V R1 IN PWM OUT PWM J6
Gambar 9 . Rangkaian Optocoupler

## Driver MOSFET
Untuk membuat agar MOSFET bekerja maka kaki pada Gate MOSFET diberikan gelombang PWM dengan tegangan  sebesar  15  Volt.  Untuk  itu  dibutuhkan rangkaian  gate  driver  MOSFET.  Rangkaian  ini menggunakan IC dual MOSFET drivers MC 34151.
J6 IN PWM 1 2 3 4 5 6 7 8 MC34151 C1 C2 IN PWM GATE MOSFET GATE MOSFET
Gambar 10 . Rangkaian Driver MOSFET

## HASIL DAN PEMBAHASAN

## Pengujian Rangkaian Gelombang Sinus dan Gelombang DC
Gambar 12 . Pengujian Rangkaian Comparator
Dari  hasil  pengujian  pada  gambar  12  diatas terdapat  dua  buah  gelombang  yaitu  gelombang  sinus yang  dibangkitkan  dari  IC  LM  358  dan  gelombang  DC yang  dibangkitkan  dari  rangkaian  regulator,  yang  mana kedua  gelombang  ini  akan  dibandingkan    menggunakan IC Comparator untuk mendapatkan gelombang PWM.

## Pengujian Rangkaian Comparator
Gambar 13 . Pengujian Rangkaian PWM
Hasil  pengujian  pada  gambar  13  diatas  adalah bentuk  gelombang  PWM  yang  dihasilkan  dari  IC comparator  LM  393,  yang  mana  gelombang  PWM tersebut mempunyai amplitoudo tegangan sebesar 5 volt dan duty cycle sebesar 37,7% dengan frekuensi 50 Hz.
Pengujian Rangkaian Gate Driver
Gambar 14 . Gelombang PWM 1 dan PWM 2
Dari hasil pengujaian gambar 14 diatas memperlihatkan bentuk gelombang PWM 1 dan PWM 2 yang mana masing-masing gelombang mempunyai delay sebesar  2,5  ms.  Gelombang  PWM  1  dibangkitkan  dari gelombang  sinus  dan  sumber  DC  kemudian  untuk membangkitkan  gelombang  PWM  2  dibangkitkan kembali  satu  gelombang  sinus  kemudian  di  bandingkan sebagaimana  proses  pembangkitan  gelombang  PWM. Delay  gelombang  PWM  2  diatur  dari  rangkaian  phasa shift  seperti  dijelaskan  sebelumnya.  Gelombang  ini merupakan  gate  driver  MOSFET  diperuntukan  pada kebutuhan perancangan konverter daya.

## SIMPULAN
Dalam  Paper  ini  telah  dilakukan  penelitian  dalam perancangan  2  buah  switch  gate  driver  MOSFET  yang mempunyai  delay  sebesar  2,5  ms  yang  diperuntukan pada  keperluan  perancangan  sebuah  konverter  daya  dan aplikasi  lainnya.  Penekan  dalam  penelitian  ini  adalah adanya    isolasi  dari  blok  kontrol  PWM  pada  rangkaian daya  yang  menggunakan  komponen  saklar  daya (MOSFET).

## DAFTAR PUSTAKA
A.  Datta,  D.  Mukherje,  and  H.  Saha."  A  dsPIC  based novel  digital  sinusoidal  pulse-width  modulation technique for voltage source inverter applications," microprocess.  Microsyst .,  vol.38, no.7, pp.649-658, 2014.
F.  and  M.I.  Hamid,  "desain  Rangkaian  Gate-Driver untuk  Konverter  yang  bekerja  dengan  Voltage Mode  Control,"  J.Nas.  Tek.  Elektro,  vol.5,  no.2, p.175, 2016.
H. Matalata and M. I. Hamid,"Pengembangan Topology Inverter  Multilevle  Tiga  Tingkat  Satu  Fasa  Tipe Diode  Clamped  dengan  Mereduksi  Komponen Saklar  Daya,"  J.  Nas.  Tek.  Elektro,  vol.5,  no.  3, p.360, 2016.
N.MOHAN,  book,  1st  ed.,  vol.1.  USA:Don  Fowley, 2012.
Tarmizi,  Muyassar,"  Rancang  Bangun  Inverter  SVM Berbasis  Mikrokontroler  PIC  18F443  untuk Sistem  VSD,"  Jurnal  Nasional  Teknik  Elektro, Vol.2, no.1, maret 2013.
Vishay
Siliconix, data Sheet HCPL 4506.
www.avagotech.com Zheng.  W.,  Meiying.  Q.,  " The  Application  of    IGBT Driver  MC  33153, "  IEEE,  978-1-4244-7618-3, 2010.