DUAL FEEDBACK CONTROL DC-DC BOOST CONVERTER MENGGUNAKAN PI CONTROLLER
Marselin Jamlay 1 , Wan Muhamad Faizal 2
Jurusan Teknik Elektro, Institut Teknologi Surabaya (ITS) 1
Jurusan Teknik Elektro, Politeknik Negeri Bengkalis 2
Email: sellydoank@hotmail.com , wanfaizal@polbeng.ac.id

## Abstrak
Paper ini menampilkan desain dc-dc boost converter untuk meningkatkan efisiensi pada renewable power misalnya fuel cell yang  menghasilkan tegangan output yang rendah. Pemodelan dc-dc boost converter dilakukan untuk sistem open  loop dan closed  loop untuk  melihat performance dari  sistem  ketika  terjadi  variasi  arus  beban  dan  perubahan tegangan  input.  Paper  ini  akan  menampilkan  penggunaan  kontrol  PI    sebagai colosed  loop  control dc-dc boost converter untuk  mengendalikan  tegangan output  converter.  Akan  dibahas  perancangan  sistem boost  converter, selanjutnya akan dibuat model dan simulasi pada PSIM tanpa kontrol PI. Selanjutnya, digunakan kontrol PI dengan nilai K p dan T i yang diperoleh  menggunakan  metode trial error. Dan hasil  menunjukan  bahwa rata- rata error yang dihasilkan terhadap perubahan beban sebesar 0.0029% dan terhadap perubahan tegangan input sebesar 0.017%, ini menunjukan sistem mampu untuk mempertahankan tegangan outputnya agar tetap konstan.

## Kata kunci : Boost Converter, PI Controller

## Abstract
This paper presents the design of dc - dc boost converter to increase the efficiency of renewable power such as fuel cell that produces low output voltage. The modeling of the dc - dc boost converter is made for open loop and closed loop  system  to  see  the  performance  of  the  system  when  the  load  current variations  and  input  voltage  changes happen. This paper shows the use of PI control as closed loop control of dc - dc boost converter to control the output voltage  of  the  converter.  It  discusses  the  boost  converter  system  design,  then,  a  model  is  made  and simulation  is conducted  in  PSIM  without  PI  control.  Then,  PI  control  with  Kp  and  Ti  values obtained  using  the  method  of  trial error is used .  The results showed that the average error generated against the load changes is 0.0029 % while the average  error  generated  against  the  changes  in  the  input  voltage  is  0.017  %.    It  shows  that  the  system  is  able  to maintain its output voltage to remain constant.

## Keywords : Boost Converter, PI Controller

## PENDAHULUAN
Fuel  cell merupakan  salah  satu  sumber daya  energi  alternatif  yang  memiliki karak- teristik output tegangan  yang  rendah  dan arus  yang  tinggi sehingga  diperlukan DC- DC boost untuk  memperbaiki  karakteristik tersebut (Seyezhai,  R, 2011).  Diperhatikan ju-ga  karakteristik rugi-rugi  dari fuel  cell sen-diri  mencakup activation  polarization, ohmic  polarization dan concentration  pola- rization seperti pada gambar 1 (Kirubakaran, et al, 2009).
Jenis  sel  bahan  bakar  yang  digunakan adalah proton  exchange  membrane (PEM) fuel  cell yang  merupakan  jenis  yang cocok digunakan  pada  aplikasi komersial  karena
memiliki  low operating  temperature, quick start  up dan high  power  density.  Biasanya fuel  cell  stack yang  tersedia  memiliki  tega- ngan operasi sekitar 26 Volt sampai 50 Volt (Kirubakaran, et al, 2009).
PEM fuel  cell merupakan  jenis fuel  cell yang populer karena perangkatnya mudah di- bawa,  dapat  ditempatkan  dimana  saja,  dan sangat  cocok  bila  diaplikasikan  pada  alat transportasi,  sehingga  lebih  fleksibel  bila dibandingkan  dengan distributed  generation technologies seperti  pembangkit wind dan Photovoltaic (PV).
Prinsip kerja boost dapat diklasifikasikan ke  dalam  prinsip  kerja  dc chooper  step  up, tegangan  keluaran  dari boost selalu  lebih
besar  dari  tegangan  masukan.  Konverter boost  digunakan  untuk  menaikan  tegangan input  dari  solar cell  fuel  cell.  Penggunaan konverter boost ini karena tegangan keluaran dari fuel cell yang  relatif rendah.
Gambar 1. Karakteristik fuel cell (kurva V-I)
Untuk  mengontrol over  steady  state dan memperbaiki settling  time serta overshoot pada output tegangan  converter  selain  itu untuk menjaga agar tegangan output konver- ter boost tetap  konstan  meskipun  terjadi  va- riasi  beban  dan  tegangan  input,  maka dapat digunakan  kombinasi  kontroler  P  dan  I se- hingga setiap kekurangan dan kelebihan dari masing-masing kontroler dapat saling menu- tupi dengan menggabungkan keduanya seca- ra paralel menjadi kontroler proporsional dan integral (Sumita,D.,et al, 2012). Elemen-ele- men  kontroller  P dan  I secara  keseluruhan bertujuan  untuk  mempercepat  reaksi sebuah sistem dan menghilangkan offset.  Keluaran kontroler  PI  merupakan  jumlahan  dari  ke- luaran kontroler proporsional dan integral.

## PERANCANGAN SISTEM
Pada gambar 2 menunjukan struktur Dc- Dc boost  converter dengan  tegangan  input berasal dari fuel cell.
Selanjutnya adalah merancang rangkaian Dc-Dc boost  converter  closed  loop dimana diharapkan memiliki kemampuan untuk me- naikan tegangan input-nya. Diasumsikan fuel
cell menghasilkan tegangan dc 38 Volt, dan melalui  boost  converter  tegangan  input  38 Volt dinaikan menjadi 100 Volt .
Gambar 2. Struktur Sistem
Tegangan  keluaran  dari boost konverter diatur  melalui  kontrol  PI,  dimana  tegangan keluarannya  di-jaga agar  tetap  konstan. Perancangan sistem ditunjukan pada gambar 3.
Gambar 3. Blok diagram sistem
Untuk  mendesain  konverter  yang  baik diperlukan perhitungan nilai komponen-kom- ponen yang tepat karena nilai komponen ya- ng  tidak  tepat  dapat  menyebabkan hasil  ke- luaran  yang  kurang  baik (Hauke,  B,  2009). Berikut  adalah  paremeter  yang  dibutuhkan untuk mendesain boost converter :
Daya : 500 Watt V in : 38 Volt
V out : 100 Volt Frekuensi switching : 40 kHz
V V out 2  
in fb V R R R V    2 1 2 fb fb in V V V R R ) ( 2 1    2 . 6 ) 2 . 6 100 ( 20      58 . 302
Gambar 4. Rangkaian closed loop dc-dc boost converter Duty Cycle % 62 62 . 0 100 38 1 1       out in V V D
Menentukan resistor (beban)
       20 5 100 5 100 500 I V R A V P I out out Menentukan nilai inductor
Menentukan nilai kapasitor : Misalkan :
Menentukan Nilai resistansi R 1 dan R 2 untuk mengatur output V fb .
Untuk V ref = 6.2 Volt dan R 2 = 20 

## HASIL SIMULASI
Berikut ini adalah hasil simulasi rangkai- an open  loop dan closed  loop Dc-Dc boost converter:
Open loop dc-dc boost converter
Gambar 5. Tegangan output untuk sistem open loop (D=0.62, V in = 38V, R=20, I o = 4.99A, V o =99.86V)
Selanjutnya  adalah  melakukan  pengujian ketika  terjadi  perubahan  beban  dapat  dilihat respon  sistem  pada  tabel  2 Berdasarkan  pe- ngujian tersebut rata-rata tegangan output
38 100 5 4 . 0    in out out in L V V I I I       4 . 0 4 . 0 A 26 . 5  out L in out in V f I V V V L       ) ( 100 40000 26 . 5 ) 38 100 ( 38     
mH 112 . 0  f V D I C out out     40000 2 62 . 0 5    F  75 . 38 
Pengujian selanjutnya adalah apabila ter- jadi  fluktuasi  tegangan input yang  berasal dari fuel  cell.  Bagaimana respon dari sistem jika tegangan yang dihasilkan kurang dari 38 Volt atau lebih dari 38 Volt, dapat dilihat pa-
da tabel 2. Berdasarkan hasil simulasi ketika diberi tegangan input sebesar 26V-48V maka rata-rata  tegangan output yang  dihasilkan adalah sebesar 97.23V dengan rata-rata error sebesar 15.79 %.
yang dihasilkan terhadap perubahan beban adalah 105.078V dengan rata-rata error 5.174 %.
Tabel 1. Tegangan output boost konverter open loop system (Pembebanan berubah)
D V in (Volt) I in (Ampere) R (Ohm) I o (Ampere) V o (Volt) error 0.62 38 36.45 10 9.97 99.76 0.24% 0.62 38 13.34 20 4.99 99.86 0.14% 0.62 38 6.77 40 2.49 99.93 0.07% 0.62 38 4.59 60 1.66 99.97 0.03% 0.62 38 3.49 80 1.25 100 0% 0.62 38 2.84 100 1 100.06 0.06% 0.62 38 2.75 120 0.88 106.2 6.2% 0.62 38 2.68 140 0.8 112.02 12.02% 0.62 38 2.39 160 0.7 113.04 13.04% 0.62 38 2.4 180 0.66 119.94 19.94%
Tabel 2. Tegangan output boost konverter open loop system (Tegangan input berubah) V in (Volt) R (Ohm) V o ref (Volt) V o (Volt) error 26 20 100 68.32 31.68% 28 20 100 73.58 26.42% 30 20 100 78.83 21.17% 32 20 100 84.09 15.91% 34 20 100 89.35 10.65% 36 20 100 94.60 5.4% 38 20 100 99.86 0.14% 40 20 100 105.11 5.11% 42 20 100 110.37 10.37% 44 20 100 115.63 15.63% 46 20 100 120.88 20.88% 48 20 100 126.14 26.14%
Closed loop Dc-Dc Boost converter
Gambar 6. Tegangan output untuk closed loop (D=0.62, V in =38V, R=20, I o = 5A, V o =99.995V )
Pengujian  selanjutnya  adalah  apabila terjadi fluktuasi tegangan input yang berasal dari fuel  cell,  sama  seperti  pengujian  pada sistem open loop, hasilnya dapat dilihat pada tabel  4. Berdasarkan  hasil  simulasi  ketika diberi  tegangan  input  sebesar  26V – 48V maka  rata- rata  tegangan  output  yang dihasilkan  adalah  sebesar  99.982V  dengan rata- rata error sebesar 0.017%.
Hasil pengujian  menunjukan  kedua sis- tem memberikan respon yang berbeda ketika diberi  variasi  beban  dan  variasi  tegangan input,  dapat  dilihat  melalui  grafik  berikut (Gambar  8  dan  9).  Berdasarkan  grafik  ter- sebut, closed  loop dc-dc boost  converter memiliki peformance yang baik dalam mem- pertahankan  tegangan output agar  tetap  ber- ada sangat dekat dengan set point, sehingga
Berdasarkan  hasil  simulasi  dapat  dibandingkan  keefektifan  sistem  closed  loop  dalam memperbaiki offset (gambar 7).
Overshoot (%) Settling time (msec) Final value (volt) Open loop 70 2.96 99.86 Closed loop 60 1.57 99.995 Gambar 7. Perbandingan tegangan output kedua sistem
Pengujian  selanjutnya  adalah  melakukan  variasi  nilai  beban  untuk  mengetahui  performance dari  sistem  ditunjukan  pada  tabel  3.  Berdasarkan  hasil  pengujian  tersebut  diperoleh  rata-rata tegangan output yang  dihasilkan  terhadap  perubahan  beban  adalah  99.997 V  dengan  rata-rata error 0.0029%.

## Tabel 3. Tegangan output boost konverter closed loop system
(Pembebanan berubah) D V in (Volt) I in (Ampere) R (Ohm) I o (Ampere) V o (Volt) error 0.62 38 27.35 10 9.99 99.991 0.009% 0.62 38 14.16 20 5 99.995 0.005% 0.62 38 7.57 40 2.49 99.997 0.003% 0.62 38 5.38 60 1.66 99.998 0.002% 0.62 38 4.28 80 1.25 99.998 0.002% 0.62 38 3.62 100 0.99 99.998 0.002% 0.62 38 3.18 120 0.83 99.998 0.002% 0.62 38 2.87 140 0.71 99.998 0.002% 0.62 38 2.63 160 0.62 99.999 0.001% 0.62 38 2.44 180 0.55 99.999 0.001%
keterbatasan karakteristik Dc-Dc boost konverter konvensional dapat diperbaiki.
Tabel 4. Tegangan output boost konverter closed loop system
(Tegangan input berubah)
V in (Volt) R (Ohm) V o ref (Volt) V o (Volt) error 26 20 100 99.843 0.157% 28 20 100 99.993 0.007% 30 20 100 99.994 0.006% 32 20 100 99.994 0.006% 34 20 100 99.995 0.005% 36 20 100 99.995 0.005% 38 20 100 99.995 0.005% 40 20 100 99.995 0.005% 42 20 100 99.996 0.004% 44 20 100 99.996 0.004% 46 20 100 99.996 0.004% 48 20 100 99.996 0.004%
Gambar 8.  Perbandingan respon kedua sistem terhadap perubahan beban
Gambar 9.  Perbandingan respon kedua sistem terhadap perubahan tegangan input
90 95 100 105 110 115 10 20 40 60 80 100 120 140 160
Vo(oopen loop) Vo(closed loop) Vo(set) 0 20 40 60 80 100 120 26 28 30 32
34 36 38 40 42 Vo(oopen loop) Vo(closed loop) Vo(set)

## KESIMPULAN
1. Penggunaan  Dc-Dc boost  converter da- pat  mengoptimalkan  kinerja  sistem fuel cell, karena karakteristik tegangan output fuel cell yang relatif rendah.
2. Sesuai  dengan  rancangan  sistem boost converter,  tegangan output yang  dihasil- kan  pada  sistem open  loop masih  jauh dari  set  point  (100  Volt)  yaitu  sebesar 99.86  Volt  (error  =  0.14%),  setelah  sis- tem diubah ke closed loop menggunakan kontrol  PI,  menghasilkan  tegangan out- put yang lebih baik dan  lebih mendekati set point (100 Volt) sebesar 99,995 Volt (error = 0.005%).
3. Gambar 7 menunjukan bahwa pengguna- an  kontrol  PI  memperbaiki over  shoot dan settling time pada sistem.
4. Hasil simulasi kedua sistem menunjukan tegangan output Dc-Dc boost  converter yang  dihasilkan  pada  sistem open  loop seiring  dengan  bertambahnya  beban  se- makin  jauh  dari  nilai set  point-nya  (100 Volt)  dengan error rata-rata  yang  diha- silkan  5.174%.  Melalui  sistem closed loop menggunakan  kontrol  PI,  dengan menentukan koefisien K p dan T i yang te- pat,  karakteristik  sistem  tersebut  dapat diperbaiki  sehingga  error  rata-rata  men- jadi  0.0029%.  tegangan  output  dijaga agar tetap stabil.
5. Hasil  simulasi  menunjukan  apabila ter- jadi fluktiasi tegangan input fuel cell (26 Volt  sampai  48  Volt),  diluar  set  poin tegangan input 38 Volt,  tegangan output dc-dc boost  converter yang  dihasilkan pada sistem open loop bervariasi, dengan error rata-rata  yang  dihasilkan 15.79%. Melalui  sistem closed  loop mengguna- kan  kontrol  PI,  karakteristik  sistem  ter- sebut dapat diperbaiki sehingga error ra- ta-rata menjadi 0.017%. tegangan output dijaga agar tetap stabil.

## DAFTAR PUSTAKA
Brigitte Hauke (2009) Basic Calculation of a Boost  Converter's  Power  Stage”, Texas Instruments, Vol. 1, No. 1, pp 1-8. Kirubakaran, A., Jain, S., Nema, R.K (2009)
A Review on Fuel Cell Technologies and Power  Electronic  Interface, Renewable and  Sustainable  Energy  Reviews,  Vol. 13, No. 9, pp. 2430-2440.
Kirubakaran,  A., Shailendra  Jain, Nema,
R.K (2009) The  PEM  Fuel  Cell  System with  DC/DC  Boost  Converter: Design, Modeling  and  Simulation, International Journal of Recent Trends in Engineering Vol.1, Issue No.3, pp. 157-161.
Seyezhai, R (2011) Design Consideration of Interleaved  Boost  Converter  for  Fuel Cell  Systems”,  (IJAEST) International Journal of Advance Engineering Sciences  and  Technologies, Vol  No.7,
Issue No. 2, pp. 323-329.
Sumita Dhali, Nageshwara Rao, P., Praveen Mande,  Venkateswara  Rao,  K (2012) PWM-Based  Sliding  Mode  Controller for  DC- DC  Boost  Converter”,  (IJERA)
International  Journal  of  Engineering Research and Applications, Vol.2, Issue. 1, pp.618-623.