Salah satu (sumber) penjelasan yang baik mengenai SEPIC (Single-Ended Primary-Inductance Converter) terdapat di buku Daniel W. Hart; D. W. Hart, Power Electronics, 1st ed. New York: McGraw-Hill Higher Education, 2010. Di Chapter 6, di halaman 236 terdapat contoh soal yang baik untuk dijadikan sebagai latihan pemahaman tentang bagaimana variabel-variabel (parameters) dari sebuah rangkaian SEPIC mempengaruhi unjuk kerja sistem. Di halaman tersebut sudah terdapat contoh pengerjaan manual, sehingga kali ini hanya akan dicoba dibuktikan dengan menggunakan Power Stage Designer Tool 4.0 dari Texas Instruments, PSIM 12.0.3 student version dari Powersim, dan LTspice dari Analog Devices.
Pada tulisan sebelumnya telah diperlihatkan bagaimana penggunaan PSIM untuk rangkaian yang umum dipelajari pada mata kuliah Elektronika Daya I. Kali ini akan dicoba untuk memperlihatkan bagaimana simulasi rangkaian SEPIC dapat dilakukan dengan mempergunakan aplikasi yang secara legal diperoleh secara gratis dengan educational license.
Soal dari buku Daniel W. Hart dipergunakan semata-mata untuk keperluan pendidikan, #FairUse.
Parameter rangkaian SEPIC:
Vs = 9 V
D = 0.4
f = 100 kHz
L1 = L2 = 90 μH
C1 = C2 = 80 μF
Io = 2 A
Carilah output voltage (tegangan keluaran) ; the average, maximum, and minimum inductor currents (arus induktor rata-rata, maksimum dan minimum); dan the variation in voltage across each capacitor (variasi tegangan di masing-masing kapasitor).
Perhitungan di buku coba direkonstruksi dengan menggunakan PSD (PSD 4.0/PSDT 4.0) yang juga bebas diperoleh gratis dari website Texas Instruments. Kapasitor C1 di soal adalah juga kapasitor C1 pada PSD 4.0, sedangkan C2 pada soal adalah Co pada rangkaian simulasi PSD 4.0. Komponen induktor L1 dan L2 bersesuaian posisi pada rangkaian di PSD 4.0.
[ Semua gambar di bawah ini dapat dilihat versi tampilan yang lebih besar dengan cara melakukan klik-kanan di gambar lalu memilih “Open image in new tab” pada browser. ]
Gambar 1. Simulasi contoh soal dengan PSD 4.0
Gambar 2. Simulasi rangkaian SEPIC dengan PSIM.
Gambar 3. Hasil simulasi, nilai rata-rata tegangan keluaran.
Bandingkan Gambar 3 yang merupakan hasil dari simulasi PSIM dengan Gambar 4 berikut yang merupakan hasil dari rancangan awal dengan PSD 4.0.
Gambar 4. Hasil PSD 4.0, nilai tegangan keluaran dari rangkaian/sistem.
Gambar 5. Nilai arus minimum dan maksimum di induktor L1 dengan arus keluaran rangkaian sebesar 2 A dan tegangan masukan 9 V.
Gambar 6. Nilai arus rata-rata di induktor L1 menurut simulasi PSIM.
Gambar 7. Zoom in di hasil simulasi PSIM untuk nilai arus di induktor L1.
Di Gambar 7, bisa dilihat berapa nilai maksimum, berapa nilai minimum dan juga berapa nilai selisih (delta, ∆) untuk arus di induktor L1.
Gambar 8. Nilai arus minimum dan maksimum di induktor L2 dengan arus keluaran rangkaian sebesar 2 A dan tegangan masukan 9 V.
Gambar 9. Zoom in di hasil simulasi PSIM untuk nilai arus di induktor L2.
Gambar 10. Nilai tegangan minimum dan maksimum di kapasitor C1 dengan arus keluaran rangkaian sebesar 2 A dan tegangan masukan 9 V.
Gambar 11. Zoom in di hasil simulasi PSIM untuk nilai arus di kapasitor C1.
Di Gambar 11, bisa dilihat berapa nilai maksimum, berapa nilai minimum dan juga berapa nilai selisih (delta, ∆) untuk tegangan di kapasitor C1.
Gambar 12. Rangkaian simulasi PSIM untuk melihat simulasi penyulutan pada gate MOSFET dan nilai tegangan keluaran rangkaian/sistem.
Gambar 13. Hasil simulasi PSIM untuk penyulutan pada gate MOSFET dan nilai tegangan keluaran rangkaian/sistem.
Gambar 14. Hasil zoom-in simulasi PSIM untuk penyulutan pada gate MOSFET dan nilai tegangan keluaran rangkaian/sistem.
Telah dapat dilihat pada rangkaian gambar sebelum ini bagaimana rancangan konverter elektronika daya berupa SEPIC yang awalnya disimulasikan dengan PSD/PSDT kemudian disimulasikan dengan simulator lain, yaitu PSIM. Berikutnya, bagaimana jika rangkaian yang sama (bersumber dari contoh soal di buku) itu disimulasikan di LTspice? Simulator LTspice adalah simulator SPICE yang secara legal dapat diperoleh secara gratis. Dahulu installer dapat diunduh di situs Linear Technology, perusahaan pembuatnya. Namum sekarang setelah Linear Technology dibeli dan menjadi bagian dari perusahaan Analog Devices, maka simulator ini dapat di unduh di tempatnya yang baru, di sini.
Gambar 15. Rangkaian simulasi SEPIC di simulator LTspice.
Tanda panah berwarna merah di Gambar 15 menunjukkan konvensi penandaan arah arus di komponen yang terdekat dengan tanda panah itu. Konvensi ini mengikuti penandaan pada buku Daniel W. Hart, agar lebih mudah untuk memahami cara kerja open-loop SEPIC circuit berdasarkan hasil simulasi LTspice yang akan ditampilkan kemudian.
Gambar 16. Kondisi rangkaian SEPIC saat sakelar MOSFET menutup dan diode off.
Gambar 17. Kondisi rangkaian SEPIC saat sakelar MOSFET terbuka dan diode on.
Gambar 18. Hasil simulasi contoh soal rangkaian SEPIC dengan LTspice.
Jika anda perhatikan pada Gambar 18, terdapat tanda negatif pada kurva untuk iL1 dan iL2. Hal ini hanya pengaturan kecil dan tidak mempengaruhi besaran nilai, hanya polaritas (arah arus) saja yang berubah. Pemberian tanda minus/negatif ini agar arah arus pada kedua induktor akan sama dengan penandaan/konvensi arah arus pada Gambar 15.
Telah dapat dilihat bahwa LTspice dapat berfungsi sama dengan PSIM untuk simulasi SEPIC. Apa fokus simulasi yang dilakukan di LTspice dapat diatur sendiri sesuai keperluan dan rasa ingin tahu. Ikuti terlebih dahulu pengaturan seperti pada Gambar 18, agar anda dapat membayangkan apa yang terjadi pada kondisi di Gambar 15, Gambar 16, dan Gambar 17. Berikutnya anda bisa fokus pada masing-masing bagian sehingga LTspice dapat memberikan hasil seperti yang ditampilkan oleh PSIM di gambar-gambar sebelumnya.
Sebenarnya PSIM telah memiliki fasilitas untuk dapat melakukan simulasi SPICE di dalam software PSIM. Sehingga pengguna tidak perlu memanggil aplikasi lain untuk melakukan simulasi SPICE, misalnya CoolSPICE atau LTspice. Sayangnya untuk student version seperti yang dipergunakan di sini, fasilitas itu tidak diberikan. Namun demikian, telah dapat dibuktikan untuk sebatas keperluan belajar ini, versi PSIM yang diberikan masih memadai.
Gambar 19. Perbedaan fasilitas pada versi-versi PSIM.
font cache: Ψ α β π θ μ Φ φ ω Ω ° ~ ± ≈ ≠ ≡ ≤ ≥ ∞ ∫ • ∆