Pendahuluan
Dalam merancang rangkaian-rangkaian elektronika daya, salah satu faktor penting yang perlu diperhatikan adalah masalah kerugian daya yang terjadi pada sakelar elektronik yang digunakan. Kerugian daya pada sakelar elektronik itu sendiri terdiri dari dua bagian yaitu pada kondisi ON dan pada kondisi peralihan (switching transition). Pada waktu sakelar elektronik berkondisi ON, kerugian daya terjadi karena adanya perosotan tegangan pada sakelar elektronik yang tengah menghantarkan arus, sehingga efek dari pengalian V*I tidak dapat dihindarkan. Pada kondisi peralihan, kerugian daya yang terjadi pada sakelar elektronik umumnya dikenal dengan istilah kerugian pensakelaran (switching loss). Kerugian pensakelaran terjadi karena alat pensakelaran tidak dapat mengalami transisi seketika atau selang waktu 0 detik dari satu status ke status lainnya. Misalnya, pada saat pensakelaran dari kondisi ON ke kondisi OFF, arus yang terhenti pada sakelar elektronik akan terjadi dalam kurun waktu yang relatif cepat, tapi tidak seketika atau 0 detik. Demikian pula halnya dengan penaikan tegangan pada proses pensakelaran yang sama. Fenomena serupa akan pula terjadi pada saat pensakelaran dari kondisi OFF kembali ke kondisi ON. Dengan demikian dapatlah dibayangkan betapa seriusnya kerugian daya yang dapat terjadi akibat kerugian pensakelaran tersebut, apalagi dengan melihat cepatnya frekwensi pensakelaran yang umumnya digunakan pada rangkaian-rangkaian elektronika daya. Tidaklah mengherankan pula jika pada rangkaian elektronika daya, kerugian daya dapat menjadi lebih besar pada kondisi peralihan dibandingkan dengan kerugian daya pada kondisi ON.
Kerugian pensakelaran dapat ditekan dengan cara mengimplementasikan topologi rangkaian pengubah resonan (resonant converter) seperti yang telah dibahas pada Elektro edisi 29 - Januari 2000. Dalam metoda resonan ini, pensakelaran pada rangkaian pengubah memanfaatkan tegangan atau arus nol yang terjadi karena osilasi alami, sehingga kerugian daya akibat V*I idealnya menjadi nol pula.
Alternatif lain untuk mengurangi kerugian pensakelaran adalah dengan menambahkan rangkaian snubber pada sakelar elektronik. Pada dasarnya, rangkaian snubber dirancang untuk memodifikasi bentuk gelombang peralihan (switching waveforms) sehingga kerugian daya pun dapat dikurangi. Dengan kata lain, rangkaian snubber dapat menekan kondisi kilasan (transient state) yang tidak diinginkan. Tanpa penekanan tersebut, tegangan pada saat kondisi kilasan dapat melebihi tegangan sakelar elektronik yang ditarifkan sehingga kerusakan pada sakelar elektronik pun akan sulit dihindari. Manfaat lain dari rangkaian snubber adalah untuk melindungi sakelar elektronik yang harganya relatif lebih mahal dibandingkan dengan harga komponen-komponen yang ada pada rangkaian snubber tersebut. Caranya adalah dengan mematikan guncangan atau osilasi yang berasal dari induktansi dan kapasitansi yang bersifat parasit pada rangkaian sakelar.
Hal ini sangat penting karena osilasi akan membawa dampak yang negatif seperti terjadinya interferensi elektromagnet. Pada Gambar 1 dapat dilihat perbedaan antara trayek peralihan dari sakelar elektronik pada pengubah half-bridge tanpa snubber, dengan snubber, dan dengan menerapkan metoda resonan [1].
Gambar 1. Trayek peralihan tanpa snubber, dengan snubber, dan metoda resonan
Kinerja snubber pada dasarnya adalah dengan cara memindahkan energi yang seharusnya diserap oleh sakelar elektronik ke rangkaian snubber. Pada umumnya ada dua jenis rangkaian snubber, yaitu rangkaian snubber disipasi dan rangkaian snubber non-dissipasi atau juga yang dikenal dengan istilah rangkaian snubber pemulih energi.
Rangkaian Snubber Disipasi
Pada jenis ini, perpindahan energi terjadi dari sakelar elektronik ke komponen resistor di rangkaian snubber. Ditinjau dari fungsinya ada dua macam snubber disipasi: untuk guling-on (turn on) dan guling-off (turn off). Sebagai contoh, Gambar 2 menunjukkan model rangkaian transistor dengan beban berinduksi beserta bentuk gelombang pada saat pensakelaran dan daya sesaat pada transistor [2].
Gambar 2. Rangkaian transistor dengan beban berinduksi
Dari Gambar 2c dapat ditarik kesimpulan bahwa kerugian energi akibat kerugian daya adalah proporsional dengan trayek dari daya sesaat p(t) = vQ(t) * iQ(t). Disamping itu pula kerugian daya sangat bergantung pada frekwensi pensakelaran. Semakin tinggi frekwensi pensakelaran, semakin bertambah kerugian daya yang terjadi. Dengan rangkaian snubber, bentuk gelombang dari vQ(t) dan iQ(t) dapat diubah sehingga trayek bentuk gelombang p(t) = vQ(t) * iQ(t) pun termodifikasi sesuai dengan yang diinginkan. Salah satu rangkaian snubber guling-off untuk transistor dapat dilihat pada Gambar 3 [2].
Disebut rangkaian snubber guling-off karena rangkaian tersebut menyediakan jalan lain untuk arus beban ketika guling-off. Pada saat transistor berguling ke posisi OFF, tegangannya menanjak dan diode snubber Ds mengalami panjaran maju (forward biased) dan kapasitor C mulai dimuati. Perlu diingat bahwa pada kondisi ini, tegangan kapasitor sama dengan tegangan pada transistor karena keduanya pada posisi paralel. Akibatnya, laju ubahan dari tegangan pada transistor pun menjadi berkurang karena pemuatan kapasitor tersebut. Kapasitor termuati sampai tegangan transistor mencapai kondisi OFF akhir dan terus termuati sampai transistor di ON-kan
Gambar 3. Rangkaian snubber guling-off pada transistor
Ukuran kapasitor snubber pada rangkaian snubber yang sama dipilih dengan cara menentukan level tegangan kapasitor yang diinginkan Vf pada saat arus melalui transistor sudah mencapai nol. Pada Gambar 3, terlihat bahwa arus transistor mencapai nol pada saat waktu t = tf. Maka, ukuran kapasitor snubber dapat dicari dengan menggunakan persamaan berikut:
C = I L t f / 2V f
Bagaimana halnya dengan ukuran resistor snubber R? Besarnya ukuran resistor snubber harus cukup untuk menyediakan waktu buangmuatan dari kapasitor selama transistor berada pada kondisi ON (tON) dan sebelum transistor di-OFF-kan kembali. Pada umumnya selang waktu sebanyak tiga sampai lima
ton > 5RC atau R < ton/5C
Jika ukuran resistor R telah dihitung, maka parameter lain yang penting diketahui adalah besarnya daya yang diserap oleh resistor snubber tersebut, yang dapat dihitung dengan persamaan berikut:
PR = (1/T)* ½ C Vs2 = ½ C Vs2 f
Dimana T adalah perioda pensakelaran, f adalah frekwensi pensakelaran, dan Vs adalah level tegangan akhir pada transistor dalam kondisi OFF.
Parameter PR inilah yang menunjukkan besarnya daya yang dipindahkan dari transistor ke rangkaian snubber. Beberapa hal penting yang dapat disimpulkan dari persamaan PR diatas adalah pertama, semakin besar ukuran kapasitor snubber semakin kecil kerugian daya pada transistor, namun akan semakin besar daya yang diserap oleh resistor R. Kedua, yang sangat menarik adalah bahwa daya pada resistor snubber tidak bergantung pada ukuran resistor snubber itu sendiri. Ketiga, daya yang diserap oleh resistor snubber berbanding lurus dengan besarnya frekwensi pensakelaran yang dipakai.
Gambar 4 menunjukkan bahwa penggunaan rangkaian snubber sebenarnya tidaklah berpengaruh besar pada kerugian daya secara keseluruhan (total loss) pada rangkaian transistor atau pada rangkaian sakelar elektronik lainnya [2]. Ini disebabkan karena memang fungsi utama rangkaian snubber yang hanya mengalihkan (bukan menghilangkan) penyerapan daya dari transistor atau sakelar elektronik lainnya ke rangkaian snubber.
Gambar 4. Kerugian daya sebagai fungsi dari ukuran kapasitor snubber
Rangkaian Snubber Pemulih Energi
Disipasi daya pada rangkaian snubber akan dapat dihindari jika energi yang disimpan dalam rangkaian snubber dapat dipindahkan kembali ke sumber daya atau ke beban. Hal ini dapat tercapai apabila resistor snubber diganti dengan komponen bereaksi (reactive components). Rangkaian snubber seperti ini akan menjadi lebih rumit dalam rancangannya namun memiliki keuntungan dalam hal peningkatan efisiensi daya. Gambar 5 menunjukkan dua contoh dari rangkaian snubber pemulih energi. Pada Gambar 5a, Ds dan Cs berfungsi sebagai snubber pada guling-OFF, dimana Cs dimuati sampai tegangannya mencapai Vs dan juga memperlambat laju ubahan tegangan pada transistor.
Gambar 5. Dua contoh Snubber Pemulih Energi
Pada guling-ON, terbentuk jalur arus melalui Q, Cs, L, D1 dan C1. Muatan yang sebelumnya terkandung dalam kapasitor Cs kemudian dipindahkan ke C1. Pada guling-OFF berikutnya, kapasitor C1 membuangmuatan melalui dioda D2 sampai akhirnya ke beban. Pada saat yang sama, kapasitor Cs dimuati kembali. Pendeknya, energi yang disimpan di kapasitor Cs selama kondisi OFF kemudian disalurkan ke C1 untuk akhirnya dikirim ke beban sehingga tidak ada energi yang terdisipasi.
Kesimpulan
Kerumitan dari rangkaian snubber seperti yang terlihat pada jenis pemulih energi merupakan satu hal yang menjadi hambatan dan perhatian dalam menjustifikasi penggunaan rangkaian snubber. Bertambahnya tingkat kerumitan rangkaian akan berarti penambahan biaya. Dalam aplikasi rangkaian sakelar elektronik dengan kapasitas daya rendah dengan tegangan keluaran rendah misalnya, pemakaian snubber jenis disipasi akan mencukupi. Namun untuk aplikasi dengan tegangan keluaran tinggi (ratusan dan ribuan volt), snubber jenis pemulih energi akan lebih sesuai untuk digunakan, terlebih untuk meningkatkan efisiensi daya. Hal penting lain adalah pengoperasian frekwensi pensakelaran yang dapat terbatasi oleh keberadaan snubber ini. Perlu diingat bahwa untuk aplikasi pengubah dc-dc yang berukuran kecil dan ringan misalnya, frekwensi pensakelaran yang tinggi adalah merupakan keharusan. Oleh karena itu, perlu pula dilakukan perhitungan sampai sejauh mana sakelar elektronik dapat mentolerir kerugian daya sehingga pemakaian rangkaian snubber tidak terlalu dimaksimalkan untuk kemudian mengorbankan batas pengoperasian frekwensi pensakelaran.
Daftar Pustaka
[1] N. Mohan, T. Undeland, dan W. P. Robbins, Power Electronics: Converters, Applications, and Design, John Wiley & Sons, 1995.
[2] Daniel W. Hart, Introduction to Power Electronics, Prentice Hall, 1991.
Oleh Dr. Taufik
Penulis adalah Dosen Fakultas Teknik Elektro
