Why?

Forward converter merupakan rumpun catu daya switching yang memiliki efisiensi konversi tinggi, hingga 90%. Forward converter juga memiliki jangkauan daya keluaran yang lebih tinggi dibandingkan topologi flyback.

What?

Catu daya yang akan dibuat memiliki tegangan input -48VDC (Standar industri telekomunikasi) dan tegangan output 12 VDC, dengan kemampuan arus maksimal 10 Ampere. Daya maksimal yang dapat dicapai oleh forward converter ini sekitar 120 Watt. Dengan daya tersebut, maka power supply akan menggunakan enclosure logam (aluminium) yang berfungsi sebagai peredam EMI dan konduktor panas dari komponen-komponennya. Topologi ini akan menggunakan 1 buah transistor switching MOSFET dan daur kerja maksimum kurang dari 50% untuk memberikan waktu bagi inti magnetik mengalami reset fluks magnetik (untuk menghindari efek flux walking)

How?

Rangkaian forward converter membutuhkan beberapa komponen utama yaitu:

  1. PWM controller
  2. Transistor Switching
  3. Transformer Switching
  4. Rangkaian Snubber
  5. Rangkaian Rectifier & Filter

 

Untuk PWM controller menggunakan IC UC3843, Transistor Switching menggunakan MOSFET IRF640 dengan arus maksimum 18 Ampere, Transformer switching yang dibuat secara custom menggunakan ferrite Core EI, Rangkaian Snubber terdiri dari sebuah dioda Rectifier dengan rating ultrafast UF5408, Rangkaian Rectifier yang terdiri dari sebuah dioda package (Rectifier dan Snubber), 2 buah induktor toroid custom-made dan 3 buah kapasitor filter.

Pembahasan desain akan dimulai dari segmen tegangan input yaitu -48 VDC. Power supply ini dirancang untuk menghasilkan tegangan 12 Volt, Arus 10 Ampere dan daya keluaran 120 Watt. Target efisiensi yang diharapkan adalah 80 – 85%, sehingga dibutuhkan daya input sebesar 150 Watt. Dari data daya tersebut maka arus rata-rata yang mengalir pada bagian input sebesar:

Desain dan Implementasi Forward Converter | the atmojo

Arus yang diperoleh di atas merupakan arus rata-rata yang dibutuhkan, namun untuk mengukur rating dari komponen yang digunakan maka dilakukan pengukuran arus maksimum berdasarkan duty cycle

Desain dan Implementasi Forward Converter | the atmojo

Dari perhitungan tersebut diperoleh nilai arus maksimum yang mengalir di sisi primer (input) forward converter.

Hasil perhitungan arus maksimum tersebut bermanfaat untuk pemilihan transistor Switching dan dioda snubber yang akan digunakan. Parameter utama yang dibutuhkan dalam menentukan transistor switching adalah conduction loss dan arus maksimum yang dapat dilalukan.

Transistor Switching

Alternatif transistor switching dapat terbagi menjadi beberapa kategori berikut:

  1. BJT
  2. MOSFET
  3. IGBT

Untuk frekuensi kerja 250 kHz, MOSFET merupakan solusi yang paling baik dibanding alternatif lain, mengingat conduction loss nya yang paling rendah. conduction loss pada MOSFET ditentukan oleh RDS(ON) yang berbeda-beda untuk masing-masing tipe MOSFET. Nilai RDS(ON) yang lebih rendah mengindikasikan kapasitas arus maksimum yang lebih tinggi dan conduction loss lebih rendah.

Sebagai contoh, MOSFET IRF640, dengan alasan ketersediaan yang luas di pasar dan harga yang relatif terjangkau. Datasheet IRF640 menyatakan bahwa, MOSFET ini mampu mengalirkan arus hingga 18 Ampere dengan RDS(ON) 0.18 Ω. Dibandingkan dengan MOSFET IRF740, hanya mampu mengalirkan arus hingga 10 Ampere dengan RDS(ON) 0.55 Ω. Sedangkan MOSFET IRF540 mampu mengalirkan arus 22 Ampere dengan RDS(ON) 0.055 Ω.

Untuk desain forward converter ini, IRF740 atau IRF640 akan mencukupi untuk mengalirkan arus maksimum 6.94 Ampere. Karena IRF640 memiliki RDS(ON) dan conduction loss yang lebih rendah pula, maka MOSFET ini yang akan digunakan.

Rangkaian Snubber

Forward converter menggunakan rangkaian snubber yang bersifat non-dissipative, karena energi yang dilepaskan transformer disimpan pada kapasitor utama untuk digunakan pada konversi energi selanjutnya. Namun, tetap ada pemborosan daya yang terjadi pada komponen rangkaian snubber, terutama pada dioda snubber yang digunakan. Untuk pemilihan dioda snubber terdapat beberapa alternatif antara lain:

  1. Standard Rectifier
  2. Fast Rectifier
  3. Ultrafast Rectifier
  4. Schottky Rectifier

Kategori standard, fast dan ultrafast rectifier merupakan dioda tipe silikon umum, sedangkan schottky rectifier merupakan dioda semikonduktor-metal yang memiliki karakteristik drop tegangan lebih rendah. Sayangnya pada schottky rectifier, tegangan balik maksimum yang dimiliki relatif rendah dibandingkan dengan dioda silikon.

Standard, Fast dan Ultrafast dibedakan dari reverse recovery time (trr), yaitu waktu yang dibutuhkan bagi dioda untuk dapat berkonduksi setelah mendapat tegangan balik (reverse voltage). Semakin cepat rating dioda (trr kecil) maka akan semakin sedikit stress yang ditimbulkan pada komponen akibat tegangan induksi.