Simulation-Based Design and Performance Evaluation of a Four-Switch Buck-Boost Converter for Formula SAE Electric Vehicle

Ida Ayu Tishya Maharani Putri, Dr. Raden Sumiharto,S.Si.,M.Kom.

2025 | Skripsi | ELEKTRONIKA DAN INSTRUMENTASI

Menjaga kestabilan sistem daya tegangan rendah sangatlah penting bagi kendaraan listrik Formula SAE (FSAE) untuk mendukung berbagai kebutuhan daya dari komponen elektronik yang tersedia di dalam mobil. Konverter DC ke DC umumnya digunakan untuk mengatur tegangan masukan yang berfluktuasi menjadi tegangan keluaran yang konstan sesuai dengan kebutuhan sistem daya. Di antara berbagai topologi, Four-Switch Buck-Boost (FSBB) merupakan salah satu topologi konverter daya yang mampu menangani variasi tegangan masukan yang luas dengan kemampuan untuk menaikkan (step-up) maupun menurunkan (step-down) tegangan serta menghasilkan tegangan keluaran non-inverting. Namun, untuk menjaga regulasi tegangan yang konsisten dan transisi mode yang mulus antara mode buck, boost, dan buck-boost tetap menjadi tantangan yang signifikan.

Studi ini menyajikan desain dan analisis kinerja berbasis simulasi dari konverter FSBB yang disesuaikan dengan kebutuhan daya dinamis kendaraan listrik Formula SAE. Berbagai switching frequency (30 kHz, 50 kHz, 70 kHz, dan 90 kHz) diuji untuk menilai pengaruhnya terhadap riak tegangan keluaran, efisiensi, dan respons sistem. Konverter dimodelkan dan disimulasikan dalam berbagai skenario untuk mengevaluasi kemampuannya dalam menjaga kestabilan tegangan keluaran serta memastikan transisi mode yang lancar.

Hasil simulasi menunjukkan bahwa switching frequency 70 kHz memberikan keseimbangan optimal antara efisiensi dan output ripple. Sistem ini mencapai puncak efisiensi 90,84% pada mode buck dengan voltage ripple serendah 0,36%. Selain itu, untuk meningkatkan kestabilan keluaran dan mengurangi lonjakan tegangan selama transisi mode, dalam sistem ini diterapkan pembatas arus prediktif dan filter low-pass orde dua. Dalam pengujian dengan profil beban dinamis yang menyerupai kondisi nyata, konverter FSBB yang telah dioptimalkan berhasil mempertahankan tegangan keluaran 12V secara konsisten bahkan ketika terjadi perubahan beban yang cepat, yang menegaskan kemampuan FSBB sebagai solusi manajemen daya LV yang handal.

Maintaining a steady Low-Voltage (LV) power system is essential for Formula SAE (FSAE) electric vehicles in order to support the electronics with varying power requirement. DC to DC converters is commonly used to regulate fluctuating input voltage into a constant output based on the required power system. Among various converter topologies, the Four-Switch Buck-Boost (FSBB) converter is one of the few power converter topologies which could handle wide input voltage variations with the ability to step-up and step-down and to have a non-inverting output voltage.  However, ensuring consistent voltage regulation and smooth transitions across the buck, boost, and buck-boost modes remains a significant challenge.

This study presents a simulation-based design and performance analysis of a FSBB converter tailored for the dynamic power requirements of a Formula SAE electric vehicle. Various switching frequencies (30 kHz, 50 kHz, 70 kHz, and 90 kHz) were tested to assess the effects on output ripple, efficiency, and system responsiveness. The converter was modeled and simulated under various operating scenario to assess its ability in maintaining stable output and to ensure smooth mode transition. 

The simulation results shows that the 70 kHz switching frequency provides the optimal trade-off between efficiency and voltage ripple, achieving peak efficiency of up to 90.84% in buck mode and ripple percentages as low as 0.36%. Moreover, in order to improve output stability and reduce overshoot during mode transitions, the predictive current limiter and a second-order low-pass filter are implemented. In real-world validation using dynamic load profiles, the optimized FSBB converter maintains a consistent 12V output even under rapid load shifts, confirming the FSBB's ability to be a reliable LV power management.

Kata Kunci : Four-Switch Buck-Boost Converter, FSBB, Voltage Converter, Low Voltage