Desain dan Analisis Performa Sistem Kendali Compensator Tipe III pada Buck Converter dengan Metode Respon Frekuensi

Priyo Herlambang, Dr. Ir. Fahmizal, S.T., M.Sc.

2025 | Tugas Akhir | D4 TEKNOLOGI REKAYASA ELEKTRO

 Penelitian menyajikan proses desain dari rangkaian kendali compensator tipe III

 menggunakan metode respon frekuensi untuk buck converter. Buck converter

 merupakan salah satu jenis DC-DC converter yang menurunkan tegangan DC

 berdasarkan nilai duty cycle dari gelombang Pulse Width Modulation (PWM) yang

 digunakan. Tegangan keluaran dari buck converter dapat mengalami sebuah osilasi

 dan overshoot akibat proses penyaklaran serta kondisi riil. Implementasi rangkaian

 compensator tipe III dapat meningkatkan performa transien dan steady state dengan

 meminimalisir overshoot serta tegangan riak yang dihasilkan. Proses desain dari

 rangkaian kendali dapat menggunakan respon frekuensi karena penggunaan bode plot

 mampu menggambarkan kestabilan dan bandwidth dari sistem melalui nilai phase

 margin serta gain crossover frequency.

 

 Compensator tipe III yang didesain dengan respon frekuensi dapat

 menggunakan metode K factor yang menghasilkan K value untuk menentukan

 frekuensi zero dan pole dari fungsi alih compensator serta nilai komponen dari

 rangkaian analog. Penentuan nilai K value didasarkan pada kebutuhan phase margin

 pada gain crossover frequency yang digunakan, yaitu 10 kHz. Performa compensator

 tipe III akan diuji dengan beban konstan 100 ?, perubahan beban 100 ? menuju 50 ?,

 dan perubahan beban 50 ? menuju 100 ? untuk mengamati pengaruh nilai phase

 margin terhadap respon transien dari tegangan keluaran buck converter.

 

 Implementasi compensator tipe III mampu meningkatkan performa transien dan

 steady state dari buck converter dengan penurunan overshoot dari 60,72 % menuju

 10,11 % serta penurunan settling time dari 829,3 µs menuju 519,23 µs. Peningkatan

 phase margin dari compensator tipe III terbukti akan menaikkan rasio redaman

 dengan penurunan overshoot dari 18,45 % pada phase margin 45? menuju 10,11%

 pada phase margin 60?, tetapi respon terhadap error menjadi lebih lamban dengan

 peningkatan nilai rise time dari 44,54 µs pada phase margin 45? menuju 53,09 µs

 pada phase margin 60?, peningkatan peak time dari 98,36 µs pada phase margin 45?

 menuju 176,16 µs pada phase margin 60?, dan peningkatan settling time dari

 410,05 µs pada phase margin 45? menuju 519,23 µs pada phase margin 60?.

 Performa steady state telah ditingkatkan dengan penurunan tegangan riak dari

 26,89 mVp?p menuju 20,84 mVp?p.

 This research presents the design process of a type III compensator circuit using

 the frequency response method for a buck converter. The buck converter is a type of

 DC-DC converter that steps down the DC voltage based on the duty cycle of the

 applied Pulse Width Modulation (PWM) signal. The output voltage of a buck

 converter may experience oscillations and overshoot due to the switching process and

 non-ideal conditions. Implementing a type III compensator circuit can improve both

 transient and steady-state performance by minimizing overshoot and output voltage

 ripple. The controller design process utilizes the frequency response method, as the

 bode plot provides a clear representation of system stability and bandwidth through

 phase margin and gain crossover frequency.

 The type III compensator is designed using the K-factor method, which produces

 a K value that determines the zero and pole frequencies of the compensator transfer

 function, as well as the component values for the analog circuit. The K value is chosen

 based on the desired phase margin at a target gain crossover frequency of 10 kHz. The

 performance of the Type III compensator is evaluated under three load conditions, a

 constant load of 100 ?, a load change from 100 ? to 50 ?, and a load change from 50 ?

 to 100 ? to observe the effect of phase margin on the transient response of the buck

 converter’s output voltage.

 The implementation of the Type III compensator successfully improves the

 transient and steady-state performance of the buck converter, reducing the overshoot

 from 60.72 % to 10.11 % and decreasing the settling time from 829.3 µs to 519.23 µs.

 An increase in phase margin also improves the damping ratio, as evidenced by the

 reduction in overshoot from 18.45 % at a phase margin of 45? to 10.11% at a phase

 margin of 60?. However, a higher phase margin results in a slower error response,

 indicated by an increase in rise time from 44.54 µs to 53.09 µs, peak time from

 98.36 µs to 176.16 µs, and settling time from 410.05 µs to 519.23 µs. The

 steady-state performance is also enhanced, with the output voltage ripple reduced

 from 26.89 mVp?p to 20.84 mVp?p.

Kata Kunci : Buck Converter, Compensator Tipe III, K Factor, Phase Margin.