Perkembangan teknologi elektronika daya mendorong kebutuhan akan sistem konversi energi yang semakin efisien, ringkas, dan andal. Salah satu perangkat yang memegang peranan penting adalah inverter, yaitu rangkaian elektronika daya yang berfungsi mengubah tegangan DC menjadi tegangan AC. Aplikasinya sangat luas, mulai dari sistem fotovoltaik, kendaraan listrik (EV/HEV), sistem motor drive industri, hingga transportasi kereta berkecepatan tinggi.
Pada teknologi konvensional berbasis silikon (Si), inverter umumnya mampu mencapai efisiensi sekitar 95–97%. Namun, masih terdapat kendala berupa switching loss yang tinggi, keterbatasan frekuensi kerja, serta kebutuhan sistem pendinginan yang besar. Hal ini membuat sistem cenderung boros energi dan memerlukan ukuran yang relatif besar.
Munculnya semikonduktor Wide Bandgap (WBG) seperti Silicon Carbide (SiC) menjadi terobosan penting. SiC memiliki karakteristik bandgap lebih lebar, resistansi on-state rendah, frekuensi switching lebih tinggi, serta kemampuan bekerja pada temperatur tinggi. Keunggulan ini menjadikannya sangat potensial untuk digunakan pada inverter generasi baru dengan efisiensi lebih tinggi dan losses lebih rendah. Bahkan, berbagai pengujian menunjukkan bahwa inverter berbasis SiC mampu mencapai efisiensi 98–99%.
Namun, efisiensi tinggi tersebut menimbulkan tantangan baru pada sisi pengukuran daya dan evaluasi losses. Frekuensi switching tinggi menghasilkan harmonisa hingga orde MHz, sehingga metode pengukuran konvensional tidak lagi mencukupi. Oleh karena itu, penelitian mengenai evaluasi efisiensi dan losses inverter berbasis SiC sangat penting untuk memahami keunggulan dan tantangan teknologi ini, sekaligus menentukan strategi pengukuran yang tepat.
Inverter Silicon & Silicon Carbide
Inverter Berbasis Silicon (Si)
Selama puluhan tahun, silikon menjadi material utama dalam perangkat semikonduktor daya seperti IGBT dan MOSFET. Keunggulannya adalah teknologi matang, biaya rendah, dan ketersediaan luas. Namun, inverter berbasis Si m emiliki keterbatasan:
- Efisiensi terbatas (umumnya 95–97%).
- Switching frequency rendah (10–20 kHz), sehingga membutuhkan komponen pasif (induktor/kapasitor) yang besar.
- Thermal management kompleks, karena konduktivitas termal relatif rendah.
Inverter Berbasis Silicon Carbide (SiC)
Sebaliknya, inverter berbasis SiC memiliki keunggulan signifikan:
- Efisiensi sangat tinggi (hingga 99%).
- Switching frequency lebih tinggi (>100 kHz), memungkinkan ukuran filter lebih kecil.
- Conduction loss rendah, berkat resistansi on-state kecil.
- Kemampuan kerja pada temperatur tinggi, sehingga sistem pendinginan lebih sederhana.
Sebagai contoh, penerapan inverter full-SiC pada kereta cepat Jepang (Shinkansen) menghasilkan penghematan energi hingga 40% dibanding inverter berbasis Si
Part of Effciency Measurement
Dalam evaluasi sistem penggerak motor yang menggabungkan inverter dan motor, efisiensi dan kerugian dapat diukur dengan mengukur daya input dan output inverter serta power motor, kemudian menghitung rasio atau selisih antara nilai input dan output.
Output inverter dan motor berfluktuasi seiring waktu. Akibatnya, pengukuran yang akurat menjadi sulit karena sinkronisasi waktu pengukuran yang tidak sempurna dan perbedaan metode perhitungan saat menghitung efisiensi dan kerugian dengan mengukur masing-masing titik menggunakan instrumen terpisah. Oleh karena itu, semua pengukuran perlu dilakukan secara bersamaan, baik dengan menggunakan satu instrumen untuk semuanya maupun melalui kontrol tersinkronisasi dari beberapa instrumen. Persyaratan ini dapat dipenuhi dengan menggunakan power analyzer.
Power Analyzer yang digunakan paling tidak memiliki empat hingga enam saluran pengukuran daya beserta fungsi analisis motor, yang memungkinkannya mengukur efisiensi dan kerugian dengan tingkat presisi yang tinggi. Oleh karena itu pengujian efisiensi SiC inverter dapat menggunakan Power Analyzer Hioki PW6001.
Power Analyzer Hioki PW6001
Power Analyzer Hioki PW6001 adalah alat ukur daya dari Hioki yang memiliki akurasi tinggi, lebar pita frekuensi, dan stabilitas yang baik. Alat ini mampu mengukur daya listrik mulai dari sumber DC hingga inverter. Dengan maksimum 12 channel, PW6001 dapat digunakan untuk menguji sistem motor inverter satu fase maupun tiga fase, serta perangkat generasi baru seperti inverter berbasis Silicon Carbide (SiC).
Spesifikasi Utama Power Analyzer Hioki PW6001
| Pengukuran | 1P2W, 1P3W, 3P3W, 3P4W |
| Max. Channel | 6 Channel |
| Parameter | V, I, P, S, Q, Factor Daya, Phase Angle, F, Efisiensi, Loss, Urf, Irf, Ih, WP, Upk, Ipk, Harmonic, Waveform |
| Rentang Tegangan | 6 V to 1500 V |
| Rentang Arus | 100 mA to 5000A |
| Akurasi | ±0,02 % rdg. ±0,02 % fs |
| Rentang Frekuensi | 0.1 Hz hingga 2 MHz |
| Pembaruan Data | 10 ms/ 50 ms/ 200 ms |
Fitur Power Analyzer Hioki PW6001
1. Pergeseran Fasa
Pergeseran fase sensor saat ini sangat penting terutama dalam situasi arus tinggi untuk mencapai presisi pengukuran yang optimal. Sensor saat ini biasanya menunjukkan kesalahan fase yang meningkat secara bertahap di wilayah frekuensi tinggi karena karakteristik inti magnetik dan sirkuit sensor. Selain itu, perbedaan dalam desain berbagai model sensor menyebabkan besarnya kesalahan ini bervariasi.
Fungsi pergeseran fase sensor arus PW6001 menggunakan informasi kesalahan fase spesifik sensor untuk mengoreksi kesalahan, sehingga meningkatkan karakteristik fase di wilayah frekuensi tinggi dan mengurangi kesalahan pengukuran daya. Koreksi pergeseran fase dilakukan dengan resolusi 0,01° untuk mengukur daya dengan lebih akurat.
2. Bandwith Frekuensi
Pengukuran daya di seluruh bandwidth lebar diperlukan untuk mendukung perangkat switching berkecepatan tinggi seperti SiC. Dibandingkan bahkan dengan Hioki 3390 Power Analyzer, PW6001 direkayasa dengan 10x pita frekuensi dan kinerja pengambilan sampel.
akurasi tinggi, pita lebar, dan stabilitas tinggi. Hioki PW6001 menggabungkan 3 elemen penting dari pengukuran daya dan kinerja dasar yang didukung oleh teknologi canggih untuk mencapai analisis daya yang tak tertandingi.
3. Sampling Tinggi 5MS/s
Pengukuran berdasarkan teorema sampling diperlukan untuk melakukan analisis daya yang akurat dari bentuk gelombang PWM. Hioki PW6001 memiliki fitur pengambilan sampel langsung dari sinyal input pada 5 MS/s, menghasilkan pita pengukuran 2 MHz. Ini memungkinkan analisis tanpa kesalahan aliasing.
4. Kalkulasi dan simultan dengan Power Analysis Engine II
Semua pengukuran, termasuk deteksi periode, analisis daya pita lebar, analisis harmonik, dan analisis waveform, diproses secara digital secara independen dan tanpa pengaruh satu sama lain. Pemrosesan perhitungan cepat digunakan untuk mencapai kecepatan pembaruan data 10 ms dengan tetap mempertahankan kecepatan maksimum akurasi.
5. Analisa Waveform / Gelombang
Selain bentuk gelombang tegangan dan arus, sinyal sensor torsi dan encoder juga dapat ditampilkan secara bersamaan. PW6001 juga dilengkapi dengan pemicu, pra-pemicu, pemicu lain yang sesuai untuk analisis motor seperti bentuk gelombang PWM, serta pemicu pulsa encoder.
6. Analisa Harmonik
Analisis harmonik pita lebar disediakan sebagai fitur standar hingga maksimal. Urutan ke-100 untuk frekuensi dasar 0,1 Hz hingga 300 kHz dan pita analisis 1,5 MHz. Analisis gelombang fundamental pada motor dan pengukuran tingkat distorsi dalam bentuk gelombang transmisi untuk catu daya wireless.
7. Sensor Arus Akurasi Tinggi
Seri CT684x memiliki karakteristik suhu yang luas dan kisaran suhu pengoperasian -40°C hingga 85°C, memungkinkannya digunakan dalam evaluasi operasional perangkat dan peralatan di dalam yang mengalami perubahan suhu ekstrem. Performa tangguh sensor arus membantu memastikan Anda dapat melakukan pengukuran yang diperlukan.
Probe Arus AC/DC CT6830 dan CT6831 (opsional) memiliki desain yang ringkas dan berukuran kecil, sehingga mudah dipasang di ruang sempit di sekitar papan sirkuit, seperti catu daya switching di dalam produk. Selain itu, alat ini mencakup rentang suhu pengoperasian yang luas dari -40°C hingga 85°C, sehingga memungkinkan pengukuran arus DC level rendah yang akurat bahkan di lingkungan dengan suhu sekitar yang bervariasi.
Inverter berbasis Silicon Carbide (SiC) memberikan lompatan besar dalam teknologi elektronika daya dengan menghadirkan efisiensi sangat tinggi (hingga 99%), switching loss rendah, serta kemampuan bekerja pada frekuensi dan temperatur tinggi. Dibandingkan inverter berbasis silikon konvensional, SiC inverter memungkinkan penggunaan sistem yang lebih ringkas, hemat energi, dan memiliki densitas daya lebih tinggi.
Namun, evaluasi efisiensi dan losses inverter SiC tidak sederhana. Frekuensi switching yang tinggi menghasilkan harmonisa hingga orde MHz, sehingga pengukuran memerlukan instrumen dengan bandwidth luas, koreksi error fasa, serta CMRR tinggi. Hioki Power Analyzer PW6001 menjadi salah satu solusi ideal karena mampu memberikan pengukuran simultan multi-channel dengan akurasi tinggi, dilengkapi fitur koreksi sensor arus, anti-aliasing, dan analisis harmonisa yang presisi.
Dengan kemampuan ini, evaluasi efisiensi inverter SiC dapat dilakukan secara akurat, sehingga mendukung pengembangan sistem EV, HEV, energi terbarukan, dan transportasi modern. Hal ini menjadikan inverter SiC sebagai teknologi kunci dalam mewujudkan sistem energi masa depan yang lebih efisien, berkelanjutan, dan ramah lingkungan.
Untuk memastikan evaluasi efisiensi dan losses inverter berbasis SiC berjalan akurat, pemilihan instrumen pengukuran yang tepat adalah langkah penting. Jika Anda ingin mengetahui lebih lanjut mengenai Hioki Power Analyzer PW6001 atau membutuhkan solusi pengukuran daya untuk aplikasi industri maupun riset, silakan hubungi kami melalui tombol WhatsApp di pojok kanan bawah. Tim ahli dari Radius Electric, sebagai distributor resmi Hioki di Indonesia, siap membantu Anda dengan informasi, konsultasi, hingga rekomendasi produk terbaik sesuai kebutuhan.
Author: Muhamad Nurhuda Din Nulloh
References:
- Hayashi, K. (2016). High-Precision Power Measurement of SiC Inverters. Hioki E.E. Corporation. Retrieved from: [Hioki Technical Report]
- Thal, E., Masuda, K., & Wiesner, E. (2015). “New 800A/1200V Full SiC Module.” Bodo’s Power Systems, April 2015, pp. 28–31.
- Fuji Electric. (2015). Joint Development of Converter-Inverter for The Tokaido Shinkansen Cars Using SiC Power Semiconductor Modules. Retrieved from: http://www.fujielectric.com
- Mitsubishi Electric. (2015). Mitsubishi Electric’s Railcar Traction Inverter with All-SiC Power Modules Achieves 40% Power Savings. Retrieved from: http://www.mitsubishielectric.com
- Yoda, H., Kobayashi, H., & Takiguchi, S. (2016). “Current Measurement Methods that Deliver High Precision Power Analysis in the Field of Power Electronics.” Bodo’s Power Systems, April 2016, pp. 38–42.
- Ikeda, K., & Masuda, H. (2016). “High-Precision, Wide-band, Highly Stable Current Sensing Technology.” Bodo’s Power Systems, July 2016, pp. 22–28.
