Int ern at i onal  Journ al of  P ower E le ctr on i cs a n d  Drive  S ystem s   ( IJ PEDS )   Vo l.   1 2 ,  No.   2 ,  Jun   202 1 ,  pp.  870 ~ 885   IS S N:  20 88 - 8694 ,  DOI: 10 .11 591/ ij peds . v 1 2 .i 2 . pp 870 - 885           870       Journ al h om e page :  http: // ij pe ds .i aescore.c om   Des i gn o f a hig h perfo rmance AC - DC LE D driver  based o n  SEPIC t opology       Fou zi a  Ferd ous,  A.  B . M.  H arun - ur - R as h id   Depa rtment  o f  E le c tri c al a nd  Ele ct roni c  Eng ineer ing,   B angl ad esh  Univer sity  of   En gine er ing  and   T e chnol ogy,   Banglade sh       Art ic le  In f o     ABSTR A CT    Art ic le  history:   Re cei ved   M a r 31,  2020   Re vised Jan  15 , 2021   Accepte d  Fe b 1, 2 021       Li ght   e mi t ti ng   d iode s   ( LE Ds )   ar e  cur ren t  dr ive n   devi c es.   So,  it  is   essent ia l   to   ma intain  the   st a bil it y   of  L ED  v olt ag e  and  cur re nt.   Var ia t ion  of  te mp era tur e   ma y   ca us e  of   in stabi litie s   and   b i furc ations  in   the  L ED  dr ive r .   Dr ivi ng   LE Ds   from  an   offl ine   power  source   fa ce s  design   ch al l enge s   l ike  it  hav e  to   maint ain   low  har mon ic s  i n  input  cur r ent ,   t o  ac h ie v e  high   p ower  fa ct or,  hig h  eff i cienc y   and  to  maintain  consta nt   L ED  cu rre nt   and   to   ensure   long   li f et i me.  Thi s  p ape r   proposes  the  t ec hniqu e  of   h arm oni cs  red u c ti on  by   using   par am e tri c   opti mizat ion  of   Single   ende d  pr i ma ry  induc tor   c onver te r   (SEPIC)  base d  LE D   drive r.  W it hout   opti mization  o f  SEP IC  par amet e rs  input  en erg y  will   no t  b e   prope rly   tr ansfe rre d  to   the  lo a d  and   th is  un - t ran sferre d   en er gy  wil l  b e  tra nsmit te d   to   th e  sourc e.  Conse quent ly ,   the  qua li ty   of  input  cur ren t   will  be   ham per ed  i. e .   ha rmoni cs  wi ll  co nta mi n ate  th e  in put  cur r ent.  Foc uss ing  thi s,   the   pap er  has  pr ese nte d  the   d esi gn  of  a  non - isol at ed  int egr ated - stage   sing le - sw it ch  consta nt   cur ren t   L ED  dr i ver   op era t ing  in   discontinuous  conduc t i on  mode   (DCM )  in   SEP IC  inc orpor at ing   the  design   of  con trol  ci r cu it   with   sof t   start  mecha n ism.   Thi s   LE D   driv er  h as  ac hi eve d   a   good   eff icien cy  (90 . 6% )   and  high - power   fac tor   (0. 98)   with  red uc ed  h arm oni cs  (3. 35 %).   Sys te m   stabi lity  h as  be en  d et er mi ned   and  simu l ation   studie s   ar e  p e rform ed   to   conf irm  th e   vali dit y   of  the  L ED  drive r   circui t.  A   la bora tory  p rototype  is  bui lt  to  ver ify the   f un ct ion al it y   and   pe rform ance  of   th e   proposed  L ED d rive r.   Ke yw or ds:   Harmo nics   LED d river   Op ti miza ti on   SEPI C   Stabil it y   This   is an  open   acc ess arti cl e   un der  the  CC  BY - SA   l ic ense .     Corres pond in g  Aut h or :   Fouzia  Fe rdo us     Dep a rteme nt   of Elec tric al  and  Elec tro nic E nginee rin g   Ba ng la desh Un iversity  of E ngineerin g  a nd T echnolo gy   Dh a ka - 12 05 ,   B ang la des h   Emai l:  f fe rdo us91@ gm ai l.co m       1.   INTROD U CTION     The  a dvance m ent  of  li ghti ng  te ch nolo gy  is  mo stl y  due   to  the   ad ve nt   of  hi gh - lumi nan ce   li ght  emit ti ng   diode   ( LE D ) .  I n  ord er  to   e ns ure  good   ex plo it at io n  of  LE Ds,  a  highly   ene rgy - eff ic ie nt  a nd  r el ia ble   LED  dr i ver   wi th  co ns ta nt  c ur ren t  ou t pu t  is  utterl y   necessa ry.   I n  AC - DC  LED  a ppli cat i on  sy ste ms  in put  AC   go e s th rou gh re ct ific at i on  and  DC/DC c onve rsion acc ordin g  to  the l oad   re qu i reme nts.  T he  u se  of s om e  ci rcu it   el ements  li ke  diodes,  MOSF ET  are  the  c au se  of   e xtre me  deformat ion  in   input  cu rr e nt.   PFC  co nverte rs  are   require d  i n  AC /DC  c onversi on  t o  e nsure  h ig h  powe r   facto r.  F or  PFC   a pp li cat ion s   some  c ircuit   to polo gies  li ke   boos t,  buc k - boos t, S EP IC, a nd C uk are  im m ensely   us e d.   Cl assic   LED   s ys te ms   are   ba sed  on  sin gle - sta ge  or  m ulti - sta ge   or   integ rated   sta ge   L ED  dri ve rs.  Sing le   sta ge   si ng le   switc h  A C - DC  c onve rt ers  a re  more  a ccepte d  f or  low er   co st  a nd  s iz e.  But  outp ut  volt age   con t ro l  a nd  power   qual it y  ar e  sacrifice d  [ 1]  relat ive  t o  t wo  sta ge   ap proach.  T he  t wo  sta ges  a nd  m ulti pl e   sta ges  a re  us e d  f or  hi gher   po wer  le vel  a nd  mu lt iple  loa d  c onditi ons  [2 ],  [ 3],  bu t   in   smal l  an d  medi um  powe r  app li c at io n  it   has  s om e  dr a w backs  su c h  as  low  ef fici enc y,  mu lt iple  co ntr ol  an d  hi gh   c ost .  A  lot  of  res earch   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N:  20 88 - 8 694       Desig n of  a hig h perfor m an ce   AC - DC  LE D d riv er base d on  SEP IC to po l ogy   ( F ouzia Fe rdou s )   871   works  has   bee n  done   on   harmo nic  reducti on  a nd  powe r   fa ct or  co rr ect io ns  ( PFC)   in   LE D  a ppli cat ion   ov e r  t he   la st t en  yea rs [ 4 ] - [ 7].   High  po wer   fa ct or   an d  lo w   i nput - c urre nt  ha rm on ic s  a re  be coming  the  m and at ory  de sig n  crit eria  f or  switc hing   po w er  s upplies.   In  order  t o  obta in   hi gh  PF   an d  low  T H D,  a  fa mil y  of  si ng le - sta ge  is olate d  PFC  cel l  li ke  bu c k,  boost   are   a dv a nce d  [ 8 ] - [ 13].  T hose   LE D   dri ve rs  suffe r   f rom  volt a ge  sp i kes   arise n  acr os s   the   switc h,   high  c omplexit y,  an d  zero - cr os si ng  distor ti on   of   i nput  cu rrent.  LED  Dr i ver   i n  ref e ren ce  [ 14 ] ,  [ 15]   su f fer s  from l ow e ff ic ie nc y.     In   c ompa rison   to  va rio us   to po l og ie s ,  the  SEPI C  is  mor e  sat isfact ory  so luti on  for  ac hieving  high   powe r  fact or   i n  lo w - powe r  L ED  li ghti ng   a ppli cat ion .  J ha   [ 16]  proposes  a   LED  dr i ver   wi th  good  powe r  factor   and  go od   t otal  harmo nic  dist ort ion   (T HD)  w it h  co ns ta nt  L ED  c urren t.   Bu t  com plexity  of  the  dr i ver   dec reases   eff ic ie nc y.  In  Hwu   [ 17]   the   LED   dr ive r   is  capaci tor   a nd  i nducto r   le ss   an d  ha rm on ic s   a r e  re duced   but  THD  i s   no t   go od  e nough.  In  LE D   dri ver  s uch  as   bri dg el ess   boos t  c onve rter  with   s ing le   i nducto r   and  sin gle   cap aci tor  as  in   Pa nd e y   [ 18]  ha rm on ic s   are  sat isfact ory   but  s witc hing   losses  a re   hi gher.  H a rm on ic s   are  c ompe ns at ed  i n  LED  d ri ver   i n   Anwar   [ 19]  but  comp le x  harmo nic  co mp e nsa ti on   un it   is  a dd e d.   Lo w  pas s  filt er  is  instal le d  in  LED  dri ve r  in   Ka rim  [20]  f or  ha rm onic   mit igati on   but  the  obta ined   ha rm on ic s   w as  25. 3%.  Re f .  [ 2 1]   com pr ise s  of  t he  met hod  o f   ha rm on ic   i nject ion  w her e   thir d  harmo nics  r ed uction  is  not  s o  good.  I n  re f.   [ 22]  in   sing le   sta ge  P FC  LED  dr i ve r  the  LE D  ou tpu t  is  not  co ns ta nt  as  the re   is  no   cl ose d  loop  co ntr ol  of  the   conve rter.  On  the  oth e r  ha nd   TH D  re du ct ion   pr ocess   is  com plex.   In   t he  AC  L ED  dr ive r  ha rm on ic   com pensat ion i s not sati sfied  for l ow  order ha rm on ic  c urre nts [23].    This p ape r  pro po s es  a  c onsta nt  cu rr e nt  LE D   dr i ver  b ase d  on  SE PI C w here  harmo nics  a r e  reduce d  by  op ti miza ti on of S EP IC p ara m et ers.   The   S EP IC  is   ch os e n  f or PFC due   to   s om e   a dv a ntage s:  posit ive   dc  outp ut,  high - l ow   ou t put  le vel,  lo w  s witc hing  stress   and   lo w  ou t put  ripp le   cu rr e nt .  SEP IC  is  al so   a  good   Power  Fact or   Correct or.  O n  the  oth e r  hand ,  thou gh   buck  conve rter  ope r at es  at   lower   DC  outp ut  but   it   giv es  po or   powe r   facto r   an d  buc k - boos t  operat es  in  lo we r  a nd  higher  DC  ou t pu t  but  wit h  neg at ive   pol arit y.   T he  pro po s ed  dr i ver   al s o  im pro ves  ef fici ency   a nd  po we r  facto r  an d  i t  do es  no t  ne ed  ext ra  co m pone nt  f or   ha rm on ic  reducti on.  A  c omplet e  co ntr ol   ci rcu it   ha s  al so   bee n  desig ne d   in   fa vour  of  re du ce d  ha rm on ic s   with   s of t   sta rt.   The  propose d  const ant  cu rr e nt  LED  d rive r   op e rates  wit h  sing le   s witc h,  simple  co ntr ol   ci rcu it   with  r edu ce d  com plexity   a nd  c os t.   T he  pro po s ed   ci rc uit  operates   in   10 0  kH z  f re qu e nc y  at  g lo bal v olta ge  ra ng e  o f   90 - 270V,   so  it  ca n be si mp ly  used  in d iffer e nt  geogra ph ic  l ocati on.   This  pa per  is  orga nized   in   the  fo ll ow i ng  orde r:  S EPIC   P FC  co nverte r  i n  Sect ion  2 ,   Propose d  LE D   dr i ver  ci rc uit  in  3 ,   H arm onic   re duct ion  by  SEP IC  pa ra mete r  opti miza ti on  meth odol ogy  i n  4 ,  T r a ns fe r   functi on  an d  f eedb ac k  c ontr ol  in  5 ,  Re s ul ts  and  disc us s ion s  on  protot yp e   are  sta te d  in  Sect io n  6   an d   con cl us io n  i n Sect ion   7 .       2.   SEPIC  PF C  C ONVERTE R     Fo r  a n  in put  volt age     ,  le t     is  the  recti fier  outpu t  volt age  a nd   the  i nd ucto r  current  1   and   2   flo ws  th rou gh  inducto r  1 and   2   resp ect ivel y.   T he  ( 1) - (4)  are   ta ken   from   Ru i  [24]   t o  der i ve   so me   us e f ul   relat ion s i n DC M   mode   (F ig ur e 1) .    Inp ut volt age,    =  ,    So  acc ordi ng to  the  SE PI C  functi on al it y    1 = 2 .    The  t otal i nduc tor  c urre nt.     ( ) = 1 ( ) + 2 ( )     (1)     The rel at ion s hi p betwee n vo lt age a nd curre nt  in  an  in duct ance is as  foll ows,   1 ( )  = 1 ( )     So ,  the i nducta nce c urren t  cha ng e s as.     ( )  = 1 ( ) 1 + 2 ( ) 2     (2)     ( )    = 1 + 2 1 2 1 ( )       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  Dr i   S ys t ,   V ol .  12 , N o.   2 ,  J une   202 1   :   870   –   885   872       Figure  1. Ba sic  SEPIC  wit h  L ED  l oad. In pu t  f il te r  ( L f , C f )  is  conn ect e d bef or e  the  br i dg e  re ct ifie r  f ollow e d by  the SE PI C       The   wa vefo rm s  of   gate   volt age  dri ving   s witc h  1 ,  i nduct or  volt ages   1 , 2 ,  c urren t   fl ow i ng  thr ough  induct ance,  1 ( ) ,   2 ( ) ,   dio de    are  de p ic te d  in  Figure  2.  The  maxim um   valu e  of   in duct or  current   is give n  as :      = ( )     =   1 + 2 1 2      (3)     Fr om Fi gure  2 t he  ma xim um   value o f dio de c urren t :        =       (4)     wh e re    = 1 2 1 + 2   an d    is  the  duty  c ycl e.  Di ode  c onduct ion  ti me    is  dete rmin e d  by  the   volt -   s e c   balance.       = 1 =      (5)     2   is  the   off  ti me  of   M O S  swit ch.   F or   operat ing   in  DCM   > (  + ) ,   wh e re        the  ON   ti me  of  t he  MOS   switc h  1   a nd    is   the   ti me  pe rio d  of  one  s witc hing  cycle .  Fi gure   2  s hows  t he   volt age   an d  current at  dif fe ren t  points  of the  dr i ver .  Ave r age  of D i od e  c urren t,        = 1 2 1    (6)     Pu tt ing t he val ues of   and     fro m  ( 4 )   to  ( 6 ) .        = 1 2      (7)     Diode  cu rr e nt   = 2 +   ,  wh e re    is  t he  ave rag e  ou tpu t  cu rr e nt.  S ince  avera ge  of   2 = 0 ,  we  get   aver a ge of   =  . S o, the a ve rag e  outp ut curre nt is  as.     = 1 2      (8)     If  t he  a ver a ge ou t pu t c urre nt  flo ws  th r ough  resist or  .      Av e ra ge ou t put current  = ,        Ou t pu t  volt age :   =  1 2    ,    (9)     and d i od e  con duct ion t ime  = 2   .    (10)     V i n L 1 C 1 M 1 L 2 C 2 L f D i o d e L E D   S t r i n g B r i d g e   R e c t i f i e r I V g I C f Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N:  20 88 - 8 694       Desig n of  a hig h perfor m an ce   AC - DC  LE D d riv er base d on  SEP IC to po l ogy   ( F ouzia Fe rdou s )   873   The n  the  duty   cycle ca n be s pe ci fied.     = √ 2        (11)     1 = √ 2      (12)     Both  MOSFE T  and  Diode  Off - ti me.     2 = ( 1 − − 1 )     (13)             Figure  2. Wa ve form o f gate  pulse , ind uct or   volt age  1 , 2 , inducto r  curre nt  1 , 2 and   di od e  curre nt        If   we  a ssume t he powe r  c onve rsion e ff ic ie nc y  is  100% , so  input p ower  equals t he  outp ut  powe r.        =           ( ) =         Hen ce ,        ( ) =           By  pu tt in g  the   values  of    an d    we get .      ( ) = ( 1 2  ) 2      (14)     The  ( 14)  sho w s  that  i n  SEP I C  DC M   i nput  current   f ollo ws   in pu t   volt age   and  it   is  possib le   to  ac hieve   un it y  po wer   f act or .  H ow e ve r,   as  disc us se d  earli er ,  f or  br i dg e  recti fie r  di od e   in pu t  current  wa ve  sh a pe  becomes  disto r te d  a nd  ha rm onic s  is  c onta mi nated   in  t he  i np ut   cu rr e nt.  So,  ha rm onic s  re du ct io n  is  esse ntial   to  achieve  hi gh pow e r fact or.       3.   PROP OSE D L ED DRI VE R CIRC UIT   The  LE D  dr i ve r  ci rc uit  con si sts  of   si ng le - phase  ac  vo lt ag e  source,   in duct or ,  ca pacit or,   diode,  MO S   switc h  an d  LE D  m odule.   T he   sc hemati c  dia gr a m  of  LED   dr i ver   ci rc uit  is  sh ow n  in  Fig ur e  3.   Co ntr ol  ci rcu it   desig n ,   the   c ontr ol  ci rc uit  c onsist s  of  tw o  c losed   lo ops   co ntr ol  un it s -   ou t er  ci r cuit  c ontr ols  outp ut  c urr ent  by  S w i t c h i n g   C y c l e ,   T t I D D T D 1 T D 2 T 0     0 I L 2 0 I L 1 t t V L 2 V g t t - V 0 0 V g - V 0 V L 1 t G a t e       p u l s e V p Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  Dr i   S ys t ,   V ol .  12 , N o.   2 ,  J une   202 1   :   870   –   885   874   regulat ing  the   ou t pu t   volt age   an d  i nn e r  ci r cuit  co ntr ols  i nput  c urre nt  to  im pro ve  po wer  fact or .   O ut ermo st   cl os ed   lo op   rea li zes  the   cu rr e nt  t hroug h  the   LED   m odule   a nd  kee ps  it   co ns ta nt.   T his   cu rr e nt  is   se ns e d  with  a   resist or   a nd  the   correspo nd i ng  sense d  volt age   is  comp a re d  w it h  a  fixed  r efe ren ce dc  volt ag e  in  a  vo lt age  e rror   amplifie r .  V oltage  er ror  am plifie r  is  an  inte grat or   an d  gen e r at es  an  erro r  sign al .  T he  c urre nt  ge ner at e d  from  it   is  passed   t hro ugh  the  c urre nt   err or  am plifie r  as  it s  ref ere nce  cu rr e nt.  C urren t  er r or   a mp li fier  is  s hown   i n  Figure  4  (a ).   The  i nduct or  c urren t   ( )   is  sens ed  a nd  c ompar ed  with  t he  re fer e nce.   Cu rr e nt  er r or  am plif ie r   perform s   pro portio nal  a nd   integ ral  functi on  (PI   co ntr ol).  It   a ddresses   t he   slo w   res po ns e   of   volt age   er r or  amplifie r . I t e nsures  stable  op erati on and  ma kes  c ompe ns at ion easi er.       v in L 1 C 1 M 1 L 2 C 2 Lf D i o d e                 L E D                S t r i n g C u r r e n t  Er r o r   A m p l i fi e r R e fe r e n c e   C u r r e n t  G e n e r a ti o n ( M u l ti p l i e r ) V o l ta g e   Er r o r   A m p l i fi e r P WM   G e n e r a ti o n V r e f IL B r i d g e   R e c t i f i e r I V g I P W M   P U L S E S e n s e d   V o l t a g e S EP I C   C O N V ER T ER V p * I Vg I S o ft - S ta r t  C i r c u i t Cf I e r r or 1 I e r r or 2 V c on tr ol     Figure  3. SEP I C C ircuit . T he ou te r  ci rc uit ke eps  outp ut curr ent consta nt and inne r  ci rc uit  con t ro ls i nput  current a nd im pro ves powe r  f act or  a nd T HD       Gain o f  the  Cu rr e nt erro r  a mpl ifie r  (Com pensat or)  ( ) = − ( ) ( ) .     ( ) = 3   , ( ) = ( 4 + 1 1 ) ∥ 1 2      ( ) = − 1 3 2   ( + 1 4 2 ) ( + 1 + 2 3 1 2 )     Pr op or ti onal   Gain  = 4 3   and   I nt egr al   Gai n  = 1 3 1 .   If    increases   rise - ti me  de creases,   ov e rs hoot  inc r eases  an d  ov e r sh oot  e rror   de creases.  If      increases  rise - ti m e  decr ea ses,  overs hoot  i ncr e ases,   set tl ing  ti me increases,  el i min at es stea dy  stat e error . Fi rst th e p ara mete rs o f  the compe ns a tor  are  opti mize d  by   the  sim ulati on  of  L ED   dri ve r  ( M ai n  ci rc ui t  +co ntro l   ci rc uit).  B y  us i ng  the  ci rcu it   pa rameter,   the   tr ansf e r   functi on  ha s  be en  determi ne d.   T he  fo ll owi ng   ste ps   a re  t aken  to  c hoose   gain  i n  or de r  to  get  the  de sired  respo ns e,  i)  obta inin g  the  open  l oop  respon s e  an d  de te rmin e  w hat  ne eds  to  be  i mpro ve d,   ii )  add i ng  pro portion al   c on t ro l  t o  im prov e   rise  ti me,   ii i)  add i ng  inte gr al   c ontrol  t o  el imi nate  the  s te ady   sta te   e rror   a nd,   iv)   ad j us tme nt    an d    by   ch ang i ng  ci rc uit   pa ramete rs   unti l  obta inin g  a  de sire d  over al l  res pons e.   I f   sta bili ty  is  ba d  an d  gain  is  ne eded  to  c ha ng e   to  meet   sta bili ty  crit erio n  t he   ab ov e   pro ced ur e  will   be   re pe at ed.  Finall y,  the   sta bili ty  ha s  bee n  determi ned  by  (i)  ste p  res ponse   a nd  (ii)   r oot - loc us   meth od  exp la ine d  in   S ect io n  5.   In   DCM   t hough  powe r  fact or   is  hi gh,  the   input  curre nt  harmo nics  is  hi gh .  B rid ge  re ct ifie r  dr a ws   distor te d  cu rr e nt  from  i nput  AC  an d  caus e s  high  TH D,   very  lo w  PF  a nd   very  lo w  e ff ic ie nc y   to  th e  LE D   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N:  20 88 - 8 694       Desig n of  a hig h perfor m an ce   AC - DC  LE D d riv er base d on  SEP IC to po l ogy   ( F ouzia Fe rdou s )   875   modu le .   I n  or der  to   re du c e   ha rm on ic s   in   the  i nput  c ur ren t,   m ulti plier  is  us e d  i n  t he  c ontrol   ci r cuit.  It  el imi nates  the  distor ti on  in  i nput  c urren t  wa ve  sh a pe  by   m ulti ply in g  the  outp ut  of  cu rr e nt   err or  am plifie r  with   rep li ca  of  the   i nput  ac   vo l ta ge .  T he  outp ut  s ign al   of  m ulti pl ie r  is  natur al ly   sync hro nized   and  s ym met ric  to  t he   input  AC   volt age,  w hich  is   th e  co nd it io n  t o  achieve  unit y  powe r  fact or  w it h  re du ce d  ha r monics.  T he n  PWM   pu lse s   a re  ge ne rated   by   co m par i ng  a   saw - t oo t h  wa ve  with  t he  ref e re n c e  pr oduce d  by   the   m ulti plier.  T he  detai ls  co ntr ol  ci rcu it   is  sho w n  i n  Fig ur e   4  ( b).  T he   f unct io n  of  t he  s oft   st art  ci rc uit  is  t o  pre ven t   sud de n  rise   of   i nput  cu rr e nt   and   overs hoot   of   vo lt ag e  in  the  sta rtin g  pe r iod   to   preve nt  dama ge.   Pu lse   thinn i ng  mec ha ni sm   is  us e d  t o  rem ov e   s om e   puls es  f rom  a   cl oc k  pulse   a nd  ge ner at es   thin   pulse .  I n  t he  soft  sta rt  ci rc uit,  c loc k  pu lse   is  ge nerat ed  by  us in g  A  sta ble  mu lt ivib rator.  The   ou t pu t   of   the   mu lt ivib rato r  i s  cl am ped  to   get  on l y  po sit ive   pulse .   Cl k2   is   obta ined   f rom  cl oc k  pu lse   ge nerat or   a fter  rem ov i ng  some   pulse s’  wa veform  i s   gen e rated   f rom   co ntr ol  ci rc uit.  Cl k2  a nd  P W M   a re  t he  i nput s  of  AND  gate   an d  t hinner   pu lse   is  obta ine d  from   the  outp ut.  T hi s  thinn e r  pu ls e  is  fed   directl y  to  t he  M O S FET  th rou gh  M U X  at   th e  onset   o f  sta rtin g.   T he   sel ect or   of  2 - 1  MU X  determ ines  sta rtin g  pe rio d  a nd  no r mal  operati on.   I n  normal  op erati on  re gula r   PWM   pu lse s  are  f e d  t o  the   M O S  gate.     It  is  t o  be   not ed  t hat  al l  wa ve  f or m s  requi red  in   the   dr iv er  is   ge ne rated   inter nally   an d  no   exte rn al   so urc e   is  needed  i n  th e  dr i ve   ci rcu it .   I n  t he  desig ne d  LE D   dr i ver ,   the   vo lt age  e rror  am pl ifie r  us es  sin gle  O p - amp  f or  both   c omparis on  an d  amplific at io n  pur po ses .  Simi la rly,   t he  c urre nt  er ror  a mp li f ie r  us e s  a  sin gle  O p - amp  for  c omp ariso n  an d  P I  con t ro ll in g  pu r po s es.  T he  f un ct ion   of  sa wtooth  wav e   is  obta ined   f rom  s qu a re  wav e   gen e rato r  by  us in g  si ngle   Op - A mp  only.   T hus,  t he   num ber  of  co mpon e nts  i n  t he  c ontrol   ci rc uit  is  reduce d.  T he  ov e rall   c on t ro l   ci rc uit  is   us e d  t o  imp r ov e   t he   ste p  re spo nse   a nd  i ncr eas e  the   sta bi li ty  of  the   ci rcu it . I t  also  plays  the  ro le  in red ucin g  T H D  a nd imp r ov i ng po wer facto r.           (a)   3 . 9 K R 3 27 k 0 . 1 n . 12 n   V r e f I L V g   A C B V o l t a g e   E r r o r   A m p l i f i e r C u r r e n t   E r r o r   A m p l i f i e r M u l t i p l i e r P WM  G e n e r a t o r 0 . 1 n 22 K 10 K 10 K V  S e n s e MO S F E T D r i v e r V e r r or 1 V e rro r 2 V c o n t ro l V s a w t o o t h S a w t o o t h   Wa v e   G e n e r a t o r 2 / 1 M U X R e f e r e n c e P WM S o ft  S ta r t  C i r c u i t T h i n   P u l s e 0 . 1 u C 40 k 10 k 0 . 1 u PWM C l oc k  G e n e r at i on  an d   R e m ova l  of  s om e  p u l s e s C l k 2 IC 74157 AD 633 ic 741 ic 7408 ic 741 lm 324 lm 324 10 n lm 324     (b)     Figure  4. (a )  c urren t e rro r  am plifie r (PI co nt ro ll er ),   (b)  t he deta il s contr ol  ci rcu it  w it h s oft  start       4.   HARM ONIC S R E DUCTI ON  B Y  SE PI C  P ARA METE R  OPTI MIZ ATIO N MET HODOL OG Y   LEDs  a re  a  no nlinear  l oa d  th at   gen e rates  ha rm on ic s.   LE D  dr i ver   delive rs   co ns ta nt  c urre nt  to  L ED  la mp .   I n  orde r   to  get  desire d  DC  outp ut  f r om   AC  i nput  a  f ull  bri dge  r ect ifie r  is  us ed   be fore  SEP IC.  T hese   diode  recti fier s  ca us e  highly   dist or te d  in put  c urren t   a nd  ge ne rates  harmo nicist   of   th e  in pu t   cu rren t  is  a n  importa nt  factor   i n  LE D  dri ve r  an d  it   sho uld   be  ke pt  as  lo w  as  po ssi ble.  Lo wer   T H D  in   LE D  dr i ver   e ns ure s   higher  P ow e r Fac tor , lower  pea k  c urren ts  and  higher  ef fici ency.    We  know that  for  a  sin us oi da l so ur ce a nd  nonlinear  loa d        =         (  ) ×     (  )   . =  ×  =  × 1  /      (15)     1    is t he  RMS va lue of in pu t c urre nt of funda mental  f re que nc y  an d     is t he  RMS val ue of t otal  com pone nt  of  input  cu rr e nt  f reque ncy.   Acc ordin g  to   ( 14)   for  the   LE D  dr i ver   operati ng  in  disc on ti nuou s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  Dr i   S ys t ,   V ol .  12 , N o.   2 ,  J une   202 1   :   870   –   885   876   mode,   =  = 1   But  i n  pr act ic al   ci rc uit  du e   to  bri dge   recti fier  a nd  M O S  s witc h  unit y  powe r  fac to r   cannot  be  ac hi eved. S o, co ntr ol circ uit i s r e quire d  to  imp r ove the  po wer f act or .     No w,   . =  = 1   = 1 √ 1 +  2     (16)     The  (16 )  if  t he   RMS   val ue  of   i nput  c urre nt  of  fun dame ntal  fr e quenc y  is  highe r,   distor ti on  facto r  be comes   higher  and T H D beco mes l ower . T heoreti cal ly,  if   = 0   , dist or ti on   factor wil l  b e  1  a s fr om   ( 16), an d     1  =      (17)     This  is   possi ble  only   wh e n  the  c onve rter   pa rameters   ar e  op ti mize d  t o  make   in pu t   cu rr e nt  distor ti on   to   ze r o  and to  make  th e input c urren t   in phase  w it h i nput  vo lt ag e to  imp os e t he  c ir cuit be hav i or a s a r e sist ive loa d.     But  pract ic al ly  in  order  to   re du ce   ha rm onic s  in  t he  in put  current  t he  i nput  in du ct a nce ( 1 ) ,  ou t put   inducta nce   ( 2 )   an d  in put  ca pacit ance ( 1 )   are   re qu ired  t o  be  opti mize d  [ 25] .  Ou t pu t  capaci t or  ( 2 )   is   require d  to   op ti miz e  to  re duce  out pu t   volt age  an d  cu rr e nt  rip ple.  This   ha rm onic   c ompe ns at io n  a nd  powe r   factor  imp r ovement  ca n  be   done  by  op ti mizi ng   SEP IC  par a mete rs  by  the  f ollow i ng  meth odol ogy  f or  nonlinea r  loa d LEDs  alo ng w i th pr op e rly des ign e d feed bac k ci rcu it .      4.1.   SEPIC  pa r am eter  op timi z ati on  me thod ology   Harmo nics   ari ses  in  the  in pu t  cur re nt  f or   bri dge  recti fier  diode,  s witc h,   and   nonlinea rity  of  LE Ds.  The  facto rs  t ha t  eff ect   on  ha rm on ic s  i n  t he   input  c urre nt  are  the   val ue  of  in du ct or   1 ,  ca pacit or   1 ,  e nergy   trans fer   betwee n  ca pacit or  1   an d  in duct or  2 . Ou tpu t c urren t  rip ple d e pe nds  on the  filt er cap a ci tor   2 .     4.1.1.   THD re duct i on   a.   Fix ing  t he  v alue  o f i np ut In duct or   1     The rel at ion s hi p betwee n  in pu t i nducto r   1   and input  rip ple cur ren t  △ 1 .     1 =  . △ 1 .   ; w her e       switc hin g fr e quenc y    (18)     Inp ut  induct or   current  rip ple  △ 1   can  be  re duced   by  usi ng  gr eat er  val ue  of   1 ,   ot herwise  harmo nics  will   be   high.     b.   Fix ing   of  ou t put i nduct or       The  vo lt age  c onve rsion  rati o  M  can  be  obta ined  by  ap ply in g  the  Power - bala nce  pri nciple  [ 26]:   = √ 2  = 1 √ 2   w her e  c onduc ti on   par a mete r   = 2  ;   her e    is  the  eq uiv al ent  i nduct ance  of   1 an d  2   in p a rall el  and    is t he dynamic   resist ance  of L ED  l oad,  F or  DCM o perat io n,   1 < 1 −     Th us , t he value  of  −   can  be  e valuated  [ 28] by :     < −   = 1 2 ( + 2 ) 2     (19)     Fo r  D C M   oper at ion   shou l d be   = 0 . 85   −   .   Th us , b y  e valu at ing     an  eq ui valent in du ct a nce   is o btained  as  ( 20).      = 2       (20)     The val ue  of  2 can  be  e xpresse d  as  (21).     2 = 2 1  1 −      (21)     c.   Fix ing   Inp ut c apacitor       1 has  a sig nifica nt inf l uen ce i n t he  input cu rr e nt w a ve  sh a pi ng. T he  va lue  of  1 [27]   will  b e suc h  that  < < , whe re  ,        li ne  cu rr e nt and  res onance  fr e qu e nc y res pecti vely .     = 1 2 √ 1 ( 1 + 2 )     (22)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N:  20 88 - 8 694       Desig n of  a hig h perfor m an ce   AC - DC  LE D d riv er base d on  SEP IC to po l ogy   ( F ouzia Fe rdou s )   877   1 , 2   and   1 shou l d  be   op ti mize d  for   THD   reducti on.  Without  opt imi zat ion   ha r monics  in  the  input  cu rr e nt  becomes  high.   The   sim ulate d  plo t  i n  Fig ure  5  (a).  is  obta ined   without  op ti miza ti on  of   1   but  1 a nd   2   op ti mize d .   He re   1 = 0 . 05  , 1 = 10       2 = 36 . 24  .   It  s ho ws   . . = 0.76,   = 64 . 89%   a nd   hen ce   P.F .   a nd   T HD  a re  not  sat isfact ory.  It   is  f ound   that  t he  e f fect  of  1   is   domi natin g  i n  the   in put  c urr ent   THD.   Af te r   opti miza ti on   of   1 ,   TH D  is   sign i ficantl y  r edu ce d  but  sti ll   high  wh ic h  is   show n  i n   Fi gure  5  ( b).   In  this  simula ti on   1   is  no t   opti mize d  but   1    2   are  op ti mize d.  1   has  le ss   in f luence   in  ha r monic  minimi zat ion  than   1 .   Her e ,   1 = 5 . 0  ,   2 = 36 . 24 H,   1 = 0 . 01    a nd   we   o btai ne d   . . = 0 . 885 ,    = 24 . 58% .   Ca pacit or   1   is   fun dame ntal  in  obta inin g  a  high - qual it y  in pu t  c urren t . 2 has   com par at ivel y  le ss  eff ect   on  TH D .  W it hout   opti miza ti on   of  2   a nd   1 ,  t he  e ne rgy   of  2   will   not  be   pro pe rly   tra nsfer red  to   the  load  a nd   t his   un - tra ns fe rr e d  ene r gy   will   be  tra ns mit te d  to  the  sour ce,  as  a  res ul t  har m onic   w il l  be  con ta mi nated  i n  the  i nput  c urren t.  A gain,  cu rr e nt  rip ple  of   input  in du ct or ( 1 )   al so   ef fect  the   TH D  a nd   it   ca n  be  r ed uce d  by  increasin g  1   as  discusse d  be f ore.   By   us i ng  th e  ( 18),  ( 21),  (22)  1 , 2      1   are  opti mize d  as   1 = 10  ,  2 = 36 . 24    an d   1 = 0 . 01  .Simu la te d  ou t pu t   of  t he   opti mize d  res ult  is  s how n  in   Fig ur e   5   (c) .   A fter  opti miza ti on   we o btained   . . = 0 . 98   and    = 3 . 7%   .   T he results a re sa ti sfactory.             (a)     (b)         (c)     Figure  5 .  (a )  Si mu la te d pl ot of  input  vo lt a ge,   input cu rr e nt  w it ho ut  opti miza ti on . He re,   po wer facto r  = 0 . 76 ,    64 . 89% wh e n   1 10  , 2 = 36.24  , 1 = 0 . 05  .   ( b)   Simulat io n of  i nput  vo lt ag e, i nput  current  with  P F= 0.8 85 a nd  THD =  24. 58% whe n   1 = 5 . 0  ,  2 = 36 . 24 H  a nd   1 = 0 . 01  .   (c)   Simulat io n of  i nput  vo lt ag e a nd in pu t c urre nt  w he n   1 , 2   an d 1   are  op ti mize d  a nd  we ob ta ine d   . . = 0 . 98   and   = 3 . 7%   wh e n   1 = 10  ,  2 = 36 . 24 H  a nd   1 = 0 . 01  .       4.1.2.   Redu c tio n  of   ou t pu t vo lt age  a n d curre nt r ippl e   Fixin g  ou t pu t   capaci tor   C 2 ,  accor ding  t o  the   ( 23)  relat ion s hi p , 2   can  be  obta ined   f or  the   de sired   rip ple v al ue of   ou t pu t  volt age   (      ) .     2 ≥   2       (23)   If  ca pacit or c urren t i s    an d  ca pa ci tor vo lt age  ri pp le  is ∆     then       ∆   = 1 2 ∫      (24)     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                          IS S N :   2088 - 8 694   In t J   P ow  Ele c  &  Dr i   S ys t ,   V ol .  12 , N o.   2 ,  J une   202 1   :   870   –   885   878   By  pr op e r  c ho i ce  of  2   ou t pu t v oltage  a nd  cu rrent  rip ple  ca n  be  ma de  l ow  a s  re qu ire d  fro m  ( 24).   F or  high  f re qu e nc y  cap aci ti ve  impe dan ce   ( = 1 2    )  is  low,   so   t he   AC  pa rt  will   flo w  th rou gh  the  outp ut   capaci tor .  A  ri pp le   volt age  is   pro du ce d  at   t he  ou t pu t.   Thi s  rip ple  of  outpu t  volt age  ne eds  to   be  suffi ci ently  low  s o  a s  ou t put  cu rr e nt  do e s   not  flic ke r.   From  t he  (23)  an d  ( 24) ,  the   la r ge   the  ca pacit or,   the  bette r  it   re du ce s  the  rip ple.   T he   simulat ion   of  ou t pu t  volt ag e  and   c urre nt  befor e  a n d  aft er  opti miza ti on   of  2   are  sh own  i n  Figure  6 .  Af te r  opti miza ti on  LED  volt age  and  cu rr e nt  be comes  sm oo t he r.   T hus,   a  hi gh - performa nc e  LED   dr i ver   c an   be   desig ne d  by  opti miza ti on   of  SEPI C   pa rame te rs  al ong  with  a  well - desig ned  fee dback   con t ro l   ci rcu it .   Tab le 1  s hows   the   sim ulate d  data  of  opti miza ti on   of  SEPI C   pa ram et ers  ( 2 , 1 ) ,   fo r   harmo nic   reducti on.   Fro m  the   data  i n  Table  1  an d  si mu la ti on  res ult,  it   is   f ound  t ha t  the  i nput   ca pacit or  1   pla ys  the   main  ro le   of  t r ansf e rr i ng  e nergy  f r om   i nput  port  to   ou t pu t   port  a nd  via  outp ut  in duct or  2   .   1   must   be  a   lo w  value d  ca pacit ance.  T he  e ne r gy of  2 and   1   m ust  b e   reim burse ment to  e ach  ot her.   I nput c urr ent r ip ple mai nl y   dep e nds   on   I nduct or   1   s o  it   al so  pla ys  a  vital   r ole  i n  ha r monics  re du ct i on.  2   is  filt er  ca pacit or  a nd  it   smooths  the  ou tpu t.   The   total   powe r  l os s   s how n  i n  simulat io n  is  6 . 2% ,   Ef fici enc y  is   93 . 78% ,   T HD  3 . 7%   at   220V.   T he   Simulat ed  Power  l os ses  a re  sh ow n  c omponent  wise  in   F igure  7 .  Her e  Divid e r  is  t he  resist ance  us e d  to  ta ke   rep li ca  of  in put  vo lt age  to  t he   M ulti plier  a nd   R - di od e  a nd  S - diode  denote  recti fier  dio de  a nd  SEP I C  dio de   resp ect ivel y.   It   is  seen  that  t he  la r gest  po wer   l os s  occur s  in  M O S  S w it ch ( 2% ) ,  sli gh tl y  a bove  1%   is  in  div ide r   resist a nce,   bel ow  1%   in   recti fier   diod e  an d  the n  i n  SEPI C   di ode  and  le ast   pow er  l os s   occ urs   f or   biasin g.           ( a )       ( b )     Figure  6.  ( a ).   S imulat ion o f o utput v oltage ,  ou t pu t c urre nt  wh e n   1 = 10  ,  2 = 36 . 24   and   1 = 0 . 01    ( b ) wit hout  op ti miza ti on  of  2   ( wh e n  2 = 1 )   an d (ii ) a fter  op ti miza ti on   of  2     (whe n  2 = 3 )       Table1 . Optimi zat ion   of SEP I C par a mete rs f or h a rm on ic   re du ct io n   Inp u t   Ind u cto r   1 (  )   Ou tp u t ind u cto r  2 ( H)   Inp u t Cap acito r  1 ( F)   THD  (%)   Po wer   Fa cto r   Ef fic ien cy   (%)   1 0 .0   1 0 0 .0   0 .01   1 0 .49   0 .91 8   9 4 .12   1 0 .0   1 0 .0   5 .0   1 0 .0   3 6 .4   3 6 .4   0 .01   0 .01   0 .01   1 3 .37   3 .70   2 4 .85   0 .92 6   0 .92 3   0 .88 5   8 9 .2   9 5 .0 Op tim ized   9 2 .24   1 0 .0   1 0 .0   2 .0   1 .8   3 6 .4   3 6 .4   3 0 0 .0   3 6 .4   0 .05   0 .00 5   0 .01   0 .01   6 4 .89   1 5 .43   3 2 .32   9 9 .81   0 .76 0   0 .88 7   0 .86 3   0 .63   7 8 .49   9 3 .89   9 5 .47   9 6 .76           Figure  7 .  M aj or  power   loss  comp on e nts  of th e LED  drive r f ound in  sim ulati on   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
In t J  P ow Elec   & Dri S ys t   IS S N:  20 88 - 8 694       Desig n of  a hig h perfor m an ce   AC - DC  LE D d riv er base d on  SEP IC to po l ogy   ( F ouzia Fe rdou s )   879   5.   TRA NS FE RF UNCTIO N A ND FEE DB A CK CO NTR O L   The  powe r  sta ge  (S EP IC)   of   cl os e d  lo op  s ys te m  is  nonli near  syst em.  Nonlinea r  s ys t em  is  us ually   diff ic ult  to  m od el   a nd  it   is   al so   dif ficult   to  pr e dict  the   sy ste m   be ha vi or .   S o,   it   is  bette r  to   ap pr ox imat e   nonlinea r  s ys te m  to   li near  s yst em.  F or  this   sta te   sp a ce   ave ra ging  te c hn i qu e   is  use d  to   des cribe  SEP IC  usi ng  a   sy ste m   of   li ne ar  dif fer e ntial   equ at io ns.  Dif f eren ti al   e qu at i on s   of  S EPIC   and  a ver a ge   m at rices  are   give n  i n  sect ion   5.1. i n  t he pape r. Detai ls Operat in g p oin t i s  not disc us se d here  as it i s a  well - kno w n ph e nome non.     5.1.   St ate s pa c e eq ua ti on s   The  sta te  s pace  equati ons fo r SEPIC  duri ng thr ee  sw it chi ng  sta te s in  DC M   as sho wn in Fi gure  8 .   for  sta te   A :  < <      ̇ = 1 + 1  ( )     (25)   = 1 + 1  ( )       for  sta te  B :    < <     ̇ = 2 + 2  ( )     (26)   = 2 + 2  ( )       for  sta te  C :  < <         ̇ = 3 + 3  ( )     (27)   = 3 + 3  ( )       wh e re t he  recti fied  i nput  vo lt a ge  is   ( )   an d   ̇ =     an d  t he  sta te   vecto r i s d efi ned as  (28).     X = [ 1 2 1 2 ]     (28)             (a)   (b)         (c)     Figure  8   (a). S EPIC circ uit w hen  M 1   is  ON ,   Diode is  OF F , (b ) wh e n M 1   is  O F F, Dio de  is  ON, (c)  SEPI C  ci rcu it  whe n M 1   is OF F, Dio de  is O F F       C 1 V g   V C 2 V L 2 V O V C 1     L E D S t r i n g M 1 V L 1 + - L 2 L 1 r L 1       r L 2 r C 1 r C 2 C 2 r m s + -   C 1   V C 2 V L 2 V O V c 1     L E D S t r i n g M 1 V L 1 L 2 L 1 r L 1     r L 2 r C 1 r C 2 C 2 r D 1 V g + - + - C 1   V C 2 V L 2 V O V C 1     L E D S t r i n g M 1 V L 1 L 2 L 1 r L 1 r L 2 r C 1 r C 2 C 2 Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.