I nte rna t io na l J o urna l o f   P o wer   E lect ro nics   a nd   Driv e  S y s t em   ( I J P E DS)   Vo l.  1 7 ,   No .   1 ,  Ma r ch   20 2 6 ,   p p .   6 0 2 ~ 6 16   I SS N:  2 0 8 8 - 8 6 9 4 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijp ed s . v 1 7 . i 1 . p p 6 0 2 - 6 16           602       J o ur na l  ho m ep a g e :  h ttp : //ij p e d s . ia esco r e. co m   A new  boo st LED  driver       Dzhun us bek o v   E rla n 1 ,   O ra zba y ev   Sa g i 2   1 La b o r a t o r y   o f   P e r s p e c t i v e   D e v e l o p m e n t s  i n   El e c t r o n i c s,  JS C   " K a z a k h - B r i t i sh   Te c h n i c a l   U n i v e r si t y " ,   A l m a t y ,   K a z a k h st a n   2 Al - F a r a b i   K a z a k h   N a t i o n a l   U n i v e r si t y ,   A l ma t y ,   K a z a k h s t a n       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   J u n   1 0 ,   2 0 2 5   R ev is ed   Feb   5 ,   2 0 2 6   Acc ep ted   Feb   1 5 ,   2 0 2 6       Re d u c in g   th e   c o st ,   in c re a sin g   e fficie n c y ,   a n d   imp r o v i n g   t h e   re li a b il it y   o f   LE D  d riv e rs  a re   c rit ica l  d u e   t o   th e   wid e sp re a d   a d o p ti o n   o f  LE D  li g h t in g .   Th is  p a p e r  p re se n ts  a   re se a rc h   st u d y   o n   a   n o v e l  b o o st  LE D  d r iv e r   d e sig n e d   to   m in imiz e   v o lt a g e   p u lsa ti o n s  a c ro ss   p o we r  sw it c h e s,  th e re b y   re d u c in g   d y n a m ic l o ss e s in   a ll   p o we r  c o m p o n e n ts.   A sm a ll   n u m b e r  o f  S c h o t t k y   d io d e s  we re   u se d   to   re d u c e   c o n d u c ti o n   lo ss e s.  To   re d u c e   sw it c h in g   lo ss e s  in   se m ico n d u c to rs,   a   q u a si - re so n a n t  sw it c h i n g   (QRS)  a t   z e ro   c u rre n t  wa s  imp lem e n ted   fo r  d riv in g   tran sis to rs.  T h e   o p e ra ti n g   p rin c i p le  is   a n a ly z e d   u sin g   c o m p u ter  m o d e li n g   a n d   v a l id a ted   e x p e rime n tall y   i n   c ri ti c a l  c o n d u c ti o n   m o d e   (CrCM ).   In   th e   in i ti a l  e v a l u a ti o n ,   o n e   v e rsio n   o f   t h e   p r o p o se d   d ri v e r  a c h iev e d   a   h i g h   e fficie n c y   o f   u p   to   9 8 . 7 %   a t  1 2 0   W   in p u t  p o we r.   Ad d it i o n a ll y ,   th e   siz e   a n d   v a lu e   o f  th e   m a in   in d u c t o r  we re   si g n ifi c a n tl y   re d u c e d .   Th e   p r o p o se d   d ri v e r  p ro v id e s  a n   e fficie n t  a n d   sc a lab le  so lu ti o n   fo r   h ig h - p o we r  LE D  l ig h ti n g .   Lo w e r  d y n a m ic  lo ss e s  a n d   re d u c e d   imp u lse   v o lt a g e s  c re a te  o p p o rt u n it ies   fo r   in teg ra ti n g   t h e   c o n tr o l  c ircu it   a n d   p o we r  sw it c h e s in to   a   sin g le ch ip .   K ey w o r d s :   B o o s t L E D  d r iv er   Dir ec t A C   L E D  m o d u le   Hig h   v o ltag e  L E D  d r iv e r   Hy b r id   L E D  d r iv er   L E D  s tr ee t lig h tin g   R eliab ilit y   T h is i s  a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Dzh u n u s b ek o v   E r lan   L ab o r ato r y   o f   Per s p ec tiv e  De v elo p m en t s   in   E lectr o n ics,  J SC   "Ka za k h - B r itis h   T ec h n ical  Un iv er s ity "   T o le - b i Str ee t,  Ho u s e  5 9 ,   Alm aty   0 5 0 0 6 0 ,   Kaz ak h s tan   E m ail:  er lan 5 5 5 d j@ y ah o o . c o m       1.   I NT RO D UCT I O N   T h e  r a p i d   a d o p ti o n   o f   L E D  lig h t in g   h as   tr a n s f o r m ed   t h e   i n d u s t r y ,   o f f er in g   u n p a r a lle l ed   e n e r g y   ef f ic ie n c y ,   l o n g e v it y ,   an d   e n v ir o n m e n t al   b e n e f its .   H o w e v e r ,   d es p i te  th ese   a d v a n t ag es,   t h e  p e r f o r m a n ce   a n d   co s t - ef f e cti v e n ess   o f   L E D  l ig h ti n g   s y s te m s   r e m a in   c o n s tr a in e d   b y   t h e  lim ita ti o n s   o f   L E D   d r i v e r s .   Ad v a n c em e n ts   i n   L E D   d r iv er   tec h n o lo g y   a r e   cr iti ca l ly   im p o r ta n t   d u e   t o   t h e   wi d es p r e ad   ap p li ca t io n   o f   li g h ti n g   in   v a r i o u s   as p ec ts   o f   h u m an   l if e  a n d   i n d u s t r y .   As   L E D   ch ip   p r ic es   c o n ti n u e   t o   d e cli n e ,   t h e   r elat iv e   c o s t   o f   L E D   d r iv e r s   h as  b e c o m e  a   d o m i n a n t  f a ct o r   i n   t h e  o v e r all   e x p e n s e  o f   l ig h t i n g   s y s te m s .   W h i le  L E D   c h i p s   h a v e   lif esp a n s   e x ce e d i n g   5 0 , 0 0 0   h o u r s ,   c o n v en ti o n al   L E D   d r i v e r s   o f t en   f a il   m u ch   s o o n e r   d u e  to   th ei r   c o m p l e x   cir c u it r y   [ 1 ] - [ 7 ] .   T h er e  ar e  p r o p o s als   t o   eli m i n a te   el ec t r o l y ti c   ca p ac i to r s   t o   i m p r o v e   r el ia b ili ty   [ 8 ] - [1 4 ].   A  n o tab le  tr en d   in   m o d er n   L E D  d r iv er   d ev elo p m en t  is   th e  in teg r atio n   o f   co n tr o l  an d   p o wer   cir cu its   with in   a  s in g le  s em ico n d u cto r   d ev ice  [ 1 5 ] ,   [ 1 6 ] .   T h is   ap p r o ac h   aim s   to   r ed u ce   co s ts ,   m in im ize  th e  f o o tp r in t   o n   p r in ted   ci r cu it  b o ar d s ,   an d   en h an ce   r eliab ilit y .   A  s ig n if ic an t  tr en d   h as  b ee n   th e  d ev elo p m en t  o f   d ir ec t  AC   L E D  m o d u les  [ 1 6 ] - [2 1 ] ,   wh i ch   elim in ate  th e  n ee d   f o r   tr a d itio n al  L E D  d r iv er s .   T h is   a p p r o ac h   d y n am ically   ad ju s ts   L E D  ar r ay s   to   m atch   t h e  alter n atin g   m ai n s   v o ltag e  u s in g   lo w - f r eq u en cy   s witch in g   s y n ch r o n ize d   with   th e  g r id .   Dir ec t  AC   L E D  m o d u les  o f f er   a   co s t - ef f ec tiv e  a n d   s tr u ctu r ally   s im p le  s o lu tio n ,   a s   th ey   elim in ate  th e   n ee d   f o r   h i g h - s p ee d   p o we r   s witch es,  tr an s f o r m er s ,   in d u cto r s ,   an d   elec tr o ly tic  ca p ac ito r s   with   lim ited   life s p an s ,   an d   h ig h - f r e q u en c y   f ilter in g   co m p o n e n ts .   T h eir   m in im alis tic  d esig n   m ak es  th em   well - s u ited   f o r   in teg r atio n ,   an d   c o m m er ciall y   av ailab le  I C s   h av e  alr ea d y   b ee n   in tr o d u ce d   to   th e  m ar k et.   Ho wev er ,   a  k ey   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       A   n ew b o o s t LE D  d r iver  ( Dzh u n u s b ek o v  E r la n )   603   d r awb ac k   o f   AC   L E D  m o d u l es  is   th e  p r esen ce   o f   lin ea r   c u r r en t  r e g u lato r s ,   wh ich   lea d   to   p o wer   lo s s es  an d   th er m al  d is s ip atio n   is s u es.  C u r r en tly ,   m o s t  co m m er cially   av ailab le  s o lu tio n s   ar e  d esig n ed   f o r   l o w - p o wer   ap p licatio n s ,   lim itin g   th eir   b r o ad er   ad o p tio n   in   h ig h - p o wer   lig h tin g   s y s tem s .   T o   en h an ce   ef f icien cy ,   a  h y b r i d   L E D  Dr iv er   h as b ee n   p r o p o s ed   [ 2 2 ] - [ 2 5 ] .   T h is   d esig n   in co r p o r ates a   d y n am ically   r ec o n f ig u r ab le  lo ad   o f   L E D  s tr in g s ,   s im ilar   to   d ir ec t  AC   L E D  m o d u les,  alig n in g   th em   with   th e   in s tan tan eo u s   m ain s   v o ltag e.   Ho wev er ,   to   co m p e n s ate  f o r   th e  v o ltag e  d if f er e n ce   b etwe en   th e  L E D  s tr in g   v o ltag e  an d   t h e  v ar y i n g   m ai n s   v o ltag e,   a  s m all  in d u cto r   an d   an   o p tim ized   s witch in g   alg o r ith m   f o r   th e   co n f ig u r atio n   MO SF E T s   ar e  in tr o d u ce d .   T h e  s witch in g   MO SF E T s ,   in   co n ju n ctio n   with   t h e  in d u cto r ,   r eg u late  th e  o v er all  cir c u it  im p ed an ce ,   th er eb y   c o n tr o llin g   th e  in p u t   cu r r en t.   T h is   au x iliar y   c o n v e r ter   h an d les  o n ly   a   f r ac tio n   o f   th e   to tal  o u tp u t  p o wer   an d   o p er ates  with   l o w  p u ls e  v o ltag e  ac r o s s   th e   m ain   in d u cto r   a n d   p o we r   s witch es .   A s   a  r esu lt,  th e  h y b r id   L E D  d r iv er   o f f er s   p o ten tial f o r   cir cu it in teg r atio n   b y   co m b in in g   co n tr o l lo g i c   an d   p o wer   MO SF E T s   with in   a  s in g le   s em ico n d u cto r   d ev i ce .   I n   s tu d ies  [ 2 2 ] - [ 2 4 ] ,   s lo w  L E D  s tr in g s   a r e   co n tr o lled   d ir ec tly   b y   tr an s is to r s ,   wh ich   p o s es  p r o b lem s   with   h ar d   s witch in g ,   wh ich   lim i ts   ef f icien cy ,   E MI   p er f o r m an ce ,   an d   s ca lab ilit y   to   h ig h - p o wer   an d   h ig h - v o ltag e  ap p licatio n s .   T o   elim in ate  h ar d   s witch in g   o f   tr an s is to r s ,   th e  u s e  o f   f ast  d io d es  co n n ec ted   in   s er ies  with   tr an s is to r s   h as  b ee n   p r o p o s ed   [ 2 5 ] .   Alth o u g h   th e   co n d u ctio n   lo s s es in   th e  d io d e s   r ep o r ted   in   [ 2 5 ]   ar e  lim ited   t o   a  s in g le  co n d u ctio n   d io d e  at  an y   g iv e n   tim e,   th e   lo s s es  ar e  n ev er th eless   h ig h   d u e  to   th e  f ac t  th at  h ig h - v o ltag e  d io d es  m u s t  b e  u s ed   f o r   t h e  4 0 0   V  o u tp u t  L E D   lo ad .   E f f icien cy   im p r o v em en t s   f o r   h i g h - p o wer   a p p licatio n s   ty p ically   r e q u ir e   s u b d iv id i n g   th e  L E D  lo a d   in t o   m an y   s m all  s tr in g s ,   wh ich   in c r ea s es c ir cu it c o m p lex ity   an d   t h e  n u m b er   o f   p o we r   d ev ices.   As  a  r esu lt,  th er e  r em ain s   a  l ac k   o f   L E D  d r iv er   s o lu tio n s   th at  s im u ltan eo u s ly   s u p p o r t  h i g h   p o wer   o p er atio n ,   h ig h   ef f icien c y ,   an d   co m p ac t,  in teg r atio n - f r ie n d l y   d esig n s   wh ile  m ain tain in g   lo w  co s t  an d   h ig h   r eliab ilit y .   T h is   p ap er   ad d r ess es  th is   g ap   b y   p r o p o s in g   a  b o o s t - ty p e  h y b r id   L E D  d r iv e r   to p o l o g y .   I n   t h e   p r o p o s ed   s o lu tio n ,   a  lim ited   n u m b er   o f   Sch o ttk y   d io d es  a r e  em p lo y e d   to   r ed u ce   c o n d u ctio n   lo s s es,  wh il e   ze r o - cu r r en t q u asi - r eso n an t s witch in g   ( QR S)  is   im p lem en ted   to   f u r th er   m i n im ize  s witch in g   lo s s es.   E v en   a  m ar g in al  i m p r o v em en t   in   ef f icien c y   is   o f   cr itical  im p o r tan ce ,   g iv en   t h e  ac ce ler atin g   ad o p tio n   o f   L E D  lig h tin g   ac r o s s   ap p licatio n s   th at  wer e  p r ev io u s ly   u n f ea s ib le.   Su ch   ad v an ce m en ts   tr an s late  in to   s u b s tan tial e n er g y   an d   co s t sav in g s   o n   a   g lo b al  s ca le.       2.   T H E   P RO P O SE D  M E T H O D   T wo   m o d if ied   b o o s t  L E D  d r iv er s   wer e  in v esti g ated ,   as  s h o wn   i n   Fig u r e   1 .   T h e   d r iv e r s   in clu d e   d y n am ically   s witch ed   L E D  s tr in g s ,   as  well  as  Sch o ttk y   d i o d es  co n n ec ted   in   s er ies  with   th e  L E D   s tr in g s .   Pro v id ed   th at  th e  n u m b e r   o f   L E D  s tr in g s   d o es  n o t  ex ce e d   th r ee ,   th e  co m b in ed   c o n d u ctio n   lo s s es  o f   th e   Sch o ttk y   d io d es  ar e  less   th an   th e  lo s s es  in   th e  s in g le  d io d e  o f   th e  co n v en tio n al  b o o s t  L E D  d r iv er .   Switch in g   lo s s es in   Sch o ttk y   d io d es a r e  k ep t lo w  d u e  to   th e  QR S o f   th e  tr an s is to r s   o p er atin g   in   th e  C r C M.           ( a)   ( b )     Fig u r e  1 .   T h e  p r o p o s ed   b o o s t  L E D  d r iv er s : ( a)   f ir s t d r iv er   a n d   ( b )   s ec o n d   d r iv e r       I n   th is   wo r k ,   two   p r o p o s ed   L E D  b o o s t  d r iv er s   wer e  s tu d ie d   th eo r etica lly   an d   ex p er im e n tally .   T h e   d r iv er   to p o l o g y   s h o wn   in   Fig u r e  1 ( a)   in clu d es   th r ee   ac tiv e  p o wer   tr a n s is to r s   an d   th r ee   p r o tectiv e  d io d es  an d   p r o v id es  t h e  b est   p o wer   f ac to r .   T h e  h ig h est  ef f icien c y ,   h o wev er ,   was  ac h ie v ed   with   th e  d r iv er   to p o lo g y   s h o wn   in   Fig u r e  1 ( b ) ,   wh ich   em p lo y s   two   ac tiv e  tr an s is to r s   an d   two   p r o tectiv e  d io d es.  T h e  ap p ar e n t  cir cu it   co m p lex ity   in   Fig u r e  1   ca n   b e   ad d r ess ed   b y   i n teg r atin g   th e  c o n tr o l c ir c u itry   with   th e  p o wer   s witch es.   T h e  f o llo win g   s ec tio n s   in tr o d u ce   th e   p r o p o s ed   to p o lo g ies   an d   an aly ze   th eir   o p e r atin g   p r in cip les.  T h e  th eo r etica l  s tu d y   is   lim ited   to   th e  in v esti g atio n   o f   a  c o m p u ter   m o d el.   T h e  h y s ter esis   cu r r en t  co n tr o l  in   co n tin u o u s   co n d u ctio n   m o d e   ( C C M)   was  co n s id er ed   f o r   s im p licity   an d   g en er ality .   Su b s eq u en tly ,   2 0 0   W   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  1 7 ,   No .   1 ,  Ma r c h   20 2 6 :   602 - 6 16   604   ex p er im en tal  p r o to ty p es  wer e   d ev elo p ed   an d   test ed .   A  C r C M  wa s   im p lem en ted   as  a  s p ec ial  ca s e  o f   th e   h y s ter esis   co n tr o l.  A  c o m p ar a tiv e  an aly s is   was  co n d u cted   b etwe en   th e  p r o p o s ed   d r iv e r s   a n d   a  c o n v e n tio n al   b o o s t  d r iv er   with   h ig h - ef f icie n cy   in   an   in d u s tr y .   Fin ally ,   k ey   f in d in g s   ar e  d is cu s s ed ,   a n d   co n clu s io n s   ar e   p r esen ted .     2 . 1 .     T he  f irst  pro po s ed  bo o s t   L E D  driv er   First,  th e  b o o s t  L E D  d r iv er   s h o wn   in   Fig u r e  1 ( a)   is   an al y ze d   to   d em o n s tr ate  its   f ea s ib ilit y   an d   ad v an tag es.  T h e  o p er atin g   p r in cip le  o f   th e  p r o p o s ed   d r iv er   is   s im i lar   to   th at  o f   th e  h y b r id   L E D  d r i v e r   d escr ib ed   in   [ 25 ] ,   ex ce p t  th at  th e  p r o tectiv e   d io d es  D 1 - D 3   ar e  n o t  c o n n ec te d   in   s er ies  with   th e  p o wer   tr an s is to r s   Q 1 - Q 3   b u t  a r e  in s t ea d   co n n ec ted   in   s er ies  with   th e  L E D  l o ad   s eg m en ts   L E D 1 - LED 3 .   T h e   d r iv er   o p er atio n   is   d iv id e d   in to   d is cr ete  o p er atin g   s tag es,  d en o ted   as  Stag e( K) ,   d u r in g   w h ich   o n l y   o n e  tr a n s is to r   Q K   is   ac tiv ely   p u ls e - wid th   m o d u lated   at  an y   g iv en   tim e.   T h e   p o wer   tr an s is to r s   Q 1 - Q 3   ar e  p r o p o s ed   to   s witch   ac co r d in g   to   th e  f o llo win g   s wi tch in g   p r o ce d u r e.     At  a  g iv en   in s tan tan eo u s   in p u t  v o ltag e   Vin ,   i f   th e   to tal  f o r war d   v o ltag e   o f   th e  L E Ds   m ee ts   th e   co n d itio n   V LED0 +V LED1 +...+V LED(K− 1) <  Vin   <V LE D0 +V LED1 +. . .   . . . +V LED(K) ,   th en   p u ls e - wid th   m o d e  ( PW M)   r eg u latio n   o f   Stag e ( K)   is   ac tiv ated :  tr an s is to r s   Q 1   to   Q (K− 1)   r em ain   in   th e  cu to f f   s tate;  tr an s is to r s   Q (K + 1)   to   Q 3  ar e  co n d u ctin g ,   an d   o n l y   Q (K)   ac tiv ely   r eg u lates  th e  in p u t  cu r r en t.  Du r in g   th e  ac tiv e  Stag e( K) ,   wh en   th e   tr an s is to r   Q K  is   in   th e  ON - s ta t e,   th e  in d u cto r   c u r r e n t  in cr ea s es  ac co r d in g   to   ( 1 ) ;  wh en   th e  tr an s is to r   Q K    is   in   th e  OFF - s tate,   th e  in d u ct o r   c u r r en t  d ec r ea s es  ac co r d in g   to   ( 2 ) .   I n   th is   m an n er ,   th e   in p u t  c u r r en t  is   r eg u lated   with in   p r ed ef i n ed   lim its .      = − 1 − ⋯ − ( − 1 )   →   |  | < ( )   ( 1 )      = − 1 + ⋯ + ( − 1 ) + ( ) −   → |  | < ( )   ( 2 )     Fo r   th e   ac tiv e  tr a n s is to r   Q K   an d   d io d e   D K ,  th e   s witch in g   v o ltag e   am p litu d e  m atch es   th e   s tr in g   v o ltag e  V LED(K) .   Fo r   th e  in d u cto r   L ,   th e  v o ltag e  am p litu d e  r em ai n s   lo wer   th an   V LED(K)  ,   as sh o wn   in   ( 1 )   a n d   ( 2 ) .   Du r in g   Stag e ( K ) ,   as  th e   in p u t   v o ltag e   Vin   ex ce e d s   V LED0 +V LED1 +...+V LED(K) ,   tr an s is to r   Q K   s witch es   OFF,  an d   tr an s is to r   Q K+ 1   b e g i n s   PW M  o p er atio n ,   tr an s itio n i n g   th e   d r iv er   t o   Stag e ( K+ 1 ) .   C o n v er s ely ,   as  Vin   d r o p s   b elo w  V LED0 +V LED1 +...+V LED(K - 1)   d u r in g   Stag e ( K) ,   tr an s is to r   Q K   s wi tch es  ON,   wh ile  Q K− 1   tak e s   o v er   th e  s witch in g   o p er atio n ,   s h if ti n g   th e  p r o p o s ed   d r i v er   in to   Stag e ( K− 1 ) .   I n   th e  wo r k   [ 2 2 ] ,   to   in c r ea s e  im m u n ity   to   n o is e  an d   f o r   s im p licity ,   it  was   p r o p o s e d   to   m ak e  tr an s itio n s   b etwe en   Stag e( K+ 1 ) ,   Stag e( K) ,   an d   Stag e( K - 1 )   b ased   o n   th e  cu r r en t  s ig n al  a n d   n o t  o n   th e  in p u t  v o ltag e  lev el.   I n   t h is   wo r k ,   th e  f o llo win g   cu r r en t - co n tr o l  tr a n s itio n   p r o ce d u r e  is   p r o p o s ed .   I f   d u r i n g   Stag e ( K)   th e  in d u cto r   c u r r e n t  ex ce ed s   t h e  u p p e r   th r esh o ld   w h ile  tr an s is to r   Q K   is   s witch ed   OFF,  tr an s is to r   Q K+ 1   in itiates   PW M  o p er atio n   f r o m   its   in iti al  ON  s tate,   th er eb y   co n n ec ti n g   th e  LED K+ 1   s tr in g   to   co u n ter ac t  f u r th er   cu r r en t   r is e.   T h u s ,   th e  d r iv er   en ter s   Stag e ( K + 1 ) .   I n   th e  o p p o s ite  ca s e,   if   th e  in d u cto r   cu r r en t  d r o p s   to   th e  lo wer   th r esh o ld   wh ile  t r an s is to r   Q K   i s   s witch ed   ON,   tr an s is to r   Q K− 1   s tar ts   PW M  o p er atio n   f r o m   it s   in itial  OFF  s tate .   T h e  LED K   s tr in g   r em ain s   in ac tiv e  to   co u n ter ac t  th e   d o w n war d   cu r r en t  tr e n d .   As  a  r esu lt,  t h e  p r o p o s ed   d r iv e r   en ter s   Stag e ( K− 1 ) .   A  c o m p u t e r   m o d el   was   d e v el o p e d   to   s i m u la te   t h e   f i r s t   p r o p o s e d   d r i v e r   s h o wn   i n   Fi g u r e  1 ( a ) ,   w h i ch   in c lu d es  th r ee   a cti v e   t r a n s is t o r s .   I n   t h is   c o n f i g u r a ti o n ,   t h e  s i m u l ate d   ci r cu it   m ai n ta in s   p u ls e d   s wit ch in g   o p e r at io n   e v en   n ea r   z er o   i n p u t   v o lta g e,   ∣ V in ∣ ≈ 0 .   Fi g u r e   2   i ll u s tr a tes   t h e   im p l em e n tat i o n   o f   a  h y s t er esis   c u r r e n t  co n t r o l  s ch em e.   T h e  s im u l ati o n   s et u p   co n s is ts   o f   th e  p o w er   tr ai n   a n d   t h e  c o n t r o l  c ir cu it.  T h e  p o we r   tr ai n   in c lu d es  an   AC   i n p u t  v o lt ag e   s o u r ce   Vi n ,   a  d i o d e   b r i d g e   r e c tifi e r ,   t h e   b o o s t   i n d u ct o r   L ,   a n d   a  s e g m en te d   L E D  lo a d   c o n s is ti n g   o f   s t r i n g s   L E D 1 - L E D 3   c o n t r o lle d   b y   th r ee   p o we r   tr a n s is t o r s   Q 1 - Q 3 .   T h e  co n t r o l  ci r c u it   im p le m e n ts   h y s t e r esis - b ase d   c u r r en t  r e g u lat io n ,   o p e r at es  in   co n ti n u o u s   c o n d u cti o n   m o d e  f o r   g en er ali ty ,   a n d   ac h ie v es   PF C   th r o u g h   d i r e ct   r eg u l ati o n   o f   t h e   in d u c to r   c u r r e n t   w h i le   e n ab li n g   d y n a m ic   r e c o n f i g u r at io n   o f   th e   L E D   s t r i n g s .   T h e   c o n s tr u cte d   m o d el   c o n t r o l  f o ll o ws  a  co n v e n ti o n al   PF C   ar c h ite ct u r e  b as ed   o n   h y s t e r esis   co n t r o l  o f   th e  m a in   i n d u ct o r   c u r r en t.   T h e   o p er ati o n a l  a m p li f ier   U 1   s ets   t h e  u p p e r   a n d   l o we r   cu r r e n t   t h r esh o l d s   I _ h i g h   a n d   I _ l o w  p r o p o r ti o n all y   t o   t h e   al te r n ati n g   i n p u t   v o lt ag e.   C o m p a r at o r s   C o m p _ L   an d   C o m p _ H   co n ti n u o u s ly   t r ac k   th e   i n d u c to r   c u r r e n t   I L   t o   e n s u r e   i t  r em ai n s   wit h i n   t h e   r e f e r e n ce   I _ h i g h   a n d   I _ l o w   t o   f o ll o w   in p u t  v o lt ag e  s h a p e.   T h e   DE MU X  b l o c k   m an ag es  th e  t r an s iti o n   b etw ee n   s ta g es   Sta g e( K ) ↔ Sta g e( K+ 1 )   w h e n   n e ed e d .   T h e   p r i n c ip les  o f   t h e   DE M UX  b l o c k   s ta g e   t r a n s it i o n s   a n d   t h e  c o r r es p o n d i n g   c o n t r o l  a lg o r it h m   ar e  im p le m e n t ed   ex ac tl y   as   d esc r i b e d   i n   [ 25 ] .   I f   a   tr an s iti o n   is   n o t   n ee d ed ,   t h e   D E MU X  b l o ck   p r o p a g ates   a   PW M   g o v er n i n g   p u ls es   f r o m   a   f li p - f l o p   t r i g g e r   t o   t h e   ac ti v e   tr a n s is t o r   Q K   wi th o u t   i n te r f e r e n c e,   w h ile  h o l d i n g   g a tes  o f   tr a n s is to r s   Q 1 - Q K - 1  at  ze r o   a n d   k e e p i n g   t h e  g a tes  o f   t r a n s is to r s   Q k+ 1 - Q 3   at  a   h ig h   le v e l.  T h e   in p u t  v o lt ag e  is   s et   to   V in   =  2 3 0   V r m s   wit h   a n   i n p u t  p o w e r   o f   1 3 6   W .   Fo r   b e tte r   v is u al iza ti o n   i n   s i m u lat io n ,   t h e  in d u ct o r   L   is   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       A   n ew b o o s t LE D  d r iver  ( Dzh u n u s b ek o v  E r la n )   605   ch o s e n   as  1 0   m H   t o   r e d u c e  t h e   s wit c h i n g   f r eq u e n cy   a n d   m a k e   t h e   p u ls e  s w itc h i n g   tr ac ea b le   t h r o u g h o u t   t h e   in p u t  p h ase   c y c le .   T h e   v o lta g e  d r o p s   o f   L E D  s t r i n g s   a r e  s e t  as  V LED 1   =   1 3 6   V ,   V LE D2   =  1 3 3   V,   a n d   V L ED3   =    1 3 2   V   t o   m a tc h   ex p er im en tal   s etu p   v al u es .   T h e   t o ta l  L E D  v o l tag e  d r o p   is   4 0 1   V.           Fig u r e  2 .   C o m p u ter   s im u latio n   m o d el  o f   th e  f ir s t p r o p o s ed   b o o s t  L E D  d r iv e r       Fig u r e  3   p r esen ts   th e   s tead y - s tate  wav ef o r m s   o b tain ed   f r o m   th e  s im u latio n   f o r   a  s in g le  h alf - p er io d   o f   th e  in p u t  v o ltag e.   T h e  d esig n   d em o n s tr ates  r ed u ce d   v o lt ag e  s win g s   ac r o s s   in d u cto r   L ,   p o wer   tr a n s is to r s   Q 1 - Q 3 ,   an d   r ec tifie r   d io d es  D 1 - D 3 .   T h e  d io d e  v o ltag es  co r r e s p o n d   to   th e  r esp ec tiv e  L E D  s tr in g   v o ltag e  d r o p s :  V D1   =   1 3 6   V,   V D2   =   1 3 3   V,   V D3   =   1 3 2   V.   T h e   cu r r en t  o f   th e  tr an s is to r   Q K   in cr ea s es  with   in d ex   K,   w h ile  th e   m ax im u m   d r ai n - to - s o u r ce   v o l tag e  Vd s K   d r o p s   f r o m   tr an s is to r   Q 1   to   Q 3 ,   wh ich   p r o v id es  a  b asis   f o r   ef f icien t   tr an s is to r   s elec tio n .   I n   th is   s im u latio n   s ce n ar i o ,   an   im p lem en tatio n   with   elec tr o ly tic  ca p a cito r s   is   co n s id er ed ,   en s u r in g   a   co n tin u o u s   cu r r en t   s u p p ly   t o   th e  L E Ds.  I n   th is   way ,   th e  cu r r en t  c o n s u m p tio n   o f   L E D  s tr in g s   is   ea s ily   esti m ated .   Ho wev er ,   el ec tr o ly tic  ca p ac ito r s   ar e   n o t   e s s en tial  f o r   th e   o p er atio n   o f   t h e  p r o p o s ed   d r iv er .   T h e  cu r r en t  co n s u m p tio n   o f   th e  L E D  s tr in g s   ex h ib its   a  m in o r   r ed u ctio n   as  th e  in d ex   K  in cr ea s es  f r o m   1   to   2 .   No tab ly ,   th e  cu r r e n t  co n s u m p tio n   an d ,   h en ce ,   p o wer   o f   th e  h ig h est - in d ex ed   L E D   s tr in g ,   L E D 3 ,   ar e  s ig n if ican tly   lo wer   th an   t h o s e  o f   L E D 1   an d   L E D 2 ,   wh ich   m ay   b e  b e n ef icial  f o r   o p tim iz atio n .   As  s h o wn   in   Fig u r e  3 ,   as  th e  in d u cto r   c u r r e n t  r ea ch es  th e  u p p er   th r esh o ld   twice  co n s ec u tiv ely ,   an   a d d itio n al  L E D  s tr in g   is   co n n ec ted   i n   s er ies,  lead in g   to   a  cu r r e n t d ec r ea s e.     C o n v er s ely ,   wh en   t h e  in d u ct o r   cu r r en t  r ea c h es  th e  lo wer   r ef er en ce   t h r esh o ld   twice  in   s u cc ess io n ,   o n e  L E D  s tr in g   is   s h o r t - cir c u i ted ,   ca u s in g   th e  c u r r e n t  to   in c r ea s e.   T h ese  tr an s itio n s   b etwe en   o p er atin g   s tag es  tak e  a  f in ite  a m o u n t  o f   tim e ,   in tr o d u cin g   in p u t   cu r r e n t  d is to r tio n   an d   r ed u ci n g   th e   p o wer   f ac to r ,   as  th e   av er ag e  i n d u cto r   c u r r en t   d ev i ates  f r o m   t h e  id ea l   s in u s o id a l  wav ef o r m .   Ho we v er ,   t h e  p o wer   f ac to r   ca n   b e   im p r o v e d   b y   r e d u cin g   th e   in d u cto r   v alu e,   th er e b y   d ec r ea s in g   tr an s itio n   tim e.   Alter n ativ ely ,   d ec r ea s in g   th e   h y s ter esis   b an d   wo u ld   b r in g   t h e  in d u cto r   cu r r en t  clo s er   to   th e  d esire d   av er ag e  v alu e .   No te  th at  th e  Sch o ttk y   d io d e  D 1   co n d u cts  co n tin u o u s ly   th r o u g h o u t  th e   in p u t  h al f - p er io d ,   wh ile   d io d e   D 2   c o n d u cts  o n ly   d u r in g   Stag es(2 )   an d   ( 3 ) ,   an d   d i o d e  D 3   co n d u cts o n ly   d u r i n g   Stag e ( 3 ) .   At  h ig h   in s tan tan eo u s   i n p u t  v o ltag es,  all  t h r ee   Sch o ttk y   d io d es c o n d u ct  s im u ltan eo u s ly ,   co n t r ib u tin g   to   th e  o v er all  co n d u ctio n   lo s s es.     2 . 2 .     T he  s ec o nd   pro po s ed  b o o s t   L E D  driv er   T h e   d i s ti n c t i v e  f e a t u r e   o f   t h e   s e c o n d   p r o p o s e d   d r i v e r ,   s h o w n   i n   F i g u r e   1 ( b ) ,   is   t h a t   i t   o p e r a tes   wi t h   tw o   a c t i v e   s t a g es   a n d   t h e r e f o r e   u t il i z es   o n l y   t w o   S c h o tt k y   d i o d e s   a n d   t h e   a d d i t i o n a l   L E D 0   s t r in g .   T h e   t w o   a c t i v e  s t a g es   a r e   c o n t r o l l e d   b y   tw o   t r a n s is t o r s ,   Q 1  a n d   Q 2 ,   o n e   p e r   s ta g e .   T h e   p r e s e n ce   o f   t h e   L E D 0   s t r i n g   i n t r o d u c e s   a  s k i p   m o d e .   T h e   s k i p   m o d e   o f   P W M   r e g u l a ti o n   o c c u r s   a t   i n p u t   l i n e   v o lt a g e s   ∣ V i n ∣  ≤   V L E D0 .     T h e   L E D 0   s t r i n g   p r o v i d e s   a   v o l ta g e   m a r g i n   t o   m a k e   i t   p o s s i b l e   t o   i m p l e m e n t  S c h o t t k y   d i o d es   f o r   D 1   a n d   D 2  b y   l i m i t i n g   t h ei r   a b s o l u t e   r e v e r s e   v o l t a g e .   T h is   v o l t a g e   m a r g i n   i s   e n s u r e d   b y   t h e   non - z e r o   v o l t a g e   V L E D0   o f   t h e  L E D 0   s t r i n g .   T o   ev alu ate   th e  p e r f o r m an ce   o f   th is   d esig n ,   a   co m p u ter   m o d el  was  d ev el o p ed   u s in g   th e  s am e   f r am ewo r k   as  f o r   th e  f ir s t  p r o p o s ed   d r iv er .   T h e  m o d el   r ea lizes  p o wer - f ac to r   c o r r ec tio n   th r o u g h   d i r ec t  r eg u latio n   o f   th e  in d u cto r   cu r r en t  in   C C M,   f o llo win g   th e   co n tr o l  ap p r o ac h   d escr ib ed   in   s ec tio n   2 . 1 .   T h e   s im u latio n   s etu p ,   co n t r o l  s tr ateg y ,   an d   m o d elin g   ass u m p tio n s   r em ain   id en tical  to   th o s e  o f   th e  f ir s t  p r o p o s e d   d r iv er ,   e x ce p t f o r   th e  r ed u ce d   n u m b er   o f   p o wer   s witch es a n d   p r o tectiv e  d i o d es.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  1 7 ,   No .   1 ,  Ma r c h   20 2 6 :   602 - 6 16   606   T h e  s im u latio n   m o d el,   s h o wn   in   Fig u r e  4 ,   in clu d es  an   AC   in p u t  v o ltag e  s o u r ce   Vin ,   a  d i o d e  b r id g e   r ec tifie r ,   th e  b o o s t  in d u cto r   L ,   a  s eg m en ted   L E D  lo ad   co n s is tin g   o f   L E D  s tr in g s   L E D 0 - LED 2 ,   p o wer   tr an s is to r s   Q 1   an d   Q 2 ,   an d   th e  s am e  h y s ter esis - b ased   cu r r e n t   co n tr o l  cir cu it  o p er atin g   in   C C M.   As  in   th e  f ir s t   m o d el,   th e  in d u cto r   cu r r e n t  is   r eg u lated   b etwe en   u p p er   a n d   lo wer   h y s ter esis   th r esh o ld s   u s in g   co m p a r ato r - b ased   co n tr o l  lo g ic,   wh ile  a   DE MU X  b lo ck   g o v er n s   tr a n s itio n s   b etwe en   o p e r atin g   s tag es.  T h e  co n tr o l  cir cu itry   an d   DE MU X  b lo ck   a r e  id en tical,   with o u t  m o d if icat io n ,   to   th o s e  u s ed   f o r   th e  f i r s t p r o p o s ed   d r iv e r .           Fig u r e  3 .   Simu latio n   wav ef o r m s   o f   th e  p r o p o s ed   L E D  d r i v e r .   I _ h i g h   , I _ lo w,   I L   -   co m p ar at o r s   h ig h /lo w  v al u es  an d   in d u cto r   L   cu r r e n t.  Vd s 1   ,   Vd s 2   ,   Vd s 3   -   d r ain   v o ltag es o n   Q 1 - Q 3   tr an s is to r s .   I d s 1   ,   I d s 2 ,   I d s 3   -   cu r r en ts   o f   Q 1 - Q 3   tr an s is to r s .   V D1   , V D2   , V D3   -   r ev er s e  v o ltag es  o n   d i o d es D 1 - D 3 . I D1   , I D2   , I D3  -   cu r r en ts   o f   d io d es D 1 - D 3 .  I LED1   , I LED2   , I LED3  -   c u r r e n ts   o f   co r r esp o n d in g   L E D  s tr in g s           Fig u r e  4 .   C o m p u ter   s im u latio n   m o d el  o f   th e  s ec o n d   p r o p o s ed   b o o s t L E D  d r iv er       T h e  in p u t v o ltag e  is   s et  to   Vin   =   2 3 0   Vr m s   with   an   in p u t p o wer   o f   1 3 6   W .   Fo r   b etter   v is u aliza tio n   o f   th e  s witch in g   b eh av i o r ,   th e  b o o s t  in d u cto r   L   is   c h o s en   as  5   m H,   w h ich   r ed u ce s   th e  s witch in g   f r eq u en cy   an d   m ak es  th e  p u ls e  s witch in g   tr ac ea b le  o v er   th e   in p u t  v o ltag e  h alf - cy cle.   T h e  v o ltag e  d r o p s   ac r o s s   th e  L E D  s tr in g s   ar e  s et  to   V LED0 =1 0 0   V ,   V LED1 =1 5 0   V,   an d   V LED2  =  1 5 0   V  to   co r r esp o n d   to   ex p er i m en tal  s etu p   v al u es.    40 m   4 2.5   m   45   m   4 7.5   m     T i m e ,s   50   m   4 0   m   42.5   m   4 5   m   4 7.5   m     50   m   T i m e ,s                               10 u s   10 u F   800   u F   800   u F   5 m H   0.1   u F   1   M   8.5 k   1   M   30   k   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       A   n ew b o o s t LE D  d r iver  ( Dzh u n u s b ek o v  E r la n )   607   T o tal  v o ltag e   d r o p   o f   L E Ds   is   4 0 0   V.   Fig u r e   5   p r esen t s   th e  s tead y - s tate  wav e f o r m s   o b tain e d   f r o m   th e   co m p u ter   m o d elin g   f o r   a  s in g le  h alf - p er io d   o f   th e  in p u t  v o l tag e.   T h e  s im u latio n   s h o ws  th e  p r esen ce   o f   s k ip   m o d e  in   th e  PW M  g en er ati o n   at  in p u t  v o ltag es  ∣ Vin ∣  ≤   V LED0 .   W h ile  s k ip   m o d e  co n s er v es  p o wer ,   it   n eg ativ ely   im p ac ts   p o wer   f a cto r .   T h er e f o r e,   th e  v alu e   o f   V LED0   m u s t  b e  s elec ted   ca r ef u lly   to   b alan ce   ef f icien cy   a n d   p o wer   q u ality .   T h e  s im u latio n   r esu lts   v alid a te  th e  f ea s ib ilit y   o f   th e  p r o p o s ed   co n tr o l   m eth o d   f o r   th e   h y b r id   L E D  d r iv er .   T h e  DE MU X  b lo ck   r em ain s   th e  s am e  as  f o r   th e   m o d el  in   F ig u r e  2 .   T h e  s am e   DE MU X  alg o r ith m   o p er ates  s u cc ess f u lly   d esp ite  v ar iatio n s   in   L E D  s tr in g   v o ltag e  d r o p s   an d   L E D  lo a d   co n f ig u r atio n s .   T h e  s witch in g   v o ltag e  am p litu d es  o f   two   ac tiv e  t r an s is to r   an d   p r o tectiv e   d io d es  ar e  r e d u ce d   a n d   eq u al  th e   L E D  s tr in g   v o ltag e s   co r r esp o n d in g ly .   No te  th at  t h e  Sch o ttk y   d io d e   D 1   co n d u c ts   d u r in g   Stag es(1 )   an d   ( 2 ) ,   w h ile  d io d e  D 2   co n d u cts  o n ly   d u r in g   Stag es(2 ) .   At  h ig h   in s tan tan e o u s   in p u t  v o ltag es,  b o th   Sch o ttk y   d io d es c o n d u ct  s im u ltan eo u s ly ,   co n tr i b u tin g   t o   th e  o v er all  c o n d u ctio n   lo s s es.           Fig u r e  5 .   Simu latio n   wav ef o r m s   o f   th e  p r o p o s ed   L E D  d r i v e r .   I _ h i g h   , I _ lo w,   I L   -   co m p ar at o r s   h ig h /lo w  v al u es  an d   in d u cto r   L   cu r r e n t.  Vd s 1 ,   Vd s 2   -   d r ain   v o ltag es o n   Q 1   a n d   Q 2   tr an s is to r s .   I d s 1 ,   I d s 2   -   cu r r en ts   o f   Q 1   an d   Q 2   tr an s is to r s .   V D1   , V D2   -   r ev er s e  v o ltag es o n   d io d es D 1   an d   D 2 .   I D1   , I D2   -   c u r r en ts   o f   d io d es D 1   an d   D 2 . I LED0   ,  I LED1   , I LED2  -   cu r r en ts   o f   co r r e s p o n d in g   L E D  s tr in g s       3.     M E T H O D   3 . 1 .     E x perim ent a l set - up   T h r ee   lab o r ato r y   s am p les  wit h   2 0 0   W   in p u t  p o wer   r atin g s   wer e  cr ea ted   to   test   th e  p r o p o s als:   th e  s am p le  o f   th e   f ir s t  p r o p o s ed   d r iv er ,   as  s h o wn   in   Fig u r e   1 ( a) ;  th e  s am p le  o f   t h e  s ec o n d   p r o p o s ed   d r i v er ,   as   s h o wn   in   Fig u r e   1 ( b ) ;  an d   o n e   s am p le  o f   th e   co n v en tio n al  b o o s t  d r iv er .   All  s am p les  in co r p o r ate  p o wer   f ac to r   co r r ec tio n   ( PF C )   an d   wer e  ass em b led   o n   a  s in g le  p r in ted   cir cu it  b o ar d   to   en a b le  r eliab le  co m p ar is o n .     Fig u r e  6   illu s tr ates  th e  g en er al  elec tr ical  cir cu it  o f   th e  p r in te d   cir cu it  b o ar d   f o r   all  test   s am p les.  T h e  L in e  an d   Neu tr al  ter m in als  ar e   to   b e   c o n n ec ted   to   th e  AC   m ai n s   s o u r ce ,   w h ich   is   r ec tifie d   b y   th e  d io d e   b r id g e   Db 1 .  C o m m o n - m o d e  ch o k es  L F 1   an d   L F 2   ar e  im p lem en te d   at  th e  in p u t  to   s u p p r ess   co n d u cted   elec tr o m ag n etic   in ter f er en ce   g en e r ated   b y   th e  L E D  d r iv er   d u r in g   s witch in g   o p er atio n .   T h e   in p u t  cir cu itr y   o f   th e  b o ar d   u p   to   th e  m ain   in d u cto r   L 1   is   u n iv er s al  ac r o s s   all  s am p les.  T h e   r ec tifie d   in p u t  p o wer   is   t h en   p r o c ess ed   b y   o n e   o f   th e   th r ee   ass em b led   d r iv er   c o n f ig u r atio n s   u n d er   test   to   s u p p ly   t h e  L E D  lo a d   with   p o wer   f ac t o r   co r r ec tio n   ( PF C ) .   T h e  ch ar ac ter is tics   o f   n o n - r e p lace ab le  m ag n etic  a n d   p ass iv e  co m p o n en ts   ar e  s h o w n   in   th e  d iag r am .   Par t   n u m b er s   f o r   s em ico n d u cto r s   a r e  s h o wn   in   th e  d iag r am .   Fig u r e  7   s p ec if ies th e  o u tp u t sch e m atics o f   th e  s am p le  d r iv er s ,   with   t h e  p o wer   in d u c to r   L 1   p ar am eter s   s p ec if ied   f o r   ea ch   d esig n .   T h e  tr a n s is to r   Q d1 ,   d io d e  D d1 ,   an d   ca p ac ito r   C d1   f o r m   th e   o u tp u t   o f   th e  c o n v e n tio n al  b o o s t  co n v er ter ,   s ee   Fig u r e   7 ( a) .   T h e   tr an s is to r s   Q 1 - Q 3 ,  d io d es  D 1 - D 3 ,   an d   ca p ac ito r s   C 1 - C 3   f o r m   th e  o u tp u t  o f   t h e  p r o p o s ed   f ir s t  L E D  d r iv er ,   s ee   Fig u r e  7 ( b ) .   T h e   s ec o n d   p r o p o s ed   d r iv er   is   o b tain ed   f r o m   t h e  f ir s t  b y   elim in atin g   th e   tr an s is to r   Q 1   an d   s h o r t - cir cu itin g   th e   d io d e  D 1 ,   as  s h o wn   in   Fig u r e  7 ( c) .   I n d u cto r   L 1   is   s elec t ed   in d iv id u ally   f o r   ea ch   s am p le  to   ac co u n t  f o r   d if f er en ce s   i n   v o ltag e  r ip p le.   L E D 1 ,   L E D 2 ,   a n d   L E D 3   s tr in g s   s h o wn   in   Fig u r e   6   ar e   th e  s a m e  o u t p u t  l o ad   a n d   r ec o n f ig u r ab le  f o r   ea ch   s am p l e.   Fo r   all  s am p les,  th e   r ated   i n p u t  v o ltag e  r a n g e  was  s elec ted   as  1 5 0 - 2 7 0   Vac ,   an d   th e  r ate d   in p u t f r eq u en cy   r an g e  was 4 3 - 6 3   Hz.     40 m   4 2   m   4 4   m     4 6   m   4 8   m   50   m   4 0   m   42   m   4 4   m   T i m e , s     4 6   m   4 8   m   50   m   T i m e , s   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  1 7 ,   No .   1 ,  Ma r c h   20 2 6 :   602 - 6 16   608   T h e  co n v en tio n al  b o o s t  d r iv er   was  o p tim ized   f o r   h ig h   ef f ici en cy   g iv e n   th e  i n p u t r an g e  1 5 0 - 2 7 0   Vac .   As  a  r esu lt  o f   th e  o p tim izatio n ,   th e  b o o s t  d r iv er   o p e r ates  in   th e  C r C M  to   b en ef it  f r o m   ze r o   cu r r en t  s witch in g   ( Z C S)  an d   QR S.  An y   s tan d ar d   C r C M  co n tr o ller   p r o v i d in g   p o wer   f ac t o r   co r r ec tio n   an d   QR S  ca n   b e  em p lo y ed ,   as  th e  ch o ice  o f   a   s p ec if ic  co n tr o ller   d o es  n o t  af f ec t  th e  co n cl u s io n s   o f   th is   p ap er .   T h e  s am e  co n tr o ller   ap p r o ac h   is   ap p lied   to   th e   o th e r   two   d r iv er s   f o r   a   f air   c o m p ar is o n .   C o n s eq u e n t ly ,   two   in p u t  f ilter   ch o k es ,   L F 1   a n d   L F 2 ,  wer e   r eq u ir ed ,   f o llo win g   th e   s tan d ar d   p r ac tice,   to   r ed u ce   cu r r en t  r i p p le  in   th e   co n v en tio n al  d r iv e r .   Alth o u g h   th e  co m p u ter   m o d els  em p l o y   h y s ter esis   cu r r en t  c o n tr o l  f o r   g e n er ality ,   all   ex p er im en tal  s am p les  o p e r at e  in   C r C M  m o d e  as  a  s p ec ial  ca s e  to   tak e  ad v an tag e  o f   Z C S  an d   QR S.  I m p lem en tatio n   o f   C r C M  m o d e  is   n o   p r o b lem   f o r   t h e  d e v e lo p ed   co n tr o l  cir c u it  an d   t h e  p r o p o s ed   tr an s itio n   alg o r ith m   b etwe en   o p er atio n a l  s tag es.  T h e  co n tr o l  cir cu it  r e m ain s   u n iv er s al  ac r o s s   th e  s am p les,  r eq u ir in g   n o   r ea d ju s tm en ts   o r   ad d itio n al  tu n in g .           Fig u r e  6 .   T h e  elec tr ical  s ch em e  o f   th e  e x p er im e n tal  p r in ted   c ir cu it b o ar d           ( a)   ( b )       ( c)     F i g u r e   7 .   E l e c t r i c a l   ci r c u i ts   o f   la b o r a t o r y   s a m p l e s :   ( a )   T h e   o u tp u t   o f   t h e   c o n v e n t i o n a l   L E D   b o o s t   d r i v e r ;   ( b )   T h e   o u t p u t   o f   t h e   f i r s t   p r o p o s e d   L E D   d r i v e r ;   a n d   ( c )   T h e   o u t p u t   o f   t h e   s e c o n d   p r o p o s e d   L E D   d r i v e r       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       A   n ew b o o s t LE D  d r iver  ( Dzh u n u s b ek o v  E r la n )   609   T h e  co n v en tio n al  d r iv er   em p lo y s   an   MU R F8 6 0   d io d e  as   a  p o wer   r ec tifie r ,   wh ile  th e   p r o p o s ed   d r iv er s   u tili ze   V 1 0 P2 0   Sch o tt k y   d io d es.  T h ese  Sch o ttk y   d io d es,  r ated   f o r   2 0 0   V,   f ea tu r e   a   co m p ac t   T O - 2 7 7 A  s u r f ac e - m o u n t  p ac k ag e .   E le ctr o ly tic  ca p ac ito r s   C 1 - C 3   wer e  in clu d e d   s o lely   to   i m p r o v e   ef f icien cy   m ea s u r em en ts   b y   m i n im izin g   v o ltag e  an d   cu r r en t  r i p p le  i n   th e  L E D  s tr in g s .   T h e  in d u ctan ce   o f   L 1   was  s elec ted   in d iv id u ally   f o r   ea c h   s am p le  to   en s u r e  an   eq u iv ale n t switch in g   f r eq u e n cy   p atter n ,   s ee   Fig u r e  8 .   Fo r   th e  co n v e n tio n al  d r iv e r ,   L 1   was  s et   to   3 7 1   µH   with   a  PQ2 6 2 0   co r e.   I n   co n tr ast,  th e  p r o p o s ed   d r iv er s   r eq u ir ed   a  s ig n if ican t ly   s m aller   in d u ct o r ,   with   L 1   r ed u ce d   to   1 8 2   µH   a n d   u tili zin g   an   R M8   c o r e.   E x p er im en tal  m ea s u r e m en ts   wer e  co n d u cte d   f o r   ea c h   s am p le  at  a  5 0   Hz  in p u t  lin e  f r e q u en cy   a n d   f o r   lin e   v o ltag es o f   1 6 0   Vас ,   2 3 0   Vac ,   an d   2 7 0   Vac .           Fig u r e  8 .   C alcu lated   in s tan tan eo u s   PW M  f r eq u en cy   o f   s am p les with in   h alf   o f   th e  lin e   p er i o d : d ash   d o t lin e  -   c o n v e n tio n al  d r iv er ,   d ash ed   lin e  -   f ir s t p r o p o s ed   d r i v er ,   s o lid   lin e  -   s ec o n d   p r o p o s ed   d r iv e r ,   an d   d o tte d   lin e  -   7 6   k Hz       I n   th e  p r o p o s ed   L E D  d r iv er   s am p les,  q u asi - r eso n an t  s witch in g   an d   d y n am ic  L E D - s eg m en t  r ec o n f ig u r atio n   s y n ch r o n ized   with   th e  in p u t  v o ltag e   wer e  ac h iev ed   as  f o llo ws.  T h e  s a m e  s tan d ar d   cr itical  co n d u ctio n   m o d e  PW M  co n tr o ller   with   QR S  as  th at  u s ed   in   th e   co n v en tio n al  d r iv er   s am p le  was   im p lem en ted .   I n   ty p ical  co n tr o ller s ,   QR S  ca n   b e  r ea lized   u s in g   d if f er en t  a p p r o ac h es,  s u ch   as  in tr o d u cin g   a   tim e  d elay   af ter   t h e  in d u cto r   c u r r en t  r ea ch es  ze r o   o r   d etec tin g   th e  v o ltag e  v alley   v ia  th e  a u x iliar y   win d in g   o f   th e  in d u cto r .   T h e   s p ec if ic  c h o ice  o f   th e  c o n tr o ller   is   n o t  cr it ical  to   th e   m ain   r esu lts   o f   th is   p ap e r ;  h o wev er ,   it  is   es s en tial  th at  th e  s am e  co n tr o ller   b e  u s ed   f o r   all  s am p les  u n d er   test   in   o r d er   to   em p lo y   an   id en tical  QR   s witch in g   p r in cip le,   th e r eb y   en s u r in g   co n s is ten t  test   co n d itio n s   an d   a  r eliab le  p e r f o r m an ce   co m p ar is o n .   W ith in   th e  co n tr o ller ,   th e   PW M  s ig n al  was  g en er ated   b y   a  co n v en tio n al   an alo g   cir cu i t  co m p r is in g   in p u t - v o ltag e  an d   in d u cto r - c u r r en t   s en s in g   am p lifie r s ,   h y s ter esis   co m p ar ato r s ,   an d   a   f lip - f l o p   tr i g g er .   T h e  r esu ltin g   PW M  s ig n al  was  d is tr ib u ted   to   th e  MO SF E T   g ate  d r iv er s   co n tr o llin g   th e  s tag e  p o we r   tr an s is to r s .   Stag e  s elec tio n   an d   L E D  s tr in g   r e co n f ig u r atio n   wer e  h a n d led   b y   a  lo w - co s t  m icr o co n tr o ll er   im p lem en tin g   a   DE MU X  f u n ctio n ,   as  d escr ib ed   in   s u b s ec tio n   2 . 1 ,   wh ich   en ab les  o r   d is ab les  th e  co r r e s p o n d in g   MO SF E T   g ate  d r iv er s .   T h e  m icr o co n t r o l ler   o p er ated   ex clu s iv ely   as  a  s lo w  s u p er v is o r y   u n it  at  t h e  m a in s - f r eq u en cy   tim e   s ca le  an d   d i d   n o t  g e n er ate  PW M  s ig n als,  ex ec u te  f ast  co n tr o l  l o o p s ,   o r   p er f o r m   s ig n al  co n d itio n in g .   C o n s eq u en tly ,   th e  in ter n al  im p lem en tatio n   o f   t h e  s u p er v is o r y   lo g ic  d o es n o t in f lu en ce   th e  o p er atin g   p r in cip le ,   s tead y - s tate  b eh av io r ,   o r   th e   e x p er im en tal  r esu lts   r ep o r ted   in   th is   s tu d y .   T h e   e x p e r i m e n t a l   a r r a n g e m e n t   i s   i ll u s t r at e d   i n   F i g u r e   9 .   T h e   d r i v e r   u n d e r   t e s t   w as   p o we r e d   b y   a  p r o g r a m m a b l e   A C   m a i n s   s o u r c e   ( C h r o m a   6 1 5 0 2 )   a n d   c o n n e c t e d   t o   o u t p u t   L E D   s t r i n g s .   Al l   d r i v e r   t o p o l o g i e s   w e r e   i m p l e m e n t e d   o n   a   s i n g l e   p r i n t e d   c i r c u i t   b o a r d   t o   e n s u r e   i d e n t i c a l   el e c t r ic a l   l a y o u t ,   i n p u t   f i l t e r i n g ,   t h e r m a l  c o n d i t i o n s ,   a n d   m e as u r e m e n t   e n v i r o n m e n t ,   t h e r e b y   e n a b l i n g   a   f a i r   a n d   r e p e a t a b l e   c o m p a r is o n .   D u r i n g   t es t i n g ,   o n l y   o n e   d r i v e r   o n   t h e   t e s t   b o a r d   w a s   e n e r g i z e d   at   a   ti m e ,   w h ile   t h e   r e m a i n i n g   d r i v e r s   w e r e   e le c t r i c al l y   d i s a b l e d .   I n p u t  elec tr ical  q u an titi es,  in c lu d in g   v o ltag e,   cu r r e n t,  p o we r   f ac to r ,   an d   h ar m o n ic  d is to r tio n ,   wer e   m ea s u r ed   u s in g   a  W T 3 1 0 E   d ig ital  p o wer   a n aly ze r   with   a  s p ec if ied   ac cu r ac y   o f   0 . 1 %.  Har m o n ic  an al y s is   was  p er f o r m ed   u p   t o   th e   4 0 th   h a r m o n ic  o r d e r .   Vo ltag es  ac r o s s   in d iv id u al  o u tp u t  L E D  s tr i n g s   wer e  m ea s u r e d   u s in g   Flu k e   2 8 9 /FVF   d ig ital  m u ltime ter s   with   a  s p ec if ie d   DC   v o ltag e   ac cu r ac y   o f   0 . 0 2 5 %.  L E D  s tr in g   cu r r en ts   wer e  o b tain ed   b y   Fl u k e  2 8 9 /FVF   m u ltime ter s   m ea s u r in g   v o lta g e  d r o p s   ac r o s s   p r ec is io n   R X - 70  cu r r en t - s en s in g   r esis to r s   ( 0 . 1   Ω ,   0 . 0 1 %  to ler an ce ,   1   W   r atin g )   co n n ec ted   in   s er ies  with   ea ch   L E D  ch an n el.   T h e  tr u e - R MS  Flu k e  2 8 9   m u ltime ter s   p r o v id e  g alv an ic  i s o latio n   an d   ac cu r ate  m ea s u r em en t  o f   tr u e  DC   co m p o n en ts   in   f lo atin g   d if f er en tial  p o ten tials   ac r o s s   th e  L E D  lo ad   s eg m en ts   an d   r esis ti v e  cu r r e n t  s en s o r s .   E x p e r i m e n t a l   m e a s u r e m e n t s   w e r e   c o n d u c t e d   a t   a   f i x e d   m a i n s   f r e q u e n c y   o f   5 0   H z   a n d   i n p u t   v o l t a g e s   o f   1 6 0   V a c ,   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 0 8 8 - 8 6 9 4   I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t ,  Vo l.  1 7 ,   No .   1 ,  Ma r c h   20 2 6 :   602 - 6 16   610   2 3 0   V a c ,   a n d   2 7 0   V a c ,   o v e r   a n   o u t p u t   p o w e r   r a n g e   f r o m   2 0   W   t o   2 2 0   W .   A l l   e x p e r i m e n t s   w e r e   p e r f o r m e d   u n d e r   n a t u r a l   a i r   c o n v e c t i o n   a t   a n   a m b i e n t   t e m p e r a t u r e   o f   a p p r o x i m a t e l y   2 5   ° C .   D e v i c e   t e m p e r a t u r e s   w e r e   m o n i t o r e d   u s i n g   a n   i n f r a r e d   c a m e r a   a n d   t h e r m o c o u p l e s   t o   v e r i f y   s t e a d y - s t a t e   t h e r m a l   c o n d i t i o n s .   P r i o r   t o   d a t a   a c q u i s i t i o n ,   t h e   s y s t e m   w a s   a l l o w e d   t o   r e a c h   t h e r m a l   e q u i l i b r i u m ,   w h i c h   w a s   c o n f i r m e d   b y   s t a b l e   e l e c t r i c a l   r e a d i n g s .           Fig u r e  9 .   T h e  ex p er im en tal  s etu p   f o r   th e  c o n v e n tio n al,   f ir s t,  an d   s ec o n d   p r o p o s ed   d r iv er s       3 . 2 .     E x perim ent a l r esu lt s   o f   t he  f irst  pro po s ed  bo o s t   L E D  driv er   Fig u r e  1 0   p r esen ts   wav ef o r m s   o f   th e  f ir s t  p r o p o s ed   L E D  d r iv er ,   with   an   o u tp u t  as  s h o wn   in     Fig u r e  7 ( b ) ,   at  2 0 0   W   in p u t  p o wer   an d   2 3 0   V  in p u t  v o ltag e .   W av ef o r m s   o f   tr an s is to r s   Q 1 - Q 3   an d   th e  in d u cto r   cu r r en t  clo s ely   alig n   with   th e  s im u lated   r esu lts   in   Fig u r e  3 ,   ex ce p t  f o r   th e  s witch in g   f r eq u e n cy   an d   th e   h y s ter esis   v alu e.   T h e  co n tr o l  cir cu it  in   th e  p r o p o s ed   d r iv e r   p r o v id es  Z C S  an d   QR S  f o r   ea ch   ac tiv e  tr an s is to r   f r o m   Q 1 - Q 3   in   th e  co r r esp o n d in g   ac tiv e  s tag e  ( K) .   Fig u r e  1 1   d em o n s tr ates  th at  th e  tr an s is to r s   tu r n   o n   r eso n an tly   at  th e  m in im u m   d r a in   v o ltag e,   m in im izin g   d y n am ic  lo s s es.   Sp ec if ically ,   Fig u r e s   1 1 ( a)   a n d   1 1 ( e )   illu s tr ate  th e  s witch in g   p r o ce s s   o f   th e  tr a n s is to r   Q 1   at  Stag e( 1 ) .   Fig u r e s   1 1 ( b )   an d   1 1 ( d )   illu s tr ate  th e  s witch in g   p r o ce s s   o f   th e  tr an s is to r   Q 2   at   Stag e( 2 ) ,   wh ile  Fig u r e  1 1 ( c)   p r esen ts   th e  s witch in g - o n   p r o ce s s   o f   th e  t r an s is to r   Q 3   at  Stag e( 3 ) .   Fin ally ,   Fig u r e  1 2   co m p ar es  th e   ef f icien cies  o f   th e  p r o p o s ed   d r iv er   with   an   o u t p u t  as  in   Fig u r e  7 ( b )   a n d   th e  c o n v e n tio n al  b o o s t  d r iv er   with   an   o u tp u t sh o w n   in   Fig u r e   7 ( a) .   At  h ig h   lo ad s ,   b o th   d r iv er s   ex h ib it id en tical  ef f icien cy .             Fig u r e  1 0 .   E x p e r im en tal  v o lta g e  an d   c u r r e n t w av ef o r m s   o f   t h e  f ir s t p r o p o s ed   L E D  d r iv er   a r e  s h o wn   in     Fig u r e  7 ( b ) ,   illu s tr atin g   th e  s ta g e - wis e  o p er atio n   o f   th e   co n v er ter : CH1   -   in d u ct o r   cu r r en t,  d ata  f r o m   I _ s en s e;  C H2   -   v o ltag e  o n   th e  tr a n s is to r   Q 1 ; CH3   -   v o ltag e  o n   th e  tr a n s is to r   Q 2 ; CH4   -   v o ltag e  o n   t h e  tr an s is to r   Q 3       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Po w  E lec  &   Dr i Sy s t     I SS N:   2088 - 8 6 9 4       A   n ew b o o s t LE D  d r iver  ( Dzh u n u s b ek o v  E r la n )   611   ( a)     ( b )     ( c)       ( d )     ( e)       Fig u r e  1 1 .   E x p e r im en tal  wav e f o r m s   o f   t h e  f ir s t p r o p o s ed   L E D  d r iv er   at  th e   m ar k e d   tim e  m o m en ts   s h o wn   in   Fig u r e  1 0 ,   illu s tr atin g   Z C S a n d   QR S o f   s tag e  tr an s is to r s : ( a)   at  th e  tim e  m o m e n t t1 ; ( b )   at  t h e  tim e  m o m e n t  t2 ; ( c)   at  th e  tim e  m o m en t t3 ;  ( d )   at  th e  tim e  m o m en t t 4 ; ( f )   at  th e  tim e  m o m en t t 5       Ho wev er ,   at  lig h t  lo a d s ,   th e   p r o p o s ed   d r i v er   d e m o n s tr at es  h ig h er   ef f icien cy ,   in d icatin g   r ed u ce d   d y n am ic  lo s s es ,   as  ex p ec ted .   At  h ig h   lo ad s ,   th e  b en ef its   o f   r ed u ce d   s witch in g   lo s s es   ar e  o f f s et  b y   th e   co n d u ctio n   lo s s es  in   t h e  th r ee   s er ies - co n n ec ted   Sch o ttk y   d io d es.   Fig u r e   1 3   p r esen ts   th e  p o wer   f ac to r   m ea s u r em en ts ,   s h o win g   th at  t h e  p o we r   f ac to r   o f   th e   p r o p o s ed   d r iv er   is   af f ec ted   b y   in p u t  cu r r en t   d is to r tio n   d u r in g   s tag e  tr an s itio n s .   T h e   m ea s u r ed   p o wer   f ac t o r   is   0 . 9 6 3 ,   with   a  to tal  h ar m o n ic  d is to r tio n   ( T HD)   o f   1 2 . 6 % a t a n   i n p u t  v o ltag e  o f   2 3 0   Vac   an d   an   in p u t p o wer   o f   2 0 0   W .     3 . 3 .     E x perim ent a l r esu lt s   o f   t he  s ec o nd   pro po s ed  bo o s t   L E D  driv er   Fig u r e  1 4   p r esen ts   th e  wav ef o r m s   o f   th e  s ec o n d   p r o p o s ed   L E D  d r iv er   with   an   o u tp u t  s h o wn   in   Fig u r e  7 ( c) ,   o p er atin g   at  an   i n p u t  p o wer   o f   1 9 5   W   an d   an   in p u t  v o ltag e  o f   2 3 0   Vac .   T h e  wav ef o r m s   o f   tr an s is to r s   Q 2 ,   Q 3 ,   an d   th e  in d u cto r   cu r r en t  clo s ely   alig n   with   th e  s im u lated   r esu lts   in   Fig u r e  5 ,   ex ce p t  f o r   d if f er en ce s   in   s witch in g   f r eq u en cy   a n d   th e  h y s ter esis   v alu e.   T h e   co n t r o l  cir c u it  in   t h e  p r o p o s ed   d r iv er   s u cc ess f u lly   im p lem en ts   Z C S a n d   QR S  f o r   b o th   tr an s is to r s   Q 2   an d   Q 3 ,   as  lo n g   as  th e   tr an s is to r   is   ac tiv e  in   th e  co r r esp o n d in g   Stag e( K ) .   T ab le  1   p r esen ts   th e  s tead y - s t ate  tem p er atu r es  o f   th e  d r iv er   co m p o n en ts   m ea s u r ed   at  an   i n p u t  p o wer   o f   2 0 0   W ,   an   in p u t  v o ltag e   o f   2 3 0   V,   an d   a n   a m b ien t   tem p er atu r e   o f   2 5   °C .   T h e  d r iv er   ef f icien c y   at   th is   o p er atin g   p o in t  is   9 8 . 5 %,  co r r esp o n d in g   to   a  to tal  p o wer   lo s s   o f   ap p r o x im ately   3   W .   T ab le  1   also   lis t s   th e   esti m ated   p o wer   lo s s es   o f   in d iv id u al  co m p o n e n ts ,   d er iv ed   f r o m   m ea s u r e d   tem p er at u r e  r is e,   eq u iv alen t  r esis tan ce   m ea s u r em en ts ,   an d   ca lcu lated   lo s s   v alu es.   T ab le  2   p r esen ts   th e  m ea s u r e d   h ar m o n ic  co n ten t  o f   t h e  d r iv er ’ s   in p u t  c u r r en t  c o m p ar e d   with   th e   r eq u ir em e n ts   o f   I E C   6 1 0 0 0 - 3 - 2   C lass   C   f o r   lig h tin g   e q u ip m en t.   Fig u r e  1 5 ( a)   p r esen t s   th e  p o wer   f ac to r   m ea s u r em en ts .   T h e  p o wer   f a cto r   o f   th e  p r o p o s ed   d r i v er   i s   wo r s en ed   b y   s k ip   m o d e  an d   b y   in p u t  cu r r en t   d is to r tio n   d u r in g   th e   tr an s itio n   p r o ce s s   Stag e( 1 ) ↔ Stag e( 2 ) .   T h e   m ea s u r ed   p o wer   f ac to r   is   0 . 9 5 8 ,   T HD  is   1 5 . 6 % a t V in   =  2 3 0   Vac   a n d   P in   =  1 9 5   W .   Fin ally ,   Fig u r e  1 5 ( b )   co m p ar e s   th e  ef f icien cies  o f   th e  p r o p o s ed   an d   co n v en tio n al  b o o s t  d r iv er s .   T h e   s ec o n d   p r o p o s ed   d r iv er   d em o n s tr ates  s ig n if ican tly   h ig h er   e f f icien cy   at  b o th   lig h t  an d   h i g h   lo ad s   o win g   to   lo wer   d y n am ic  an d   c o n d u ctio n   lo s s es.  T h is   im p r o v em en t   is   attr ib u ted   t o   th e   r ed u ce d   v o lt ag e  d r o p   ac r o s s   th e  two   Sch o ttk y   d io d es  co m p ar e d   to   th e   MU R F8 6 0   r ec tifie r   u s ed   in   th e   co n v en tio n al   d r iv er .   At  l o ad s   b el o w   8 0   W ,   th e  f o r war d   v o ltag e  d r o p   ac r o s s   th e  L E D  lo ad   d ec r ea s es.  T h er ef o r e,   at  a  h ig h   in p u t  v o ltag e  o f   2 7 0   Vac ,   th e  p ea k   r ec tifie d   v o ltag e  ex c ee d s   th e  L E D  lo ad   v o ltag e,   w h ich   wo r s en s   th e  p o wer   f ac to r .   Sin ce   th e  cu r r en t   th r o u g h   th e  L E D  lo ad   b ec o m e s   u n r eg u lated ,   e f f icien cy   m ea s u r em en ts   at  2 7 0   Vac   an d   lo ad s   b elo w  8 0   W   wer e  n o t p er f o r m e d   f o r   eith er   th e   p r o p o s ed   o r   th e  co n v en ti o n al  d r i v er   ( s ee   Fig u r es 1 3   an d   1 5 ) .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.