Hybrid Controlled Zero Voltage Switching SEPIC Converter for Constant-Current LED Driver

Abstract

In this study, a quasi resonant zero voltage switching (ZVS) SEPIC DC–DC converter is proposed as a constant current LED driver powered by a battery or a DC source. The proposed converter provides constant output current regulation using a hybrid control strategy that integrates a polynomial regression based model with an observation based algorithm. The polynomial regression model predicts the appropriate switching frequency in real time as a function of the input voltage, while the observation based correction mechanism dynamically regulates the output current at its reference level. To preserve soft switching conditions, a turn-off time (t_off) model derived from the analytical calculation of the converter is implemented. This allows enabling efficient ZVS quasi resonant operation across the entire operating range. Simulation studies conducted in the MATLAB/Simulink show that the proposed hybrid control approach maintains a constant 1.3 A output current with reduced switching losses. The results show that the hybrid controlled quasi resonant ZVS SEPIC converter offers higher efficiency compared to conventional PWM controlled SEPIC converters.

Keywords

• Quasi Resonant Converter
• LED driver
• ZVS SEPIC CONVERTER
• POLYNOMIAL REGRESSION

Sabit Akım LED Sürücü için Hibrit Kontrollü Sıfır Gerilim Anahtarlamalı SEPIC Dönüştürücü

Öz

Bu çalışmada, batarya veya doğru akım (DA) kaynakla beslenen sabit akımlı LED sürücüsü için kısmi rezonanslı sıfır gerilim anahtarlamalı (SGA) SEPIC DA-DA dönüştürücü önerilmektedir. Önerilen dönüştürücü, giriş gerilimindeki değişimlere karşı kararlı çıkış akımı regülasyonunu polinom regresyon tabanlı bir model ile gözlem tabanlı bir algoritmanın birleştirildiği hibrit bir kontrol stratejisi ile sağlamaktadır. Polinom regresyon modeli, giriş geriliminin bir fonksiyonu olarak uygun anahtarlama frekansını gerçek zamanlı olarak tahmin etmekte, gözlem tabanlı düzeltme mekanizması ise çıkış akımının referans değerinden olan sapmaları dinamik olarak sabit tutmaktadır. Yumuşak anahtarlama koşullarının korunması için devrenin analizinden türetilmiş bir kapama süresi (t_off) modeli uygulanmış olup, bu sayede dönüştürücü tüm çalışma aralığında verimli SGA kısmi rezonanslı çalışma gerçekleştirmektedir. MATLAB/Simulink ortamında yapılan benzetim çalışmaları, önerilen hibrit kontrol yaklaşımının 1.3 A sabit çıkış akımını düşük anahtarlama kayıplarıyla koruduğunu göstermektedir. Elde edilen sonuçlar, hibrit SGA SEPIC dönüştürücünün geleneksel DGM kontrollü SEPIC dönüştürücülere kıyasla daha yüksek verimlilik sunmaktadır.

Anahtar Kelimeler

• Kısmi rezonans konvertör
• LED sürücü
• SGA SEPIC dönüştürücü
• Polinom Regresyon

References

1. [1] Young W. R., Wilson W. Efficient electric vehicle lighting using LEDs. Southcon/96 Conference Record, 276-280, (1996).
2. [2] Esteki M., Khajehoddin S. A., Safaee A., Li Y. LED Systems Applications and LED Driver Topologies: A Review. IEEE Access, 11(38324-38358), (2023).
3. [3] Demirtaş M., Çelik K. PV Beslemeli LED Sokak Armatürünün Çoklu Modlu Çalışmasının Panel Gücü ve Akü Ömrü Üzerine Etkisi. Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji, 5(257-270), (2017).
4. [4] Yadlapalli R. T., Narasipuram R. P., Kotapati A. An overview of energy efficient solid state LED driver topologies. International Journal of Energy Research, 44(612-630), (2020). [5] Hsia S., Chen W. A temperature compensation technique for constant current LED driver. Microelectronics Journal, 153(106396), (2024).
5. [6] Derin A. R. (2018). Yumuşak anahtarlamalı düşüren tip DA-DA dönüştürücü ile LED sürücü tasarımı ve uygulaması, Yüksek Lisans Tezi, Karabük Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Karabük.
6. [7] Castro I., Lopez S., Martin K., Arias M., Lamar D. G., Sebastian J. High frequency dc-dc AC-LED driver based on ZCS-QRCs. 2017 IEEE Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 3688-3695, (2017).
7. [8] Karafil A., Ozbay H., Oncu S. Comparison of regular and irregular 32 pulse density modulation patterns for induction heating. IET Power Electronics, 14(78-89), (2021).
8. [9] Özbay H., Karafil A., Öncü S. Sliding mode PLL-PDM controller for induction heating system. Turkish Journal of Electrical Engineering & Computer Sciences, 29(1241-1258), (2021).

9. [10] Chuang Y. C. High-efficiency ZCS buck converter for rechargeable batteries. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 57(2463-2472), (2010).
10. [11] Nacar S., Öncü S., Bal G. Comparison of Control Techniques for Series Resonant Converter. Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Dergisi Part C: Tasarım ve Teknoloji, 9(283-296), (2021).
11. [12] Baig M. J., Singh R. K. A Soft-Switched ZVS-ZCS Boost Converter Design and Analysis. 2024 IEEE 3rd International Conference on Electrical Power and Energy Systems (ICEPES), 1-4, (2024).
12. [13] Lee F. C. High-frequency quasi-resonant converter technologies. Proceedings of the IEEE, 76(377-390), (1988).
13. [14] Nacar S. (2014). PV sistemler için yumuşak anahtarlamalı maksimum güç noktası izleyici tasarımı ve uygulaması, Yüksek Lisans Tezi, Karabük Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Karabük, 111.
14. [15] Kazimierczuk M. K., Czarkowski D. (2012). Resonant power converters. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons.
15. [16] Arslan L., Özbay H. Fotovoltaik Enerji Dönüşümü için Yumuşak Anahtarlama Yaklaşımı: ZVS SEPIC Tabanlı Dönüştürücü Tasarımı ve Uygulaması. Mühendislik Bilimleri ve Araştırmaları Dergisi, 7(120-134), (2025).
16. [17] T. Duman and M. Boztepe, Evaluation of zero voltage switching SEPIC converter for module integrated distributed maximum power point tracking applications, 2017 10th Int. Conf. Electr. Electron. Eng. ELECO 2017, vol. 2018-Janua, pp. 1480–1484, (2017).