Development of a half-bridge boost rectifier integrated with a buck-boost DC-DC converter for UPS applications

Installations as data centers, diagnostic or life-support medical equipment, and air traffic control, are protected by an uninterruptible power supply or UPS to prevent fails in their operation by disturbances on electrical grid. This research work develops a converter that will compose a UPS system and, during the normal operation of the power grid, will operate as a Boost Half-Bridge voltage doubler rectifier and, in the grid fails, the battery bank will be the input source and the converter operates as a Buck-Boost DC-DC. The topology has a midpoint on the output bus connected to the grid neutral and the negative pole of the battery bank, making the converter naturally immune to common mode current, therefore, low electromagnetic noise emission. The processed power is 1kW and the operating frequency is 21.6kHz. The proposed structure is analyzed for the two modes of operation, AC-DC and DC-DC, for which they are presented: the operating principle, the mathematical analysis, the control modeling and the results obtained by simulation and also experimental results. As a result of the research project, the studied converter presents high efficiency for both input sources, besides low total harmonic distortion and unit power factor for AC input, validating its proposal and functionality.Alguns tipos de instalações como centrais de processamento de dados, equipamentos médicohospitalares de diagnóstico ou de suporte à vida e controle de tráfego aéreo, são protegidas por uma fonte de alimentação ininterrupta ou UPS, para evitar que o seu funcionamento seja prejudicado por distúrbios da rede elétrica. Este trabalho desenvolve um conversor que irá compor o um sistema UPS, sendo que durante o período de funcionamento normal da rede elétrica, irá operar como um retificador Boost Half-Bridge dobrador de tensão e, na ausência da rede, o banco de baterias passa a ser a fonte de entrada e o conversor opera como um CC-CC Buck-Boost. A topologia possui um ponto médio no barramento de saída conectado diretamente ao neutro da rede e ao polo negativo do banco de baterias, fazendo com que o conversor seja naturalmente imune à corrente de modo comum, portanto, de baixa emissão de ruído eletromagnético. A potência processada é de 1kW e a frequência de operação é de 21,6kHz. A estrutura proposta é analisada para os dois modos de operação, CA-CC e CC-CC, para os quais são apresentados: o princípio de funcionamento, a análise matemática, a modelagem orientada ao controle do conversor e os resultados obtidos por simulação e também resultados experimentais. Como resultado do projeto de pesquisa, o conversor estudado apresenta alta eficiência para ambas as fontes de entrada, além de baixa distorção harmônica e fator de potência unitário para entrada CA, validando sua proposta e funcionalidade