Reguladores Aislados
Principio y Ventajas
Existen muchas topologías de convertidores conmutados aislados, pero tres de ellas son las más aplicables y populares en los diseños actuales de convertidores de DC/DC: Flyback, Forward y Push-Pull.
En estos circuitos, toda la energía se transfiere de la entrada a la carga a través de un transformador o de algún elemento acoplado magnéticamente y, por supuesto, el uso de un control PWM es indispensable, igual que en los convertidores conmutados no aislados.
El transformador agrega tres ventajas sobre el Buck, el Boost y el Buck-Boost:
- Aislamiento galvánico entre la entrada y la salida, obligatorio por seguridad cuando la entrada es la línea de AC rectificada (fuentes fuera de línea).
- Una relación de vueltas Ns/Np que permite obtener voltajes muy distintos al de entrada sin usar ciclos de trabajo extremos.
- La posibilidad de obtener varias salidas con un solo transistor, agregando devanados secundarios.
Las Tres Topologías Básicas
La figura 1 muestra el convertidor Flyback, que es una versión aislada del Buck-Boost. Su “transformador” es en realidad un par de inductores acoplados: almacena energía durante el encendido del transistor y la entrega a la salida durante el apagado.
La figura 2 muestra el convertidor Forward, que equivale a un Buck precedido por un transformador. El transformador transfiere la energía a la salida mientras el transistor conduce, y un devanado auxiliar con un diodo desmagnetiza el núcleo durante el apagado.
La figura 3 muestra el convertidor Push-Pull, que usa dos transistores que conducen en forma alterna sobre un primario con derivación central. Cada transistor magnetiza el núcleo en un sentido distinto, de modo que el núcleo se aprovecha en los dos sentidos de su lazo de histéresis.
Cada topología se desarrolla en su propio tema, con sus circuitos equivalentes, su control PWM, sus formas de onda y sus ecuaciones de diseño.
Almacenar o Transferir la Energía
La diferencia fundamental entre las tres topologías es la función del elemento magnético:
| Topología | Durante el encendido | Durante el apagado |
|---|---|---|
| Flyback | El primario almacena energía en el entrehierro; los diodos de salida no conducen y los capacitores alimentan a la carga. | La energía almacenada pasa al secundario y se entrega a la salida. |
| Forward | El transformador transfiere la energía directamente a la salida y al inductor Lo. | Lo alimenta a la carga a través del diodo volante; el devanado de reposición desmagnetiza el núcleo. |
| Push-Pull | Un transistor transfiere la energía a la salida; en el siguiente medio periodo lo hace el otro, con el flujo en sentido contrario. | Los dos diodos de salida conducen la corriente de Lo como diodos volantes. |
Por eso el Flyback no necesita inductor de salida, pero su corriente de salida es pulsante; el Forward y el Push-Pull sí lo necesitan, y a cambio su corriente de salida es continua, como en un Buck.
Restablecimiento del Núcleo
Mientras un devanado tiene aplicado un voltaje, el flujo magnético del núcleo cambia en proporción al producto de volt-segundo: ΔB = V · Ton / (N · Ae). Si dentro de un ciclo el núcleo se movió en una dirección de su lazo de histéresis, debe regresar a su posición previa antes de moverse de nuevo en la misma dirección en el siguiente ciclo. De lo contrario, después de varios ciclos el núcleo se satura, la inductancia cae casi a cero, la corriente crece sin control y el transistor se destruye.
Cada topología cumple esta condición de forma distinta: en el Flyback, el núcleo se desmagnetiza al entregar su energía a la salida; en el Forward, un devanado de reposición devuelve la energía de magnetización a la entrada, lo que limita el ciclo de trabajo; y en el Push-Pull, el segundo transistor aplica un voltaje opuesto, siempre que los dos apliquen exactamente los mismos volt-segundos.
Retroalimentación Aislada
Para conservar el aislamiento, la señal de retroalimentación también debe cruzar la barrera. En la práctica, la muestra del voltaje de salida se compara con una referencia en el lado secundario (por ejemplo, con un regulador de derivación TL431) y el error se transmite al controlador PWM del lado primario por medio de un optoacoplador o de un pequeño transformador. Los esquemáticos de estos temas muestran la retroalimentación de forma simplificada, conectada directamente.
Comparación de las Tres Topologías
| Característica | Flyback | Forward | Push-Pull |
|---|---|---|---|
| Vo / Vin (CCM) | (Ns/Np) · D/(1 − D) | (Ns/Np) · D | 2 · (Ns/Np) · D |
| Transistores | 1 | 1 | 2 |
| Elementos magnéticos | Inductores acoplados (núcleo con entrehierro) | Transformador con devanado de reposición + inductor de salida | Transformador con derivación central + inductor de salida |
| Voltaje máximo en el transistor | Vin + Vo · Np/Ns | 2 · Vin (Nr = Np) | 2 · Vin |
| Uso del núcleo | Almacena energía | Un solo sentido del lazo B-H | Los dos sentidos del lazo B-H |
| Frecuencia del rizado de salida | fs | fs | 2 · fs |
| Corriente de salida | Pulsante | Continua (con Lo) | Continua (con Lo) |
| Potencia típica | Hasta unos 150 W | 50 a 500 W | 100 a 1 000 W |
| Aplicaciones | Cargadores, adaptadores, fuentes auxiliares, alto voltaje | Fuentes industriales y de telecomunicaciones | Convertidores desde baterías, inversores |
- La inductancia de dispersión del transformador produce un pico de voltaje al apagar el transistor. Se controla con un buen acoplamiento entre devanados (devanados intercalados) y con una red de sujeción (snubber) RCD.
- Respeta las distancias de aislamiento (creepage y clearance) entre primario y secundario que exige la norma de seguridad aplicable, por ejemplo IEC 62368-1.
- Si hay varias salidas, la regulación de las salidas auxiliares depende del acoplamiento entre devanados; la salida que necesite mayor precisión debe ser la que cierra el lazo.
Resumen
- Los convertidores aislados transfieren toda la energía a través de un elemento magnético, lo que permite aislamiento galvánico, relaciones de voltaje grandes y varias salidas.
- El Flyback almacena la energía en el núcleo durante el encendido; el Forward y el Push-Pull la transfieren directamente y necesitan un inductor de salida.
- El núcleo debe restablecerse en cada ciclo (volt-segundo neto igual a cero) para no saturarse.
- La retroalimentación cruza la barrera de aislamiento con un optoacoplador o un transformador.
Referencias
- Pressman, A. I., Billings, K., y Morey, T. Switching Power Supply Design, 3.ª ed. McGraw-Hill, 2009. Caps. 2 y 4.
- Erickson, R. W., y Maksimović, D. Fundamentals of Power Electronics, 3.ª ed. Springer, 2020. Cap. 6 (convertidores aislados).
- Mohan, N., Undeland, T. M., y Robbins, W. P. Power Electronics: Converters, Applications, and Design, 3.ª ed. Wiley, 2003. Cap. 10.
- McLyman, C. W. T. Transformer and Inductor Design Handbook, 4.ª ed. CRC Press, 2011.
Figuras 1 a 3: originales del autor (2004).
Contenido original de David Topete (2004). Revisión y ampliación asistidas con IA (2026).