Convertidor Forward

Características

A primera vista, el circuito del convertidor Forward se parece bastante al del Flyback, pero existen diferencias definitivas entre ambas topologías, tanto en el circuito como en el funcionamiento. Sus características principales son que requiere un devanado auxiliar para desmagnetizar el transformador, dos diodos por cada salida y un inductor por cada salida. La figura 1 muestra el circuito eléctrico de esta topología.

Figura 1

Para entender el comportamiento de este circuito, considere el caso en que el transistor Q está encendido, con D₂ polarizado directamente y D_fw polarizado inversamente, y el caso en que Q está apagado, con D₂ polarizado inversamente y D_fw polarizado directamente, como se muestra en la figura 2.

Figura 2

En la figura 2 se ve cómo, durante el encendido, el transformador entrega la energía directamente a la carga y al inductor L_o, y cómo, durante el apagado, L_o sigue entregando energía a la carga y al capacitor a través de D_fw. ¿Cuál es entonces la función de L_r y D₁? Durante el encendido, el flujo magnético del transformador aumenta en proporción al voltaje aplicado y al tiempo de encendido. Cuando el transistor se apaga, se necesita una trayectoria de corriente que permita desmagnetizar el núcleo del transformador; esto se hace a través de D₁ y L_r.

Forward con Control PWM

En la figura 3 se observa un convertidor Forward con su control PWM. Como el elemento aislador en el Forward es un transformador “puro”, que no almacena energía de forma intencional, es necesario un segundo elemento inductivo, L, para almacenar energía en la salida y lograr una transferencia de energía adecuada y eficiente. Note también que los devanados primario y secundario tienen la misma polaridad, es decir, los puntos están en los mismos extremos de los devanados.

Figura 3

El circuito funciona como sigue. Cuando Q se cierra, la corriente aumenta en el devanado primario. Como el primario y los secundarios del transformador T tienen la misma polaridad, esta energía se transfiere inmediatamente a la salida (de ahí el nombre Forward) y también se almacena en los inductores L_o y L_S a través de los diodos D₄ y D₂, que quedan polarizados directamente. Los diodos D₅ y D₃ quedan polarizados inversamente.

Cuando Q se apaga, el voltaje en los devanados del transformador se invierte y polariza inversamente a D₄ y D₂. Ahora los diodos volantes D₅ y D₃ quedan polarizados directamente, conducen la corriente en el lazo de salida y entregan a la carga la energía de L_o y L_S.

El devanado terciario N_R y el diodo D₁ proporcionan un camino para la corriente de desmagnetización del transformador cuando Q está apagado, y devuelven la energía magnética del transformador a V_in. Las áreas sombreadas en las formas de onda de la figura 4 muestran la magnetización y la desmagnetización de T.

Figura 4

Restablecimiento del Núcleo

Refiriéndonos a la figura 3, durante el tiempo de encendido de Q el voltaje en el cátodo del rectificador principal está en un nivel alto. El circuito que sigue al cátodo del rectificador es exactamente igual a un regulador Buck, y los diodos D₅ y D₃ funcionan como el diodo volante del Buck. Cuando Q se apaga, la energía almacenada en la inductancia de magnetización de T invierte la polaridad a través de N_P, y todos los extremos con punto de los devanados se vuelven negativos con respecto a sus extremos sin punto. Si no fuera por el diodo de sujeción D₁, el extremo con punto de N_R se volvería muy negativo y, como N_P y N_R tienen normalmente el mismo número de vueltas, el extremo sin punto de N_P se volvería tan positivo que llevaría a Q a la avalancha y lo destruiría.

Sin embargo, D₁ sujeta el extremo con punto de N_R a una caída de diodo por debajo de tierra. Si no hubiera inductancia de dispersión en T, el voltaje en N_P sería igual al voltaje en N_R. Despreciando la caída en D₁, el voltaje en N_R y en N_P es V_in, y el voltaje en el extremo sin punto de N_P, que es el colector de Q, es 2 · V_in.

Es importante saber que, dentro de un ciclo de conmutación, si el núcleo se movió en una dirección de su lazo de histéresis, debe restablecerse 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 saturará, no podrá sostener el voltaje aplicado y el transistor se destruirá.

En la figura 4 se ve que, cuando Q está encendido durante T_on, N_P queda sometido a un producto de volt-segundo igual a V_in · T_on, con su extremo con punto positivo. Este producto es el área A1. En el apagado, la inductancia de magnetización invierte la polaridad a través de N_P y mantiene su extremo sin punto en 2 · V_in el tiempo suficiente para que el área A2 sea igual al área A1. En ese momento el núcleo ha regresado a su posición original en el lazo de histéresis, y el siguiente ciclo puede comenzar sin peligro de saturación.

Cuando Q se apaga, los extremos con punto de todos los secundarios se vuelven negativos con respecto a sus extremos sin punto, y la corriente en todos los inductores de salida tiende a disminuir. Como la corriente en un inductor no puede cambiar instantáneamente, la polaridad de todos los inductores se invierte en un intento por mantener la corriente constante. Los extremos de entrada de los inductores tienden a volverse muy negativos, pero los diodos volantes los sujetan a una caída de diodo por debajo de tierra. La corriente del inductor sigue fluyendo en la misma dirección y regresa a través de la carga, el capacitor y el diodo volante.

Ecuaciones de Diseño

La ecuación 2 resulta de la condición A1 = A2: el tiempo de reposición debe caber en el tiempo de apagado. Por eso, con devanados iguales, el ciclo de trabajo nunca puede superar el 50 %. El inductor y el capacitor de salida se dimensionan con las ecuaciones del Buck, usando como voltaje de entrada V_in · N_s/N_p.

Resumen

• El Forward es un Buck con transformador: V_o = V_in · (N_s/N_p) · D.
• La energía pasa a la salida durante el encendido; el inductor L_o alimenta a la carga durante el apagado.
• El devanado de reposición y D₁ desmagnetizan el núcleo (A1 = A2), lo que limita D a 50 % con N_r = N_p.
• El transistor soporta 2 · V_in más el pico de dispersión.

Referencias

1. Pressman, A. I., Billings, K., y Morey, T. Switching Power Supply Design, 3.ª ed. McGraw-Hill, 2009. Cap. 2 (Forward).
2. Erickson, R. W., y Maksimović, D. Fundamentals of Power Electronics, 3.ª ed. Springer, 2020. Cap. 6.
3. Mohan, N., Undeland, T. M., y Robbins, W. P. Power Electronics: Converters, Applications, and Design, 3.ª ed. Wiley, 2003. Cap. 10.

La explicación del funcionamiento con control PWM sigue la presentación de Pressman et al. [1], cap. 2. Figuras 1 a 4: originales del autor (2004).

Contenido original de David Topete (2004). Revisión y ampliación asistidas con IA (2026).