Convertidor Elevador (Boost)
Características
La técnica de conmutación de este regulador permite producir un voltaje de salida mayor a partir de un voltaje de entrada menor y no regulado. Sus principales características son que, a diferencia del Buck, el transistor sí está referenciado a tierra, lo que facilita su manejo; que el voltaje de salida y el de entrada tienen la misma referencia; y que la corriente de entrada no es pulsante, porque circula siempre por el inductor (por eso se utiliza en aplicaciones de corrección del factor de potencia, PFC). Además, en esta configuración es imposible desconectar la entrada de la salida, porque siempre existe un camino de Vin a la carga a través de L y D, lo que dificulta la implementación de una protección contra cortocircuito. La figura 1 muestra el circuito eléctrico.
Para entender el comportamiento de este convertidor, considere primero el caso en que Q está encendido: el diodo D está polarizado inversamente (circuito abierto), la corriente de salida la suministra el capacitor C y L se carga de energía. El siguiente caso es cuando Q está abierto: el diodo queda polarizado directamente y L entrega su energía a C y a la carga. La figura 2 muestra estos dos comportamientos.
Regulador Boost con Control PWM
La figura 3 muestra el esquemático de un regulador Boost con su control PWM. El inductor L está conectado en serie con Vin y con el transistor conmutador Q. El extremo inferior de L alimenta al capacitor de salida C y a la resistencia de carga a través del diodo rectificador D.
El voltaje de salida Vo es mayor que el voltaje de entrada por lo siguiente. Cuando Q está encendido durante Ton, D está polarizado inversamente y la corriente en L aumenta linealmente. Si la corriente parte de cero, llega a un valor pico Ip = Vin · Ton / L (en modo continuo, éste es el incremento ΔIL sobre el valor mínimo). Esto representa una energía almacenada E = ½ · L · Ip2, donde E está en joules, L en henrios e Ip en amperes. Mientras Q está encendido, la corriente de salida la suministra C, que debe ser lo suficientemente grande para alimentar a la carga durante Ton con una caída de voltaje mínima especificada.
Cuando Q se apaga, como la corriente en un inductor no puede cambiar instantáneamente, la polaridad de L se invierte en un intento por mantener la corriente constante. El extremo inferior de L (el que no tiene punto) se vuelve positivo con respecto al extremo con punto, que está conectado a Vin. Así, L entrega su energía almacenada a C y lo carga a través de D a un voltaje más alto (boost), igual a la suma de Vin y VL. Esta energía alimenta a la carga y repone la carga que el capacitor perdió mientras Q estaba encendido. La figura 4 muestra las formas de onda del regulador Boost.
El voltaje de salida se regula controlando el tiempo de encendido de Q en un lazo de retroalimentación negativa. Si la corriente de carga aumenta, el tiempo de encendido aumenta automáticamente para entregar más energía a la carga. Si Vin disminuye y Ton no cambiara, la corriente pico y la energía almacenada en L disminuirían, y con ellas el voltaje de salida; pero el lazo de retroalimentación detecta la variación y aumenta Ton para mantener constante el voltaje de salida.
Ecuaciones de Diseño
Durante Ton el inductor ve Vin, y durante Toff ve Vin − Vo. Del balance de volt-segundo, Vin · D = (Vo − Vin) · (1 − D):
La corriente de salida es pulsante (solo fluye por D durante Toff), por lo que el capacitor de salida del Boost trabaja más que el del Buck. En la práctica, D se limita a unos 0.8 a 0.9: las pérdidas resistivas impiden ganancias muy altas.
La corriente promedio de entrada (1.2 A) es mayor que la de salida (0.5 A): la potencia se conserva, de modo que 5 V · 1.2 A = 12 V · 0.5 A = 6 W (en el caso ideal).
- Como no hay forma de cortar la corriente entre la entrada y la salida, la protección contra cortocircuito requiere un fusible, un interruptor adicional o un control de arranque suave.
- El diodo soporta en inverso el voltaje de salida y conduce una corriente pulsante; un Schottky reduce las pérdidas.
- El capacitor de salida recibe toda la corriente pulsante del diodo: revisa su corriente de rizado RMS admisible.
Resumen
- El Boost eleva el voltaje: Vo = Vin/(1 − D).
- Durante el encendido el inductor almacena energía y el capacitor alimenta a la carga; durante el apagado el inductor entrega su energía a la salida a través del diodo.
- El transistor está referenciado a tierra y la corriente de entrada es continua, pero la de salida es pulsante.
- No puede desconectar la entrada de la salida, lo que complica la protección contra cortocircuito.
Referencias
- Pressman, A. I., Billings, K., y Morey, T. Switching Power Supply Design, 3.ª ed. McGraw-Hill, 2009. Cap. 1 (regulador Boost).
- Erickson, R. W., y Maksimović, D. Fundamentals of Power Electronics, 3.ª ed. Springer, 2020. Cap. 2.
- Texas Instruments. Basic Calculation of a Boost Converter's Power Stage (SLVA372).
La explicación del funcionamiento con control PWM sigue la presentación de Pressman et al. [1], cap. 1. Figuras 1 a 4: originales del autor (2004).
Contenido original de David Topete (2004). Revisión y ampliación asistidas con IA (2026).