Convertidor Reductor–Elevador (Buck-Boost)

Características

La característica principal de este regulador es que invierte la polaridad: proporciona un voltaje negativo a partir de uno positivo, y su magnitud puede ser menor o mayor que la de entrada. El transistor de conmutación no está referenciado a tierra, la corriente de entrada es pulsante y es posible desconectar la entrada de la salida para implementar una protección. La entrada y la salida comparten la misma tierra, pero el voltaje de salida es negativo con respecto a ella. La figura 1 muestra su circuito eléctrico.

Figura 1

Para entender el comportamiento de este circuito, considere los casos en que Q está encendido y D está polarizado inversamente, y en que Q está abierto y D está polarizado directamente, como se muestra en la figura 2. Este regulador utiliza el mismo principio de almacenar energía en un inductor y luego transferirla a la salida durante otra parte del ciclo.

Figura 2

Regulador Buck-Boost con Control PWM

Si comparamos el regulador Boost con la figura 3, se puede notar que el transistor y el inductor han intercambiado lugares. También se invirtió la orientación del diodo rectificador.

Figura 3

Cuando Q está encendido, el diodo D está polarizado inversamente, porque su cátodo está al nivel de V_in (suponiendo que la caída en Q es cero) y suponiendo por el momento que C ya se cargó a un voltaje negativo. Con un voltaje fijo a través de L, la corriente aumenta linealmente a razón de Δi/Δt = V_in/L. Después de un tiempo T_on, la corriente en L alcanza I_p = V_in · T_on / L (si parte de cero) y representa una energía almacenada E = ½ · L · I_p².

Cuando Q se apaga, la polaridad a través de L se invierte en un intento por mantener su corriente constante. Por lo tanto, la misma corriente I_p que fluía a través de Q antes de apagarse ahora fluye a través de C y D. Esta corriente carga la parte superior de C a un voltaje negativo, como se había supuesto. La figura 4 muestra las formas de onda de este regulador.

Figura 4

Después de varios ciclos, el amplificador de error establece el tiempo de encendido T_on de manera que el voltaje muestreado V_o · R₂/(R₁ + R₂) sea igual al voltaje de referencia. Como la salida es negativa, la muestra se aplica a la entrada no inversora del amplificador de error y se compara con una referencia negativa (o se usa un amplificador inversor), para que la retroalimentación siga siendo negativa. Si toda la energía de L se entrega a la carga antes del siguiente encendido de Q (es decir, si I_D cae a cero antes de que Q se encienda), el circuito opera en modo discontinuo.

Ecuaciones de Diseño

Durante T_on el inductor ve V_in, y durante T_off ve el voltaje de salida, −|V_o|. Del balance de volt-segundo, V_in · D = |V_o| · (1 − D):

Con D < 0.5 la magnitud de la salida es menor que la entrada; con D > 0.5 es mayor. El transistor y el diodo soportan V_in + |V_o| cuando están abiertos, y tanto la corriente de entrada como la de salida son pulsantes, lo que exige más filtrado en ambos lados.

Resumen

• El Buck-Boost invierte la polaridad: V_o = −V_in · D/(1 − D); con D < 0.5 reduce y con D > 0.5 eleva la magnitud.
• Durante el encendido el inductor almacena energía; durante el apagado la entrega a la salida a través del diodo.
• Entrada y salida comparten tierra; la salida es negativa con respecto a ella.
• Q y D soportan V_in + |V_o|, y las corrientes de entrada y de salida son pulsantes.

Referencias

1. Pressman, A. I., Billings, K., y Morey, T. Switching Power Supply Design, 3.ª ed. McGraw-Hill, 2009. Cap. 1 (inversor de polaridad).
2. Erickson, R. W., y Maksimović, D. Fundamentals of Power Electronics, 3.ª ed. Springer, 2020. Cap. 2 y cap. 5.
3. Hart, D. W. Electrónica de potencia. Prentice Hall, 2001. Cap. 6.

La explicación del funcionamiento con control PWM sigue la presentación de Pressman et al. [1], cap. 1. Figuras 1 a 3: originales del autor (2004). Figura 4: elaborada para esta edición.

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