Fig. 1:
Esquema básico de un convertidor Buck. El interruptor suele ser un MOSFET, IGBT
o BJT.
El convertidor Buck (o reductor) es
un convertidor de potencia que obtiene a su salida un voltaje continuo menor
que a su entrada. El diseño es similar a un convertidor elevador o Boost, también es una fuente conmutada con dos
dispositivos semiconductores (transistor S y diodo D), un
inductor L y opcionalmente un condensador C a la salida.
La forma más simple de reducir una tensión
continua (DC) es usar un circuito divisor de tensión, pero los divisores gastan
mucha energía en forma de calor. Por otra parte, un convertidor Buck puede
tener una alta eficiencia (superior al 95% con circuitos integrados) y
autoregulación.
Estructura y funcionamiento
Fig. 2: Las
dos configuraciones de un Buck. (a) La energía se transfiere de la fuente a la
bobina al condensador y a la carga. (b) la energía se transfiere de la bobina y
el condensador a la carga.
El funcionamiento del conversor Buck es
sencillo, consta de un inductor controlado por dos dispositivos semiconductores
los cuales alternan la conexión del inductor bien a la fuente de alimentación o
bien a la carga.
Análisis
Modo continuo
Fig. 3:
Evolución de las tensiones y corrientes con el tiempo en un convertidor Buck
ideal en modo continuo.
El convertidor se dice que está modo
continuo si la corriente que pasa a través del inductor (IL) nunca
baja a cero durante el ciclo de conmutación. En este modo, el principio de
funcionamiento es descrito por el cronógrama de la figura 3:
- Con el interruptor cerrado la tensión en el inductor
es VL = Vi − Vo y la corriente aumenta linealmente. El diodo está en
inversa por lo que no fluye corriente por él.
- Con el interruptor abierto el diodo está conduciendo
en directa. La tensión en el inductor es VL = − Vo y la corriente
disminuye.
Modo discontinuo
Fig. 4:
Evolución de las tensiones y corrientes con el tiempo en un convertidor Buck
ideal en modo discontinuo.
En algunos casos la cantidad de energía
requerida por la carga es tan pequeña que puede ser transferida en un tiempo
menor que el periodo de conmutación; en este caso la corriente a través de la
bobina cae a cero durante una parte del periodo. La única diferencia con el
funcionamiento descrito antes es que el inductor está completamente descargado
al final del ciclo de conmutación (ver figura 4). Esto tiene algunos efectos
sobre las ecuaciones anteriores.
La energía en el inductor sigue siendo la
misma al principio y al final del ciclo (esta vez de valor cero). Esto
significa que el valor medio de la tensión del inductor (VL) es cero
(el área de los recuadros amarillos y naranjas de la figura 4 es igual)
Modificaciones
Un convertidor Buck síncrono es una
versión modificada de la topología básica en la que el diodo D es reemplazado
por un segundo interruptor S2.
El convertidor Buck multifase es una
topología de circuito donde la estructura básica del convertidor Buck se repite
varias veces en paralelo entre la entrada y la carga. Se repite una vez por
cada fase.
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