Iniciarás el tema describiendo el circuito que se muestra en la figura 1, donde te enfocarás en la fuente de voltaje y la carga, si comienzas a cerrar y abrir SW1 por tiempos de t1 y t2 constantes, alimentarás a la carga con un voltaje como el que se muestra en la figura 2.

Figura 1

Figura 2

Fuente: Rashid, M. (2004). Electrónica de potencia: circuitos, dispositivos y aplicaciones (3ª ed.). México: Pearson Educación.

Estos tiempos de conducción también pueden ser observados por su periodo T y su fracción kT, teniendo como valores de voltaje.

Donde k representa la fracción de conducción, por lo que se mantiene en un rango entre cero y uno. Como se observa, el voltaje de salida sólo puede tomar valores menores al proporcionado por la fuente, por esto se conoce como step down o reductor.

Ahora bien, si se tuviera una carga resistiva se tendría un comportamiento similar al voltaje en la corriente. En el caso de un motor se tendría un escenario completamente diferente.

Con base en que un motor es representado por una resistencia, una inductancia y un voltaje inducido, conectarás el diodo en paralelo, de manera que en los lapsos en que se abra el circuito, la corriente que se almacenó en la inductancia siga circulando por la carga hasta que se descargue por completo. Esto nos lleva a dos casos, en el primero la corriente que circula por la carga llega a cero antes de que se vuelta a conectar la fuente (corriente discontinua), en el segundo la corriente se mantiene en un rango o ΔI entre conexión y desconexión de la fuente (corriente continua). Dado que supones cargas altamente inductivas, el enfoque se realizará en el caso de corriente continua, por lo que la corriente se presenta como:

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Donde I₂ e I₁ es el máximo y mínimo valor de la corriente, mientras que τ es la constante de tiempo, que para este caso nos indica que tan rápido deben ser las conmutaciones del sistema, pues se recomienda que se tenga una frecuencia de al menos 100 veces τ.

Para el análisis de este y los siguientes circuitos apóyate en el principio de superposición, el cual facilita enormemente el cálculo con resultados muy cercanos a los obtenidos utilizando las ecuaciones diferenciales correspondientes. Habiendo mencionado esto podemos incluir las siguientes formulaciones.

Los valores restantes pueden ser obtenidos tomando en cuenta que éstos se encuentran en cuadratura. Además de que la corriente directa puede ser obtenida analizando la malla correspondiente en estado estable.

Habiendo descrito el funcionamiento del circuito Step Down o reductor, continuarás con el circuito mostrado en la figura 3, aquí observa que cuando se cierra el interruptor la inductancia se empieza a cargar por un tiempo kT hasta que al abrir se transfiere el voltaje de la fuente más la energía almacenada en la inductancia, esto sucede hasta que se descarga la inductancia o SW1 entre nuevamente en operación.

Figura 3

Este circuito se conoce como Step up o elevador, dado que puede alimentar con una mayor cantidad de corriente o energía que la que proporcionar la fuente sola. Este convertidor usualmente tiene aplicaciones donde se cargan otras fuentes de voltaje, como baterías que presentan un voltaje mayor, de manera que el diodo impide que la batería alimente a Vs y la inductancia, basándose en el principio de transferencia de energía,  inyecte corriente en la carga.

Tomando en cuenta esta aplicación puedes describir las siguientes ecuaciones.

Además la corriente se puede definir tomando en cuenta el modo en conducción y no conducción de SW1.

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Donde f se refiere a la frecuencia de conmutación del interruptor SW1.

De acuerdo al comportamiento y la configuración que presenta cada convertidor CD-CD, éste puede ser catalogado en diferentes clases. Los convertidores previamente mencionados pertenecen a las clases A y B respectivamente. A continuación se presentará un convertidor clase C, el cual presenta las ventajas de los anteriores.

En la figura 4 tienes un circuito que puede operar de dos diferentes maneras, las líneas incluidas muestran los flujos de corriente que se tendrá en cada modo de operación.

Al enfocarte en las líneas de color azul notas que los elementos utilizados forman un circuito reductor, cuando SW1 conduce Vs alimenta a la carga RLE, y cuando abre la corriente almacenada en la inductancia sigue circulando.

Figura 4
Fuente: Rashid, M. (2004). Electrónica de potencia: circuitos, dispositivos y aplicaciones (3ª ed.). México: Pearson Educación.

Ahora bien, si te enfocas en las líneas rojas distingues que al cerrar SW2 la energía de la fuente E carga la inductancia, de manera que al abrir esta carga la fuente Vs.

Con la explicación dada se ha descrito una configuración para realizar frenado regenerativo sobre una máquina eléctrica de CD, donde Vs representa la batería de un vehículo y el motor con los elementos RLE. Las ecuaciones que se manejan en este circuito son las mismas que las de cada convertidor por separado.

Hasta este punto se han mencionado circuitos de conmutación, los siguientes convertidores emplean las mismas técnicas pero con otros elementos que mejoran las formas de onda en la carga. Se inicia con circuito mostrado en la figura 5, aquí puedes ver un circuito parecido al Step up pero con una inductancia y capacitancia extra.

Figura 5

Estos elementos permiten estabilizar el voltaje y la corriente en la carga. De esta nueva configuración se puede mencionar que el voltaje promedio en la inductancia es cero, por lo que el voltaje se presenta totalmente en la carga. Además la componente de directa de la corriente circula por la carga, mientras que la de alterna lo hace por el capacitor. Por lo que se tienen las siguientes formulaciones:

Con estas ecuaciones obtienes casi toda la información del circuito, algunas de las consideraciones necesarias que no se han mencionado se refieren a las características del elemento semiconductor, como sus componentes de la corriente.