UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA MARIA - UFSM CENTRO DE TECNOLOGIA – CT

GRUPO DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA E CONTROLE - GEPOC

SEPOC 2010

INTERFERÊNCIA ELETROMAGNÉTICA

APRESENTADOR: FERNANDO BELTRAME, ENG.

ORIENTADOR: PROF. CASSIANO RECH, DR.

ORIENTADOR: PROF. LUCIANO SCHUCH, DR.

COLABORADOR: LEONARDO DORNELES BERTAGNOLLI

Santa Maria, Agosto de 2010.

SEMINÁRIO DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA E CONTROLE – SEPOC 2010 2

Conteúdo

• Definições • Interferência Eletromagnética • Fontes de perturbação eletromagnética • Medições de Interferência Eletromagnética • Formas de Atenuação • Filtro de EMI • Equipamentos de Medição • Resultados Experimentais

Definições

Interferência eletromagnética, também conhecida como EMI (Electromagnetic Interference) é caracterizada por uma degradação no desempenho de um equipamento devido a uma perturbação eletromagnética que é capaz de se propagar tanto no vácuo quanto por meios físicos. Com isso, é possível verificar suas conseqüências a quilômetros de distância, como é o caso das descargas atmosféricas.

Alguns termos considerados de importância básica para compreensão e entendimento da interferência eletromagnética são listados abaixo: Meio eletromagnético:totalidade de fenômenos eletromagnéticos existentes em um certo local. Interferência eletromagnética (EMI): a degradação de um dispositivo, equipamento ou sistema causado por um distúrbio eletromagnético. Compatibilidade Eletromagnética (EMC):

1º Habilidade de dispositivos, equipamentos, ou sistemas, funcionar satisfatoriamente em seus meios eletromagnéticos (Aspecto Imunidade) sem introduzir distúrbios eletromagnéticos intoleráveis para qualquer um neste ambiente (Aspecto Emissão).

2º Uma disciplina da engenharia desenvolvida assegura que um dispositivo, equipamento, ou sistemas que gera e/ou usa energia eletromagnética podem coexistir satisfatoriamente. Distúrbios eletromagnéticos: qualquer fenômeno eletromagnético que possa degradar o desempenho de um equipamento, dispositivo ou sistema. Interferência de Radio Freqüência (RFI): a degradação na recepção de um sinal desejável por um distúrbio eletromagnético tendo componentes na banda de radio freqüência. Imunidade Eletromagnética: capacidade de um dispositivo, equipamento ou sistema operar sem degradação, na presença de uma perturbação eletromagnética. Susceptibilidade Eletromagnética: a incapacidade de equipamentos, dispositivos, ou sistemas desempenharem suas funções sem degradação na presença de um distúrbio eletromagnético; susceptibilidade é a falta de imunidade. Nível de Emissão Eletromagnético: nível de uma dada perturbação eletromagnética emitida de um dispositivo, equipamento ou sistema particular, medido de maneira especificada.

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Na verdade, todo circuito eletrônico produz algum tipo de campo magnético ao seu redor e, assim, se torna gerador de EMI. Como conseqüência, temos a transferência de energia eletromagnética entre um equipamento "fonte" com o equipamento "vítima", que pode ocorrer por radiação, condução e/ou acoplamentos capacitivos ou indutivos. Em todos os casos temos o envolvimento de uma fonte de energia eletromagnética, um dispositivo que responde a esta energia e um caminho de transmissão que permite a energia fluir da fonte até a vitima, como mostrado na Ilustração 1.

Ilustração 1: Interferência Eletromagnética.

Para ocorrer uma situação de interferência eletromagnética, três elementos devem estar presentes. A Ilustração 2 mostra um diagrama de blocos de um percurso típico de uma perturbação. Estes três elementos incluem uma fonte de perturbação eletromagnética, um percurso de acoplamento através do qual as perturbações são transmitidas, e um receptor que sofre os efeitos adversos dos sinais recebidos. Se qualquer um destes elementos for eliminado, a interferência não ocorrerá. Portanto, pode-se obter compatibilidade eletromagnética através da redução dos níveis de emissão da fonte de perturbação, da interrupção do percurso de acoplamento, ou da proteção do receptor a fim de torná-lo imune as perturbações. Em alguns casos, técnicas de supressão de interferência deverão ser aplicadas a duas ou a todas as três partes do percurso da perturbação.

Ilustração 2: Componentes de uma situação de EMI.

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Interferência Eletromagnética

Técnicos e engenheiros se dedicam a projetar e construir equipamentos que custem menos do que o esperado, sejam terminados dentro do cronograma, operem confiavelmente, e não interfiram com outros equipamentos. Entretanto, deixam freqüentemente de alcançar alguns desses resultados devido a perturbações elétricas não previstas e a problemas de EMI.

Quando microprocessadores foram, pela primeira vez, introduzidos em ônibus escolares ( para operar dispositivos anti-derrapantes) sem o planejamento de compatibilidade eletromagnética, situações perigosas ocorreram: Um transmissor de rádio de polícia nas proximidades atuou de tal maneira sobre os microprocessadores que o ar comprimido se soltou prontamente, tornando inoperantes os freios do ônibus escolar. Assim, um dispositivo supostamente de proteção, se tornou realmente um assassino em potencial. Hoje em dia, microprocessadores são cuidadosamente blindados e filtrados. Exemplos desse tipo fizeram com que cada vez mais aumentasse a preocupação com a interferência eletromagnética.

Por volta na década de 30 percebeu-se que ruído eletromagnético gerado poderia interferir com recepções de rádio. Trabalhos de regulamentação para assegurar recepções livres de interferência iniciaram em 1933 pela formação do International Special Committee on Radio Interference (CISPR). Durante as décadas normas e regulamentações foram sendo desenvolvidas. Entre os institutos e organizações responsáveis pela organização e publicação das normas e regulamentações pode-se destacar como os principais:

A preocupação com a EMI tornou-se mais evidente após a popularização de conversores comutados. Devido à presença de interruptores (semicondutores) que trocam de estado muito rápido, isto é, produzem altas variações de tensão em determinados nós (dv/dt), e altas variações de corrente em determinados laços (di/dt), altos níveis de ruído eletromagnético são gerados. Em qualquer caso uma onda eletromagnética é irradiada, a qual pode varrer uma larga faixa do espectro a partir da freqüência de comutação utilizada, ocasionalmente interferindo em faixas de freqüência utilizadas nos sistemas de rádio difusão ou similar. Como essas variações de tensão e corrente podem estar acopladas de alguma forma com os terminais de alimentação do conversor, um ruído conduzido estará sendo injetado na rede de alimentação, e que poderá atingir outro equipamento que esteja sendo alimentado pela mesma rede.

A Ilustração 3 tenta exemplificar os caminhos para os diferentes tipos de ruído conduzido em um determinado equipamento. A corrente de ruído de modo diferencial, Ilustração 3(a), circula sobreposta a própria corrente de alimentação do equipamento nos terminais de entrada, com a única diferença de ter freqüências superiores. Já a corrente de modo comum circula pelo condutor de aterramento, Ilustração 3(b), e utiliza como caminho os elementos parasitas que existem entre o circuito e o chassi do equipamento que deve ser aterrado por questões de segurança.

Já a Ilustração 4 mostra o papel da etapa PFC ( Power Factor Correction) em uma fonte para Telecom do ponto de vista do ruído conduzido. Tal etapa é composta do retificador a diodos associado ao conversor boost tendo como finalidade corrigir o fator de potência e reduzir a taxa de distorção harmônica (THD – Distrocion Harmonic Total). Este tipo de configuração é utilizado em

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substituição a retificação convencional a diodos que proporciona um baixo fator de potencia, aproximadamente 0,6 e uma alta taxa de distorção harmônica da corrente de entrada. A Ilustração 5 mostra o resultado da forma de onda da corrente e o espectro harmônico com retificação convencional e com a utilização do boost PFC.

Por ser a primeira etapa de processamento de energia, o PFC é o principal responsável pelo ruído conduzido de modo diferencial que será injetado no sistema de distribuição de energia. Nessa figura o conversor é mostrado sem a presença do filtro de EMI e do retificador de entrada apenas para facilitar a compreensão, uma vez que os mesmos não interferem no que se pretende expor.

(a) Ruído de Modo Diferencial (b) Ruído de Modo Comum

Ilustração 3: Interferência Eletromagnética Conduzida.

Ilustração 4: Circulação do Ruído Conduzido em uma Fonte para Telecom.

iin

t(s)

vin

0

iin

Harmônicos1º 3º 5º 7º 9º 11º13º15º

Harmônicos (n) (a) Corrente e tensão de entrada – Retificação

convencional (b) Espectro harmônico de corrente – Retificação

convencional

t(s)

iin

vin

0

iin

1º 3º 5º 7º 9º 11º13º15ºHarmônicos (n)

(a) Corrente e tensão de entrada – Boost PFC (b) Espectro harmônico de corrente – Boost PFC

Ilustração 5: Formas de onda da tensão e corrente e espectro harmônico com retificação convencional e com a utilização do boost PFC.

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Fontes de perturbação eletromagnética

As fontes de EMI podem ser divididas em naturais e não naturais (produzidas pelo homem). As fontes naturais podem ser desde ruídos atmosféricos, decorrentes de descargas elétricas, até ruídos cósmicos provocados por explosões do Sol. Por exemplo, no caso de quedas de raios sobre a rede de distribuição de energia elétrica, o distúrbio é propagado pelos fios até a instalação interna, provocando diversos danos.

As fontes de EMI não naturais são geradas tanto dentro do ambiente predial como fora dele, em acionamentos de cargas indutivas como motores elétricos, cargas resistivas como lâmpadas incandescentes, aquecedores, equipamentos médicos, aparelhos de microondas, equipamentos de comunicação móvel, etc. Um exemplo é a interferência causada por motores elétricos, resultante de arcos gerados nas escovas do motor. Como o comutador faz e desfaz o contato através das escovas, a corrente nos enrolamentos do motor é interrompida, causando uma grande variação de tensão através dos contatos.

As figuras da Ilustração 6 mostra alguns exemplos de fontes perturbadoras de EMI.

Ilustração 6: Fontes Perturbadoras de EMI.

As causas básicas de EMI podem ser agrupadas em diversas categorias, desde efeitos de

sobrecarga fundamental, ruído externo, emissões espúrias de um transmissor, variações de tensão, transientes elétricos e até descarga eletrostática:

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Sobrecarga Fundamental - Um sinal fundamental suficientemente forte pode entrar em um equipamento de diversas formas, sendo a mais comum a condução através dos fios conectados a este. Condutores possíveis incluem antenas e linhas de alimentação, cabos de interconexão, de transmissão, de potencia e cabos de aterramento. As antenas de TV e linhas de alimentação, telefones ou cabeamento de alto falantes e cabos de AC são os pontos mais comuns de entrada; Ruído externo - A maioria dos casos de interferência envolvem algum tipo de fonte externa de ruído, sendo o mais comum o ruído elétrico. Os ruídos externos também podem ser originados em transmissores ou fontes não licenciadas de RF, computadores, rádios, fornos de microondas e outros. Emissões Espúrias - Todos os transmissores geram sinais de RF fora de suas freqüências alocadas. Estes sinais fora de faixa são chamados de emissões espúrias. Transientes elétricos - São fenômenos que ocorrem no sistema elétrico, geralmente de forma indesejável e inesperada, tais como: impulsivos, oscilatórios, de curta ou longa duração e com amplitudes que atingem alguns kV. Os transientes ocorrem no sistema elétrico quando há alterações de carga, queda de raio sobre uma linha de transmissão ou subestação de transformação, ou mesmo quando há um chaveamento/desligamento de cargas ou banco de capacitores. Variações de tensão - Ocorrem normalmente devido ao acionamento ou à parada de cargas de potência elevada na rede de alimentação, por exemplo, motores de elevadores.. Uma das perturbações mais comuns são tipicamente causados por acionamentos de motores elétricos e fornos. Os motores de indução podem consumir uma corrente de partida de até 800% da corrente nominal e durar até 8 segundos, dependendo do tipo de motor e da inércia da carga. Descarga Eletrostática (Electrostatic Discharge - ESD): A ESD é um fenômeno resultante da separação de cargas estáticas. Atrito de dois tipos de materiais isolantes (o ar e a pele humana) pode transferir carga elétrica de um para o outro e ao separá-los ocorre acúmulo de carga positiva em um e negativa no outro, gerando campos elétricos intensos e conseqüentemente uma diferença de potencial entre eles que pode atingir cerca de 25 kV.

Medições de Interferência Eletromagnética Vamos agora considerar valores numéricos para uma perturbação eletromagnéticos. Para

avaliar o grau de perturbação gerado por um equipamento, usa-se o decibel (dB). Basicamente, a unidade dB é definida por uma função logarítmica na base 10. Dessa forma, o ruído gerado por um equipamento qualquer em dB é obtido pela equação (0.1),

110

2

20log ( )ruídoVdBV

= (0.1)

onde V1 é a queda de tensão provocada pelo sinal ruidoso em uma resistência de 50 Ω, e V2 é a tensão de referencia. Quando V2 for expresso em volts, então a abreviação do decibel se torna dB/V. da mesma forma que quando V2 for expresso em milivolts, o decibel dB/mV, e quando for µV, o

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decibel será expresso em dB/µV. Por convenção, utiliza-se nas medições de EMI o dB/µV, para melhor visualização da interferência no espectro de freqüência.

Quanto a queda de tensão V1 em uma resistência de 50 Ω, onde esse valor de resistência é a impedância da LISN, que em um medição de EMI, representa a rede. Vamos tomar como exemplo um conversor Fly-back operando com uma freqüência de chaveamento de 30 kHz. A forma de onda da corrente deste conversor é triangular. Se for feito a análise de Fourier desta forma de onda para uma corrente com amplitude de 5A da sua fundamental, e sabendo-se que a amplitude dos harmônicos decaem com o quadrado da freqüência, para a 5ª harmônica (150 kHz), a amplitude será de 20mA. Tal corrente, passando por um resistência de 50 Ω (impedância da LISN, ou da rede eletrica), provocará uma queda de tensão de 1V. Substituindo esse 1V na equação (0.1) tem-se que em 150 kHz uma perturbação de 120 dB/µV. Esse valor está muito além dos limites estabelecidos pelas normas, o que implica na necessidade do uso de algum tipo de filtro.

A Ilustração 7 contém os limites recomendados pela norma CISPR 22, para as classes A e B. Os equipamentos que devem ser encaixados na classe B são os de ambiente doméstico, incluindo equipamentos portáteis e computadores pessoais. Todos os demais que não atingem conformidade com os limites da classe B mas atingem os da classe A, ficam automaticamente classificados como classe A. Portanto, no exemplo anterior, o equipamento em análise não esta de acordo com a norma em nenhuma das classes.

Ilustração 7: Limites recomendados para os ruídos conduzido nos terminais de alimentação

segundo a norma CISPR 22.

Formas de Atenuação

Blindagens

As blindagens são usadas para determinar as fronteiras para a energia irradiada. Finos filmes de cobre trançado e folhas de metal são os materiais de blindagem mais comuns. Aterramento

O aterramento adequado dos equipamentos e seus cabos de interligação, bem como de filtros de proteção, é imprescindível para o escoamento de ruídos e surtos provenientes da rede elétrica e também para a criação de uma boa referência de potencial elétrico. Adequadamente executado, pode prevenir alguns problemas de EMI, especialmente quando se trata de sistemas baseados em

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transmissão via rádio, reduzindo, por exemplo, correntes harmônicas e ruídos elétricos no cabo de alimentação da antena. Choques de Modo Comum

Os choques de modo comum são usados para ajudar na eliminação de praticamente qualquer problema de interferência em sistemas, desde TV a cabo e telefones, até a interferência de áudio causada por RF captada nos cabos dos alto-falantes. Os choques de modo comum geralmente têm materiais de núcleo de ferrite e o tamanho e material do ferrite são determinados pela aplicação e freqüência. Por exemplo, um cabo AC de alimentação com um conector acoplado não pode ser facilmente enrolado em um pequeno núcleo de ferrite. Plano de Terra

A corrente de ruído que flui pelo circuito através das impedâncias das trilhas, ou outras impedâncias do circuito, provocam quedas de tensão em série com o sinal, podendo causar instabilidade e distorções. A correta localização dos planos de terra pode remover estes problemas, pois se tem uma redução da impedância de terra, diminuindo dessa forma as chances de instabilidade ou distorções nos sinais transmitidos nas trilhas. Filtragem

Os filtros variam em características de atenuação, características de freqüência e quanto à capacidade de manipular potênciais diferentes. Os nomes dados aos vários filtros são baseados na utilização de cada um. Por exemplo, os filtros de linha de AC, algumas vezes chamados de filtros de "força bruta", são usados para filtrar energia de RF dos circuitos de alimentação elétrica. Ou seja, ele "desvia" qualquer ruído que exista no sistema para o aterramento da instalação.

Filtro de EMI A Ilustração 8 apresenta a topologia de filtro mais utilizada para o controle da EMI

conduzida, chamada de filtro π balanceado. É uma topologia compacta, pois utiliza apenas um núcleo magnético, e eficaz, pois tem ação em ambos os tipos de ruído, ruído DM e CM.

Ilustração 8: Filtro π .Balanceado.

Os indutores são acoplados em um único núcleo com a finalidade de apresentar uma baixa impedância ao ruído DM, mas uma alta impedância ao ruído CM, devido à polaridade do acoplamento. Correntes em sentidos opostos nas bobinas causam fluxos em sentidos opostos no material magnético, consequentemente o campo magnético produzido por uma bobina anula o da outra e a impedância resultante é idealmente nula quando as correntes tiverem a mesma magnitude e as bobinas o mesmo número de espiras. Quando ambas as correntes entram ou saem dos pontos simultaneamente, os fluxos se somarão e as bobinas apresentarão uma alta impedância indutiva,

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justamente o que acontece com as correntes CM. Essa análise deixa clara a presença da impedância indutiva para o ruído CM. Entretanto, idealmente não há indutância no caminho do ruído DM. Nesse caso, o que ocorre na prática, é que a indutância de dispersão das bobinas, que em muitos casos é maléfica, aqui é utilizada para a filtragem do ruído DM. Método de Projeto:

Passo 1: Medir o ruído sem filtro; Passo 2: Detecção do harmônico crítico. O primeiro harmônico que entra na faixa da norma

de interferência eletromagnética é a freqüência de pior caso (harmônico crítico), ou seja, a necessidade de atenuação máxima para atingir conformidade com a norma.

Passo 3: Traçar uma reta, com inclinação determinada pela ordem do filtro, a partir do valor de pico do harmônico crítico em direção à origem, até uma linha imaginária paralela ao eixo das freqüências, que parte do limite da norma.

Passo 4: A intersecção da reta do passo 3 com a linha imaginária horizontal determina a freqüência de corte do filtro, Ilustração 9. Com esta freqüência de corte projeta-se o filtro π.

Ilustração 9: Obtenção das freqüências de corte do ruído DM e CM.

Equipamentos de Medição

Para a realização da medição da interferência eletromagnética conduzida é necessário os seguintes itens: EMC Analyzers

O equipamento utilizado para medições de interferência eletromagnética no laboratório de EMI da universidade é o E7400 A-series EMC Analyzers da Agilent Technologies. Tal equipamento, Ilustração 10, pode realizar medições de tanto de modo conduzido como de modo irradiado, em uma faixa de freqüência de 30 Hz até 3 GHz.

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Ilustração 10: Foto do EMC Analyzers. Plano de Terra

O primeiro passo para a realização de uma medida adequada é a implantação de um plano de terra. Este plano pode ser vertical, horizontal ou vertical e horizontal, e apresentar dimensões mínimas de 2m x 2m x 25 mm. O material a ser utilizado na construção do plano deve ser condutor e não apresentar furos emendas ou ranhuras. O plano deve ser aterrado e apresentar uma resistência de aterramento de até 5Ω, de acordo com a norma CISPR 16.

A mesa sobre a qual o equipamento está locado também deve seguir as especificações da norma, e deve ser em sua totalidade de madeira, ter 80 cm ou mais de altura e os equipamentos devem estar dispostos sobre ela conforme a Ilustração 11.

Ilustração 11: Plano de Terra e Disposição dos Equipamentos

LISN – Line Impedance Stabilization Network

Line Impedance Stabilization Network é um filtro de rede passa baixa designado para isolar o Equipamento sobre Teste (EUT – Equipament Under Test) da rede. A LISN realiza as seguintes funções:

• Filtra a tensão de entrada, que vai para o equipamento sobre teste, impedindo que qualquer ruído externo chegue ao equipamento e interfira nas medições;

• Encaminha todo o ruído gerado pelo equipamento sobre teste para o EMC Analyzers; • Apresenta uma impedância de 50 Ω ao EMC Analyzers, permitindo medidas calibradas;

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Ilustração 12: LISN – Line Impedance Stabilization Network.

Transient Limiter

Durante as emissões de ruído conduzido nas medições, um Transient Limiter pode proteger a entrada do analisador de EMC dos danos causados por transientes de tensão da LISN e contra picos de correntes. Adicional proteção para a entrada do EMC Analyzers em medições de Ruído Conduzido, com o uso de um Transient Limiter External (11947A 9 kHz – 200 MHz) é fortemente recomendada.

Resultados Experimentais

A Ilustração 13 mostra a medição da interferência eletromagnética conduzida do conversor boost intercalado operando na correção do fator de potência sem a utilização de filtro de EMI. Pode-se observar que a interferência gerada por tal conversor está totalmente fora dos limites estabelecidos pela norma CISPR 22 na faixa de freqüência de 150kHz até 30MHz. Já a Ilustração 14 apresenta o mesmo conversor com a utilização do filtro de EMI, o qual atenuou o ruído de forma a adequá-lo com os limites da norma.

Ilustração 13: Interferência eletromagnética conduzida sem filtro – Conversor Boost Intercalado.

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Ilustração 14: Interferência eletromagnética conduzida com filtro – Conversor Boost Intercalado.

Referências Bibliográficas [1] “Projeto de Redes – Tutoriais”, documentação on-line,

http://www.projetoderedes.com.br/tutoriais/tutorial_interferencia_eletromagnetica01.php [2] R. Redl, “Power Electronics and Electromagnetic Compatibility”, Power Electronics

Specialists Conference, 1996. PESC '96 Record., 27th Annual IEEE Volume 1, 23-27 June 1996 Page(s):15 - 21 vol.1.

[3] Apostila didática, “Curso de Compatibilidade Eletromagnética”, São Paulo, 2006. [4] R. Redl, “Electromagnetic Environment a Impact of Power Electronics Equipment”

Industry Applications, IEEE Transactions on, vol. 89, pp. 926-938, 2001. [5] “EMC Standards for appliances”, documentação on-line,

http://www.electronics-project-design.com/EMC.html [6] S. Fu-Yuan, D. Y. Chen, W.Yan-Pei, and C. Yie-Tone, “A procedure for Designing EM1

Filters for AC Line Applications” Power Electronics. IEEE Transactions on, vol 11, pp 170-181, 1996.

[7] M. Pieniz, “Análise da Influência da Freqüência de Comutação e da Ondulação da Corrente de Entrada no Projeto de Conversores PFC para Minimização do Volume de Magnéticos” Mestrado, Pós-Graduação em Eng. Elétrica, UFSM, Santa Maria, 2006.

[8] F. Beltrame, “Análise comparativa de conversores monofásicos aplicados à correção de fator de potência” Mestrado, Pós-Graduação em Eng. Elétrica, UFSM, Santa Maria, 2009.

[9] J. R. R. ZIENTARSKI, “Análise, modelagem e validação experimental de uma metodologia para o projeto do indutor em conversores boost pfc”. Mestrado, Pós-Graduação em Eng. Elétrica, UFSM, Santa Maria, 2009.

[10] H. C. SARTORI, “Uma nova metodologia de projeto para a otimização do volume do conversor boost PFC”, Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica) – Universidade Federal de Santa Maria, Santa Maria, Rs, Brasil, 2009.