UNIVESIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ UNIVESIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETROTÉCNICA DISCIPLINA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA
DISCIPLINA DE ELETRÔNICA DE POTÊNCIA
André Filipe Roos ± S24 André Filipe Roos ± S24 André Henning Santos ± S24 André Henning Santos ± S24
CONVERSOR CC-CC - BOOST
CONVERSOR CC-CC - BOOST
LABORATÓRIO 02 LABORATÓRIO 02
Relatório apresentado na disciplina de Eletrônica de Relatório apresentado na disciplina de Eletrônica de Potência do curso de Engenharia Industrial Elétrica, Potência do curso de Engenharia Industrial Elétrica, Automação.
Automação.
Professor: Eduardo Romaneli Professor: Eduardo Romaneli
Curitiba/PR Curitiba/PR Novembro / 2009 Novembro / 2009
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ÍÍNDICE DE TABELASNDICE DE TABELAS
Tabel
Tabela 1 a 1 - Valore- Valores calculados e medidos calculados e medidos...s... ... 11... 11 ÍÍNDICE DE FIGURASNDICE DE FIGURAS
Figur
Figura 1 a 1 ± Estrutura de um RMOC alimentando um± Estrutura de um RMOC alimentando uma carga R.a carga R... ...4...4 Figura 2 ± Gráficos das tensões e corrente RMOC alimentando uma carga R...5 Figura 2 ± Gráficos das tensões e corrente RMOC alimentando uma carga R...5 Figur
Figura a 3 ± Estrutura de um RMOC 3 ± Estrutura de um RMOC alimentaalimentando uma carga RC...ndo uma carga RC... ...6...6 Figura 4 - Gráficos das tensões e corrente RMOC alimentando uma carga RC...6 Figura 4 - Gráficos das tensões e corrente RMOC alimentando uma carga RC...6 Figura 5 ± Sinal quadrado gerado da comparação entre sinal contínuo e dente de Figura 5 ± Sinal quadrado gerado da comparação entre sinal contínuo e dente de serra...
serra... ... ...77 Figur
Figura 6± a 6± ChoppChopper CC-CC com carga resistiva...er CC-CC com carga resistiva... ...8...8 Figura 7 ± A forma de onda da tensão de saída do Chopper CC-CC com carga Figura 7 ± A forma de onda da tensão de saída do Chopper CC-CC com carga resistiv
resistiva...a... ... ...8...8 Figur
Figura a 8 ± Topologia bási8 ± Topologia básica de um Conversor ca de um Conversor Boost...9Boost...9 Figura 9 ± Primeira etapa de funcionamento de um Conversor Boost...10 Figura 9 ± Primeira etapa de funcionamento de um Conversor Boost...10 Figura 10 ±
Figura 10 ± Segunda etapa Segunda etapa de de funcionamento de funcionamento de um Cum Conversor onversor Boost...Boost... ...10.10 Figur
Figura a 11± Formas de onda típicas do conversor 11± Formas de onda típicas do conversor Boost...Boost...11...11 Figur
Figura a 12 ± 12 ± Circuito complCircuito completo...eto... 15... 15 Figura 13 ± Boost com entrada contínua e sinal PWM para chaveamento Figura 13 ± Boost com entrada contínua e sinal PWM para chaveamento (Ve=CC)
(Ve=CC)... ... ... ...19...19 Figur
Figura 14± Tensão de Saída (Vs) com D = 0...a 14± Tensão de Saída (Vs) com D = 0... ...21...21 Figur
Figura 15 a 15 ± Tensão de saí± Tensão de saída (Vgs)...da (Vgs)... ... ...22...22 Figur
Figura 16 a 16 ± Tensão de saí± Tensão de saída(Vgs) pda(Vgs) para Vs = 220Vara Vs = 220V ... ...22...22 Figur
Figura 17 a 17 ± Tensão de saí± Tensão de saída(Vs) pada(Vs) para Vs = 220Vra Vs = 220V ... ...23...23 Figur
Figura 18 a 18 ± Tensão so± Tensão sobre o SHUNT R2...bre o SHUNT R2... ...23...23 Figur
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SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO TEÓRICA...4
1.1 Retificadores Monofásicos de onda completa com filtro capacitivo ...4
1.2 Modulador PWM... ...7 1.3Conversor Boost... ...8 1.4 Objetivos... ...13 2 RELAÇÃO DE MATERIAIS... ...13 3 PROCEDIMENTOS... ...15 3.1 Cálculos... ...16 3.2 Confecção do circuito... ...18 4 RESULTADOS E DISCUSSÕES... ...20 4.1 Tensão de saída... ...20 4.2 Tensão Vgs... ...21
4.3 Tensão de saída ajustada para 220V ...22
4.4 Tensão no Resistor SHUNT R2...2 3 4.5 Tensão de saída com variação de carga...24
4.6 Ondulação da Tensão de saída... ...24
5 CONCLUSÃO... ...25
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1 INTRODUÇÃO TEÓRICA
Este trabalho foi desenvolvido com o objetivo de apresentar os resultados e o desenvolvimento das aulas de laboratório da disciplina de Eletrônica de Potência. A organização do relatório foi concebida de forma que o leitor possa absorver os conhecimentos para efetuar o dimensionamento e a montagem de um tipo específico de conversor CC-CC com tensão de saída variável.
Apesar de este relatório referir-se majoritariamente ao conversor Boost, não se pode ignorar que tal é ligado a outras duas partes principais, que foram previamente confeccionadas e possibilitam a conexão indireta do conversor com a rede elétrica, que será retificada e só então convertida para outros níveis de tensão CC. Estes subsistemas serão igualmente desenvolvidos dentro da fundamentação teórica, pois acredita-se que exercem um papel preponderante no resultado final e na completude do experimento; são eles o retificador a diodo e o modulador PWM.
Seguidos da fundamentação, só então dar-se-á total ênfase ao conversor Boost, com o detalhamento do processo de experimento, apresentação dos resultados de laboratório e comentários conclusivos.
1.1 Retificadores Monofásicos de onda completa com filtro capacitivo
A estrutura do retificador de ponte monofásico de onda completa (RMOC) alimentando uma carga resistiva é mostrada na figura 1:
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Analisando-o nota-se facilmente que durante o semi-ciclo positivo a corrente passará pelo diodo 1( D1), no momento em que o diodo 2(
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D ) bloqueia, gerando
uma V s positiva, e no semi-ciclo negativo os papéis se invertem, porém, sendo D1
condutor e D2 bloqueante, a tensão de saída continua positiva.
Sabendo-se que a corrente estará em fase com a tensão de saída, devido à carga ser puramente resistiva, encontram-se as seguintes informações apresentadas nos gráficos da figura 2:
Figura 2 ± Gráficos das tensões e corrente RMOC alimentando uma carga R.
Segundo BARBI (2002) o retificador de onda completa a diodo apresenta as seguintes vantagens em relação ao retificador de meia onda:
- Não existe componente contínua de corrente circulando no secundário, não aparecendo então o fenômeno da saturação do transformador;
- A tensão média na carga é duas vezes maior;
- A corrente de carga apresenta menor distorção harmônica.
Para o objetivo geral do relatório não se torna muito interessante fazer uma análise quantitativa e sim qualitativa. Nota -se que a variação da tensão de saída é bastante grande de 0 a V m, e para a redução dessa coloca-se um filtro capacitivo
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Figura 3 ± Estrutura de um RMOC alimentando uma carga RC.
Nesse caso os diodos mantêm um funcionamento bastante semelhante ao antes visto, porém a forma de tensão e corrente nos componentes varia como mostrado na figura 4:
Figura 4 - Gráficos das tensões e corrente RMOC alimentando uma carga RC
Como vantagem em relação ao sistema sem filtro encontra-se uma tensão de saída muito mais estável do ponto de vista que sua variação (V é muito menor,
porém é fácil notar que a corrente sobre os diodos possui uma variação maior, em relação ao tempo, o que implica em uma requisição de potência da alimentação
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muito maior por um determinado instante, o que pode ocasionar defor mações nessa tensão de entrada.
1.2 Modulador PWM
O PWM (Pulse Width Modulator) é um circuito que gera um trem de pulsos de largura variável definida ao comparar um sinal constante a um sinal dente de serra. Quando a tensão constante é maior que a dente de serra, o modulador deixa passar uma tensão constante na saída, caso contrário corta o sinal, formando assim um trem de pulsos quadrado, como mostrado na figura 5:
Figura 5 ± Sinal quadrado gerado da comparação entre sinal contínuo e dente de serra.
Dessa forma, para variar a largura dos pulsos, varia -se o valor médio da tensão contínua, gerando uma maior ou menor razão cíclica ( duty cycle).
³Uma importante vantagem do controle por tensão é sua implementação simples de hardware e flexibilidade´ (RASHID, 2001 ± tradução própria).
A razão cíclica pode ser vista como a proporção do tempo em que o pulso está sendo mantido. PWMs são amplamente utilizados para comutação (ligamento e desligamento) de chaves, portanto o conhecimento da razão cíclica é de extrema importância para a definição do tempo em que um determinado sinal está sendo cortado ou mantido.
Na prática utilizam-se circuitos integrados que contém em seu interior todo o circuito de um PWM, seu controle se dá em resposta a diversas correntes e tensões de controle aplicadas em seus terminais.
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1.3 Conversor BOOST
Para o entendimento do funcionamento do Conversor Boost, faz-se necessário compreender que ele deriva de um conceito mais genérico, o chopper. Um chopper CC ³é usado para prover uma saída CC controlável de uma fonte CC através do chaveamento da fonte em estados de ligada e desligada em relação à fonte´ (BRADLEY, 1995 ± tradução livre).
Um chopper CC-CC com carga resistiva é uma conexão série de uma fonte CC de entrada , uma chave controlada e uma carga resistiva R, conforme mostra a figura 1.3.1. A chave é normalmente implementada por MOSFETs, IGBTs, MCTs, BJTs ou GTOs.
Figura 6 ± Chopper CC-CC com carga resistiva.
A chave opera com uma razão cíclica D (do inglês Duty cycle), definida pela
razão entre o tempo em que a chave permanece aberta pelo período total (tempo aberta somado com o tempo fechada), como segue:
(1)
A forma de onda da tensão de saída é a expressa na figura 7:
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Figura 11± Formas de onda típicas do conversor Boost.
O ganho estático do conversor é a razão entre a tensão de saída e a tensão de entrada , e será calculado levando em consideração a forma de onda da tensão no indutor. Sabe-se que a tensão média em um indutor é zero; pelo gráfico de :
(3)
12 (5) (6) E, por fim,
(7)Duas das mais importantes equações para o projeto de um conversor Boost referem-se ao dimensionamento do indutor e do capacitor , como segue.
A tensão em um indutor é dada por
(8)
Levando em consideração a primeira etapa do funcionamento da estrutura (figura 1.3.4),
(9)
(10)
(11)
Consequentemente, a equação 1.3.8 torna-se
(12) Isolando-se L: (13)
13
No caso do capacitor, a corrente que flue por sua estrutura é dada por
(14)
Levando em consideração a primeira etapa do funcionamento da estrutura (figura 1.3.4), (15) (16) (17) Substituindo na equação 1.3.14: (18) 1.4 Objetivos
Este relatório tem como objetivos:
1. Fornecer uma fundamentação teórica acerca do Conversor Boost, precedida por uma contextualização dos circuitos auxiliares (retificador monofásico de onda completa com filtro capacitivo e modulador PWM);
2. Descrever o processo de montagem e resultados obtidos com o circuito do Conversor Boost;
3. Comprovar a correspondência aceitável entre os modelos físi co-matemáticos e a prática.
2 RELAÇÃO DE MATERIAIS
Para a realização desta experiência foram utilizados os seguintes materiais: Retificador:
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1 resistor de 0,1 5W
1 capacitor eletrolítico 220 uF x 250V
Modulador PWM:
1 CI SG3525
Soquete para CI de 16 pinos
2 capacitores eletrolíticos 10uF 25V 1 capacitor 10 nF 25V 1 trimpot 10k 2 diodos 1N4148 1 diodo zener 18V 1/2W 2 resistores 10K;1/8W 1 resistor 22;1/8W 1 resistor 10;1/8W 1 resistor 4,7k 1/8W 1 Transistor BC548 1 Transistor BC 558 Conversor Boost: 1 MOSFET IRF740 1 diodo UF4007 1 indutor 12mH (confeccionado) 1 resistor 0,1 5W 1 capacitor eletrolítico 47 uF x 50V 2 resistores 47 10W Materiais adicionais:
1 placa de circuito impresso do tipo placa padrão; Cabos com pinos banana - jacaré;
Ferro de solda; Estanho;
1 cabo com conector para ligar na tomada; 1 osciloscópio digital.
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3 PROCEDIMENTOS
O experimento consiste na montagem do circuito não hachurado da figura 12:
Figura 12 ± Circuito completo
Ao final do experimento, deve ser possível obter os seguintes resultados: 1 ± Freqüência de comutação
2 - Razão cíclica para Vs=220V 3 ± Tipo de condução
4 ± Ondulação de corrente de entrada (indutor) 5 ± Variação da tensão de saída com a carga
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6 ± Ondulação de tensão de saída
7 ± Menor e maior tensão de saída que este conversor pode gerar 8 ± Como gerar uma tensão de saída 2x maior que a tensão de entrada
3.1 Cálculos
As questões acima podem ser respondidas com base na fundamentação teórica. Para os cálculos utilizar-se-á alguns dados, que foram obtidos nas aquisições de osciloscópio e serão detalhados no item 4. Tais dados são:
- Freqüência de comutação de 15,33 KHz partindo do modulador PWM; - Tensão de entrada de
- Indutância de L de 8,2 mH RAZÃO CÍCLICA PARA Vs = 220V
Pela Equação 1, tem-se que
o que conduz a D = 0,5674. TIPO DE CONDUÇÃO
Para se determinar o tipo de condução, basta calcular -se a indutância crítica e compará-la com a indutância do circuito. Para uma condução crítica, a ondulação de corrente é duas vezes a corrente média no indutor. A corrente média é calculada considerando-se que o rendimento da estrutura é de 100%. Igualando -se as potências de entrada e saída:
Portanto, .
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O valor da indutância crítica é
Como a indutância do circuito é maior que a crítica, a condução é CONTÍNUA.
ONDULAÇÃO DE CORRENTE DE ENTRADA (INDUTOR) Pela Equação 13, a ondulação de corrente no indutor é
ONDULAÇÃO DE TENSÃO DE SAÍDA
A ondulação da tensão de saída é, pela e quação 18 e com uma capacitância C = 100µF,
MENOR E MAIOR TENSÃO DE SAÍDA QUE ESTE CONVERSOR PODE GERAR Através de ajustes na razão cíclica D varia-se a tensão de saída. Com D=0, esta é mínima e igual à tensão de entrada, como será discutido em 4.1; com D = 1 esta é máxima e corresponde a um valor infinito, que não pode ser alcançado na prática porque o capacitor não suporta tensões maiores que 250V.
COMO GERAR UMA TENSÃO DE SAÍDA 2X MAIOR QUE A TENSÃO DE ENTRADA
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Supondo-se uma tensão de entrada Ve, tal relaciona -se com a tensão de saída pela equação 7:
Para que obtenha-se uma tensão de saída 2 vezes maior que a de entrada, tem-se que . Assim,
E, portanto, D = 0,5. 3.2 Confecção do circuito
O projeto completo deveria ser ligado a um transformador de tensão terminal de 60 Volts alternados e, tendo em vista que o conversor Boost é do tipo CC-CC foi necessária a montagem prévia de um circuito retificador da fonte, constituído por um retificador monofásico de onda completa com filtro capacitivo.
Além disso, foi também necessária a montagem de um modulador PWM, pois o chaveamento do conversor Boost depende do sinal de controle do tipo trem de pulsos gerado no modulador.
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Figura 13 ± Conversor Boost com entrada contínua e sinal PWM para chaveamento (Ve=CC).
Montou-se o circuito apresentado em placa de circuito impresso padrão. Diferentemente das outras práticas onde todos os componentes necessitavam apenas serem soldados nas ligações corretas, neste existiram problemas relacionados ao MOSFET e ao Indutor.
O MOSFET corre o risco de sobreaquecimento, comprometendo o funcionamento da estrutura como um todo, porém esse é um problema de fácil solução uma vez que um dissipador pequeno é o suficiente para gerar uma margem de segurança suficiente.
O indutor, por sua vez, não possui problemas em relação ao seu aquecimento, contudo não é comum se encontrar indutores de 1 0 mH em lojas convencionais. Desta forma, viu-se necessário construir um indutor, suficientemente grande para os objetivos delimitados. O indutor foi confeccionado para o circuito do conversor Buck (experimento passado), mas acredita-se que a indutância seja aceitável para o novo conversor.
Utilizaram-se duas peças de ferrite para formar o núcleo, fio de cobre fino isolado, e pedaços de papel para entreferro. Como o ferrite possui caracteristicamente permeabilidade variável, enrola -se no carretel mais fio que o necessário. A indutância é controlada através da colocação do entreferro, cuja permeabilidade é muito mais estável. Com ambos esses componentes prontos, suas respectivas implementações no circuito tornam-se simples, como nas outras práticas laboratoriais.
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Finalmente, a montagem do circuito do conversor Boost resumiu-se a rearranjar os elementos que já haviam sido soldados na confecção do conversor Buck.
4 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Com o circuito pronto, conectou-se o multímetro na saída do conversor e a carga a saída do conversor. Conectou-se a carga, constituída por uma lâmpada, à saída do conversor. Ajustou-se a razão cíclica, através do trimpot do modulador PWM, para zero. Então, ligou-se o conversor na tensão de entrada que parte do retificador, responsável por adquirir tensão CA do transformador 127V -60V e gerar um nível CC de 84,85V.
Em seguida, aumentou-se a razão ciclica através do ajuste do trimpot, para obter-se lentamente uma tensão de saída de 220V no conversor Boost. Tal tensão não poderia exceder 250V, caso contrário o capacitor não suportaria.
Depois de propriamente obter o nível CC na saída, efetuaram-se diversas medições de tensão com o auxílio do osciloscópio para adquirir os demais resultados requiridos e explicitados no tópico anterior.
4.1Tensão de saída com razão cíclica igual a zero
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Figura 14 ± Tensão de Saída (Vs) com D = 0.
A tensão de entrada do retificador é senoidal com amplitude de 67,3V eficazes (valor medido com o multímetro), o que corresponde a
Isto significa que a tensão que chega ao conversor, retificada, é de aproximadamente 95V.
Com razão cíclica igual a zero, a tensão de saída será, pela equação 7, igual à tensão de entrada. Desta forma o resultado é coerente.
4.2Tensão Vgs
A frequência de comutação é medida através da tensão de saída gerada pelo modulador PWM (Figura 15), o qual liga-se ao pino G do MOSFET. Obteve-se 15,42KHz, o que justifica a utilização de um MOSFET no chaveamento, já que sua vantagem é justamente operar em altas frequências. Adicionalmente, a tensã o pico a pico adquirida, de 13,6V, é coerente com a tensão Vgs habitual de um MOSFET, situada entre 0 e 20V no estado ligado.
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Figura 15 ± Tensão de saída (Vgs)
4.3Tensão de saída ajustada para 220V
Ajustou-se a razão cíclica a fim de obter-se uma tensão de saída de 220V no conversor. A figura 16 é a aquisição da tensão Vgs gerada pelo modulador para cumprir-se o objetivo.
Figura 16 ± Tensão de saída(Vgs) para Vs = 220V
A razão cíclica é, pela equação 1,
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A figura 17 mostra a tensão de saída ajustada para 220V.
Figura 17 ± Tensão de saída(Vs) para Vs = 220V
4.4Tensão no Resistor SHUNT R2
A obtenção da tensão no resistor R2 (Figura 18) possibilita a visualização da forma de onda da corrente no indutor, já que ambos estão conectados em série e R2 apresenta baixa resistência, aproximando -se de um curto-circuito.
Figura 18 ± Tensão sobre o SHUNT R2
Observa-se uma ondulação de tensão de aproximadamente 100mV; é possível calcular a ondulação de corrente no indutor através da razão entre a variação de tensão e a resistência de R2, como segue:
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A condução é contínua, pois a corrente não chega definidamente em zero no indutor.
4.5 Tensão de saída com variação de carga
Deseja-se avaliar a variação da tensão de saída com a variacão da carga, e isto poderia ser simulado adicionando-se resistores em paralelo com a lâmpada, mas tal procedimento é perigoso e foi-se orientado a não realizá-lo .
4.6 Ondulação da tensão de saída
Através de ajustes na tolerância a altas frequências e acoplamentos no osciloscópio, foi possível obter a ondulação da tensão de saída (Figura 19). Obteve-se 2,48V pico a pico, um valor aceitável Obteve-se comparado ao valor médio de saída de 220V imposto no conversor.
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4 CONCLUSÃO
Para facilitar a visualização, construiu-se a tabela comparativa entre os valores medidos e calculados dos itens anteriores:
Tabela 1 ± Valores calculados e medidos
Variável Valor Calculado Valor Medido
Em abordagem crítica, pode-se concluir que algumas das projeções teóricas distanciaram-se consideravelmente da prática. Os motivos podem variar desde falta de acuidade na aquisição de dados, utilização de valores teóricos distantes dos reais, e indesejável incompatibilidade gerada pelas idealidades da teoria , como por exemplo a consideração de rendimento máximo do circuito. Mas em geral tal fato não desvaloriza a qualidade dos resultados obtidos com a implementação do conversor.
Obteve-se um nível CC muito próximo do desejado e com ondulação bastante controlada. O ajuste do trimpot possibilitou um controle excepcional sobre a tensão de saída desejada. As formas de onda aproximam-se suficientemente das previsões ditadas pela fundamentação. Os ruídos decorrentes de harmônicas são previsíveis e dificilmente retiráveis; além disto, contribuem para imprecisão nas aquisições do osciloscópio.
O conversor mostrou-se uma alternativa barata e eficaz na conversão de níveis CC, e a integração com o retificador e o modulador PWM possibilitou uma
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visão generalista do processo. Globalmente, o projeto não se limitou ao conversor Boost; mais que isso, confeccionou-se um conversor CA-CC completo e controlável, que recebe a tensão da rede e fornece um nivel contínuo em resposta, totalmente regulável.
6 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
BARBI, Ivo; MARTINS, Denizar C. Conv ersores CC-CC Básic os Não-I solad os. Florianópolis: Editora da UFSC, 2000.
BARBI, Ivo. Eletrônica de P otência. 4ª Edição. Florianópolis: Edição do Autor , 2002.
BRADLEY, D. A. P ow er Electr onics. 2ª Edição. Londres: Chapman & Hall, 1995. RASHID, Muhammad H. P ow er Electr onics Handbook . San Diego: Academic Press, 2001.
