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Fault Detection Circuit Based on IGBT Gate
Signal
E. Flores, A. Claudio, J. Aguayo, L. Hernández
Abstract— The circuit presented in this paper has the purpose
of detecting short circuit and open circuit faults in insulated gate
devices (IGBT). The detection circuit design is based on the
analysis of the IGBT gate signal VGE, which is characterized by
carrying out the fault detection within the IGBT switching times
under test. The fast fault detection is due to the following
considerations: a) Employing technology components with a high
slew rate, allows the detection within the switching times, b)
Employing fewer components allow the circuit design less
expensive and faster, and This paper presents the experimental
validation results for the proposed fault detection cases.
Keywords— Early Fault detection, Short circuit and Open
circuit Faults, IGBT devices, fault detection signals.
L
I. INTRODUCTION
OS DISPOSITIVOS IGBT son objeto de muchos estudios
en diversas áreas del diagnóstico de fallos debido al gran
número de aplicaciones en sistemas de mediana y alta potencia
en diversas áreas industriales.
Un estudio basado en la industria realizado en [1] indica
que los transistores de potencia fueron la causa dominante en
los fallos de los convertidores; además que los dispositivos
IGBT fueron identificados como los más utilizados en
aplicaciones de mediana y alta potencia.
En [2] se reporta que los IGBT son los responsables del
38% de los fallos en los inversores empleados en los
controladores de velocidad en los motores de inducción.
Además en un estudio de fiabilidad [3] de 350 turbinas de
viento indican que los fallos en el convertidor implementado
por dispositivos IGBT, son responsables de casi el 19% del
tiempo de inactividad anual de las turbinas de viento. Por lo
tanto se ha incrementado el interés por detectar los fallos en
los dispositivos IGBT de forma temprana, esto es posible
llevarlo a cabo mediante el monitoreo de las diferentes señales
del dispositivo, tales como: las señales del voltaje colectoremisor (VCE), voltaje de puerta (VGE) así como la corriente de
colector (IC).
En los trabajos [4-10] se analizan circuitos de puerta los
cuales enfocan sus estudios a la regulación de las pendientes
del voltaje colector-emisor y la corriente de colector, estas
técnicas tienen la capacidad de controlar el di/dt y/o dv/dt
______________________________
E. Flores, Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico
(cenidet), Cuernavaca Morelos México, eligio_flores@cenidet.edu.mx.
A. Claudio, Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico
(cenidet), Cuernavaca Morelos México, peabraha@cenidet.edu.mx.
J. Aguayo, Centro Nacional de Investigación y Desarrollo Tecnológico
(cenidet), Cuernavaca Morelos México,jaguayo@cenidet.edu.mx.
L. Hernandez, Instituto Politécnico Nacional (ESIME-IPN), México
D.F. bilbito_98@yahoo.com.
regulando la tensión de puerta y de esta manera mantener en
operación a los dispositivos IGBT en régimen degradado, lo
cual representa una buena opción para continuar la operación
del sistema, pero no representa una solución cuando se
presenta un fallo.
En [11] se presenta un circuito de protección que monitorea
el voltaje colector-emisor, esta señal se emplea para disminuir
el voltaje de puerta VGE y para activar un transistor auxiliar el
cual deshabilita la puerta del IGBT, protegiendo de manera
inmediata al dispositivo. En [12-14] se analizan circuitos que
detecta la cantidad de corriente que pasa a través del
dispositivo IGBT. Por medio de la detección de sobrecorriente se accionan elementos que tienen la función de
reducir el voltaje de puerta y así disminuir la conductividad
del dispositivo IGBT, lo que permite aumentar la capacidad de
corto circuito del dispositivo.
Existen también otros trabajos que analizan circuitos de
protección por sobre-corriente en los módulos IGBT en
diversas aplicaciones industriales. Se han propuesto enfoques
para proteger los dispositivos IGBT basados en la medición de
la corriente de colector [2, 13, 15, 16], en el voltaje colectoremisor [6, 17, 18] así como en la señal de puerta [19-21].
Los trabajos reportados para analizar circuitos de detección
de fallos en los IGBT empleando las características de
conmutación de la señal de voltaje de puerta [22, 23],
presentan buen desempeño en corto circuito, pero no detectan
circuito abierto. En [24] se realiza la detección comparando y
analizando la señal VGE con un patrón de referencia y con ello
determina si el dispositivo se encuentra en corto circuito. Sin
embargo, este trabajo también carece de la detección de
circuito abierto.
Mientras que el trabajo realizado en [25] mediante la
medición de la señal del VGE, sólo durante el encendido, se
obtiene la energía de carga en la puerta del IGBT desde VT
(voltaje de umbral) hasta VT + 5. La señal generada es
evaluada utilizando un circuito de decisión y umbrales de
detección, para posteriormente determinar: dispositivo en
corto, dispositivo abierto o libre de fallo. Uno de los
principales inconvenientes de este trabajo es el tiempo de
detección, debido a que emplea varias etapas para procesar la
señal de puerta y eliminar el ruido que ésta presenta por efecto
de las inductancias parásitas.
Un trabajo interesante que presenta un algoritmo para la
detección de fallos durante la conmutación del IGBT, es el
artículo presentado en [26]. En donde la extracción de algunos
parámetros en tiempo real de los dispositivos IGBT, los cuales
se obtienen a través de las mediciones del voltaje VCE, de las
corrientes IC e IG y del voltaje VGE, permite comparar estos
parámetros con valores de éstos tomados de dispositivos que
se encuentran en buenas condiciones. En este trabajo se
pretende determinar el estado de operación en tiempo real del
dispositivo en diferentes condiciones, sin embargo para ello
emplea plataformas digitales (FPGA o DSP) lo cual hace que
el trabajo tenga mayor costo y complejidad.
En este trabajo se pretende, analizar y construir un circuito
que obtenga tres señales: denominadas “r1”, “r2” y “r3”, con
las cuales sea posible la detección de los fallos de corto
circuito y circuito abierto en los dispositivos IGBT. La señal
r1 indica el fallo de corto circuito durante el transitorio de
encendido HSF (del inglés Hard Switching Fault), la señal r2
indica el fallo de corto circuito durante la conducción del
dispositivo IGBT FUL (del inglés Fault Under Load) y
finalmente, la señal r3 indica el fallo de circuito abierto en el
dispositivo IGBT cuándo: el semiconductor se encuentra en
estado de bloqueo por la desconexión de algún cable interno
del mismo y por la desaparición de la señal de modulación
PWM.
II. ESTRATEGIA DE DETECCIÓN DE FALLOS
I G ( t ) = C GS ⋅
dVGS ( t )
dt
(3)
Fase 2 (t2<t<t3). Esta fase tiene el comportamiento más
complejo porque en este punto se genera una zona plana en la
señal de puerta haciendo que el primer y el tercer término de
IG(t) de la ecuación (1) se desprecien, entonces la corriente
IG(t) queda determinada sólo por la pendiente negativa de VDS
y la magnitud de CGD, donde CGD = COXD + CGDJ .
I G ( t ) = − C GD ⋅
dVDS ( t )
dt
(4)
Fase 3 (t3<t<t4). Durante esta fase el valor de CGD puede
ser considerado igual a COXD porque durante la conducción
VDS(t) adquiere un valor pequeño (el cual se puede despreciar)
e inferior a VGS(t) por lo que la capacitancia equivalente vista
desde la puerta al emisor es el paralelo eléctrico de COXD y
CGS.
En esta sección se presenta la estrategia para detección de
fallos a través de la señal del voltaje de puerta. Se describe de
manera breve el comportamiento de las señales del IGBT bajo
determinadas condiciones de operación.
I G (t ) =
dVGS ( t )
( CGS + CGD )
dt
(5)
VGE
VGG+
A. Etapas o fases del transitorio de encendido
Para el análisis de las fases de encendido se tomó la
ecuación de la corriente de puerta de [27]:
VG(th)
I G ( t ) = C GS
dV ( t )
dVDS ( t )
dV ( t )
⋅ GS
− C GD ⋅
+ C GD ⋅ GS
dt
dt
dt
(1)
t0
En la ecuación (1) se observa que IG es afectada por la
variación de las capacitancias CGS y CGD, las cuales están en
función de VGS y VDS. Esta variación provoca que se presenten
tres fases durante el transitorio de encendido del IGBT.
Reacomodando la ecuación (1) para que VGS esté en función
de la corriente IG, la capacitancia CGD y el voltaje VDS se tiene:
t1
t2
t3
t
t4
VCE
IC
dVGS (t )
=
dt
dVDS (t )
dt
CGS +CGD
I G (t ) +CGD ⋅
t
(2)
Durante la conmutación al encendido del IGBT se presentan
tres fases como se muestra en la Fig. 1, las cuales dependen
básicamente de las capacitancias CGS y CGD que varían en
función de los niveles de tensión VGS y VDS. El
comportamiento de estas fases se detalla a continuación según
la ecuación (1):
Fase 1 (t1<t<t2). En este punto VDS es constante y mayor
que VGS y por lo tanto la capacitancia equivalente vista desde
la puerta al emisor sólo depende de CGS. Esto se debe a que
CGDJ es muy pequeña y por lo tanto CGD es depreciada para
simplificar el análisis. Por lo tanto la ecuación (1) queda de la
siguiente manera:
Figura 1. Curvas básicas de carga en la puerta del IGBT [24, 28].
B. Detección de fallos
La detección de fallos se realiza a través del monitoreo de la
señal de puerta en diferentes condiciones de operación. Las
señales obtenidas se comparan con las señales de la Fig. 1 y se
identifican las diferencias entre éstas. Esto permite identificar
el comportamiento de las señales del dispositivo IGBT para
diferentes tipos de fallos.
Debido al comportamiento diferente de la señal VGE para cada
tipo de fallo, en este trabajo se abordan los siguientes casos de
fallos:
1.
2.
Fallo de corto circuito durante en el transitorio de
encendido, el cual se ilustra en la Fig. 2a.
En la Fig. 2b se muestra el fallo de corto circuito
durante la conducción.
3.
Mientras que la Fig. 3 muestra dos casos de circuito
abierto. En 3a se muestra el fallo de algunos cables
internos rotos, mientras que la Fig. 3b indica el fallo de
la ausencia de la señal de modulación PWM.
VGE
VGE
HSF
LIBRE DE FALLO
FUL
LIBRE DE FALLO
VGG+
VG(th)
VG(th)
t0
t1 t2
t
t3 t4
t0
a)
t1
t2
t3
t
t4
con la señal de control [30].
A. Dispositivo en corto circuito
En la Fig. 4 se observa que VGE en operación normal
presenta una parte plana durante el transitorio de encendido
(Fase 2), debido al efecto de la capacitancia CGD (Miller)
como fue explicado en la sección II-A. Mientras que VGE en
condiciones de corto circuito, Caso I, se comporta de manera
diferente durante esta etapa (Fase 2) desapareciendo la parte
plana, por lo que alcanza rápidamente el nivel de voltaje
aplicado VGG+ [22, 24, 29].
b)
CURVAS BÁSICAS DE UN DISPOSITIVO IGBT
15
Figura 2. Fallos de corto circuito.
V GE [ V ]
10
VGE
5
V GE en corto circuito
V GE libre de fallo
0
VGE
-5
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
x 10
VGG+
15
CASO II
IC libre de fallo
10
IC [ A ]
CASO I
LIBRE DE FALLO
LIBRE DE FALLO
-6
IC en corto circuito
5
0
t0
t
t4
t
t0
-5
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
x 10
b)
Figura 3. Fallos de circuito abierto.
III. ANÁLISIS DE LAS SEÑALES BÁSICAS DEL IGBT
EN CONDICIONES DE FALLOS
En la Fig. 1 se observa el comportamiento de las señales
básicas de un dispositivo IGBT libre de fallo de manera ideal,
donde se muestran las tres fases formadas durante el
encendido.
Para analizar el comportamiento de estas señales bajo
condiciones de fallo, se consideran dos casos para dispositivo
en corto circuito, Fallo en Conmutación Dura como Caso I
(HSF por sus siglas en inglés Hard Switching Fault). Este caso
se puede observar cuando los demás dispositivos IGBT o
diodos del brazo (pierna o rama) del inversor se averían, o
cuando el IGBT se activa por un fallo en la señal de control
[29].
Como Caso II se considera Fallo Bajo Carga (FUL por sus
siglas en inglés Fault Under Load). El segundo caso ocurre
cuando el corto circuito toma lugar en las terminales de la
carga durante el estado de conducción [29].
Por otro lado, para el análisis de dispositivo abierto también
se consideran dos casos de estudio, Cables de conexión
internos de puerta y emisor rotos como Caso I. Este tipo de
fallo puede ocurrir cuando el cable es desconectado del borde
de conexión ya sea por ciclos térmicos o después de haber
ocurrido un fallo de corto circuito.
Como Caso II se considera Señal PWM interrumpida,
este caso puede presentarse debido a un fallo en el circuito que
genera la señal de control debido a: un fallo en la fuente de
suministro, avería de algún componente, líneas de conducción
del circuito impreso abiertas, falsos contactos, etc. Es
importante mencionar que los casos de dispositivo abierto
fueron considerados de acuerdo a reportes en la literatura,
donde el factor principal para este tipo de fallo está asociado
150
VCE [ V ]
a)
-6
VCE en corto circuito
VCE libre de fallo
100
50
0
-1
0
1
2
3
Tiempo [ s ]
4
5
6
7
x 10
-6
Figura 4. Señales básicas de un IGBT libre de fallo y en condiciones de corto
circuito Caso I.
Por otro lado, el Caso II es observado cuando el corto
circuito ocurre durante el estado de conducción del dispositivo
IGBT. La Fig. 5 muestra las formas de onda bajo esta
condición (FUL o Caso II) y la condición de operación
normal.
Una vez que se presenta el Caso II de corto circuito, la
corriente de colector IC aumenta y cuando el valor de esta
corriente alcanza un nivel relativamente alto, el voltaje VCE
aumenta rápidamente. En este momento el voltaje de puerta
VGE también se eleva. Esto es causado por el desplazamiento
del flujo de corriente de la capacitancia Miller a través de la
resistencia de puerta.
Por lo tanto, es posible detectar el incremento de corriente
para el Caso II monitoreando el incremento del nivel de
voltaje de puerta. Este método es útil en la detección de este
caso de corto circuito; sin embargo, con este principio no se
podría detectar el Caso I, puesto que ante ese tipo de fallo, VCE
no disminuye y VGE no se eleva por encima del valor del
voltaje VGG+ [29].
CURVAS BÁSICAS DE UN DISPOSITIVO IGBT
VGE [ V ]
15
En la Fig. 7 se aprecia la distribución del cableado interno
del módulo IGBT CM150DU-24F. También muestra cómo se
ve una falla de dispositivo abierto físicamente para el Caso I
considerado.
10
VGE en corto circuito
5
VGE libre de fallo
0
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
IC [ A ]
x 10
-5
20
IC en corto circuito
15
IC libre de fallo
10
5
0
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
x 10
-5
0
VCE en corto circuito
-100
VCE libre de fallo
-5
VOLTAJE DE PUERTA-EMISOR
CORRIENTE DE COLECTOR
10
VGE libre de fallo
VOLTAJE COLECTOR-EMISOR
IC libre de fallo
VCE libre de fallo
8
15
150
[V]
4
V
C
V
2
5
100
CE
I [A]
10
GE
[V]
6
50
0
0
-10
-5
0
-2
5
-10
-5
0
-5
x 10
x 10
10
I [A]
IC abierto
50
6
40
4
C
V
0
-5
0
Tiempo [ s ]
-2
5
-5
x 10
30
20
10
0
-10
5
-5
8
2
5
0
x 10
V
[V]
GE
10
-5
60
[V]
VGE abierto
15
-10
-5
CE
20
0
5
V CE abierto
0
-10
-5
0
Tiempo [ s ]
5
x 10
-10
-5
-5
0
Tiempo [ s ]
5
-5
x 10
Figura 6. Señales básicas de un IGBT libre de fallo y en condiciones de
dispositivo abierto Caso I.
Para el segundo caso de dispositivo abierto, la Fig. 8
muestra el comportamiento de las señales del IGBT. El
comportamiento de VGE y VCE, en operación normal del
dispositivo, es el mismo que para el Caso I. Si se observan las
señales VCE e IC, presentan el mismo patrón de
comportamiento que para el Caso I. Esto se debe a que el
dispositivo no está conmutando por la desaparición de la señal
PWM. Por lo tanto, el voltaje VGE observado para este caso es
prácticamente cero, lo cual indica una interrupción de la señal
moduladora de ancho de pulso.
20
VOLTAJE DE PUERTA-EMISOR
CORRIENTE DE COLECTOR
10
VGE libre de fallo
VOLTAJE COLECTOR-EMISOR
IC libre de fallo
VCE libre de fallo
8
15
150
4
V
2
5
100
CE
10
[V]
6
50
0
0
0
-2
5
x 10
20
-10
-5
0
-5
x 10
10
VGE abierto
15
10
0
5
50
6
40
4
-2
5
x 10
-5
5
-5
30
20
10
0
-5
0
Tiempo [ s ]
0
60
IC abierto
0
-10
-5
x 10
8
2
5
-10
-5
[V]
-5
CE
-10
V
B. Dispositivo abierto
En los últimos años se verificó el desarrollo de una serie de
métodos destinados al diagnóstico de transistor abierto (opentransistor). Algunos métodos se han desarrollado tanto en
sistemas de control de lazo abierto y lazo cerrado.
Es importante mencionar que la mayoría de los métodos o
técnicas empleadas para el diagnóstico de dispositivo abierto,
se basan en el monitoreo de las corrientes en las fases del
inversor, donde los valores pueden ser cercanos a cero o en su
defecto cero.
Los fallos de dispositivo abierto pueden resultar de la
desconexión de cables en la parte interior del dispositivo,
falsos contactos en las conexiones e incluso por la suciedad
acumulada en las terminales de conexión de los propios
transistores y finalmente por un fallo en el circuito de
modulación PWM.
De acuerdo con información reportada en la literatura el
53% de los fallos en los DSEP se deben a la señal PWM [30,
31].
La Fig. 6 muestra el comportamiento de las señales básicas
del IGBT, en condiciones de operación normal y para las
condiciones del Caso I considerado para dispositivo abierto.
Como se puede observar el voltaje colector-emisor VCE, en
estas condiciones de fallo, es constante debido a que el
dispositivo no está conmutando. Mientras que el voltaje de
puerta VGE presenta el comportamiento de la señal de
modulación PWM con el mismo nivel de tensión VGG+, debido
a las características del Caso I.
C
Figura 5. Señales básicas de un IGBT libre de fallo y en condiciones de corto
circuito Caso II.
20
Figura 7. Módulo con dos dispositivos IGBT y fallo de dispositivo abierto
(Caso I)
6
x 10
I [A]
5
C
4
I [A]
3
[V]
2
Tiempo [ s ]
GE
1
V
0
[V]
-1
GE
-2
V
VCE [ V ]
100
VCE abierto
0
-10
-5
0
Tiempo [ s ]
5
x 10
-10
-5
-5
0
Tiempo [ s ]
5
x 10
-5
Figura 8. Señales básicas de un IGBT libre de fallo y en condiciones de
dispositivo abierto Caso II.
IV. CIRCUITO PROPUESTO PARA LA DETECCIÓN DE
CORTO CIRCUITO Y CIRCUITO ABIERTO EN LOS
DISPOSITIVOS IGBT
La Fig. 9 muestra el circuito de detección propuesto, el cual
está conformado por configuraciones sencillas de
operacionales tales como: detector de nivel no inversor,
circuito integrador, comparador básico de entrada
diferencial, seguidor de voltaje y un circuito restador o de
diferencia [22] y [32].
El voltaje de referencia Vref2 está en función del nivel de
voltaje VGG+, que será el valor máximo que puede alcanzar
VGE durante la conducción del dispositivo. La interpretación
que se le da a los estados generados por la señal r2, es la
misma que se emplea para la señal r1.
Para obtener la expresión algebraica de r3, es necesario
realizar un análisis del voltaje en la resistencia de puerta RG en
función de VGG+ y VGE, quedando la siguiente expresión para
ambos casos:
VRG = VGG+ − VGE
Figura 9. Circuito de detección de corto circuito y circuito abierto en los
dispositivos IGBT.
A. Generación de señales indicadoras de fallos
El circuito propuesto genera tres señales, con las cuales se
realiza la detección de fallos para los casos de estudio
seleccionados. Las señales generadas por el circuito detector
están clasificadas de la siguiente manera:
Como puede apreciarse en la ecuación (10) el voltaje VRG
depende prácticamente del comportamiento del voltaje VGE.
Por lo tanto, para generar r3 se mide la caída de tensión en la
resistencia de puerta RG, por medio de un circuito restador, en
el cual realiza la operación algebraica mostrada en la ecuación
(10).
En la señal r3 los estados “bajo” y “alto” indican un
respectivo caso de circuito abierto; donde el primer estado se
refiere al Caso I y el segundo al Caso II de dispositivo abierto.
La siguiente expresión describe el comportamiento de r3 de
acuerdo a las condiciones de diseño.
r1= Dispositivo en corto circuito Caso I
r2 = Dispositivo en corto circuito Caso II
r3 = Dispositivo abierto
r 3=
Para obtener r1 se considera un circuito integrador formado
por OP2, además de un comparador básico OP3. La expresión
final para este residuo es la siguiente:
r1=Vref 1 −VR 0

si
 Alto ⎯⎯→VR 0 >Vref 1



si
 Bajo ⎯⎯
→VR 0 ≤Vref 1

(6)
r 2=Vref 2 −VGE
R10
(VGG+ −VGE )
R9

si
 Bajo ⎯⎯→ VGE =VGG+
 Caso I


 Caso II

si
 Alto ⎯⎯
→ VGE =0

(11)
(12)
El circuito de detección fue diseñado para detectar los
cambios en la señal de puerta VGE dentro de los tiempos de
conmutación del IGBT. Sin embargo, no es una tarea fácil de
realizar, debido a la dinámica que presenta la señal de puerta
bajo diferentes condiciones de fallos, las cuales se
describieron en la sección II de este artículo.
(7)
V. RESULTADOS EXPERIMENTALES
Donde VR0 es el voltaje de salida del amplificador OP2,
para después ser comparado con un voltaje de referencia Vref1
y así generar un estado para r1 de acuerdo con las ecuaciones
(6) y (7). El valor de referencia Vref1, se calcula de acuerdo al
voltaje VCk acumulado durante el transitorio de encendido ton.
La interpretación de los estados generados por r1 según las
ecuaciones (6) y (7) es: para el estado “alto” el dispositivo se
encuentra en corto circuito Caso I y el estado “bajo” indica
que el dispositivo se encuentra libre de este fallo.
En el análisis para r2 se considera un detector de nivel no
inversor, donde la expresión final queda de la siguiente
manera:

si
 Alto ⎯⎯→VGE >Vref 2



si
 Bajo ⎯⎯
→VGE ≤Vref 2

(10)
(8)
(9)
En esta sección se analizan los resultados experimentales
obtenidos para el circuito detector de fallos en los dispositivos
de puerta aislada IGBT.
A. Esquema general para reproducir los fallos
Una vez que se tiene el circuito implementado se le realizan
las pruebas para cada caso de fallo considerado para verificar
su funcionamiento. Por tal motivo, se requiere desarrollar un
banco de pruebas para reproducir los casos de fallos para el
Dispositivo Bajo Prueba, DUT (por sus siglas en inglés,
Device Under Test), los cuales se describieron anteriormente.
La Fig. 10 muestra el esquema utilizado para reproducir los
fallos considerados.
Comportamiento de las señales indicadoras de fallos en condiciones de corto circuito (Caso I)
D. AUX
RG
VGE en corto circuito
10
VGE [ V ]
C. DE
ACTIVACIÓN
DE
PUERTA
C
A
R
G
A
0
-10
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
-6
10
r1 [ V ]
C. DE
ACTIVACIÓN
DE
PUERTA
A
RG
B
DUT
B
A
CIRCUITO
DE
DETECCIÓN
5
0
r2
-1
r1
r3
0
Vcd
IC
VGG+
RG
PWM
Voltaje de alimentación
Corriente de colector
Voltaje de activación de puerta
Resistencia de puerta
Ancho de pulso
50V
3.68A
12V
560Ω
5µs
Voltaje de alimentación
Corriente de colector
Voltaje de activación de puerta
Resistencia de puerta
Frecuencia de conmutación
25V
2.28A
12V
560Ω
10kHz
7
8
r2
0
1
2
3
4
5
6
7
8
x 10
r3 [ V ]
r3
5
0
-5
-1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
Tiempo [ s ]
-6
x 10
Figura 11. Comportamiento de las señales indicadoras de fallos para el Caso I
de corto circuito.
Continuando con el análisis de los resultados, ahora
corresponde el turno al Caso II de corto circuito. La tabla II
muestra las condiciones en las que se realizaron las pruebas
para este caso.
La Fig. 12 muestra los resultados que se obtuvieron en las
pruebas de laboratorio al circuito implementado. Cabe
mencionar que las gráficas mostradas en la Fig. 12 se
obtuvieron con el mismo dispositivo de prueba que para el
Caso I a una frecuencia de conmutación de 10kHz.
De acuerdo con la literatura, la frecuencia de conmutación
para un IGBT puede ser hasta los 20kHz [34, 35]. Por lo
general, para el rango de potencias medias (1kW – 2MW) la
frecuencia es menor a los 10 kHz [36, 37].
Es importante mencionar que en las aplicaciones de media y
alta potencia, los tiempos de los transitorios son mayores en
comparación con los de baja potencia; esto se debe a dos
razones principalmente:
a) Los niveles de corriente y tensión.
b) Las frecuencias de conmutación son bajas, en el
orden de algunos cientos de Hz.
En base a lo anterior, se puede concluir que el circuito es
funcional en aplicaciones donde las frecuencias de
conmutación sean menores a los 10kHz.
15
Comportamiento de las señales indicadoras de fallos en condiciones de corto circuito (Caso II)
VGE en corto circuito
10
5
0
-5
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
-5
x 10
r1
15
10
5
0
-5
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
-5
x 10
r2 [ V ]
15
r2
10
5
0
-5
-3
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
-5
x 10
10
r3 [ V ]
Vcd
IC
VGG+
RG
fs
6
-6
TABLA II. CONDICIONES PARA LAS PRUEBAS DE CORTO
CIRCUITO CASO II.
Dispositivo Bajo Prueba (DUT) IGBT-G03H1202
5
10
r1 [ V ]
El dispositivo G03H1202 fue utilizado con el propósito de
alcanzar las condiciones de corto circuito por sus
características. Éste presenta una dinámica muy rápida durante
el transitorio ton (tiempo de subida, 5.2ns). Por tal motivo se
utilizó una resistencia de puerta RG de 560Ω para que el
tiempo de subida fuera aproximado a 1µs como se reporta en
la literatura [33]. El transitorio ton fue aproximadamente de
965ns, cabe mencionar que al modificar el valor de RG se
presentó una caída de tensión en el voltaje VGE, la cual no fue
un problema para hacer conmutar al IGBT.
La Fig. 11 muestra que el circuito detector presenta una
variación durante el transitorio de encendido. Esto ocurre
cuando la señal del voltaje VGE presenta el comportamiento
característico de corto circuito (Caso I). Es importante
mencionar que la parte de interés, para este tipo de fallo es
durante ton, por lo tanto, lo que ocurre después no es relevante
para la etapa de detección. Sin embargo, puede ser de mucha
ayuda para tomar una decisión en etapas posteriores a la
detección.
4
0
VGE [ V ]
Dispositivo Bajo Prueba (DUT) IGBT-G03H1202
3
x 10
-5
-1
TABLA I. CONDICIONES PARA LAS PRUEBAS DE CORTO
CIRCUITO CASO I.
2
-6
Figura 10. Esquema general para reproducir los fallos considerados.
B. Señales indicadoras de corto circuito
El primer análisis de resultados corresponde a la falla de
corto circuito para el Caso I. La tabla I muestra las
condiciones en las que se realizaron las pruebas para el caso
de fallo mencionado.
1
5
r2 [ V ]
VCD
x 10
r1
15
+
r3
5
0
-5
-3
-2
-1
0
1
2
Tiempo [ s ]
3
4
5
6
-5
x 10
Figura 12. Comportamiento de las señales indicadoras de fallos para el Caso II
de corto circuito.
C. Señales indicadoras de circuito abierto
En este apartado corresponde analizar los resultados
experimentales del circuito detector implementado, para los
casos de circuito abierto seleccionados. La tabla III muestra
las condiciones en las que se realizaron las pruebas para
ambos casos de dispositivo abierto.
VGE [ V ]
5
Comportamiento de las señales indicadoras de fallos en condiciones de dispositivo abierto (Caso II)
VGE abierto
0
-5
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
-5
x 10
r1 [ V ]
15
10
5
r1
0
-5
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
-5
r2 [ V ]
TABLA III. CONDICIONES PARA LAS PRUEBAS DE CIRCUITO
ABIERTO PARA LOS CASOS I Y II.
Dispositivo Bajo Prueba (DUT) IGBT-CM1000HA-28H
50V
5A
12V
10Ω
10kHz
-8
-6
-4
-2
0
2
4
VGE [ V ]
-5
x 10
r1
-8
-6
-4
-2
0
2
4
[1]
r1 [ V ]
[3]
-5
x 10
r2 [ V ]
r2
0
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
4
[5]
6
-5
x 10
r3 [ V ]
5
r3
0
-5
[6]
-10
-8
-6
-4
-2
Tiempo [ s ]
0
2
4
8
10
12
x 10
5
r3
0
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
-5
x 10
REFERENCIAS
[4]
6
5
-5
6
De acuerdo con los resultados obtenidos, se demostró que
es posible detectar las fallos de corto circuito y circuito abierto
en los dispositivos IGBT a través de las señales de puerta
(VGE). El circuito propuesto realiza la detección de manera
muy rápida, en un rango de 100 a 150 ns, el cual se encuentra
dentro de los tiempos de conmutación del IGBT. Es
importante resaltar que la diferencia del circuito propuesto en
este trabajo con los reportados en la literatura, radica en la
detección de dos tipos de fallos (corto circuito y circuito
abierto para los casos particulares que se analizaron), lo cual
lo hace un circuito novedoso y además funcional para la
detección de fallos.
0
-10
4
VI. CONCLUSION
[2]
6
5
-5
2
Figura 14. Comportamiento de las señales indicadoras de fallos para el Caso
II de circuito abierto.
VGE abierto
-10
0
Tiempo [ s ]
Comportamiento de las señales indicadoras de fallos en condiciones de dispositivo abierto (Caso I)
0
-2
10
-5
10
-10
-4
-5
Como puede apreciarse en la Fig. 13 el comportamiento del
voltaje VGE corresponde al patrón del voltaje VGG+, por lo que
de acuerdo a las condiciones de diseño para r3, el estado de la
señal debe ser bajo o nulo. Por lo tanto, el circuito detector
indica que el dispositivo se encuentra abierto, de acuerdo a las
condiciones especificadas para el Caso I.
Continuando con el análisis de los casos de circuito abierto,
corresponde el turno al segundo caso seleccionado de circuito
abierto. La Fig. 14 muestra los resultados obtenidos para el
Caso II de circuito abierto, donde se observa el
comportamiento característico del voltaje de puerta VGE de
acuerdo con el caso de estudio. El comportamiento que debe
presentar es un estado alto, con un patrón similar al voltaje
VGG+. EL patrón de r3 está en función del voltaje de puerta
VGE, como en este caso se considera que la señal es nula y
debido a que en el circuito detector se realiza una diferencia
entre las señales VGG+ y VGE, el resultado es un estado alto.
20
-6
15
r3 [ V ]
Voltaje de alimentación
Corriente de colector
Voltaje de activación de puerta
Resistencia de puerta
Frecuencia de conmutación
r2
0
-5
Vcd
IC
VGG+
RG
fs
x 10
5
6
-5
x 10
Figura 13. Comportamiento de las señales indicadoras de fallos para el Caso I
de circuito abierto.
Es importante observar que el comportamiento de r1 es
diferente al mostrado en los demás casos estudiados. Este
patrón de comportamiento se debe a que el voltaje VGE es
nulo. El comportamiento único que presenta r1 puede ser de
gran ayuda en combinación con r3, para el diseño de una etapa
posterior de decisión la cual indique el estado de operación del
dispositivo.
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[8]
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1999.
Eligio Flores Rodríguez: was born in Tancitaro, Michoacan,
Mexico in 1982. He received the degree in Electromechanical
Engineering from the Superior Technological Institute of Los
Reyes (ITSLR), Los Reyes, Michoacan, Mexico, in 2007. He
received the M. Sc. degree in electronics engineering from
the National Center for Research and Technological
Development (CENIDET), Cuernavaca, Morelos, Mexico, in
2014. He is currently developing his doctoral thesis in the Department of
Electronics Engineering of CENIDET. His field of major interests is failure
detection in semiconductor devices and fault tolerant converters.
Abraham Claudio Sánchez: He has obtained his B.Sc.
degree and M.Sc. degree in Electrical Engineering from the
Instituto Tecnologico de la Laguna, Mexico in 1983 and 1987
respectively. The PhD degree in Electrical Engineering from
the Institut National Politéchnique de Grenoble (INPG),
France in 1995. He realized a Post doctorate research at the
Center for Power Electronics Systems-CPES from the Virginia Polytechnic
Institute and State University in 2002. Dr. Claudio-Sanchez is full time
researcher-professor since 1987 at the National Center for Research and
Technological Development (CENIDET) in the power electronics group. His
field of major interest and experience is characterization and modeling of
power semiconductor devices, and he has affinity with other related topics like
AC motor control, fault detection topics.
Jesus Aguayo Alquicira, was born in Morelos, México, in
1972. He received the degree in electronics engineering from
the Technological Institute of Zacatepec, Zacatepec, Morelos,
México, in 1995. He received the M. Sc. and Ph. D. degrees
in electronics engineering in the area of power electronics
from the National Center for Research and Technological
Development (CENIDET), Cuernavaca, Morelos, México, in 2000 and 2004
respectively. Since 2006, he has been with the CENIDET, Cuernavaca, as a
full-time professor in the power electronics group. His field of major interest
and experience is fault-tolerant system and characterization of power
semiconductor devices; he has affinity with other related topics like multilevel
inverter and induction motor drive.
Leobardo Hernández González, was born in Mexico City,
Mexico. He received the B.Sc. degree in electronics
communications engineering and M. Sc. degree in
Microelectronics degree from the National Polytechnic
Institute of México City in 1991 and 1999 respectively. The
Ph.D. degree in electronics engineering in the area of Power
Electronics from the National Center for Research and
Technological Development (CENIDET), Cuernavaca, Mexico in 2001.Since
1992, he is a full time professor in the ESIME of the National Polytechnic
Institute of Mexico in the Microelectronics Department. Her research interests
are: Modeling of Power Devices, Failure Detection and Characterization.