柵極驅(qū)動器和牽引逆變器系統(tǒng)的功能安全

隨著人們對智能化、自動化和環(huán)保終端設(shè)備的需求不斷增長，工業(yè)和汽車的電氣化程度越來越高。在這一趨勢下，人們越來越注重確保電子系統(tǒng)不僅能符合電動汽車性能標(biāo)準(zhǔn)，而且能符合安全標(biāo)準(zhǔn)。特別是在汽車領(lǐng)域，在牽引逆變器系統(tǒng)中使用可配置的隔離式柵極驅(qū)動器正成為提高電動汽車性能和簡化功能安全設(shè)計及認(rèn)證的重要方法。隨著汽車制造商轉(zhuǎn)向牽引逆變器等電子系統(tǒng)，我們的安全標(biāo)準(zhǔn)也必須覆蓋此類系統(tǒng)。

傳統(tǒng)的“產(chǎn)品安全”是指消除電擊、火災(zāi)和機械危害的風(fēng)險，而“功能安全”則專門指消除電子電氣系統(tǒng)故障的風(fēng)險。隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，許多設(shè)計人員不得不快速熟悉功能安全的廣泛內(nèi)容。在本文中，我將簡要介紹功能安全，并提供與 TI 柵極驅(qū)動器和電動汽車牽引逆變器系統(tǒng)相關(guān)的示例。

闡述功能安全術(shù)語

為了盡可能減少設(shè)備失效和人身傷害，系統(tǒng)設(shè)計和流程必須按照國際標(biāo)準(zhǔn)解決硬件故障。常見的標(biāo)準(zhǔn)包括ISO 26262（針對汽車設(shè)備）和IEC 61508（針對工業(yè)設(shè)備）。

硬件故障有兩種類型：

● 系統(tǒng)故障，由設(shè)計或制造工藝中的錯誤引起。工程師可以通過持續(xù)的流程改進(jìn)來減少系統(tǒng)故障。

● 隨機故障，由流程或使用條件固有的缺陷引起。工程師無法完全消除隨機故障。

ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)之一是降低隨機故障的概率。汽車安全完整性等級 （ASIL） 代表風(fēng)險等級，具有設(shè)定的概率閾值，其等級范圍是從 ASIL-A到 ASIL-D。該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步將隨機故障分為單點故障和潛在故障。在沒有安全機制的情況下，單點故障違背安全目標(biāo)。例如，過壓鎖定機制旨在檢測器件輸出端的過壓。多點失效是由多個直接違背安全目標(biāo)的獨立故障（多點故障）導(dǎo)致的。潛在故障是既沒有被安全機制檢測到，也沒有被駕駛員感知到的多點故障。例如，過壓鎖定機制中發(fā)生的故障會導(dǎo)致其無法檢測到過壓故障。如果其他安全機制（例如啟動時的診斷測試）未檢測到或未被駕駛員感知，則這是潛在故障。因此，嚴(yán)格的 ASIL設(shè)計需要監(jiān)控和診斷電路。

為幫助客戶開發(fā)其功能安全系統(tǒng)設(shè)計，TI 功能安全產(chǎn)品是按照 TI 的內(nèi)部產(chǎn)品開發(fā)流程（符合 ISO 26262）開發(fā)的，例如，TI 開發(fā)的首款適用于牽引逆變器等應(yīng)用的功能安全合規(guī)型隔離式柵極驅(qū)動器 UCC5870-Q1。TI 提供的功能安全相關(guān)文檔將有助于使系統(tǒng)設(shè)計能夠符合 ISO 26262 ASIL D 標(biāo)準(zhǔn)。

利用文檔進(jìn)行功能安全分析

TI 的隔離式柵極驅(qū)動器產(chǎn)品系列包括每個功能安全類別的器件，比如從我們較為簡單的 TI 功能安全型柵極驅(qū)動器，到較為復(fù)雜的 TI 功能安全合規(guī)型柵極驅(qū)動器，每個類別都能提供不同的資源來幫助設(shè)計人員簡化設(shè)計認(rèn)證過程。圖 1 顯示的表格定義了每個類別，其分析資源包括：

● 時基故障 （FIT） 率，這是對產(chǎn)品運行累計十億小時內(nèi)可能發(fā)生的故障數(shù)量的預(yù)測。

● 失效模式影響和診斷分析 （FMEDA）、失效模式的發(fā)生概率和診斷的量化有效性。

● 故障樹分析 （FTA），用于對運行期間的隨機故障進(jìn)行定性分析。

時基故障率是隨機的硬件故障指標(biāo)。這方面的一個例子是硬件隨機故障概率指標(biāo) （PMHF）。還有單點故障 （SPFM） 和潛在故障 （LFM） 的故障指標(biāo)。ISO26262 為每個 ASIL等級定義了可接受的時基故障率值。例如，ASIL-D 要求 SPFM ≥99%，LFM ≥90%，PMHF ≤10 FIT。ISO 26262 描述了兩種類型的安全分析 - 演繹和歸納。演繹分析，如 FTA，是一種自上而下的方法。歸納分析，如 FMEDA，是一種自下而上的方法。汽車制造商定義他們的安全目標(biāo)并在整車層面實現(xiàn)，TI 的功能安全文檔則支持產(chǎn)品級別的硬件分析。

識別牽引逆變器失效模式并做好應(yīng)對準(zhǔn)備

牽引逆變器失效模式可能有機械和電子原因。功能安全設(shè)計側(cè)重于識別電子原因引起的失效并啟用相應(yīng)的安全機制。例如，牽引逆變器系統(tǒng)中的扭矩不足可能源于機械原因或電子原因（例如功率晶體管短路或柵極驅(qū)動器損壞）。為了防止暴露此類風(fēng)險，功能安全標(biāo)準(zhǔn)定義了評估風(fēng)險級別的方法。考慮到這些準(zhǔn)則，功能安全系統(tǒng)的設(shè)計可能包括功率晶體管保護(hù)電路和柵極驅(qū)動器診斷。

ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)允許功能安全系統(tǒng)設(shè)計使用 TI 各功能安全類別的器件。保護(hù)和診斷電路可以位于柵極驅(qū)動器外部，也可以集成到柵極驅(qū)動器中。TI 功能安全質(zhì)量管理型（中級功能安全類別）柵極驅(qū)動器（例如 UCC21736-Q1）具有一組基本的集成保護(hù)功能，您仍然可以考慮將這些器件用于功能安全系統(tǒng)設(shè)計，但可能需要使用外部電路來進(jìn)行補充設(shè)計。UCC5870-Q1 是一款 TI 功能安全合規(guī)型隔離式柵極驅(qū)動器，集成了保護(hù)、診斷和故障報告功能，可簡化功能安全系統(tǒng)設(shè)計。圖 2 比較了三個具有不同功能安全類別和不同功能集成級別的隔離式柵極驅(qū)動器。

為了支持這種更高的設(shè)計復(fù)雜性，UCC5870-Q1 包含內(nèi)置自檢 （BIST），以防止保護(hù)功能無法檢測到的潛在故障。與 TI 功能安全合規(guī)型器件非常相似，牽引逆變器系統(tǒng)的失效模式也非常復(fù)雜。諸如電機意外停機之類的失效模式可能源于電源管理 IC、微控制器、電機或柵極驅(qū)動器，且與許多必需的保護(hù)功能相關(guān)，例如，集成到 UCC5870-Q1 中的下列每項功能中都有助于防止受到扭矩干擾：

● 欠壓和過壓鎖定

● 去飽和檢測和過流保護(hù)

● 2 級關(guān)斷和軟關(guān)斷

● VCE電壓監(jiān)控和鉗位

● 集成模數(shù)轉(zhuǎn)換器（用于監(jiān)控柵極驅(qū)動器次級（高壓）側(cè)的電壓，如開關(guān)管或柵極驅(qū)動器溫度）

隨著系統(tǒng)的復(fù)雜性和電氣化程度越來越高，失效模式和隨機故障的管理也變得越來越復(fù)雜。為了滿足現(xiàn)代系統(tǒng)的需求，UCC5870-Q1 集成了保護(hù)、診斷和故障報告功能，符合 ISO 26262 和混合動力及電動汽車牽引逆變器的系統(tǒng)設(shè)計要求。