【導(dǎo)讀】隨著人們對智能化、自動(dòng)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(dòng)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(dòng)器正成為提高電動(dòng)汽車性能和簡化功能安全設(shè)計(jì)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(jī)械危害的風(fēng)險(xiǎn)，而“功能安全”則專門指消除電子電氣系統(tǒng)故障的風(fēng)險(xiǎn)。隨著技術(shù)的飛速發(fā)展，許多設(shè)計(jì)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(dòng)器和電動(dòng)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(jì)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(jì)或制造工藝中的錯(cuò)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(jī)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(jī)故障。
ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)之一是降低隨機(jī)故障的概率。汽車安全完整性等級 (ASIL) 代表風(fēng)險(xiǎn)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(jī)故障分為單點(diǎn)故障和潛在故障。在沒有安全機(jī)制的情況下，單點(diǎn)故障違背安全目標(biāo)。例如，過壓鎖定機(jī)制旨在檢測器件輸出端的過壓。多點(diǎn)失效是由多個(gè)直接違背安全目標(biāo)的獨(dú)立故障（多點(diǎn)故障）導(dǎo)致的。潛在故障是既沒有被安全機(jī)制檢測到，也沒有被駕駛員感知到的多點(diǎn)故障。例如，過壓鎖定機(jī)制中發(fā)生的故障會(huì)導(dǎo)致其無法檢測到過壓故障。如果其他安全機(jī)制（例如啟動(dòng)時(shí)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(jì)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(jì)，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(dòng)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(jì)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(dòng)器產(chǎn)品系列包括每個(gè)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(dòng)器，到較為復(fù)雜的 TI 功能安全合規(guī)型柵極驅(qū)動(dòng)器，每個(gè)類別都能提供不同的資源來幫助設(shè)計(jì)人員簡化設(shè)計(jì)認(rèn)證過程。圖 1 顯示的表格定義了每個(gè)類別，其分析資源包括：
● 時(shí)基故障 (FIT) 率，這是對產(chǎn)品運(yùn)行累計(jì)十億小時(shí)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(yùn)行期間的隨機(jī)故障進(jìn)行定性分析。
圖 1：TI 各功能安全類別的適用文檔和流程匯總。
時(shí)基故障率是隨機(jī)的硬件故障指標(biāo)。這方面的一個(gè)例子是硬件隨機(jī)故障概率指標(biāo) (PMHF)。還有單點(diǎn)故障 (SPFM) 和潛在故障 (LFM) 的故障指標(biāo)。ISO26262 為每個(gè) ASIL等級定義了可接受的時(shí)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(shí)現(xiàn)，TI 的功能安全文檔則支持產(chǎn)品級別的硬件分析。
識(shí)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(jī)械和電子原因。功能安全設(shè)計(jì)側(cè)重于識(shí)別電子原因引起的失效并啟用相應(yīng)的安全機(jī)制。例如，牽引逆變器系統(tǒng)中的扭矩不足可能源于機(jī)械原因或電子原因（例如功率晶體管短路或柵極驅(qū)動(dòng)器損壞）。為了防止暴露此類風(fēng)險(xiǎn)，功能安全標(biāo)準(zhǔn)定義了評估風(fēng)險(xiǎn)級別的方法?？紤]到這些準(zhǔn)則，功能安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可能包括功率晶體管保護(hù)電路和柵極驅(qū)動(dòng)器診斷。
ISO 26262 標(biāo)準(zhǔn)允許功能安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(dòng)器外部，也可以集成到柵極驅(qū)動(dòng)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(dòng)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(jì)，但可能需要使用外部電路來進(jìn)行補(bǔ)充設(shè)計(jì)。UCC5870-Q1 是一款 TI 功能安全合規(guī)型隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器，集成了保護(hù)、診斷和故障報(bào)告功能，可簡化功能安全系統(tǒng)設(shè)計(jì)。圖 2 比較了三個(gè)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(dòng)器。
圖 2.在 TI 不同功能安全類別和功能集成級別的隔離式柵極驅(qū)動(dòng)器
為了支持這種更高的設(shè)計(jì)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(jī)意外停機(jī)之類的失效模式可能源于電源管理 IC、微控制器、電機(jī)或柵極驅(qū)動(dòng)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(xiàng)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(dòng)器次級（高壓）側(cè)的電壓，如開關(guān)管或柵極驅(qū)動(dòng)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(jī)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(bào)告功能，符合 ISO 26262 和混合動(dòng)力及電動(dòng)汽車牽引逆變器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。
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