TI(德州仪器)栅极驱动器和牵引逆变器系统的功能安全

随着人们对智能、自动化和环保的终端设备的需求不断增长，工业和汽车电子技术的电气化程度也越来越高。

在这一趋势下，人们越来越注重要确保电子系统不仅符合电动汽车性能标准，还要符合安全标准。特别是在汽车领域，在牵引逆变器系统中使用高度可配置的隔离式栅极驱动器，正在成为提高电动汽车性能和简化功能安全认证的一种方法。

传统的“产品安全”是指消除电击、火灾和机械危害的风险，而“功能安全”则专门指消除电气和电子系统危害的风险。随着技术的飞速发展，许多设计人员不得不快速熟悉功能安全的广泛内容。

TI的隔离式栅极驱动器产品系列包括每个功能安全类别的器件，比如从较为简单的TI功能安全型栅极驱动器，到较为复杂的TI功能安全合规型栅极驱动器，每个类别TI都提供不同的资源来帮助设计人员简化认证过程。

这些资源可能包括：

时基故障(FIT)率：这是对产品运行累计十亿小时内可能发生的故障数量的估计；

失效模式影响和诊断分析(FMEDA)：失效模式的发生概率和诊断的量化有效性；

故障树分析(FTA)：用于对运行期间的随机故障进行定性分析。

值得一讲的是，时基故障率是随机的硬件故障指标，这方面的一个例子是硬件随机故障概率指标(PMHF)，还有单点故障 (SPFM) 和潜在故障 (LFM) 的故障指标。ISO26262为每个ASIL定义了可接受的时基故障率值。例如，ASIL D 要求 SPFM ≥99%，LFM ≥90%，PMHF ≤10 FIT。ISO 26262 描述了两种类型的安全分析——演绎和归纳。演绎分析，如FTA，是一种自上而下的方法。归纳分析，如FMEDA，是一种自下而上的方法。汽车制造商定义他们的安全目标并在整车层面实现，TI 的功能安全文档支持产品级别的硬件分析。

其实，牵引逆变器失效模式可能有机械和电子原因。功能安全设计侧重于识别电子原因并启用相应的安全机制。例如，牵引逆变器系统中的扭矩不足事件可能源于机械原因或电子原因(例如功率晶体管短路或栅极驱动器损坏)。为了防止暴露于此类风险，功能安全标准定义了评估风险级别的方法。考虑到这些准则，功能安全系统设计可能包括功率晶体管保护电路和栅极驱动器诊断。

ISO 26262标准允许功能安全系统设计使用TI各功能安全类别的器件，保护和诊断电路可以位于栅极驱动器外部，也可以集成到栅极驱动器中。TI功能安全质量管理型(中级功能安全类别)栅极驱动器(例如 UCC21736-Q1)具有一组基本的集成保护功能，仍然可以考虑将这些器件用于功能安全系统设计，但可能需要使用外部电路来补充设计。UCC5870-Q1 是一款TI功能安全合规型隔离式栅极驱动器，集成了保护、诊断和故障报告功能，可简化功能安全系统设计。

为了支持这种更高的复杂性，UCC5870-Q1包含内置自检 (BIST)，以防止保护功能无法检测到的潜在故障。与TI功能安全合规型器件非常相似，牵引逆变器系统的失效模式也可能非常复杂。诸如电机意外停机之类的失效模式可能源于电源管理 IC、微控制器、电机或栅极驱动器，并与许多必需的保护功能相关。

例如，集成到UCC5870-Q1中的下列每项功能中都有助于防止受到扭矩干扰：

欠压和过压锁定；

去饱和检测和过流保护；

2级关断和软关断；

集电极至发射极的电压 (VCE) 监控和钳位；

一个模数转换器(用于监控栅极驱动器次级(高压)侧的电压，如开关管或栅极驱动器温度)。

随着系统的复杂性和电气化程度越来越高，失效模式和随机故障的管理也变得越来越复杂。为了满足现代系统的需求，UCC5870-Q1集成了保护、诊断和故障报告功能，符合ISO 26262和(混合动力)电动汽车牵引逆变器的要求。

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