PTC加熱器的熱模擬

目錄

• ・PTC加熱器的熱模擬電路與模擬方法
• ・模擬與參數設置、過電流保護、熱模擬模型
• ・PTC加熱器的熱模擬：元件和物料清單
• ・PTC加熱器熱模擬的3D（三維）模型

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在“PTC加熱器的熱模擬”一文中，將為大家介紹PTC加熱器熱模擬中的模擬電路圖及模擬實施方法。

本文將為大家介紹PTC加熱器熱模擬中的模擬電路圖及模擬實施方法。另外本文的資料來源—《PTC加熱器熱模擬使用者指南》可從下方連結下載：

https://fscdn.rohm.com/en/products/databook/applinote/common/ptc_heater_thermal_simulation_ug-e.pdf

PTC加熱器的熱模擬電路與模擬方法

本節將介紹PTC加熱器熱模擬中所使用的模擬電路圖及模擬實施方法。

PTC（Positive Temperature Coefficient）加熱器是一種利用溫度升高時電阻也隨之增大的正溫度係數特性（PTC特性）的自我控制型加熱設備。由於其溫度會隨時間推移而趨於穩定，因此可以說是一種低功耗型加熱器。下面將介紹可同步執行PTC加熱器電氣模擬與內建元件溫度模擬的模擬電路及環境，並介紹其使用方法。透過調整元件參數，可在多種條件下執行模擬。

PTC加熱器的熱模擬電路圖示例

下方是PTC加熱器的熱模擬電路圖。黑色和藍色線路表示電氣模擬電路，紅色線路表示熱模擬電路。該電路採用的是三個開關元件IGBT（絕緣閘雙極型電晶體）並聯的結構。各IGBT均連接有負載電阻（加熱器），可獨立驅動。負載電流透過3個IGBT的ON/OFF只能進行3檔調節，並未設計採用開關方式進行微調的功能。另外該電路還配備了保護電路，透過分流電阻檢測3個負載的總電流並進行過電流保護。該熱模擬電路透過將電氣模擬計算出的元件損耗與普通PTC加熱器（包含水冷環境）轉化為熱模擬模型（ROM^*1），進而計算出IGBT和分流電阻的溫度。

*1 ROM（Reduced Order Model）：採用可將3D-CAE構建的模型降維至1D的降維技術所創建的模型

模擬電路

圖中右側的四段曲線圖，分別表示3個IGBT和分流電阻的接面溫度（Junction Temperature，Tj）。啟動後，3個IGBT的接面溫度隨時間逐漸上升，約在4,334秒後趨於穩定，保持在125℃左右。中間的曲線圖表示流經分流電阻RSHUNT的電流值（3個負載的總電流），左側曲線圖表示過電流保護電路的輸出電壓。中間和左側的曲線圖，約在2,000秒後趨於穩定。

PTC加熱器的熱模擬方法

Simulation Settings（模擬設置）與執行

執行熱模擬時，僅需點擊上圖中綠色的Run（運行）按鈕▶即可開始。點擊齒輪圖示即可設置模擬條件。初始狀態下，系統已預設條件並顯示模擬結果。修改模擬條件後執行熱模擬，溫度曲線圖等將隨之更新。

模擬與參數設置、過電流保護、熱模擬模型

本節將介紹PTC加熱器熱模擬相關的模擬設置、參數設置、過電流保護以及熱模擬模型。

PTC加熱器的熱模擬：模擬設置

組件的參數定義

模擬時間和收斂選項等模擬設置可以透過上述面的“Simulation Settings（模擬設置）”進行設置，表中列出了模擬的初始設置。如果遇到模擬收斂問題，可以透過更改具體選項來解決。在“Manual Options（手動選項）”中已經定義電路的模擬溫度和各種參數。

Simulation Settings的初始值

PTC加熱器的熱模擬：參數設置

上圖中藍色標注的元件需要設置模擬條件，因此我們採用手動選項來定義參數。下表中列出了參數的初始值。如下圖所示，這些數值需填寫在模擬設置的“Manual Options”的文字方塊內。

參數的初始值

模擬條件的參數定義

PTC加熱器的熱模擬：過電流保護

下圖為過電流保護電路。負載電流透過採用分流電阻和運算放大器的低邊檢測電路進行檢測。流經負載的總電流會因分流電阻而產生ΔV_SHUNT的電壓。運算放大器將該電壓進行差分放大，當超過”Voltage to Digital”階段的閾值時，下一級開關即會導通並啟動保護功能。當忽略運算放大器的輸入失調電壓時，運算放大器的輸出V_O可透過下面的公式表示：

\(V_O = I_{LOAD} \times R_{SHUNT} \times \displaystyle \frac{R2}{R1} \quad [V]\ 1\)

預設電路參數為I_LOAD =30A、R_SHUNT =1mΩ、R1=2kΩ、R2=120kΩ，因此將輸出V_O=1.8V。”Voltage to Digital”的閾值已設定為2V（過電流≒33.3A），因此保護功能不會啟動。

過電流保護電路

PTC加熱器的熱模擬：熱模擬模型

下圖中的“PTC-heater”符號表示PTC加熱器的熱模擬模型（ROM^*1）。另外PTC加熱器熱模擬模型的引腳說明見下表。

*1 ROM（Reduced Order Model）：採用可將3D-CAE構建的模型降維至1D的降維技術所創建的模型

熱模擬模型

熱模擬模型的引腳說明

• ・ S_S_xxxx引腳可透過輸入元件損耗值來監測元件溫度。
• ・ F_xxxx引腳連接”tc_amb”，並設置為該位置的溫度值。
• ・ S_M_xxxx引腳可用於監測IGBT的封裝溫度和分流電阻的引線溫度。

PTC加熱器的熱模擬：元件和物料清單

本節將介紹PTC加熱器熱模擬中的元件與物料清單以及相關檔。

下圖列出了PTC加熱器熱模擬中使用的主要元件名稱。各組件的初始值請參照下表。部分元件支援從預先配備的元件清單中選擇所需產品。後面一個表格中列出了可更換的元件及其產品名稱清單。更改元件名稱的步驟如後一個圖所示，在元件上按右鍵，選擇”Properties”選項，然後從“Property Editor”的“Spicelib Part”中選擇要使用的產品名稱。

主要元件名稱、元件初始值

可變更元件和產品名稱清單

所用元件的產品名稱變更

・相關檔案連結

• 產品規格書請分別透過以下連結查閱：
  IGBT（TO247封裝）
  分流電阻PSR系列
  接地檢測運算放大器
  應用指南請透過下面的連結查閱：
  低側電流檢測電路設計

PTC加熱器熱模擬的3D（三維）模型

本節將介紹PTC加熱器熱模擬中的3D（三維）模型。

下圖是創建PTC加熱器熱模擬模型（ROM^*1）時使用的3D（三維）模型示意圖。另外在下表中列出了PTC加熱器的結構資訊。

*1 ROM（Reduced Order Model）：採用可將3D-CAE構建的模型（三維）降維至1D（一維）的降維技術所創建的模型

PTC加熱器的3D（三維）示意圖

PTC加熱器的結構資訊

*2 為縮短模擬時間，未考慮鋁制外殼部分的熱容量。