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PTC加热器的热仿真

用户仅需注册并登录MyROHM账号，即可使用ROHM Solution Simulator这一在线仿真工具，并提供丰富的Solution Circuit（电路解决方案）。为了便于用户进行热仿真，提供包括PTC（Positive Temperature Coefficient）加热器、线性稳压器等各种热仿真用的电路。

在“PTC加热器的热仿真”一文中，将为大家介绍PTC加热器热仿真中的仿真电路图及仿真实施方法。

本文将为大家介绍PTC加热器热仿真中的仿真电路图及仿真实施方法。另外，本文的数据来源——《PTC加热器热仿真用户指南》可从以下链接下载：

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

PTC加热器的热仿真电路与仿真方法

本节将介绍PTC加热器热仿真中所使用的仿真电路图及仿真实施方法。

PTC（Positive Temperature Coefficient）加热器是一种利用温度升高时电阻也随之增大的正温度系数特性（PTC特性）的自我控制型加热设备。由于其温度会随时间推移而趋于稳定，因此可以说是一种低功耗型加热器。下面将介绍可同步执行PTC加热器电气仿真与内置元器件温度仿真的仿真电路及环境，并介绍其使用方法。通过调整组件参数，可在多种条件下执行仿真。

PTC加热器的热仿真电路图示例

下面是PTC加热器的热仿真电路图。黑色和蓝色线路表示电气仿真电路，红色线路表示热仿真电路。该电路采用的是三个开关器件IGBT（绝缘栅双极型晶体管）并联的结构。各IGBT均连接有负载电阻（加热器），可独立驱动。负载电流通过3个IGBT的ON/OFF只能进行3档调节，并未设计采用开关方式进行微调的功能。另外，该电路还配备了保护电路，通过分流电阻检测3个负载的总电流并进行过电流保护。该热仿真电路通过将电气仿真计算出的器件损耗与普通PTC加热器（包含水冷环境）转化为热仿真模型（ROM*1），进而计算出IGBT和分流电阻的温度。

*1 ROM（Reduced Order Model）：采用可将3D-CAE构建的模型降维至1D的降维技术所创建的模型

仿真电路

图中右侧的四段曲线图，分别表示3个IGBT和分流电阻的结温（Junction Temperature，Tj）。启动后，3个IGBT的结温随时间逐渐上升，约在4,334秒后趋于稳定，保持在125℃左右。中间的曲线图表示流经分流电阻RSHUNT的电流值（3个负载的总电流），左侧曲线图表示过电流保护电路的输出电压。中间和左侧的曲线图，约在2,000秒后趋于稳定。

PTC加热器的热仿真方法

Simulation Settings（仿真设置）与执行

执行热仿真时，仅需点击上图中绿色的Run（运行）按钮▶即可开始。点击齿轮图标即可设置仿真条件。初始状态下，系统已预设条件并显示仿真结果。修改仿真条件后执行热仿真，温度曲线图等将随之更新。

仿真与参数设置、过电流保护、热仿真模型

本节将介绍PTC加热器热仿真相关的仿真设置、参数设置、过电流保护以及热仿真模型。

PTC加热器的热仿真：仿真设置

组件的参数定义

仿真时间和收敛选项等仿真设置可以通过上述面的“Simulation Settings（仿真设置）”进行设置，表中列出了仿真的初始设置。如果遇到仿真收敛问题，可以通过更改具体选项来解决。在“Manual Options（手动选项）”中已经定义电路的仿真温度和各种参数。

Simulation Settings的初始值

PTC加热器的热仿真：参数设置

上图中蓝色标注的组件需要设置仿真条件，因此我们采用手动选项来定义参数。下表中列出了参数的初始值。如下图所示，这些数值需填写在仿真设置的“Manual Options”的文本框内。

参数的初始值

仿真条件的参数定义

PTC加热器的热仿真：过电流保护

下图为过电流保护电路。负载电流通过采用分流电阻和运算放大器的低边检测电路进行检测。流经负载的总电流会因分流电阻而产生\(ΔV_{SHUNT}\)的电压。运算放大器将该电压进行差分放大，当超过”Voltage to Digital”阶段的阈值时，下一级开关即会导通并启动保护功能。当忽略运算放大器的输入失调电压时，运算放大器的输出\(V_O\)可通过下面的公式表示：

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

默认电路参数为\(I_{LOAD}\)=30A、\(R_{SHUNT}\)=1mΩ、\(R1\)=2kΩ、\(R2\)=120kΩ，因此将输出\(V_O\)=1.8V。”Voltage to Digital”的阈值已设定为2V（过电流≒33.3A），因此保护功能不会启动。

过电流保护电路

PTC加热器的热仿真：热仿真模型

下图中的“PTC-heater”符号表示PTC加热器的热仿真模型（ROMsup*1）。另外，PTC加热器热仿真模型的引脚说明见下表。
*1 ROM（Reduced Order Model）：采用可将3D-CAE构建的模型降维至1D的降维技术所创建的模型

热仿真模型

热仿真模型的引脚说明

• S_S_xxxx引脚可通过输入器件损耗值来监测器件温度。
• F_xxxx引脚连接”tc_amb”，并设置为该位置的温度值。
• S_M_xxxx引脚可用于监测IGBT的封装温度和分流电阻的引线温度。

PTC加热器的热仿真：组件和物料清单

本节将介绍PTC加热器热仿真中的组件与物料清单以及相关文件。

下图列出了PTC加热器热仿真中使用的主要组件名称。各组件的初始值请参照下表。部分组件支持从预先配备的组件清单中选择所需产品。后面一个表格中列出了可更换的组件及其产品名称清单。更改组件名称的步骤如后一个图所示，在组件上右键单击，选择”Properties”选项，然后从“Property Editor”的“Spicelib Part”中选择要使用的产品名称。

主要组件名称、组件初始值

可变更组件和产品名称清单

所用组件的产品名称变更

・相关文件链接

• 产品规格书请分别通过以下链接查阅：
  IGBT（TO247封装）
  分流电阻器PSR系列
  接地检测运算放大器
• 应用指南请通过下面的链接查阅：
  低边电流检测电路设计

PTC加热器热仿真的3D（三维）模型

本节将介绍PTC加热器热仿真中的3D（三维）模型。

下图是创建PTC加热器热仿真模型（ROM*1）时使用的3D（三维）模型示意图。另外，在下表中列出了PTC加热器的结构信息。

*1 ROM（Reduced Order Model）：采用可将3D-CAE构建的模型（三维）降维至1D（一维）的降维技术所创建的模型

PTC加热器的3D（三维）示意图

PTC加热器的结构信息

*2 为缩短仿真时间，未考虑铝制外壳部分的热容量。