采用LTspice設計PTC限流保護器件

作者 / Alain Stas 威世科技 (Vishay)

　　Alain Stas，Vishay(威世科技)非線(xiàn)性電阻器產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)工程師。擁有Université libre de Bruxelles (ULB)物理學(xué)系土木工程專(zhuān)業(yè)碩士學(xué)位，專(zhuān)業(yè)是固態(tài)電子。

　　陶瓷PTC元件通常用于過(guò)流電路保護。它們的工作原理比較簡(jiǎn)單。其電阻特性隨溫度變化如圖所示(圖1)。

　　低溫時(shí) (正常電壓)，元件電阻低，出現電涌、過(guò)壓或外部溫度升高時(shí)元件變熱。當元件熱量達到切換溫度 (Ts) 時(shí)，阻值急劇增加。這種Ts由制造元件使用的材料決定，可通過(guò)適當混合氧化物鋇 (鍶、鉛) TiO3隨意調整。

　　因此，低環(huán)境溫度時(shí)，PTC將正常電流送入電路，高于Ts點(diǎn)時(shí)開(kāi)路。然而，在實(shí)踐中，PTC動(dòng)作背后的現象非常復雜，描述各種現象的方程式幾乎沒(méi)有。

　　如果應用中需要使用PTC，有兩種基本研究方法。第一種是高度科學(xué)的方式。 例如，您可能讀過(guò)有關(guān)Heywang模型^[1]的文章，深入了解晶界電阻率變化的有趣原理，以及居里溫度效應。

　　如果沒(méi)有時(shí)間專(zhuān)門(mén)研究，第二種方法是直接查看元件數據手冊。請務(wù)必閱讀Vishay文檔“PTC使用條件說(shuō)明”^[2]，其中介紹了許多PTC參數，從Ts到壓敏電阻 (VDR) 效應以及跳閘和非跳閘電流。高性能設計必須考慮所有這些特性。

　　這兩種基本方法需要具備豐富的知識并對設計能力提出挑戰。一定要有足夠的時(shí)間，因為設計實(shí)用PTC是一項棘手的工作 (我們還沒(méi)談到分析上述所有參數允差的影響)。

　　因此，人們想知道是否還有可以直接試錯的方法，一種隨意即插即用的方法，如果要求不算過(guò)分的話(huà)。

1 導入 LTspice

　　當SPICE模型經(jīng)過(guò)精心設計 (通常是所有電路仿真模型專(zhuān)家共同努力的結果)，的確能夠真實(shí)反映各種技術(shù)指標。此外，它們可以將所有建模指標同時(shí)組合在一次模擬中，顯示指標之間的相互作用。壓敏效應、熱質(zhì)量、耗散因數、環(huán)境溫度效應、電阻溫度變化系數、跳閘和非跳閘電流，所有這些指標的允差可以同時(shí)測試。不需要復雜的解釋。只需根據常識判斷選擇元件，就可以在模擬過(guò)程中觀(guān)察復雜的傳導現象。

　　研究最流行的仿真軟件之后，似乎唯一適于電子PTC建模的軟件是TINA TI，但用于建模的元件嚴重過(guò)時(shí) (PHILIPS Components，注：飛利浦元件公司幾年前被威世收購)。因此，沒(méi)有實(shí)現的可能，除此之外，任何供應商的電路似乎都不可能導入PTC模型——到目前為止。更新過(guò)壓PTC建模的時(shí)機已經(jīng)成熟，為此筆者選擇速度最快的軟件：ADI公司的LTspice。這一軟件適用于Vishay的PTCTL (過(guò)壓保護)，PTCCL (限流器) 和PTCEL (電涌放電器)。

　　為了論證，我們來(lái)看圖2中的模擬電路。這個(gè)小電路說(shuō)明當串聯(lián)1000Ω 負載電阻的Vishay PTCCL05H100SBE (R25 =1600Ω) AC過(guò)壓達到800 V、50 Hz時(shí)PTC的切換情況。模擬在三個(gè)溫度條件下重復。隨著(zhù)PTC變熱電流下降(如圖3)，表明環(huán)境溫度升高切換時(shí)間縮短。再來(lái)看電流扁平時(shí)的情況，這時(shí)電流接近0;這是VDR效果。低電壓時(shí)，PTC是在電阻升高。

　　第二個(gè)模擬電路 (圖4) 顯示PTC用作自恢復保險絲。隨時(shí)間變化的電壓V (電源) 加到另一個(gè)Vishay PTCEL (電涌放電器)。圖4三個(gè)部分顯示，一旦進(jìn)入PTC的電流超過(guò)規定值 (120 mA非跳閘電流)，PTC變熱并在一定時(shí)間內切換到高阻值，取決其電阻允差 (蒙特卡羅分析)。在1300 s之后 (任意時(shí)間)(如圖5)，電壓回到220 V時(shí)，PTC保持高電阻切換狀態(tài) (中間部分)，電源電壓值需要下調 (t = 1800 s)，使PTC溫度降下來(lái)。

　　現在，我們進(jìn)一步仔細研究陶瓷PTC用作插電式混合動(dòng)力車(chē)或電動(dòng)汽車(chē)車(chē)載充電器 (OBC)，以及電機驅動(dòng)器電源的電涌限流器。

　　圖6示例中，三相變壓器次級繞組 (ph1至ph3) 經(jīng)DC-Link電容器C1進(jìn)行電壓整流濾波之后為負載供電。出于這種模擬的目的，圖6中未顯示負載 (通常與C1并聯(lián))。

　　設計問(wèn)題在于確定需要并聯(lián)多少個(gè)PTC (圖6中兩個(gè))，以確保正常條件下不產(chǎn)生PTC切換。PTC切換的情況下，電容器C1電壓絕不會(huì )接近AC電源擺幅最大值。圖7顯示采用兩個(gè) (紅色曲線(xiàn))、三個(gè) (黃色曲線(xiàn)) 或四個(gè) (白色曲線(xiàn))并聯(lián)PTC，三種環(huán)境溫度條件下 (0℃、25℃和50℃) 模擬C1充電電壓。我們看到，只有采用兩個(gè)PTC出現達到最大電壓的問(wèn)題，特別是在TEMP上升時(shí)。采用三個(gè)甚至四個(gè)時(shí)，應用更安全。

　　利用電路模擬可以進(jìn)行更多PTC串并聯(lián)組合測試 (按照部分供應商的建議 ^[3] )。圖8示例中，同一電路僅采用一個(gè)PTC (左側) 與采用四個(gè)PTC (兩組兩個(gè)串聯(lián)PTC組成并聯(lián)網(wǎng)絡(luò )) 相比，平均電阻相同，但熱量更高。圖9顯示一個(gè)PTC (上部)和四個(gè)PTC (下部) 電路的模擬結果。我們可以清楚地看到，PTC網(wǎng)絡(luò )在電壓擺幅最大時(shí)為電容器充電，而單個(gè)PTC在這個(gè)電容器充電之前切換。

　　當然，由于目前市場(chǎng)上可選PTC SPICE型號數量有限，因此無(wú)法保證找到滿(mǎn)足所有預期的合適元件。這種情況不必擔心，好的老方法仍然適用。

　　SPICE PTC建模的推廣剛剛開(kāi)始，當然，正如俗話(huà)所說(shuō)，羅馬不是一天建成的。值得注意的是，SPICE經(jīng)過(guò)30多年的演化，人們仍然可以發(fā)現沒(méi)有現成精確模型的元件類(lèi)型。本文中介紹的PTC SPICE模型可在以下網(wǎng)站下載https://www.vishay.com/docs/29184/ltspice_ptcel_cl_tl.zip.

　　演示的模擬電路可發(fā)送電子郵件至edesign.ntc@vishay.com獲取。

　　參考文獻：

　　[1]Sang-Hee Cho.Journal of the Korean Ceramic Society,2006(11):673~679

　　[2] https://www.vishay.com/docs/29007/ptcexpla.pdf[R/OL], 2018

　　[3]https://en.tdk.eu/inf/55/db/PTC/PTC_ICL_OC_Leaded_260V_1000V.pdf[R/OL], 2018

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2018年第12期第23頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。