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采用LTspice設(shè)計(jì)PTC限流保護(hù)器件

作者:Alain Stas 時(shí)間:2018-11-29 來(lái)源:電子產(chǎn)品世界 收藏

作者 / Alain Stas (Vishay)

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201811/395031.htm

  Alain Stas,Vishay()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。

  通常用于過(guò)流電路保護(hù)。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(xiàn)電涌、過(guò)壓或外部溫度升高時(shí)元件變熱。當(dāng)元件熱量達(dá)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(dāng)混合氧化物鋇 (鍶、鉛) TiO3隨意調(diào)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(xiàn)象非常復(fù)雜,描述各種現(xiàn)象的方程式幾乎沒(méi)有。

  如果應(yīng)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(yīng)。

  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(shù)據(jù)手冊(cè)。請(qǐng)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(shù),從Ts到壓敏電阻 (VDR) 效應(yīng)以及跳閘和非跳閘電流。高性能設(shè)計(jì)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(shí)并對(duì)設(shè)計(jì)能力提出挑戰(zhàn)。一定要有足夠的時(shí)間,因?yàn)樵O(shè)計(jì)實(shí)用PTC是一項(xiàng)棘手的工作 (我們還沒(méi)談到分析上述所有參數(shù)允差的影響)。

  因此,人們想知道是否還有可以直接試錯(cuò)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(dǎo)入 LTspice

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

采用LTspice-3.jpg

  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(yán)重過(guò)時(shí) (PHILIPS Components,注:飛利浦元件公司幾年前被威世收購(gòu))。因此,沒(méi)有實(shí)現(xiàn)的可能,除此之外,任何供應(yīng)商的電路似乎都不可能導(dǎo)入PTC模型——到目前為止。更新過(guò)壓PTC建模的時(shí)機(jī)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(hù)),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(dāng)串聯(lián)1000Ω 負(fù)載電阻的Vishay PTCCL05H100SBE (R25 =1600Ω) AC過(guò)壓達(dá)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(fù)。隨著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(fù)保險(xiǎn)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(guī)定值 (120 mA非跳閘電流),PTC變熱并在一定時(shí)間內(nèi)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(diào) (t = 1800 s),使PTC溫度降下來(lái)。

  現(xiàn)在,我們進(jìn)一步仔細(xì)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(jī)驅(qū)動(dòng)器電源的電涌限流器。

  圖6示例中,三相變壓器次級(jí)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(fù)載供電。出于這種模擬的目的,圖6中未顯示負(fù)載 (通常與C1并聯(lián))。

  設(shè)計(jì)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(xiàn)達(dá)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(yīng)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(cè)試 (按照部分供應(yīng)商的建議 [3] )。圖8示例中,同一電路僅采用一個(gè)PTC (左側(cè)) 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(jié)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(dāng)然,由于目前市場(chǎng)上可選PTC SPICE型號(hào)數(shù)量有限,因此無(wú)法保證找到滿(mǎn)足所有預(yù)期的合適元件。這種情況不必?fù)?dān)心,好的老方法仍然適用。

  SPICE PTC建模的推廣剛剛開(kāi)始,當(dāng)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?nèi)匀豢梢园l(fā)現(xiàn)沒(méi)有現(xiàn)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(xiàn):

  [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。



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