作者 / Alain Stas 威世科技 (Vishay)

　　Alain Stas，Vishay(威世科技)非線性電阻器產(chǎn)品營銷工程師。擁有Université libre de Bruxelles (ULB)物理學系土木工程專業(yè)碩士學位，專業(yè)是固態(tài)電子。

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

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

　　因此，低環(huán)境溫度時，PTC將正常電流送入電路，高于Ts點時開路。然而，在實踐中，PTC動作背后的現(xiàn)象非常復雜，描述各種現(xiàn)象的方程式幾乎沒有。

　　如果應用中需要使用PTC，有兩種基本研究方法。第一種是高度科學的方式。 例如，您可能讀過有關(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。

　　如果沒有時間專門研究，第二種方法是直接查看元件數(shù)據(jù)手冊。請務必閱讀Vishay文檔“PTC使用條件說明”^[2]，其中介紹了許多PTC參數(shù)，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(zhàn)。一定要有足夠的時間，因為設計實用PTC是一項棘手的工作 (我們還沒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的方法，一種隨意即插即用的方法，如果要求不算過分的話。

1 導入 LTspice

　　當SPICE模型經(jīng)過精心設計 (通常是所有電路仿真模型專家共同努力的結(jié)果)，的確能夠真實反映各種技術(shù)指標。此外，它們可以將所有建模指標同時組合在一次模擬中，顯示指標之間的相互作用。壓敏效應、熱質(zhì)量、耗散因數(shù)、環(huán)境溫度效應、電阻溫度變化系數(shù)、跳閘和非跳閘電流，所有這些指標的允差可以同時測試。不需要復雜的解釋。只需根據(jù)常識判斷選擇元件，就可以在模擬過程中觀察復雜的傳導現(xiàn)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時 (PHILIPS Components，注：飛利浦元件公司幾年前被威世收購)。因此，沒有實現(xiàn)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。更新過壓PTC建模的時機已經(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 (過壓保護)，PTCCL (限流器) 和PTCEL (電涌放電器)。

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

　　第二個模擬電路 (圖4) 顯示PTC用作自恢復保險絲。隨時間變化的電壓V (電源) 加到另一個Vishay PTCEL (電涌放電器)。圖4三個部分顯示，一旦進入PTC的電流超過規(guī)定值 (120 mA非跳閘電流)，PTC變熱并在一定時間內(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 (任意時間)(如圖5)，電壓回到220 V時，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。

　　現(xiàn)在，我們進一步仔細研究陶瓷PTC用作插電式混合動力車或電動汽車車載充電器 (OBC)，以及電機驅(qū)動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))。

　　設計問題在于確定需要并聯(lián)多少個PTC (圖6中兩個)，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電壓絕不會接近AC電源擺幅最大值。圖7顯示采用兩個 (紅色曲線)、三個 (黃色曲線) 或四個 (白色曲線)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PTC出現(xiàn)達到最大電壓的問題，特別是在TEMP上升時。采用三個甚至四個時，應用更安全。

　　利用電路模擬可以進行更多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PTC (左側(cè)) 與采用四個PTC (兩組兩個串聯(lián)PTC組成并聯(lián)網(wǎng)絡) 相比，平均電阻相同，但熱量更高。圖9顯示一個PTC (上部)和四個PTC (下部) 電路的模擬結(jié)果。我們可以清楚地看到，PTC網(wǎng)絡在電壓擺幅最大時為電容器充電，而單個PTC在這個電容器充電之前切換。

　　當然，由于目前市場上可選PTC SPICE型號數(shù)量有限，因此無法保證找到滿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建模的推廣剛剛開始，當然，正如俗話所說，羅馬不是一天建成的。值得注意的是，SPICE經(jīng)過30多年的演化，人們?nèi)匀豢梢园l(fā)現(xiàn)沒有現(xiàn)成精確模型的元件類型。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

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