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PTC 히터의 열 시뮬레이션

2025.07.09

목차

MyROHM에 등록하는 것만으로 이용이 가능한 Web 시뮬레이션 툴 ROHM Solution Simulator에는 다수의 Solution Circuit이 제공되고 있습니다. 열 시뮬레이션용으로 PTC (Positive Temperature Coefficient) 히터, 리니어 레귤레이터 등, 다양한 열 시뮬레이션용 회로가 구비되어 있습니다.

본 기사에서는 PTC 히터의 열 시뮬레이션을 주제로, 시뮬레이션 회로도의 설명과 시뮬레이션 실행 방법에 대해 소개하겠습니다. 본 기사의 기본 자료인 「User’s Guide PTC 히터 열 시뮬레이션」은 하기 링크에서 다운로드 가능합니다.

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

PTC 히터의 열 시뮬레이션 회로와 방법

그럼 먼저 PTC 히터의 열 시뮬레이션 시, 시뮬레이션 회로도의 설명과 시뮬레이션 실행 방법에 대해 소개하겠습니다.

PTC (Positive Temperature Coefficient) 히터는 온도가 상승하면 저항도 상승하는 정온도 계수 (PTC 특성)를 이용한 자가제어형 히터로, 시간의 경과에 따라 온도가 안정되기 때문에 저소비전력 타입이라고 할 수 있습니다. 이러한 PTC 히터의 전기 시뮬레이션과 내장 디바이스의 온도 시뮬레이션을 동시에 실행할 수 있는 시뮬레이션 회로 및 환경을 소개하고, 사용 방법에 대해 설명하겠습니다. 부품의 파라미터를 변경함으로써 다양한 조건에서의 시뮬레이션이 가능합니다.

PTC 히터의 열 시뮬레이션 회로도 예

하기 그림은 PTC 히터의 열 시뮬레이션 회로도를 나타낸 것입니다. 흑색과 청색 배선은 전기 시뮬레이션 회로, 적색 배선은 열 시뮬레이션 회로를 나타냅니다. 이 전기 회로 예는 스위치의 역할을 하는 IGBT (절연 게이트 바이폴라 트랜지스터)가 3병렬로 구성된 회로 형식입니다. 각 IGBT에 부하 저항 (히터)이 접속되어 독립적으로 구동됩니다. 부하 전류는 3개의 IGBT를 ON / OFF하여 3단계 조정만 가능하며, 스위칭을 통한 세밀한 조정은 고려하지 않았습니다. 또한, 3개의 부하 토탈 전류를 션트 저항으로 검출하여 과전류를 보호하는 회로를 구비하였습니다. 열 시뮬레이션 회로는 전기 시뮬레이션으로 산출한 디바이스의 손실과 일반적인 PTC 히터 (수냉 환경 포함)를 열 시뮬레이션 모델 (ROM*1)화하여, IGBT와 션트 저항의 온도를 산출합니다.

*1 ROM (Reduced Order Model) : 3D-CAE로 작성한 모델을 1D로 저차원화하는 방법을 사용한 모델

시뮬레이션 회로시뮬레이션 회로

상기 그림 오른쪽의 4단 그래프가, 3개의 IGBT와 션트 저항의 접합 온도 (Junction 온도, Tj)를 나타낸 것입니다. 기동 후, 3개의 IGBT는 시간의 경과에 따라 접합 온도가 상승하여, 약 4,334초 이후에는 접합 온도가 약 125℃에서 안정됩니다. 중앙 그래프는 션트 저항 RSHUNT에 흐르는 전류치 (3개의 부하 토탈 전류), 왼쪽 그래프는 과전류 보호 회로의 출력전압입니다. 중앙과 왼쪽 그래프는 약 2,000초 이후에 안정됩니다.

PTC 히터의 열 시뮬레이션 방법

Simulation Settings과 실행Simulation Settings과 실행

열 시뮬레이션의 실행은 상기 그림의 녹색 Run 버튼 ▶을 클릭하여 실행할 수 있습니다. 시뮬레이션 조건은 톱니 바퀴 아이콘 (설정 아이콘)을 클릭하여 설정할 수 있습니다. 초기 상태에서는 이미 조건이 설정되어 있어, 해당 조건의 시뮬레이션 결과가 표시됩니다. 시뮬레이션 조건을 변경한 후에 열 시뮬레이션을 실행하면 온도 그래프 등이 갱신됩니다.

시뮬레이션과 파라미터 설정, 과전류 보호, 열 시뮬레이션 모델

그럼, PTC 히터 열 시뮬레이션 시의 시뮬레이션 설정, 파라미터 설정, 과전류 보호 및 열 시뮬레이션 모델을 소개하겠습니다.

PTC 히터의 열 시뮬레이션 : 시뮬레이션 설정

부품의 파라미터 정의부품의 파라미터 정의

시뮬레이션 시간 및 수렴 옵션 등의 시뮬레이션 설정은 상기 “Simulation Settings”에서 설정 가능합니다. 하기 표는 시뮬레이션의 초기 설정 조건입니다. 시뮬레이션의 수렴에 문제가 있는 경우에는 상세 옵션을 변경하여 해결할 수 있습니다. 전기 회로의 시뮬레이션 온도와 각종 파라미터는 “Manual Options”로 정의되어 있습니다.

Simulation settings 초기값
파라미터 초기값 비고
Simulation Type Time-Domain 시뮬레이션 타입은 변경해서는 안 됩니다.
End time 5000 secs
Advanced Options More Speed
Manual Options .TEMP 100 전기 회로의 시뮬레이션 온도는 IGBT의 수렴 온도 정도로 설정하여 주십시오.
.PARAM ・・・ 상세 내용은 하기 표 참조

PTC 히터의 열 시뮬레이션 : 파라미터 설정

상기 그림의 청색으로 표시한 부품은 시뮬레이션 조건을 설정할 필요가 있으므로, 매뉴얼 옵션에서 파라미터를 정의합니다. 하기 표는 파라미터의 초기값을 나타낸 것입니다. 이러한 수치는 하기 그림과 같이 시뮬레이션 설정의 “Manual Options”에서 텍스트 박스에 기입할 수 있습니다.

파라미터의 초기값
파라미터 변수 초기값 단위 설명
VIN V_VIN 400 V
ILOAD1 I_LOAD1 10 A
ILOAD2 I_LOAD2 10 A
ILOAD3 I_LOAD3 10 A
VGdelay1 VG_delay1 0 sec IGBT1이 ON되는 타이밍
VGdelay2 VG_delay2 1000 sec IGBT2가 ON되는 타이밍
VGdelay3 VG_delay3 2000 sec IGBT3이 ON되는 타이밍

시뮬레이션 조건의 파라미터 정의시뮬레이션 조건의 파라미터 정의

PTC 히터의 열 시뮬레이션 : 과전류 보호

하기 그림은 과전류 보호회로를 나타낸 것입니다. 부하 전류는 션트 저항과 OP Amp를 사용한 Low-side 센싱 회로로 검출합니다. 부하에 흐르는 토탈 전류는 션트 저항에 의해 ΔVSHUNT 전압이 발생합니다. 이러한 전압을 OP Amp에서 차동 증폭하여, “Voltage to Digital” 단의 임계치를 초과하면 다음 단의 스위치가 ON되어 보호 동작을 시작합니다. OP Amp의 입력 오프셋 전압을 무시하는 경우, OP Amp의 출력 VO는 하기의 식으로 나타낼 수 있습니다.

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

디폴트 회로는 ILOAD=30A, RSHUNT =1mΩ, R1=2kΩ, R2=120kΩ이므로, VO=1.8V가 출력됩니다. “Voltage to Digital”의 임계치는 2V (과전류≒33.3A)로 설정되어 있기 때문에 보호 동작은 시작되지 않습니다.

과전류 보호회로과전류 보호회로

PTC 히터의 열 시뮬레이션 : 열 시뮬레이션 모델

하기 그림의 “PTC-heater” 심볼은 PTC 히터의 열 시뮬레이션 모델 (ROM*1)입니다. 하기 표는 PTC 히터 열 시뮬레이션 모델의 각 단자에 대한 설명을 정리한 것입니다.

*1 ROM (Reduced Order Model) : 3D-CAE로 작성한 모델을 1D로 저차원화하는 방법을 사용한 모델

열 시뮬레이션 모델열 시뮬레이션 모델

열 시뮬레이션 모델의 단자 설명
단자명 설명
S_S_IGBT_1 IGBT1의 손실을 입력하여 TJ를 모니터링
S_S_IGBT_2 IGBT2의 손실을 입력하여 TJ를 모니터링
S_S_IGBT_3 IGBT3의 손실을 입력하여 TJ를 모니터링
S_S_Res RSHUNT의 손실을 입력하여 TJ를 모니터링
F_Heater 히터 온도
F_Water_Near_Side 냉각수의 온도 (입구)
F_Water_Far_Side 냉각수의 온도 (출구)
F_20CAmbient 주위 온도
S_M_IGBT1_mold IGBT1의 몰드 온도를 모니터링 (하이 임피던스로 수신)
S_M_IGBT2_mold IGBT2의 몰드 온도를 모니터링 (하이 임피던스로 수신)
S_M_IGBT3_mold IGBT3의 몰드 온도를 모니터링 (하이 임피던스로 수신)
S_M_R_lead RSHUNT의 리드 온도를 모니터링 (하이 임피던스로 수신)

・ S_S_xxxx 단자는 디바이스의 손실을 입력함으로써 디바이스의 온도를 모니터링할 수 있습니다.
・ F_xxxx 단자에는 “tc_amb”를 접속하여 해당 부분의 온도로 설정합니다.
・ S_M_xxxx 단자는 IGBT의 몰드 온도, 션트 저항의 리드 온도를 모니터링할 수 있습니다.

PTC 히터의 열 시뮬레이션 : 부품과 품명 리스트

이번에는 PTC 히터의 열 시뮬레이션 시, 부품과 품명 리스트, 관련 자료에 대해 소개하겠습니다.

하기 그림은 PTC 히터의 열 시뮬레이션에 사용하는 주요 부품명을 나타낸 것입니다. 각 부품의 초기값은 하기 표를 참조하여 주십시오. 부품 중에는 사용할 부품을 미리 설정된 품명 리스트에서 선택할 수 있는 것도 있습니다. 변경 가능한 부품과 품명 리스트는 하기 표를 참조하여 주십시오. 해당 부품에서 마우스 오른쪽 버튼을 클릭하여 “Properties”를 선택합니다. “Property Editor”의 “Spicelib Part”에서 사용할 품명을 선택합니다.

PTC 히터의 열 시뮬레이션 : 부품과 품명 리스트

주요 부품명, 부품 초기값
부품명 기능 초기값 비고
Q1, Q2, Q3 IGBT RGS00TS65D TO247 패키지
변경 가능
RSHUNT Resistor 1mΩ PSR100 시리즈 정수 선택 가능
RL1, RL2, RL3 Load Resistor {Vin/ILOADx} 고정
OPAMP Op-amp LMR1802YG-C Datasheet model
변경 가능한 부품과 품명 리스트
부품명 기능 품명 사양
Q1, Q2, Q3 IGBT RGC80TSX8R 1800V, 40A
RGCL60TS60D 600V, 30A
RGCL80TS60D 600V, 40A
RGS00TS65D 650V, 50A
RGS00TS65E 650V, 50A
RGS50TSX2DHR 1200V, 25A
RGS60TS65D 650V, 30A
RGS80TS65D 650V, 40A
RGS80TSX2DHR 1200V, 40A
RGT00TS65D 650V, 50A
RGT40TS65D 650V, 20A
RGT50TS65D 650V, 25A
RGT60TS65D 650V, 30A
RGT80TS65D 650V, 40A
RGTH00TS65D 650V, 50A
RGTH40TS65D 650V, 20A
RGTH50TS65D 650V, 25A
RGTH60TS65D 650V, 30A
RGTH80TS65D 650V, 40A
RGTV60TS65D 650V, 30A
RGW00TS65D 650V, 50A
RGW60TS65D 650V, 30A
RGW80TS65D 650V, 40A

사용할 부품의 품명 변경사용할 부품의 품명 변경

・ 관련 자료

제품 사양서는 각각 하기 링크에서 확인 가능합니다.

IGBT (TO247 패키지)

션트 저항기 PSR 시리즈

그라운드 센스 OP Amp

어플리케이션 노트는 하기 링크에서 확인 가능합니다.

Low-side 전류 센싱 회로 설계

PTC 히터의 열 시뮬레이션 3D (3차원) 모델

이번에는 PTC 히터의 열 시뮬레이션 3D (3차원) 모델을 소개하겠습니다.

하기 그림은 PTC 히터의 열 시뮬레이션 모델 (ROM*1) 작성에 사용한 3D (3차원) 모델의 이미지입니다. 하기 표는 구조 정보를 정리한 것입니다.

*1 ROM (Reduced Order Model) : 3D (3차원)-CAE로 작성한 모델을 1D (1차원)로 저차원화하는 방법을 사용한 모델

PTC 히터의 3D (3차원) 이미지PTC 히터의 3D (3차원) 이미지

PTC 히터의 구조 정보
구조 부분 설명
알루미늄 하우징*2 외형 치수 : 250mm × 110mm × 120mm
기판 외형 치수 : 100mm × 90mm × 1.6mmt / 기판 재질 : FR-4 / 동박 두께 : 70μm (2 oz 동박)
절연 시트 두께 : 1mm

*2 시뮬레이션 시간 단축을 위해, 알루미늄 하우징 부분의 열 용량은 고려하지 않았습니다.

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