User’s Guide
ROHM Solution Simulator

PTC ヒータ 熱シミュレーション
このドキュメントは、PTC (Positive Temperature Coefficient) ヒータの電気シミュレーションと、内蔵デバイスの温度シミュレーションを同時に実行することが可能なシミュレーション環境の紹介と、その使用方法について説明しています。コンポーネントのパラメータを変更することで、さまざまな条件でシミュレーションが可能です。

1シミュレーション回路

Figure 1. シミュレーション回路
この回路図では、黒と青色の配線は電気シミュレーション回路を、赤色の配線は熱シミュレーション回路を表しています。
この電気回路は、スイッチとなる IGBT が 3 並列の形式です。各 IGBT に負荷抵抗（ヒータ）が接続され、独立して駆動します。負荷電流は3 つの IGBT で ON/OFF による 3 段階のみの調整で、スイッチングによる細かい調整は想定していません。また、3 つの負荷のトータル電流をシャント抵抗で検出し、過電流を保護する回路を備えています。
熱シミュレーション回路は、電気シミュレーションで算出したデバイスの損失と、一般的な PTC ヒータ（水冷環境を含む）を熱シミュレーションモデ
ル（ROM*1）化し、IGBT とシャント抵抗の温度を算出します。
*1 ROM (Reduced Order Model)：3D-CAE で作成したモデルを 1D に低次元化する手法を用いたモデル© 2021 ROHM Co., Ltd.

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シミュレーションの方法
シミュレーション時間や収束オプションなどのシミュレーション設定は、Figure 2に示す “Simulation Settings” から設定可能で、Table 1 はシミュレー
Simulation
Settings

ションの初期設定を示しています。
シミュレーションの収束に問題がある場合は，詳細オプションを変更して解決Simulateすることができます。電気回路のシミュレーション温度と各種パラメータは，“Manual Options” で定義されています。

Figure 2. Simulation Settings と実行
Table 1. Simulation settings の初期値
パラメータ

初期値

Simulation Type

Time-Domain

End time

5000 secs

Advanced Options

More Speed

Manual Options

備考
シミュレーションタイプは変更しないでください

電気回路のシミュレーション温度.TEMP 100

IGBT の収束温度ぐらいに設定してください.PARAM …

3

詳細は Table 2 を参照

シミュレーション条件
3.1 パラメータの定義
Figure 3 の青色で示したコンポーネントは、シミュレーション条件を設定する必要があるため、マニュアルオプションでパラメータを定義しています。
Table2 に、各パラメータの初期値を示します。これらの値は、Figure 4 に 示 す よ う に シ ミ ュ レ ー シ ョ ン 設 定 の “ManualOptions” にてテキストボックスに書き込みます。
Figure ３. コンポーネントのパラメータ定義
Table 2. シミュレーション条件
パラメータ

変数名

初期値単位

説明

VIN

V_VIN

400

V

ILOAD1

I_LOAD1

10A

ILOAD2

I_LOAD210A

ILOAD3

I_LOAD310A

VGdelay1

VG_delay10sec

IGBT1 が ON するタイミング

VGdelay2

VG_delay2

1000

sec

IGBT2 が ON するタイミング

VGdelay3

VG_delay3

2000

sec

IGBT3 が ON するタイミング© 2021 ROHM Co., Ltd.

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パラメータを書き込む

Figure 4. パラメータの定義

3.2 過電流保護
Figure 5 に過電流保護回路を示します。負荷電流は、シャント抵抗とオペアンプを使ったローサイドセンシング回路で検出します。負荷に流れるトータル電流は、シャント抵抗によってΔVSHUNT の電圧が発生します。この電圧をオペアンプで差動増幅し、”Voltage to Digital”
段のしきい値を超えると次段のスイッチが ON し保護を開始します。オペアンプの入力オフセット電圧を無視した場合、オペアンプの出力 VOは以下の式で表せます。

𝑉𝑂 = 𝐼𝐿𝑂𝐴𝐷 × 𝑅𝑆𝐻𝑈𝑁𝑇 ×

𝑅2
𝑅1[𝑉]

デフォルト回路は、ILOAD=30A、RSHUNT=1mΩ、R1=2kΩ、R2=120kΩとなっているため VO=1.8V が出力されます。”Voltage toDigital”のしきい値は 2V（過電流≒33.3A）に設定しているため保護は動作しません。

Figure 5. 過電流保護回路© 2021 ROHM Co., Ltd.

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3.3 熱回路
Figure 6 の “PTC-heater” シンボルは、PTC ヒータの熱シミュレーションモデル（ROM）です。また、PTC ヒータ熱シミュレーションモデルの端子説明を Table3 に示します。

Figure 6. PTC heater 熱シミュレーションモデル

Table 3. 熱シミュレーションモデルの端子説明
端子名

説明

S_S_IGBT_1

IGBT1 の損失を入力し、TJ をモニターする

S_S_IGBT_2

IGBT2 の損失を入力し、TJ をモニターする

S_S_IGBT_3

IGBT3 の損失を入力し、TJ をモニターする

S_S_Res

RSHUNT の損失を入力し、TJ をモニターする

F_Heater

ヒータ温度

F_Water_Near_Side

冷却水の温度(入口)F_Water_Far_Side

冷却水の温度(出口)F_20CAmbient

周囲温度

S_M_IGBT1_mold

IGBT1 のモールド温度をモニターする（ハイインピーダンスで受ける）

S_M_IGBT2_mold

IGBT2 のモールド温度をモニターする（ハイインピーダンスで受ける）

S_M_IGBT3_mold

IGBT3 のモールド温度をモニターする（ハイインピーダンスで受ける）

S_M_R_lead

RSHUNT のリード温度をモニターする（ハイインピーダンスで受ける）

・ S_S_xxxx 端子は、デバイスの損失を入力することで、デバイスの温度をモニターすることができます。
・ F_xxxx 端子には ”tc_amb” を接続し、その場所の温度に設定します。
・ S_M_xxxx 端子は、IGBT のモールド温度、シャント抵抗のリード温度をモニターすることができます。

© 2021 ROHM Co., Ltd.

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部品リスト

Figure 7 に主なコンポーネント名を示します。各コンポーネントの初期値は Table 4 を参照してください。コンポーネントの中には、使用する部品を予めセットされた品名リストから選択できるものがあります。変更可能な部品と品名リストを Table 5 に示します。品名変更は Figure 8 のように、コンポーネント上でマウスを右クリックし、“Properties” を選択します。“Property Editor” の “Spicelib Part” から使用する品名を選択します。

Figure 7. 主なコンポーネント名

Table 4. コンポーネントの初期値
コンポーネント名
Q1, Q2, Q3

機能IGBT

初期値
RGS00TS65D

備考
TO247 パッケージ
変更可能

RSHUNTResistor1mΩ

PSR100 シリーズ
定数選択可能RL1, RL2, RL3

Load Resistor{Vin/ILOADx}

固定OPAMPOp-amp

LMR1802YG-C

Datasheet model© 2021 ROHM Co., Ltd.

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Table 5. 変更可能な部品と品名リスト
コンポーネント名
Q1, Q2, Q3

機能
IGBT

品名仕様

RGC80TSX8R

1800V, 40A

RGCL60TS60D

600V, 30ARGCL80TS60D

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, 20ARGT50TS65D650V, 25A

RGT60TS65D650V, 30A

RGT80TS65D650V, 40A

RGTH00TS65D650V, 50A

RGTH40TS65D650V, 20A

RGTH50TS65D650V, 25A

RGTH60TS65D650V, 30A

RGTH80TS65D650V, 40A

RGTV60TS65D650V, 30A

RGW00TS65D650V, 50A

RGW60TS65D650V, 30A

RGW80TS65D650V, 40A

Figure 8. 使用する品名を変更する© 2021 ROHM Co., Ltd.

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関連文書へのリンク
5.1

製品
IGBT (TO247 パッケージ)
シャント抵抗器 PSR シリーズ
グランドセンス オペアンプ

5.2

アプリケーションノート
ローサイド電流センシング回路設計© 2021 ROHM Co., Ltd.

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参考：PTC ヒータ熱シミュレーションモデルについて
熱シミュレーションモデル（ROM）作成に使用した 3D モデルのイメージを Figure A に示します。また構造情報を Table A に示します。

基板外形

水冷管

冷却水入口

冷却水出口
上面から見た図

下面から見た図IGBT (TO247)
左から IGBT1,IGBT2,IGBT3RSHUNT (PSR100)

基板
絶縁シート
アルミ筐体
水流

IGBT 周辺

基板
Figure A. PTC ヒータ 3D イメージ

Table A. 構造情報
構造部位
アルミ筐体

説明
外形寸法：250mm × 110mm × 120mm
外形寸法：100mm × 90mm × 1.6mmt

基板

基板材質：FR-4
銅箔厚：70μm（2 oz 銅箔）

絶縁シート

厚み：1mm* シミュレーション時間短縮のために、アルミ筐体部分の熱容量は考慮していません。

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Notice

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2) 本資料に記載されている内容は製品のご紹介資料です。ご使用に際しては、別途最新の仕様書を必ずご請求のうえ、ご確認ください。
3) ロームは常に品質・信頼性の向上に取り組んでおりますが、半導体製品は種々の要因で故障・誤作動する可能性があります。
万が一、本製品が故障・誤作動した場合であっても、その影響により人身事故、火災損害等が起こらない
ようご使用機器でのディレーティング、冗長設計、延焼防止、バックアップ、フェイルセーフ等の安全確保をお願いします。定格を超えたご使用や使用上の注意書が守られていない場合、いかなる責任もロームは負うものではありません。
4) 本資料に記載されております応用回路例やその定数などの情報につきましては、本製品の標準的な動作や使い方を説明するものです。
したがいまして、量産設計をされる場合には、外部諸条件を考慮していただきますようお願いいたします。
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・航空宇宙機器、原子力制御機器、海底中継機器
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