シリコン制御整流器–基本、操作、およびアプリケーション

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現代のパワーエレクトロニクスは、本当にサイリスタの出現から始まりました。サイリスタは、シリコン制御整流器またはSCRとしても知られています。これらは、4層の3端子半導体デバイスです。そして、サイリスタは一方向デバイスです。

シリコン制御整流器は、高電圧と結合した高電力を制御するために通常使用される半導体デバイスです。したがって、これらのデバイスは、高電圧AC電力制御システム、ランプ調光回路、レギュレータ回路などに適用されます。SCRは、高電圧DC電力伝送における高電力ACの整流にも適用されます。 SCRはサイリスタのファミリーに属しており、実際には、SCRという名前はGeneralElectricsのサイリスタの商品名です。




SCRは、N型とP型の材料が交互に配置された4層デバイスです。 SCRは、PNPNまたはNPNP構造を形成する4層の半導体で構成されています。真性半導体としてシリコンを使用し、適切なドーパントを添加しています。アノード、カソード、ゲートと呼ばれる3つの端子があります。カソードは最も高濃度にドープされており、ゲートとアノードは低濃度にドープされています。中央のN型層は低濃度にドープされているだけで、他の層よりも厚く、高いブロッキング電圧をサポートすることができます。

SCRには、J1、J2、およびJ3の3つのジャンクションがあります。アノードはPNPN構造のP型材料に接続され、カソードはN型材料に接続されます。ゲートは陰極近くのP型材料に接続されています。



これらは一方向のデバイスであり、一方向にのみ電流を流します。それはアノードからカソードまでです。 SCRのトリガーは、ゲートが正の電圧になると発生します。 SCRは通常、リレードライバ、バッテリ充電器などのスイッチングアプリケーションで使用されます。

サイリスタには3つの基本的な状態があります。


逆ブロッキング: この状態では、サイリスタは逆バイアスダイオードと同じ方法で電流を遮断します。

フォワードブロッキング: この状態では、 サイリスタ動作 これは、通常は順方向にバイアスされたダイオードによって運ばれる順方向電流伝導をブロックするようなものです。

フォワードコンダクター: この状態で、サイリスタは導通状態になります。順方向電流が保持電流と呼ばれるしきい値を下回るまで導通し続けます。

サイリスタの動作

SCR-シンボル

SCR-シンボル

SCRは、順方向にバイアスされると導通を開始します。この目的のために、カソードは負の電圧に保たれ、アノードは正の電圧に保たれます。順方向バイアス電圧がSCRに印加されると、接合部J1とJ3は順方向にバイアスされ、接合部J2は逆方向にバイアスされます。ゲートに正の電圧が印加されると、接合部J2が順方向にバイアスされ、SCRがオンになります。

サイリスタ

動作中、サイリスタは、連続して接続されたNPNおよびPNPトランジスタと見なされ、デバイス内に正のフィードバックループを形成します。エミッタがサイリスタのカソードに接続されているトランジスタはNPNデバイスですが、エミッタがアノードに接続されているトランジスタは サイリスタはPNPデバイスです 。ゲートはNPNトランジスタのベースに接続されています。 1つのトランジスタの出力が2番目のトランジスタの入力にフィードバックされ、2番目のトランジスタの出力が1番目のトランジスタの入力にフィードバックされます。これは、電流が流れ始めると、両方のトランジスタが完全にオンになるか飽和するまで、電流が急速に増加することを意味します。小さな例を見てみましょう。

以下の回路から、ここではTYN616サイリスタを使用しました。

サイリスタ-回路

  • ゲートが開いている場合、サイリスタが大きく導通する最小順方向電圧に基づいて3つのブレークオーバー電圧が決定されます。これで、ほとんどの電源電圧が負荷抵抗の両端に現れます。保持電流は、ブレークオーバーが発生したときに開いている最大アノード電流ゲートです。
  • オフ状態のゲートがオン状態よりも無限大の抵抗を提供する場合、サイリスタは0.010から10の範囲の非常に低い抵抗を提供します。

トリガーのモード

通常のオフ状態では、SCRは電流の流れを防ぎますが、ゲートからカソードへの電圧が上昇して特定のレベルを超えると、SCRがオンになり、トランジスタのように動作します。 SCRの重要な特徴の1つは、SCRが導通すると、ラッチされたままになり、ゲート電圧が除去された後も導通し続けることです。 SCRは、デバイスの保持電流が低い値に低下するまでオンのままです。ただし、ゲートに脈動電圧が流れ、ゲートを流れる電流がラッチング電流を下回る場合、SCRはオフ状態のままになります。 SCRは、ゲートに正の電圧がなくてもトリガーできます。 SCRは通常、アノードを正のレールに接続し、カソードを負のレールに接続します。アノードへの印加電圧が増加すると、デバイスの容量結合がゲートに電荷を誘導し、SCRがトリガーされます。外部ゲート電流なしのこのタイプのトリガーは、「DV / dtトリガー」として知られています。これは通常、電源投入時に発生します。これはレート効果と呼ばれます。

ただし、DV / dtトリガーはSCRを完全にはオンにせず、部分的にトリガーされたSCRは多くの電力を消費し、デバイスが損傷する可能性があります。 DV / dtのトリガーを防ぐために、スナバネットワークが使用されます。トリガーのもう1つのモードは、SCRの順方向電圧を定格ブレークダウン電圧より高くすることです。順方向電圧トリガーは、ゲートが開いた状態でSCRの両端の電圧が増加したときに発生します。これは「アバランシェブレークダウン」と呼ばれ、その間にデバイスのジャンクション2がブレークダウンします。これにより、SCRも部分的にオンになり、デバイスが損傷します。したがって、電圧はSCRの定格電圧を超えてはなりません。

SCRをオフにする方法は?

SCRがオンになると、ゲート電流が除去された後でも、SCRは導通モードになります。これがSCRラッチングです。 SCRは、リバーストリガーによってオフに切り替えることができます。これは、ゲートに負の電圧を印加することによって実行できます。デバイスは、アノード電流を除去するか、ゲートとカソードを瞬間的に短絡することによってオフにすることもできます。

サイリスタの用途:

サイリスタは主に、高電圧と組み合わせて高電力の制御が要求されるデバイスで使用されます。それらの動作により、ランプ調光、コントローラー、およびなどの中電圧から高電圧のAC電力制御アプリケーションでの使用に適しています。 モーター制御

SCRを使用したSCRリレー制御の1つのアプリケーション:

SCR制御リレー

スイッチS1を一瞬押すと、リレーがオンになります。 S2を押すとオフにできます。

スイッチS1をLDRに、R1を4.7Kプリセットに置き換えると、LDRに光が当たるとリレーがオンになります。トリガーポイントをプリセット調整します。

スイッチS1を4.7K NTC(負の温度係数)サーミスタに、R1を1Kプリセットに置き換えると、温度が上昇するとリレーがオンになります。トリガーポイントをプリセット調整します。

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