사이리스터 튜토리얼
여러 면에서 실리콘 제어 정류기, SCR 또는 더 일반적으로 알려진 사이리스터는 구조가 트랜지스터와 유사합니다.
이 사이리스터 튜토리얼에서는 사이리스터, 즉 실리콘 제어 정류기(SCR)의 구성과 작동을 더 자세히 살펴보겠습니다.
여러 면에서 사이리스터는 트랜지스터와 구조가 유사합니다. 이는 다층 반도체 장치이므로 이름의 "실리콘" 부분입니다. 이를 "ON"(이름의 "제어" 부분)으로 설정하려면 게이트 신호가 필요하며, 일단 "ON"이면 이름의 "정류기" 부분인 정류 다이오드처럼 동작합니다. 실제로 사이리스터 의 회로 기호는 이 장치가 제어된 정류 다이오드처럼 작동함을 나타냅니다.
사이리스터 기호
그러나 사이리스터는 2층(PN) 반도체 소자인 접합 다이오드나 일반적으로 사용되는 3층(PNP 또는 NPN) 스위칭 소자인 바이폴라 트랜지스터와 달리 4 층(PNPN) 반도체 소자이다. 3개의 PN 접합이 직렬로 연결되어 있으며 그림과 같이 기호로 표시됩니다.
다이오드와 마찬가지로 사이리스터는 단방향 장치입니다. 즉, 전류를 한 방향으로만 전도하지만 다이오드와 달리 사이리스터는 개방 회로 스위치 또는 정류 다이오드로 작동하도록 만들 수 있습니다. 사이리스터 게이트가 트리거됩니다. 즉, 사이리스터는 스위칭 모드에서만 작동할 수 있으며 증폭용으로는 사용할 수 없습니다.
실리콘 제어 정류기 SCR은 큰 AC 전압을 제어하기 위해 매우 빠른 고체 AC 스위치처럼 작동할 수 있는 Triac(Triode AC), Diacs(Diode AC) 및 UJT(Unijunction Transistor)와 함께 여러 전력 반도체 장치 중 하나입니다. 그리고 전류. 따라서 전자공학을 전공하는 학생에게는 AC 모터, 램프 제어 및 위상 제어를 위한 매우 편리한 고체 장치가 됩니다.
사이리스터는 "양극", "음극" 및 "게이트"라는 라벨이 붙은 3단자 장치이며 매우 빠른 속도로 "ON" 및 "OFF"로 전환할 수 있는 3개의 PN 접합으로 구성됩니다. ON”을 반주기 동안 다양한 시간 동안 켜서 부하에 선택된 전력량을 공급합니다. 사이리스터의 작동은 그림과 같이 한 쌍의 상보적인 재생 스위치로서 연속적으로 연결된 두 개의 트랜지스터로 구성된다고 가정함으로써 가장 잘 설명될 수 있습니다.
사이리스터 두 개의 트랜지스터 비유
2개의 트랜지스터 등가 회로는 NPN 트랜지스터 TR 2 의 콜렉터 전류가 PNP 트랜지스터 TR 1 의 베이스에 직접 공급되는 반면, TR 1 의 콜렉터 전류는 TR 2 의 베이스에 공급되는 것을 보여줍니다 . 서로 연결된 두 트랜지스터는 각 트랜지스터가 다른 트랜지스터의 콜렉터-이미터 전류로부터 베이스-이미터 전류를 얻으므로 전도를 위해 서로 의존합니다. 따라서 트랜지스터 중 하나에 기본 전류가 공급될 때까지 양극-음극 전압이 존재하더라도 아무 일도 일어나지 않습니다.
사이리스터 양극 단자가 음극에 대해 음극인 경우 중앙 NP 접합은 순방향 바이어스되지만 두 외부 PN 접합은 역방향 바이어스되어 일반 다이오드와 매우 유사하게 동작합니다. 따라서 사이리스터는 높은 전압 레벨에서 두 외부 접합의 항복 전압 지점이 초과될 때까지 역전류의 흐름을 차단하고 사이리스터는 게이트 신호를 적용하지 않고도 전도됩니다.
이는 사이리스터의 중요한 부정적인 특성입니다. 사이리스터는 역 과전압은 물론 고온이나 스파이크와 같이 빠르게 상승하는 dv/dt 전압에 의해 의도치 않게 전도가 시작될 수 있기 때문입니다.
양극 터미널이 음극에 대해 양극으로 만들어지면 두 개의 외부 PN 접합은 이제 순방향 바이어스되지만 중앙 NP 접합은 역방향 바이어스됩니다. 따라서 순방향 전류도 차단됩니다. NPN 트랜지스터 (TR2 ) 의 베이스에 양의 전류가 주입되면 , 생성된 콜렉터 전류가 트랜지스터 (TR1 ) 의 베이스에 흐른다 . 이는 차례로 PNP 트랜지스터 TR 1 에 컬렉터 전류가 흐르게 하여 TR 2 의 베이스 전류를 증가시키는 등의 현상이 발생합니다.
일반적인 사이리스터
두 트랜지스터는 멈출 수 없는 재생 피드백 루프에 연결되어 있기 때문에 매우 빠르게 서로 포화 상태가 되도록 강제합니다. 전도가 시작되면 양극과 음극 사이의 장치를 통해 흐르는 전류는 외부 회로의 저항에 의해서만 제한됩니다. 전도 시 장치의 순방향 저항은 1Ω 미만으로 매우 낮을 수 있으므로 장치 전체의 전압 강하가 발생하기 때문입니다. 전력 손실도 낮습니다.
그런 다음 사이리스터는 "OFF" 상태에서 AC 전원의 양방향 전류를 차단하고 "ON"으로 전환될 수 있으며 트랜지스터 베이스에 양의 전류를 가하여 일반 정류 다이오드처럼 작동하도록 만들 수 있음을 알 수 있습니다. , 실리콘 제어 정류기의 경우 TR 2 를 "게이트" 단자라고 합니다.
실리콘 제어 정류기 작동에 대한 작동 전압-전류 IV 특성 곡선은 다음과 같습니다.
IV 특성 곡선
사이리스터가 "ON"으로 전환되고 순방향(양극 양극)으로 전류가 흐르면 게이트 신호는 두 내부 트랜지스터의 재생 래칭 동작으로 인해 모든 제어를 잃게 됩니다. 재생이 시작된 후 게이트 신호나 펄스를 적용하면 사이리스터가 이미 전도되고 완전히 ON 상태이므로 아무런 효과가 없습니다.
트랜지스터와 달리 SCR은 차단 상태와 포화 상태 사이의 로드 라인을 따라 일부 활성 영역 내에 머물도록 바이어스될 수 없습니다. 게이트 "턴온" 펄스의 크기와 지속 시간은 전도가 내부적으로 제어되므로 장치 작동에 거의 영향을 미치지 않습니다. 그런 다음 순간적인 게이트 펄스를 장치에 적용하면 전도가 발생하기에 충분하며 게이트 신호가 완전히 제거되더라도 영구적으로 "ON" 상태를 유지합니다.
따라서 사이리스터는 "OFF" 또는 "ON"의 두 가지 안정적인 상태를 갖는 쌍 안정 래치 로 간주할 수도 있습니다 . 이는 게이트 신호가 적용되지 않은 상태에서 실리콘 제어 정류기가 AC 파형의 양방향 전류를 차단하고 일단 전도로 트리거되면 재생 래칭 동작은 게이트를 사용하는 것만으로는 다시 "OFF"로 전환될 수 없음을 의미하기 때문입니다. .
그렇다면 사이리스터를 어떻게 "OFF"할 수 있을까요? . 사이리스터가 자체적으로 "ON" 상태로 설정되고 전류가 흐르면 공급 전압을 제거하여 양극(IA) 전류를 완전히 제거하거나 양극을 다음으로 줄여 다시 "OFF"로 전환할 수 있습니다 . 일부 외부 수단(예: 스위치 개방)을 통해 일반적으로 "최소 유지 전류"라고 불리는 값 I H 미만으로 음극 전류를 낮춥니다 .
따라서 양극 전류는 내부적으로 래칭된 pn 접합 사이리스터가 차단 상태를 복구할 수 있을 만큼 충분히 오랫동안 이 최소 유지 레벨 아래로 감소되어야 하며, 순방향 전압이 장치가 자동으로 자체 전도되지 않고 장치에 다시 적용되기 전에는 됩니다. 그렇다면 사이리스터가 먼저 전도하려면 부하 전류이기도 한 애노드 전류 IL 이 유지 전류 값보다 커야 합니다. 즉 I L > I H 입니다 .
사이리스터는 양극 전류가 이 최소 유지 값 아래로 감소할 때마다 "OFF" 상태가 될 수 있으므로 정현파 AC 공급 장치에서 사용될 때 SCR은 교차점 근처의 일부 값에서 자동으로 "OFF" 상태로 전환됩니다. 각 반주기의 한 지점 이상에서 우리가 알고 있듯이 다음 게이트 트리거 펄스가 적용될 때까지 "OFF" 상태를 유지합니다.
AC 정현파 전압은 반주기마다 양극에서 음극으로 극성이 지속적으로 반전되므로 사이리스터는 양극 파형의 0 도 180도 지점에서 "OFF" 상태가 됩니다. 이 효과는 "자연 정류"로 알려져 있으며 실리콘 제어 정류기의 매우 중요한 특성입니다.
DC 공급 장치에서 공급되는 회로에 사용되는 사이리스터는 DC 공급 전압이 연속적이므로 이러한 자연적인 정류 조건이 발생할 수 없습니다. 따라서 사이리스터를 "OFF"로 전환하는 다른 방법을 적절한 시점에 제공해야 합니다. 왜냐하면 일단 트리거되면 전도 상태를 유지하기 때문입니다.
그러나 AC 정현파 회로에서는 반주기마다 자연 정류가 발생합니다. 그런 다음 AC 정현파 파형의 양의 반주기 동안 사이리스터는 순방향 바이어스(양극 양극)되고 게이트 신호 또는 펄스를 사용하여 a를 "ON"으로 트리거할 수 있습니다. 음의 반주기 동안 양극은 음극이 되고 음극은 양극이 됩니다. 사이리스터는 이 전압에 의해 역방향 바이어스되며 게이트 신호가 있어도 작동할 수 없습니다.
따라서 AC 파형의 양의 절반 동안 적절한 시간에 게이트 신호를 적용함으로써 사이리스터는 양의 절반 사이클이 끝날 때까지 전도 상태로 트리거될 수 있습니다. 따라서 위상 제어(칭칭)는 AC 파형의 양의 절반을 따라 어느 지점에서든 사이리스터를 트리거하는 데 사용될 수 있으며 실리콘 제어 정류기 의 많은 용도 중 하나는 그림과 같이 AC 시스템의 전력 제어에 있습니다.
위상 제어
각 양의 반주기가 시작될 때 SCR은 "OFF"입니다. 게이트 펄스를 적용하면 SCR이 전도 상태로 트리거되고 포지티브 사이클 동안 완전히 래치된 상태를 "ON"으로 유지합니다. 사이리스터가 반주기( θ = 0o ) 의 시작 부분에서 트리거 되면 부하(램프)는 높은 AC 파형(반파 정류 AC)의 전체 포지티브 주기 동안 "ON" 상태가 됩니다. 평균 전압은 0.318 x Vp 입니다 .
게이트 트리거 펄스의 적용이 반주기( θ = 0o ~ 90o ) 에 따라 증가 함에 따라 램프가 더 적은 시간 동안 조명되고 램프에 전달되는 평균 전압도 이에 비례하여 밝기를 덜 감소시킵니다.
그런 다음 실리콘 제어 정류기를 AC 조명 조광기로 사용할 수 있을 뿐만 아니라 AC 모터 속도 제어, 온도 제어 시스템 및 전력 조정기 회로 등과 같은 다양한 기타 AC 전원 애플리케이션에도 사용할 수 있습니다.
지금까지 우리는 사이리스터가 본질적으로 양극이 양극일 때 사이클의 양극 절반에서만 전도하고 게이트 신호에 관계없이 양극이 음극일 때 다이오드처럼 전류 흐름을 차단하는 반파장 장치라는 것을 살펴보았습니다.
그러나 양방향, 전파 장치로 전도할 수 있거나 게이트 신호에 의해 "OFF"될 수 있는 "사이리스터"라는 이름 아래 사용 가능한 반도체 장치가 더 많이 있습니다.
이러한 장치에는 "게이트 턴오프 사이리스터"(GTO), "정적 유도 사이리스터"(SITH), "MOS 제어 사이리스터"(MCT), "실리콘 제어 스위치"(SCS), "3극 사이리스터"(TRIAC) 및 " LASCR(Light Activated Thyristors)' 등의 모든 장치는 다양한 전압 및 전류 정격으로 제공되므로 매우 높은 전력 수준의 애플리케이션에 사용하기에 적합합니다.
사이리스터 요약
일반적으로 사이리스터 로 알려진 실리콘 제어 정류기는 무거운 전기 부하의 스위칭에 사용할 수 있는 두 개의 상호 연결된 트랜지스터로 간주될 수 있는 3접합 PNPN 반도체 장치입니다. 게이트 터미널에 적용된 양의 전류의 단일 펄스에 의해 래치될 수 있으며 양극과 음극 사이의 전류가 최소 래칭 수준 아래로 떨어질 때까지 무기한으로 'ON' 상태를 유지합니다.
사이리스터의 정적 특성
- 사이리스터는 스위칭 모드에서만 동작할 수 있는 반도체 소자이다.
- 사이리스터는 전류로 작동되는 장치이며 작은 게이트 전류가 더 큰 양극 전류를 제어합니다.
- 순방향 바이어스 및 트리거 전류가 게이트에 적용될 때만 전류를 전도합니다.
- 사이리스터는 "ON"으로 트리거되면 정류 다이오드처럼 작동합니다.
- 전도를 유지하려면 양극 전류가 유지 전류보다 커야 합니다.
- 게이트 전류가 적용되는지 여부에 관계없이 역방향 바이어스 시 전류 흐름을 차단합니다.
- 일단 "ON"으로 트리거되면 애노드 전류가 래치 전류보다 높으면 게이트 전류가 더 이상 적용되지 않는 경우에도 "ON"으로 래칭됩니다.
사이리스터는 움직이는 부품이 없고 접촉 아크가 없으며 부식이나 먼지가 발생하기 때문에 많은 회로에서 전기 기계 계전기를 대체하는 데 사용할 수 있는 고속 스위치입니다. 그러나 단순히 큰 전류를 "ON" 및 "OFF"로 전환하는 것 외에도 사이리스터는 많은 양의 전력을 소비하지 않고 AC 부하 전류의 평균값을 제어하도록 만들 수 있습니다. 사이리스터 전력 제어의 좋은 예는 전기 조명, 히터 및 모터 속도 제어입니다.
다음 튜토리얼에서는 AC 및 DC 전원을 모두 사용하는 몇 가지 기본 사이리스터 회로 와 애플리케이션을 살펴보겠습니다 .