シリコン制御整流器

シリコン制御整流器 (SCR)

サイリスタとしても知られるシリコン制御整流器 (SCR) は、高出力電気部品です。小型、高効率、長寿命という利点があります。自動制御システムでは、低電力制御で高電力デバイスを制御する高電力ドライバとして使用できます。 ACおよびDCモーターの速度制御システム、電力調整システム、サーボシステムで広く使用されています。

サイリスタには単方向サイリスタと双方向サイリスタの 2 種類があります。双方向サイリスタは、3 端子双方向サイリスタとも呼ばれ、トライアックと略されます。双方向サイリスタは、構造的には 2 つの単方向サイリスタを逆接続したものと等価であり、双方向の導通機能を備えています。そのオン/オフ状態は制御極 G によって決まります。制御極 G に正 (または負) のパルスを追加すると、制御極 G を順方向 (または逆方向) に導通させることができます。このデバイスの利点は、制御回路がシンプルであり、逆耐電圧の問題がないことであるため、特にAC無接点スイッチとしての使用に適しています。

1 SCR構造

通常のサイリスタとも呼ばれる単方向サイリスタを使用しています。これらは、3 つの PN 接合と 3 つの外部電極を備えた 4 つの半導体材料層で構成されています [図 2 (a)]: P 型半導体の最初の層から引き出された電極はアノード A と呼ばれ、P 型半導体の最初の層から引き出された電極はアノード A と呼ばれます。 P型半導体の3層目を制御電極Gと呼び、N型半導体の4層目から引き出された電極をカソードKと呼びます。サイリスタの電子記号より[図1]。 [2 (b)] を見ると、ダイオードと同様に一方向性の導電性デバイスであることがわかります。重要なのは、制御電極 G を追加することです。これにより、ダイオードとはまったく異なる動作特性が得られます。

基本材料としてシリコン単結晶をベースにした P1N1P2N2 4 層 3 端子デバイスは 1957 年に始まりました。真空サイリスタに似た特性のため、国際的には一般にシリコン サイリスタと呼ばれ、サイリスタ T と略されます。元々は静電整流に使用されていたもので、サイリスタ SCR と略称されるシリコン制御整流素子としても知られています。

性能の点では、シリコン制御整流器は単一導電性を備えているだけでなく、シリコン整流器コンポーネント (一般的に知られている) よりも優れた制御性も備えています。"デッドシリコン"）。状態はオンとオフの 2 つだけです。

サイリスタは、ミリアンペアレベルの電流で高出力電気機械装置を制御できます。この電力を超えると、コンポーネントのスイッチング損失が大幅に増加するため、通過できる平均電流が減少します。このとき、公称電流を下げて使用する必要があります。

サイリスタには、低電力で大電力を制御でき、電力増幅率が数十万倍に達するなど、多くの利点があります。非常に高速な応答、マイクロ秒以内にオン/オフになります。接触動作なし、火花なし、ノイズなし。高効率、低コストなど。

サイリスタは外観によりボルト形、平板形、平底形に大きく分類されます。

サイリスタ部品の構造

サイリスタの外観に関係なく、そのコアは P 型シリコンと N 型シリコンで構成される 4 層 P1N1P2N2 構造です。図1を参照してください。これには3つのPN接合(J1、J2、J3)があり、アノードAはJ1構造のP1層から導入され、カソードKはN2層から導入され、制御電極GはP2層から導入されます。したがって、４層３端子の半導体装置となる。

2 動作原理

構造要素

サイリスタは、3 つの PN 接合を備えた P1N1P2N2 4 層 3 端子構造素子です。原理を解析するとPNPトランジスタとNPNトランジスタで構成されていると考えることができ、その等価図は右図のようになります。双方向サイリスタ: 双方向サイリスタは、トライアックとしても知られるシリコン制御の整流器デバイスです。このデバイスは、回路内のAC電源の非接触制御を実現し、小さな電流で大電流を制御します。スパークが発生しない、動作が速い、寿命が長い、信頼性が高い、回路構成が簡単であるなどの利点があります。外観から見ると、双方向サイリスタは 3 つの電極を備えた通常のサイリスタと非常に似ています。しかしながら、依然として制御電極と呼ばれる１つの電極Ｇを除いて、他の２つの電極は通常、もはやアノードおよびカソードとは呼ばれず、まとめて主電極Ｔ１およびＴ２と呼ばれる。そのシンボルも、図 2 に示すように 2 つのサイリスタの接続を逆にして描かれた通常のサイリスタのシンボルとは異なります。そのモデルは一般に次のように表されます。"3CTS"または"KS"中国では。外部データは「トライアック」で表すこともできます。双方向サイリスタの仕様、型式、外観、電極ピンの配置はメーカーによって異なりますが、ほとんどの電極ピンは左からT1、T2、Gの順に配置されています（観察すると電極ピンは下向き、文字のある面を向いてください）。市場で最も一般的な樹脂封止構造の双方向サイリスタの外観と電極ピン配置を図1に示します。

3 SCR特性

サイリスタの動作特性を直観的に理解するために、この教育ボードを見てみましょう (図 3)。サイリスタ VS は小型電球 エル と直列に接続され、スイッチ S を介して 直流 電源に接続されます。アノード A は電源の正極に接続され、カソード K は電源の負極に接続されていることに注意してください。制御電極 G はボタンスイッチ SB を介して 1.5V 直流 電源の正極に接続されます (ここでは KP1 タイプのサイリスタを使用します。KP5 タイプのサイリスタを使用する場合は、ボタン スイッチ SB の正極に接続する必要があります)。 3V 直流 電源）。サイリスタと電源間の接続方法は順方向接続と呼ばれ、サイリスタのアノードと制御極の両方に正の電圧が印加されることを意味します。電源スイッチ S をオンにしますが、小さな電球は点灯せず、サイリスタが導通していないことを示しています。もう一度ボタンスイッチSBを押すと、制御極にトリガー電圧が入力されます。小さな電球が点灯し、サイリスタが導通していることを示します。この実証実験はどのようなインスピレーションを私たちに与えてくれたのでしょうか？

この実験は、サイリスタを導通させるには、アノード A とカソード K の間に順方向電圧を印加することと、制御電極 G とカソード K の間に順方向トリガ電圧を入力することであることを示しています。オンの場合は、ボタン スイッチを放し、トリガ電圧を解除しても、導通状態は維持されます。

4 SCRの特徴

ワンタッチで。ただし、アノードまたは制御電極に逆電圧が印加されると、サイリスタは導通できなくなります。制御ポールの機能は、順方向トリガーパルスを印加してサイリスタをオンにすることですが、オフにすることはできません。それでは、導通サイリスタをオフにするにはどのような方法が使用できるでしょうか?導通サイリスタをオフにすることにより、アノード電源 (図 3 のスイッチ S) を切断するか、アノード電流を導通を維持するために必要な最小値 (メンテナンス電流と呼ばれる) まで減らすことができます。サイリスタのアノードとカソードの間に 交流 電圧または脈動 直流 電圧が印加されると、電圧がゼロを超えるとサイリスタは自動的にオフになります。

アプリケーションタイプ

図4に双方向サイリスタの特性曲線を示します。

図に示すように、双方向サイリスタの特性曲線は第 1 象限と第 3 象限内の曲線で構成されます。第 1 象限の曲線は、主電極に印加される電圧により TC が T1 に向かって正の極性を持つことを示しており、これは順電圧と呼ばれ、記号 U21 で表されます。この電圧が徐々に上昇して分岐点電圧 ユーボ に達すると、図 3 (b) の左側のサイリスタが導通を開始し、このときのオン電流は I21 となり、T2 から T1 に流れます。図から、トリガ電流が大きくなるほど、ターン電圧が低くなることがわかります。この状況は、通常のサイリスタのトリガー伝導則と一致します。主電極に印加される電圧により、Ｔ１がＴ２に向かって正の極性を有するとき、それは逆電圧と呼ばれ、記号Ｕ１２で表される。この電圧が転換点の電圧値に達すると、図 3 (b) の右側のサイリスタが導通を開始し、このときの電流は I12 で、T1 から T2 の方向に流れます。この時点での双方向サイリスタの特性曲線は、図 4 の第 3 象限に示されています。

4つのトリガー方法

双方向サイリスタの主電極では、順方向電圧、逆方向電圧の印加、トリガー信号の順方向、逆方向に関係なくトリガーして導通できるため、次の 4 つのトリガー方法があります。 １）主電極Ｔ２〜Ｔ１によって印加される電圧が順電圧である場合、制御電極Ｇによって第１電極Ｔ１に印加される電圧も順方向トリガ信号である（図５ａ）。双方向サイリスタが導通を開始した後、電流 I2l の方向は T2 から T1 に流れます。特性曲線から、双方向サイリスタ トリガーの伝導則は第 2 象限の特性に従って実行されることがわかります。トリガー信号は順方向であるため、このトリガーは"第 1 象限フォワードトリガー"またはI+トリガー方式。 (2) 順方向電圧が依然として主電極 T2 に印加されており、トリガー信号が逆方向信号に変更された場合 (図 5b)、双方向サイリスタが導通をトリガーした後、オン状態電流の方向は依然として T2 から T2 に変わります。 T1。このトリガーを"第一象限ネガティブトリガー"またはIトリガー方式。 (3) 2 つの主電極に逆電圧 U12 が印加され (図 5c)、順方向トリガー信号が入力されます。双方向サイリスタがオンすると、T1 から T2 へオン電流が流れます。双方向サイリスタは第 3 象限特性曲線に従って動作するため、このトリガーは Ⅲ+ トリガー方式と呼ばれます。 (4) 2 つの主電極は依然として逆電圧 U12 を印加しており、入力は逆トリガー信号です (図 5d)。双方向サイリスタがオンした後も、T1 から T2 に向かってオン電流が流れます。このトリガーをIIIタッチと呼びます

(4) 2 つの主電極は依然として逆電圧 U12 を印加しており、入力は逆トリガー信号です (図 5d)。双方向サイリスタがオンした後も、T1 から T2 に向かってオン電流が流れます。このトリガーをIIIトリガー方式といいます。双方向サイリスタには上記の 4 つのトリガー方法がありますが、負信号のトリガーに必要なトリガー電圧と電流は比較的小さいです。比較的信頼性の高い作業であるため、ネガティブトリガー方式が広く実用化されています。

5 目的

通常のサイリスタの最も基本的な用途は、制御可能な整流です。よく知られているダイオード整流回路は、制御不能な整流回路に属します。ダイオードをサイリスタに置き換えると、制御可能な整流回路を形成できます。最も単純な単相半波制御可能な整流回路を例にとると、正弦波交流電圧 U2 の正の半サイクル中、VS の制御極がトリガー パルス うぐ を入力しない場合、VS は依然として導通できません。 U2 が正の半サイクルにあり、トリガ パルス うぐ が制御極に印加された場合にのみ、サイリスタがトリガされて導通します。その波形 (c) と (d) を描くと、トリガー パルス うぐ が到着したときにのみ、負荷 RL に電圧 UL が出力されます。 うぐ は早く到着し、サイリスタの導通時間も早くなります。 Ugの到着が遅くなり、サイリスタの導通時間が遅くなりました。トリガパルス うぐ が制御極に到達する時間を変更することにより、負荷の平均出力電圧 UL を調整できます。電気技術では、交流の半周期は電気角として知られる 180 ° に設定されることがよくあります。このように、ゼロからトリガーパルスが到着する瞬間までの U2 の正の各半サイクル中に発生する電気角は制御角 α と呼ばれます。各正の半サイクル内でサイリスタが導通する電気角は導通角 θ と呼ばれます。明らかに、α と θ は両方とも、耐順電圧の半サイクル中のサイリスタの導通または遮断範囲を表すために使用されます。制御角αまたは導通角θを変化させることにより、負荷にかかるパルス直流電圧の平均値ULを変化させることにより、制御可能な整流が実現されます。

1: 低電力のプラスチックでカプセル化された双方向シリコン制御整流器は、音響光学照明システムとして一般的に使用されます。定格電流：IAは2A未満です。

2: 大きい。中電力のプラスチック密封および鉄密封のサイリスタは、電力タイプの制御可能な電圧調整回路として一般に使用されます。可変電圧出力直流電源など

3: 高出力高周波サイリスタは業界で一般的に使用されています。高周波溶解炉など